CN108860883B - 电池极片高速高精度贴标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池极片贴标系统，其包括极片表面信息获取单元、极片贴标单元、控制单元以及速度传感器。其中，通过获取极片表面的高度分布信息来确定极片表面的尺寸、外观缺陷及其位置。在贴标时，能够同时进行标签剥离操作和贴标操作，且借助被动产生的真空吸附力实现标签与标签带的分离，通过气动方式实现贴标操作。

Description

电池极片高速高精度贴标系统

技术领域

本发明涉及分选领域，更具体地涉及电池极片的贴标系统。

背景技术

电池作为需求量极大的产品，其质量高低在生产环节中具有重要意义。电池在生产过程中会因生产工艺不足或者其他偶然因素产生一些次品，导致出现次品的原因可能包括存在外观缺陷，这些外观缺陷包括划痕、凹点、尖刺等等。因此，在电池极片的生产过程中，会设置检测设备对产品的表面外管或者产品本身的形状进行检测，然后需要贴标机构在极片高速运动环境下完成缺陷位置的贴标动作。

现有的贴标机构为了保障一定的贴标精度，其能够提供的贴标速度有限，往往只能在电池极片不超过40m/min的速度下才能实现贴标动作，且贴标精度只能做到±20mm，且只能在连续并匀速的情况下才能实现此精度，这对电池极片的产能造成了极大的限制。

发明内容

本发明公开了一种电池极片贴标系统，其包括极片表面信息获取单元、极片贴标单元、控制单元以及速度传感器。所述极片表面信息获取单元被配置成获取所述极片表面的高度分布信息。所述速度传感器设置在所述极片表面信息获取单元处，用于获取所述极片朝向所述极片贴标单元运动的速度。所述控制单元被配置成接收所述高度分布信息，根据所述高度分布信息确定所述极片表面的尺寸，并且识别所述极片表面上的外观缺陷及其位置，以及接收所述速度传感器输出的所述极片的运动速度，并且根据所述运动速度确定所述极片到达所述极片贴标单元的时间。所述极片贴标单元被配置成能够同时进行标签与标签条分离的操作和使标签贴附在所述极片表面上的操作，其中：所述标签与标签条分离的操作是借助真空吸附力实现的，并且所述真空吸附力通过所述极片贴标单元与所述标签条的接触作用形成；所述使标签贴附在所述极片表面上的操作是非接触式的。

进一步地，所述极片表面信息获取单元包括红外光发射器和红外光摄像头，其中所述高度分布信息为二维的高度分布图像，所述高度分布图像中像素点的灰度值与所述极片表面上对应于所述像素点的位置高度值有关。

进一步地，所述控制单元包括图像增强处理模块和极片表面识别模块，其中：所述图像增强处理模块用于对所述高度分布图像进行滤波和差分处理以提供图像增强处理；所述极片表面识别模块用于基于所述经图像增强处理的所述高度分布图像确定所述极片表面的尺寸和识别所述极片表面上的缺陷及其位置。

进一步地，在所述极片表面识别模块中，所述极片表面的尺寸是根据边界阈值来确定的，其中所述边界阈值是通过所述极片的厚度在所述高度分布图像上对应的灰度值差与用于所述高度分布图像的拍摄距离之间的映射表来获取的。

进一步地，在所述极片表面识别模块中，对所述极片表面的所述高度分布图像中的灰度值进行归一化处理；并且根据最佳阈值k_optimum从所述极片表面的所述高度分布图像中确定所述极片表面上的缺陷及其位置，所述最佳阈值k_optimum是使类间方差σ_B出现最大值的k值，所述类间方差σ_B满足以下关系式：

σ² _B＝ω₀ω₁(μ₀(k)-μ₁(k))²；

其中，所述极片表面的所述高度分布图像中的像素点根据所述灰度值分为两个像素群C₀和C₁，所述像素群C₀包括所述灰度值为(0，k) 的所述像素点，所述像素群C₁包括所述灰度值为(k+1，L-1)的所述像素点；所述μ₀(k)和μ₁(k)分别表示所述像素群C₀和C₁的平均灰度值；代表像素群C₀的像素出现概率；ω₁(k)＝1-ω₀(k)，其代表所述像素群C₁的像素出现概率；P_i＝n_i/N，其表示灰度值为i的像素出现概率，n_i为灰度值为i的像素的数量，N为所述极片表面的所述高度分布图像中的像素总数；其代表所述极片表面的所述高度分布图像的总灰度平均值。

