一种基于CCD,的卷绕机对齐度测量补偿方法

罗小军，孙高磊

（广东拓斯达科技股份有限公司，广东东莞）

锂电池做为新能源汽车主要动力来源[1]，随着新能源车的普及率越来越高，需求每年增长，使用量呈现指数级增长，但相应的安全问题也凸显出来，每年都有新能源汽车和电动车出现自燃现象，对锂电池的生产过程把控和设备要求提出了新的需求。卷绕机和叠片机是目前锂电池生产的必不可少的制程设备，设备的稳定性直接决定锂电池成品的质量。在锂电池的生产过程中，对齐度检测方法[2]（overhang）是一项非常重要的检测项目，是评判锂电安全性的重要指标。本文设计的CCD 检测自动补偿方法，能够有效地提升锂电池生产过程中每层极片的对齐度精度，有效提升了锂电池的安全系数，降低电池自燃风险。

单层电芯产品由下隔膜、阳极、上隔膜和阴极组成。动力电池通过卷绕将多层电芯卷绕形成。卷绕电芯时，隔膜先卷一圈后，阳极入卷，在阳极卷入大半圈后，阴极入卷，当卷绕到倒数第二层时，先切断阴极，后切断阳极，继续卷绕半圈后切断隔膜，完成卷绕过程。

其单层组成如图1 所示。因为通过卷绕方式成型，在生产过程中，相邻两层之间必然存在偏移，如果偏移无法控制，会导致阳极和阴极接触从而短路自燃。

图1 电芯单层示意

2.1 硬件系统设计

卷绕工位视觉检测使用了四个面阵相机，以A 面机台为例如图2 所示（B 面机台与之对称）。相机1，2分别负责拍摄阴极外侧和阴极内侧，视野落在极片入卷针前一段。相机3、4 分别负责拍摄阳极外侧和阳极内侧，视野落在卷针上。卷绕过程中，相机每次当卷绕针通过固定位置时发送拍照信号拍照，得到电芯极片边沿图像位置，通过记录每次的位置信息进行判断。

图2 卷绕工位相机布局示意

2.2 检测方法

卷绕工位视觉负责检测OH 是否符合规格，极片入料是否翻折或折角，并将报警信息返还PLC。检测完成后，保留本地数据、NG 图片及相应原图和入料收尾图片。此外，还对所有测量点的料线位置形成趋势图，反应料线波动，方便开机人员调整料线。对于一个完整电芯，视觉检测流程如图3 所示。

图3 卷绕视觉检测流程

因为系统采用FA 镜头进行成像，根据小孔成像原理[3-5]，随着电芯卷绕厚度的变化，最开始标定的相机解析度会跟随变小，从而产生误差。CCD 测量对齐度与二次元设备测量结果差值波动大，对这一问题进行分析。

如图4 所示，电芯卷绕变厚，相机工作距离变化，但解析度没有补偿，导致误差越来越大。

图4 工作距离变化示意

对此情形，以阳极相机为例，利用小孔成像模型进行分析如下。

图5 中：H 为初始工作距离；
hk为第k 层电芯厚度；
δ 为相机镜头法兰距；
O｀1和O｀2为内外相机靶面中心，计算原点；
A1kB1k为第k 层阳极外侧位置，大小为x1k；
A2kB2k为第k 层阳极内侧位置，大小为x2k；
O｀1B｀1k为第k 层阳极外侧投影位置，为x｀1k；
O｀2B｀2k为第k 层阳极内侧投影位置，为x｀2k。

图5 不同电芯层数CCD 测量示意

假设料线波动大小为Δxk，则

对于外侧相机，根据相似三角形得

联立式（3）、式（4）得

记X1k为第k 层阳极外侧CCD 测量值。

若解析度在第一层标定，结果为p，则有：

代入式（5）、式（6）得

对阳极内侧同理可得

由式（1）、式（2）、式（7）、式（8）可得

从式(7)、式(8)可知CCD 测量值与实际值成比例，比例为关于电芯厚度的反比例函数，则补偿值为关于电芯厚度的一次函数。

从式(9)可知补偿值可以通过一次电芯的CCD 测量结果线性回归算出。

因拍照为一层拍两张，每层电芯厚度均匀，那么电芯厚度与拍照次数为线性关系，所以每次拍照检测的补偿系数是关于拍照次数的一次函数，且截距为1。即

综上所述，记补偿系数为kn，n 为拍照次数，则有：

改善后的料线位置和OH 测量如图6、图7 所示。

图6 改善后的计算方法汇总

图7 改善后的测量数据趋势（上- 改善前，下- 改善后）

使用本文CCD 解析度自动补偿的方法，能够有效改善在变厚度测量过程中的误差问题，提高系统的测量精度和相关性。

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