CN113313713B - 一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统，属于图像处理技术领域，检测方法包括以下步骤：S1、通过选型方法和布局方法选择和安装采集装置，并通过参数计算方法对采集装置进行参数设置；S2、采集极片毛刺图像、调用毛刺检测算法；S3、根据检测结果发出报警信号或者控制信号；S4、判断产线运行状态，调用自动聚焦算法。本发明采用具有极小曝光时间的面阵工业相机，极高亮度的光源，大景深、高倍率的远心镜头，设计了相机、镜头、光源的选型方法和布局方法，通过计算设置相机参数，成倍提高采集帧率，基于图像投影分析的毛刺检测算法，配合自动聚焦，实现极片毛刺的高速在线检测。

Description

一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统。

背景技术

极片制作是制造锂离子动力电池的基础工艺，正极为铜箔两面涂层，负极为铝箔两面涂层，正极极片与负极极片之间通过隔膜分开，极片分切和模切是按电池规格，对经过辊压的电池极片进行分条的工艺，包括五金分、模切和激光分、模切，极片涂层是由层状金属盐颗粒或石油焦等层状碳颗粒组成的复合材料，几乎没有塑性变形能力，当上下圆盘刀或激光高温产生的内应力大于涂层颗粒之间的结合力，涂层产生裂缝并最终拓展分离，此即为极片分切过程，分切后的极片不能出现褶皱、脱粉、毛刺、尺寸偏差；其中如果毛刺的长度超过隔膜的一半，就有可能刺穿隔膜形成正负极间的短路，造成电池安全事故。

根据国标GB31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》B1.2.2.1毛刺检测与控制部分规定，在极片加工过程中，制造商应采取有效的方法对毛刺进行检测，并预防和控制毛刺的产生，生产过程中必须严控毛刺的长度，而现有的检测方法是通过人工观察、手触摸、或人工在显微镜下观测的方式进行抽样检测，这种方式的缺点是效率低、检测结果受检测员的主观因素影响，而且无法全检，频繁的毛刺表明极片质量下降，设备需要换刀或调整参数，严重的毛刺可能会导致电池使用中发生自燃等严重事故。

自动检测毛刺需要通过视觉检测技术来代替人工，但常规的基于线扫相机的视觉检测方案，无法达到在线检测的精度和速度，分析如下：

目前行业的毛刺检测精度5um，产线速度在30m/min到120m/min，为了满足5um的检测精度，设像素精度取p=2.5um/pixel，速度取v=30m/min，如果选用线阵相机，则帧率fps=v/p=200KHz，这基本上是线扫相机行频的极限值了，如果速度达到100m/min，则fps=667KHz，目前尚无线扫相机能达到该行频，无法适用，因此需要研发一种新的锂电池极片毛刺在线检测方法及系统来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统，以解决现有线扫相机无法全检毛刺小于5um的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，包括以下步骤：

S1、通过选型方法和布局方法选择和安装采集装置，并通过参数计算方法对采集装置进行参数设置；所述采集装置包括相机、镜头、光源，所述采集硬件选型方法中，所述相机需支持极短曝光模式，支持设置ROI提高帧率；所述相机ROI的设置方法如下：

设置ROI宽度为图像全画幅宽度，把ROI高度设为200-1000，根据抖动情况，以覆盖极片和毛刺的范围为准；

S2、实时采集极片毛刺图像，通过毛刺检测算法检测毛刺位置，计算毛刺高度；

S3、定时检测产线运行状态，如果检测到产线从停止开始启动，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S4、根据检测结果发出报警信号或者控制信号。

所述步骤S1中通过参数计算方法设置相机的帧率和曝光时间、相机增益,相机采用具有极小曝光时间的面阵工业相机,极高亮度的光源,大景深、高倍率的远心镜头。

所述参数计算方法包括：

通过像素精度计算方法得到像素精度p，公式为：

p=c/x，

其中，相机像元尺寸c(um)、镜头倍率x，像素精度p(um/pixel)；

通过相机帧率计算方法得到相机帧率fps，公式为：

fps=v/(p*w)，

其中，相机宽度w(pixel)，产线速度v(m/min换算为um/s)，相机帧率fps(Hz)；

通过相机曝光时间计算方法得到相机曝光时间t，公式为：

t=c/x/v，

其中，设相机像元尺寸c(um)、镜头倍率x，产线速度v (m/min换算为um/us)，相机曝光时间t(us)，为了达到设定帧率，基于极片为片状的特征，设置相机ROI，使图像高度减少到覆盖极片和毛刺的视野范围即可，从而可成倍提高相机帧率；设置相机的帧率和曝光时间，同时设置相机增益，以达到最佳成像效果；设置相机增益使画面的高亮像素点个数占全部像素个数的比例超过设定比例为准，使高亮像素的灰度值大于设定值。