进一步地，所述极片贴标单元包括供料部和气动部，其中，所述供料部用于将所述标签带供给所述气动部；所述气动部包括高压气源、转盘和多个真空吸附件，并且所述多个真空吸附件通过中空连接杆沿所述转盘圆周方向均匀间隔地连接于所述转盘上，所述转盘通过变速箱由电机带动，进而带动所述真空吸附件旋转，所述高压气源借助高压气路与所述真空吸附件形成气体连接。

进一步地，所述真空吸附件由弹性材料制成，且包括真空吸盘层和真空室层，其中所述真空吸盘层包括多个均匀分布的真空吸盘，所述真空吸盘与所述真空室层中的真空室形成气体连接；所述真空室通过两位三通电磁阀分别连接所述高压气道和排气道，所述排气道通过单向阀与大气连接。

进一步地，所述控制单元被设置成：当所述真空吸附件与所述标签带发生紧密接触时，控制与所述真空吸附件对应的所述电磁阀使得所述真空室与排气道连通；当有缺陷的所述极片经过所述极片贴标单元时，使所述真空吸附件中一个面对所述极片的表面，并控制与所述一个真空吸附件对应的电磁阀使得所述真空室与所述高压气道连通。

优选地，所述真空吸盘为倒圆锥形，且所述真空吸盘的开口直径为3-4cm；并且，当所述真空吸附件面对所述极片的表面时，所述真空吸盘与所述极片的表面之间的距离为6-10cm。

进一步地，所述真空吸附件中设置有起振组件，所述起振组件包括微型电机、偏心轮和传动杆，其中所述传动杆一端连接所述偏心轮且另一端固定于所述真空吸盘层中。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的电池极片贴标系统的一种极片贴标单元结构；

图2示意性地示出了根据本发明的电池极片贴标系统的另一极片贴标单元的气动部；以及

图3示意性地示出了图2所示气动部的真空吸附件结构。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

本发明的电池极片贴标系统包括极片表面信息获取单元、极片贴标单元和控制单元。

申请人注意到，极片表面上的外观缺陷通常涉及划痕、凹点、尖刺等，这些缺陷都会引起极片表面上的意外起伏，因此，可以尝试根据极片表面高度的变化来判断这些缺陷的存在及类型，从而替代现有技术中借助极片表面图像直接根据缺陷引起表面反射光强变化来判断缺陷存在的缺陷检测方案。

因此，在本发明中，极片表面信息获取单元用于获取极片表面的高度分布信息，而非极片表面的反光光强信息。具体而言，极片表面信息获取单元可以包括红外光发射器和红外光摄像头，其中，可以通过方波调制红外光发射器发出的红外光，通过相位检测获得发射光和经极片表面反射后的光的相位偏移和衰减，计算出光从发射器到极片表面然后再回到摄像头的飞行时间，根据光的往返飞行时间得到极片表面到摄像头的距离，由此获得极片表面的高度分布图像。

本领域技术人员容易理解，该高度分布图像为二维图像，其中各个像素点的灰度值与该像素点所对应的极片表面位置处的高度值有关。

控制单元可以用于接收和处理极片表面信息获取单元输出的高度分布图像，并据此确定极片表面尺寸和识别表面缺陷及其位置。具体地，控制单元可以包括图像增强处理模块和极片表面识别模块。

在图像增强处理模块中，可以对接收到的原始高度分布图像进行滤波和差分处理以对图像进行增强处理。

极片表面识别模块用于确定极片表面尺寸和识别表面缺陷及其位置。由于极片存在一定厚度，因此极片表面与极片支撑面(例如传送带表面)存在一定距离，这里距离在高度分布图像上则反应为灰度值差。对于高度分布图像而言，高度分辨率与拍摄距离有关，拍摄距离越大，则高度分辨率越低，因此，为了能够容易地将极片表面与极片支撑面区分开，考虑到极片的通常厚度范围，拍摄距离优选可以在 0.6-0.8m之间。通过预先标定获得极片厚度在高度分布图像上对应的灰度值差与拍摄距离之间的映射表，可以确定已知拍摄距离下用于在高度分布图像上确定极片表面边界的灰度值差(即边界阈值)。在极片表面识别模块中，可以根据该边界阈值快速确定高度分布图像上对应极片表面的区域，由此获得极片表面的高度分布图像，以及极片的二维尺寸。