优选的，所述布局方法中，根据采集极片的纵向毛刺或横向毛刺设置所述相机布局安装位置，使所述相机芯片的宽边与极片的水平轴线平行。

优选的，所述布局方法中，若采集纵向毛刺，则相机光轴和镜头均平行于极片平面，纵向毛刺光源的入射光从极片单侧或左右两侧斜射到极片的拍摄位置，极片拍摄处的照度大于500万lux，以保证相机曝光时间很短时有足够亮度，所述相机和光源分布在极片的同侧或两侧，如果中间箔片高出两侧涂层，可采用背光成像以增强成像效果；如果中间箔片和两侧涂层平齐，因有涂层的遮挡，则采用正光成像，极片拍摄处的照度大于500万lux。

优选的，所述布局方法中，若采集横向毛刺，则相机光轴和镜头均垂直于极片平面，横向毛刺光源包括射出正光的正光源和射出背光的背光源，所述正光源从镜头的同轴入射，所述背光源从极片相对于相机的另一侧入射。

优选的，所述步骤S3中检测的方法包括：

S31、将采集的图像自适应二值化阈值，二值化阈值的确定方法为：计算图像上部的灰度均值，如果小于127则取较小的值，如果大于127则取较大的值；

S32、对步骤S31中处理后的图像，计算水平投影；

S33、计算毛刺的上下边界：根据步骤S32的结果，求水平投影的最大值及其位置，取最大值乘以系数作为自适应阈值，从该位置分别向上、向下寻找投影小于该阈值的行，作为上下边界；

S34、对步骤S31中处理后的图像，在上下边界范围内，计算垂直投影；

S35、根据步骤S34的结果，按设定斜率和步长参数寻找波峰；

S36、在寻找到的波峰的邻域内，计算S34垂直投影的均值；

S37、根据步骤S34的基准，运用亚像素方法，计算波峰高度，作为毛刺高度；若毛刺高度大于设定阈值，则认为该处是毛刺；

S38、判断产线停止：对相邻两帧二值图进行逻辑异或操作，如果白色像素点占比小于设定值，则认为产线停止，否则认为产线运行；

优选的，所述步骤S3中检测的方法还包括：

S39、若检测到产线从停止切换到运行状态，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S40、所述步骤S39中自动聚焦方法：在设定的区间内，软件控制液态镜头按设定的步长依次变焦并拍照，通过FFT算法计算清晰度，选择清晰度最大的位置，作为最佳聚焦位置。

优选的，所述步骤S1之前，根据产线现场情况，架设用于防止采集时抖动的辅助硬件。

优选的，所述辅助硬件的架设方法包括：

若纵向抖动超过镜头景深，则在待检测处加装恒张力控制系统；

若横向抖动超过镜头景深，则在待检测处加装纠偏系统。

一种基于锂电池极片毛刺在线检测方法的系统，包括：

参数计算模块：用于根据产线速度和锂电池毛刺检测标准通过参数计算方法确定采集装置的运行参数；

图像采集模块：用于获取极片毛刺图像；

检测模块：用于将图像采集模块中的图像通过检测方法获得检测结果；

预警模块：用于将检测模块中的检测结果，根据预设模式发送预警信息；

控制模块：用于将检测模块中的检测结果执行打标或控制产线动作；

自动聚焦模块：用于在极片到所述相机的距离变动时，使图像采集模块中采集的成像达到预设值。

本发明的技术效果和优点：该用于锂电池极片毛刺在线检测方法及系统，采用具有极小曝光时间的面阵工业相机，极高亮度的光源，大景深、高倍率的远心镜头，通过设计相机、镜头、光源的选型方法和布局方法，通过计算设置相机参数，成倍提高采集帧率，基于图像投影分析的毛刺检测算法，配合自动聚焦，实现极片毛刺的高速在线检测，解决了现有线扫相机无法实现高速在线全检小于5um的极片毛刺的问题。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中实施例1的流程图；

图3为本发明中实施例2的流程图；

图4为本发明检测横向毛刺的布局示意图；

图5为本发明检测纵向毛刺的布局示意图；

图6为本发明采集的横向毛刺示意图；

图7为本发明采集的分切侧纵向毛刺示意图；

图8为本发明采集的极耳侧纵向毛刺示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、

本发明提供了如图1所示的一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，包括以下步骤：

S1、通过选型方法和布局方法选择和安装采集装置，并通过参数计算方法对采集装置进行参数设置；所述采集装置包括相机、镜头、光源，所述采集硬件选型方法中，所述镜头包括纵向毛刺镜头和横向毛刺镜头；所述相机ROI的设置方法如下：

设置ROI宽度为图像全画幅宽度，把ROI高度设为200-1000，根据抖动情况，以覆盖极片和毛刺的范围为准；ROI（region of interest），感兴趣区域，本实施例中，设置相机ROI，提高相机帧率，方法如下：ROI宽度为图像宽度，把ROI高度设为200-1000，根据抖动情况，以覆盖极片和毛刺的范围为准,假设相机原始高度为2000，如果把ROI高度设为500，则帧率可提高约4倍，面阵相机的接口包括千兆网、USB3.0、万兆网、CXP，根据产线速度选择合适的接口，再通过设置相机ROI方式来提高相机帧率，可满足从低速到高速的场景；

S2、实时采集极片毛刺图像，通过毛刺检测算法检测毛刺，计算毛刺高度；

S3、定时检测产线运行状态，如果检测到从停止开始启动，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S4、根据检测结果发出报警信号或者控制信号；

架设辅助硬件：如果纵向抖动超过镜头景深，则在产品待检测处附近通过加装恒张力控制系统，以减少纵向抖动；如果横向抖动超过镜头景深，则在产品待检测处附近加装纠偏系统，以减少横向抖动；如果安装空间不足，安装棱镜实现光路转向；

根据产线速度和锂电池毛刺检测标准，通过硬件选型方法来选择相机、镜头和光源，并通过布局方法来安装相机、镜头和光源；相机选型方法：为了满足最小毛刺尺寸5um，在线检测速度在20m/min以上，最高达100m/min以上，选择全局曝光的COMS芯片的面阵工业相机，像素精度小于2.5um，像元尺寸小于4.8um，最小曝光时间小于8us，计算方法为，2.5um/20m/min=2.5um/0.333um/us=7.5us，相机芯片需满足帧率与ROI高度在400以上时关系满足接近线性关系；设置相机增益通过自动或手动调节，以画面的高亮像素点个数占全部像素个数的比例超过设定比例为准，高亮像素判断准则为该像素的灰度值大于设定值；

本实施例中相机布局原则：相机的镜头轴线与极片的水平轴线垂直，相机芯片的的宽边与极片的水平轴线平行，宽边与极片运动方向一致，以保证减少ROI的高度时不影响拍摄到极片和毛刺；本实施例中，相机设有第一相机、第二相机，镜头设置有安装在第一相机上的第一镜头、安装在第二相机上的第二镜头，光源设置有安装在第一镜头内的第一光源、安装在第二镜头内的第三光源，对于纵向毛刺，镜头选择2倍率远心镜头，解析度小于5um，以保证像素精度小于2.5um；对于纵向毛刺，光源采用高亮度的外置光纤点光源，通过光纤导光束，把入射光从产品单侧或左右两侧斜射到极片的拍摄位置，产品拍摄处的照度在500万lux以上，以保证相机曝光时间很短时有足够亮度，对于横向毛刺，镜头采用2倍率同轴远心镜头，解析度小于5um，以保证像素精度小于2.5um，对于横向毛刺，光源采用两个点光源，本实施例中，正光源和背光源，正光源从镜头的同轴入射，背光源置于产品相对于相机的另一侧；