在此基础上，极片表面识别模块还可以快速地识别表面缺陷及其位置。在表面缺陷识别中，首先要对极片表面的高度分布图像中的高度数值(即灰度值)进行归一化处理；随后，通过找到最佳阈值k_optimum基于高度值将高度分布图像数据点进行分类。具体而言，将归一化高度分布图像中各像素点的灰度分为L级，计算灰度为i级 (i＝0,1,…,L-1)的像素点的数量n_i，相应地，高度分布图像中的像素点总数N＝n₀+n₁+…+n_L-1。接着，计算图像中灰度为i级的像素点的概率P_i＝n_i/N，以及该图像的总的灰度平均值

根据灰度(高度)阈值k将像素点分为两类像素群C₀和C₁，其中像素群C₀包括灰度级从0至k的像素点，像素群C₁包括灰度级从k+1 至L-1的像素点，并根据以下公式计算像素群C₀和C₁的灰度均值μ₀(k) 和μ₁(k)：

μ₀(k)＝μ(k)/ω₀(k)

其中：代表像素群C₀的像素出现概率；ω₁(k)＝ 1-ω₀(k)，代表像素群C₁的像素出现概率；

最后，利用下列公式计算两类像素群之间的类间方差σ_B：

σ² _B＝ω₀ω₁(μ₀(k)-μ₁(k))²。

由此计算出使类间方差σ_B出现最大值的分类阈值k，即为最佳阈值k_optimum。

利用最佳阈值k_optimum区分出高度分布图像中的高度异常的像素点，这些异常像素点通常对应于划痕、凹点、尖刺等外观缺陷，同时还能根据异常像素点的坐标容易地确定这些缺陷在极片表面的相对位置。

在本发明的极片表面识别模块中，由于缺陷识别过程限制在极片表面的高度分布图像中进行，因此运算量得到了减少，同时运算精度也得到了提高，从而能够高速、高精度地完成极片表面缺陷的识别和定位。

沿着极片的传送方向，极片贴标单元可以被设置在极片表面信息获取单元下游预设距离处。在本发明中，还在极片表面信息获取单元附近设置有速度传感器，以获取当前极片朝向极片贴标单元运动的速度。控制单元根据该速度信息计算极片到达极片贴标单元的时间，并根据极片表面信息获取单元对极片表面进行检测的结果控制极片贴标单元对该极片的贴标动作。

图1示出了极片贴标单元的一种结构，其主要包括伺服电机、压紧气缸、进料轮、收料轮、出标口和前后调节丝杆。如图所示，在该结构中，借助机械动作实现标签的剥离和施加，其在贴标速度和效率上存在一定局限性。

为此，本发明还提出了一种极片贴标单元的优选结构，其在图1 所示结构的基础上对标签的剥离和施加部件进行了改进，以借助气动动作实现标签的无接触式剥离和施加。

根据本发明，优选的极片贴标单元可以包括供料部和气动部，其中：供料部用于将标签带供给气动部；气动部用于将标签从标签带上剥离，以及将标签施加到极片表面上，从而完成贴标动作。

正如前面所述，本发明的供料部可以采用如图1所示的现有技术的供料结构，例如包括伺服电机、进料轮、收料轮、调节丝杆等部件，本文中不对其进行赘述。

图2示出了本发明的气动部的结构示意图。如图所示，气动部可以包括高压气源、转盘和真空吸附件，其中：多个真空吸附件通过中空连接杆沿转盘圆周方向均匀间隔地连接于转盘上；电机通过变速箱带动转盘旋转运动，进而带动真空吸附件旋转；高压气源借助气路经由转盘和中空连接杆与真空吸附件形成气体连接。

图3示出了真空吸附件的结构示意图。如图所示，真空吸附件由弹性材料(例如橡胶)制成，其包括真空吸盘层和真空室层。真空吸盘层包括多个均匀分布的真空吸盘，真空吸盘与真空室层中的真空室形成气体连接。真空室通过两位三通电磁阀分别连接高压气道和排气道，其中，高压气道与高压气源连接，排气道通过单向阀与大气连接。