在检测软件中通过参数计算方法设置相机参数、算法参数；设相机像元尺寸c(um)、镜头倍率x，像素精度p(um/pixel)，公式为：

p=c/x，

比如，c=3.45um，x=2，则p=1.725um/pixel；

设相机宽度w(pix)，产线速度v(m/min换算为um/s)，相机帧率fps(Hz)，公式为：

fps=v/(p*w)，

比如，p=1.725um/pix，w=2448pix，v=30m/min，则fps=118.4Hz；

通常相机的全画幅帧率远小于该值，为了达到设定帧率，基于极片为片状的特征，设置相机ROI，使图像高度减少到覆盖极片和毛刺的视野范围即可，从而可成倍提高相机帧率；

设相机像元尺寸c(um)、镜头倍率x，产线速度v (m/min换算为um/us)，相机曝光时间t(us)，公式为：

t=c/x/v，

比如，c=3.45um，x=2，v=30m/min，则t=3.45us；

根据上述计算结果，设置相机的帧率和曝光时间，同时设置相机增益，以达到最佳成像效果；

通过实时采集图像，调用图像投影算法检测毛刺；根据检测结果，如果检测到毛刺，进行声光报警，或控制打标，或控制产线暂停等动作；

在本实施例中，图像中横向毛刺为黑色凸出点，纵向毛刺偏白色凸出点，如图6、图7、图8所示，采用基于图像投影算法来进行毛刺检测；

本实施例中，通过检测极片的横向毛刺具体说明，流程步骤如图2所示，架设方案如图4所示，检测精度5um，检测速度50m/min，具体包括如下步骤：

本实施例中，相机选择面阵相机，型号为basler acA2440-75um，接口USB3.0，像元尺寸3.45um，分辨率2448x2048，最小曝光时间1us，全局曝光；选择2倍率同轴远心镜头，工作距离65mm；选择3W点光源2个；相机光轴垂直极片平面，宽度方向平行极片运动方向，一个光源通过同轴打正光，一个光源作为背光；像素精度p=1.725um，满足检测精度要求；本实施例中，相机设有第三相机、第四相机，镜头设置有安装在第三相机上的第三镜头、安装在第三相机上的第三镜头，光源设置有第三光源、第四光源；

运动速度v=50m/min=833,333um/s，像元尺寸c=3.45um，倍率x=2，w=2448，此时像素精度p=c/2=1.725um/pixel，帧率fps=v/(p*w)=197.34，曝光时间t=c/x/v=3.45us；设置相机ROI的高度为698，帧率可达222.37帧，可以满足帧率要求；设置相机帧率198，曝光时间3us，增益250，可以满足亮度要求；采用基于投影算法来进行毛刺检测，具体包括如下步骤：

S31、将采集的图像自适应二值化阈值，二值化阈值的确定方法为：计算图像上部的灰度均值，如果小于127则取较小的值，如果大于127则取较大的值；

S32、对步骤S31中处理后的图像，计算水平投影；

S33、计算毛刺的上下边界：根据步骤S2的结果，求水平投影的最大值及其位置，取最大值乘以系数作为自适应阈值，从该位置分别向上、向下寻找投影小于该阈值的行，作为上下边界；

S34、对步骤S31中处理后的图像，在上下边界范围内，计算垂直投影；S35、根据步骤S34的结果，按设定斜率和步长参数寻找波峰；

S36、在寻找到的波峰的邻域内，计算S34垂直投影的均值；

S37、根据步骤S34的基准，运用亚像素方法，计算波峰高度，作为毛刺高度；若毛刺高度大于设定阈值，则认为该处是毛刺；

S38、判断产线停止：对相邻两帧二值图进行逻辑异或操作，如果白色像素点占比小于设定值，则认为产线停止，否则认为产线运行；

S39、若检测到产线从停止切换到运行状态，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S40、所述步骤S39中自动聚焦方法：在设定的区间内，软件控制液态镜头按设定的步长依次变焦并拍照，通过FFT算法计算清晰度，选择清晰度最大的位置，作为最佳聚焦位置。

一种基于锂电池极片毛刺在线检测方法的系统，包括：

参数计算模块：用于根据产线速度和锂电池毛刺检测标准通过参数计算方法确定采集装置的运行参数；

图像采集模块：用于获取极片毛刺图像；

检测模块：用于将图像采集模块中的图像通过基于投影算法的检测方法获得检测结果；

预警模块：用于将检测模块中的检测结果，根据预设模式发送预警信息；

自动聚焦模块：用于在极片到所述相机的距离变动时，使图像采集模块中采集的成像达到预设值；

控制模块：用于将检测模块中的检测结果执行打标或控制产线动作。

实施例2、

与实施例1不同的是，本实施例中，检测极片的纵向毛刺，检测流程如图3所示，架设方案如图5所示，检测精度5um，检测速度100m/min，具体包括如下步骤：

在产品待检测处附近加装纠偏系统，以减少横向抖动；

本实施例中，相机选择面阵相机，型号为baumer VLXT-31M.I，接口万兆网口，像元尺寸3.45um，分辨率2048x1536，最小曝光时间1us，全局曝光；选择2倍率非同轴远心镜头，工作距离65mm；选择双头光纤点光源；相机光轴平行极片平面，宽度方向平行极片运动方向，两个个光纤头分别部署在极片两侧对射在拍摄位置；像素精度p=1.725um，满足检测精度要求；