在工作过程中，随着转盘的旋转运动，真空吸附件与供料部上的标签带发生紧密接触，控制单元控制与该真空吸附件对应的电磁阀使得真空室层中的真空室与排气道连通。真空吸盘和真空室层在便签带的接触作用之下受到挤压，真空吸盘和真空室层的体积变小，吸盘和真空室内的空气通过排气道被排入大气；随着转盘进一步转动，真空吸附件与标签带之间的接触程度逐渐变弱，真空吸盘和真空室层受到的挤压力变小，其形变逐渐变小，体积逐渐恢复增大，由于排气道中单向阀的设置，真空吸盘和真空室内的空气得不到补充，因此在真空吸盘和真空室内形成负压，进而在真空吸盘和标签之间形成真空吸附力，借助这种真空吸附力将标签从标签带上剥离。

本领域技术人员容易理解，真空吸附件中的真空吸盘数量可以例如根据将标签从标签带剥离所需要的吸附力来确定。

控制单元通过控制转盘的转速，使得当带有缺陷的极片经过极片贴标单元时，转盘中的某个真空吸附件正好面对该极片表面。此时，控制单元控制与该真空吸附件对应的电磁阀使得真空室层中的真空室与高压气道连通，高压气源中的高压气体进入真空吸附件并经由真空吸盘向外喷射，吸附于真空吸盘层表面的标签在喷射气流在作用下被施加到极片表面上，从而完成对该缺陷极片的贴标动作。

在本发明中，为了提供方向更为稳定的喷射气流，真空吸附件中的真空吸盘的形状可以采用倒圆锥形，且开口尺寸不能过大，例如开口直径优选在3-4cm之间；此外，真空吸盘与极片表面之间的距离也不能过大，在本发明中，该距离优选为6-10cm。

申请人还注意到，由于对真空吸盘形状和开口尺寸的限制，会导致每个真空吸盘在标签剥离过程中所能提供的吸附力有限，从而影响剥离效率。为此，本发明还在真空吸附件中设置有起振组件。该起振组件可以包括微型电机、偏心轮和传动杆，传动杆一端连接偏心轮，另一端固定于真空吸盘层中。当真空吸盘与标签形成紧密接触时，微型电机开始工作驱动偏心轮旋转，偏心轮带动传动杆上下微小振动，通过这种微小振动促进标签与标签带之间的剥离，从而提高剥离效率。

上述优选的极片贴标单元结构相对于现有技术至少可以具有以下优点：1、借助真空吸盘层、真空室层、电磁阀、单向阀和排气道实现的被动式标签气动剥离过程，避免了传统机械剥离方式对标签造成的破坏，同时与传统气动方式相比，其巧妙地借助真空吸盘层与标签带的接触被动地形成真空吸附力，避免了现有技术中通过设置真空泵来提供真空吸附力而造成气动结构的复杂性，大大简化了气动部的结构，降低了设备制造和运行成本。同时，由于起振组件的设置，使得剥离效率得到进一步提高。2、由于起振组件的设置，使得能够采用较小尺寸的真空吸盘，从而提供方向稳定的喷射气流，使得贴标效率和准确性得到进一步提高。同时，由于采用气动方式进行贴标动作且气动过程通过电磁阀控制，因此，可以提供更高的贴标速度。3、借助转盘结构，标签剥离过程和贴标过程可以同时在不同的真空吸附件上实施，因此，可以通过设置多个供料部以便同时向不同的真空吸附件提供标签，以满足高速贴标要求。4、转盘的转动通过变速箱与电机进行机械连接，使得转盘的转速具有可调节性，从而能够满足变速贴标的需求。

可选地，在本发明的贴标系统中还可以包括打印单元，其可以将控制单元获得的极片表面缺陷类型和位置信息打印在标签上，使得贴在缺陷极片表面上的标签能够直观地反应出该极片表面的缺陷相关信息。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种电池极片贴标系统，其包括极片表面信息获取单元、极片贴标单元、控制单元以及速度传感器，其特征在于：

所述极片表面信息获取单元被配置成获取所述极片表面的高度分布信息；

所述速度传感器设置在所述极片表面信息获取单元处，用于获取所述极片朝向所述极片贴标单元运动的速度；

所述控制单元被配置成接收所述高度分布信息，根据所述高度分布信息确定所述极片表面的尺寸，并且识别所述极片表面上的外观缺陷及其位置，以及接收所述速度传感器输出的所述极片的运动速度，并且根据所述运动速度确定所述极片到达所述极片贴标单元的时间；以及

所述极片贴标单元被配置成能够同时进行标签与标签条分离的操作和使标签贴附在所述极片表面上的操作，其中：所述标签与标签条分离的操作是借助真空吸附力实现的，并且所述真空吸附力通过所述极片贴标单元与所述标签条的接触作用形成；所述使标签贴附在所述极片表面上的操作是非接触式的；所述极片表面信息获取单元包括红外光发射器和红外光摄像头，其中所述高度分布信息为二维的高度分布图像，所述高度分布图像中像素点的灰度值与所述极片表面上对应于所述像素点的位置高度值有关；所述控制单元包括图像增强处理模块和极片表面识别模块，其中：所述图像增强处理模块用于对所述高度分布图像进行滤波和差分处理以提供图像增强处理；所述极片表面识别模块用于基于所述经图像增强处理的所述高度分布图像确定所述极片表面的尺寸和识别所述极片表面上的缺陷及其位置；在所述极片表面识别模块中，所述极片表面的尺寸是根据边界阈值来确定的，其中所述边界阈值是通过所述极片的厚度在所述高度分布图像上对应的灰度值差与用于所述高度分布图像的拍摄距离之间的映射表来获取的；在所述极片表面识别模块中，对所述极片表面的所述高度分布图像中的灰度值进行归一化处理；并且根据最佳阈值k_optimum从所述极片表面的所述高度分布图像中确定所述极片表面上的缺陷及其位置，所述最佳阈值k_optimum是使类间方差σ_B出现最大值的k值，所述类间方差σ_B满足以下关系式：

σ² _B＝ω₀ω₁(μ₀(k)-μ₁(k))²；

μ₀(k)＝μ(k)/ω₀(k)，

其中，所述极片表面的所述高度分布图像中的像素点根据所述灰度值分为两个像素群C₀和C₁，所述像素群C₀包括所述灰度值为(0，k)的所述像素点，所述像素群C₁包括所述灰度值为(k+1，L-1)的所述像素点；所述μ₀(k)和μ₁(k)分别表示所述像素群C₀和C₁的平均灰度值；代表像素群C₀的像素出现概率；ω₁(k)＝1-ω₀(k)，其代表所述像素群C₁的像素出现概率；P_i＝n_i/N，其表示灰度值为i的像素出现概率，n_i为灰度值为i的像素的数量，N为所述极片表面的所述高度分布图像中的像素总数；其代表所述极片表面的所述高度分布图像的总灰度平均值。

2.如权利要求1所述的电池极片贴标系统，其特征在于：所述极片贴标单元包括供料部和气动部，其中，所述供料部用于将所述标签条供给所述气动部；所述气动部包括高压气源、转盘和多个真空吸附件，并且所述多个真空吸附件通过中空连接杆沿所述转盘圆周方向均匀间隔地连接于所述转盘上，所述转盘通过变速箱由电机带动，进而带动所述真空吸附件旋转，所述高压气源借助高压气路与所述真空吸附件形成气体连接。

3.如权利要求2所述的电池极片贴标系统，其特征在于：所述真空吸附件由弹性材料制成，且包括真空吸盘层和真空室层，其中所述真空吸盘层包括多个均匀分布的真空吸盘，所述真空吸盘与所述真空室层中的真空室形成气体连接；所述真空室通过两位三通电磁阀分别连接高压气道和排气道，所述排气道通过单向阀与大气连接。

4.如权利要求3所述的电池极片贴标系统，其特征在于，所述控制单元被设置成：当所述真空吸附件与所述标签条发生紧密接触时，控制与所述真空吸附件对应的所述电磁阀使得所述真空室与排气道连通；当有缺陷的所述极片经过所述极片贴标单元时，使所述真空吸附件中一个面对所述极片的表面，并控制与所述一个真空吸附件对应的电磁阀使得所述真空室与所述高压气道连通。

5.如权利要求4所述的电池极片贴标系统，其特征在于：所述真空吸盘为倒圆锥形，且所述真空吸盘的开口直径为3-4cm；并且，当所述真空吸附件面对所述极片的表面时，所述真空吸盘与所述极片的表面之间的距离为6-10cm。

6.如权利要求5所述的电池极片贴标系统，其特征在于，所述真空吸附件中设置有起振组件，所述起振组件包括微型电机、偏心轮和传动杆，其中所述传动杆一端连接所述偏心轮且另一端固定于所述真空吸盘层中。