运动速度v=100m/min=1666,667um/s，像元尺寸c=3.45um，倍率x=2，w=2048，此时像素精度p=c/2=1.725um/pixel，帧率fps=v/(p*w)=471.77，曝光时间t=c/x/v=1.03us；设置相机ROI的高度为698，帧率可达475帧，可以满足帧率要求；设置相机曝光时间1us，增益360，可以满足亮度要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、通过选型方法和布局方法选择和安装采集装置，并通过参数计算方法对采集装置进行参数设置；所述采集装置包括相机、镜头和光源，相机的ROI设置方法如下：

设置ROI宽度为图像全画幅宽度，把ROI高度设为200-1000，根据抖动情况，以覆盖极片毛刺的范围为准；

S2、实时采集极片毛刺图像，通过毛刺检测算法检测毛刺位置，计算毛刺高度；

S3、定时检测产线运行状态，如果检测到从停止开始启动，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S4、根据检测结果发出报警信号或者控制信号，步骤S3中，检测的方法包括：

S31、将采集的图像自适应二值化阈值，所述二值化阈值的确定方法为：计算图像上部的灰度均值，如果灰度均值小于127，则取较小的值，如果灰度均值大于127则取较大的值；

S32、对步骤S31中处理后的图像，计算水平投影；

S33、计算毛刺的上下边界：根据步骤S32的结果，求水平投影的最大值及其位置，取最大值乘以系数作为自适应阈值，从该位置分别向上、向下寻找投影小于该阈值的行，作为上下边界；

S34、对步骤S31中处理后的图像，在上下边界范围内，计算垂直投影；

S35、根据步骤S34的结果，按设定斜率和步长参数寻找波峰；

S36、在寻找到的波峰的邻域内，计算步骤S34垂直投影的均值；

S37、根据步骤S34的基准，运用亚像素方法，计算波峰高度，作为毛刺高度；若毛刺高度大于设定阈值，则认为该处是毛刺；

S38、判断产线停止：对相邻两帧二值图进行逻辑异或操作，若白色像素点占比小于设定值，则认为产线停止，否则认为产线运行；

S39、若检测到产线从停止切换到运行状态，则通过液态镜头执行一次自动聚焦；

S40、所述步骤S39中自动聚焦方法：在设定的区间内，软件控制液态镜头按设定的步长依次变焦并拍照，通过FFT算法计算图像清晰度，选择清晰度最大的位置，作为最佳聚焦位置，所述布局方法中，根据采集极片的纵向毛刺或横向毛刺设置所述相机布局安装位置，使所述相机芯片的宽边与极片的水平轴线平行，所述布局方法中，若采集纵向毛刺，则相机光轴和镜头均平行于极片平面，纵向毛刺光源的入射光从极片单侧或左右两侧斜射到极片的拍摄位置，所述布局方法中，若采集横向毛刺，则相机光轴和镜头均垂直于极片平面，横向毛刺光源包括射出正光的正光源和射出背光的背光源，所述正光源从镜头的同轴入射，所述背光源从极片相对于相机的另一侧入射，所述选型方法包括选择全局曝光的COMS芯片的面阵工业相机，像素精度小于2.5um，像元尺寸小于4.8um，最小曝光时间小于8us。

2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，其特征在于：步骤S1中，通过参数计算方法设置相机的帧率和曝光时间、相机增益，所述参数计算方法包括：

通过像素精度计算方法得到像素精度p，公式为：

p=c/x，

其中，相机像元尺寸c、镜头倍率x，像素精度p；

通过相机帧率计算方法得到相机帧率fps，公式为：

fps=v/(p*w)，

其中，相机宽度w，产线速度v，相机帧率fps；

通过相机曝光时间计算方法得到相机曝光时间t，公式为：

t=c/x/v，

其中，设相机像元尺寸c、镜头倍率x，产线速度v，相机曝光时间t；

设置相机增益，使画面的高亮像素点个数占全部像素个数的比例超过设定比例为准，使高亮像素的灰度值大于设定值。

3.根据权利要求1中所述的一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，其特征在于：步骤S1之前，根据产线现场情况，架设用于防止采集时抖动的辅助硬件。

4.根据权利要求3所述的一种用于锂电池极片毛刺在线检测方法，其特征在于：所述辅助硬件的架设方法包括：

若纵向抖动超过镜头景深，则在待检测处加装恒张力控制系统；

若横向抖动超过镜头景深，则在待检测处加装纠偏系统。

5.一种基于权利要求1所述锂电池极片毛刺在线检测方法的系统，其特征在于：包括：

参数计算模块，用于根据产线速度和锂电池毛刺检测标准通过参数计算方法确定采集装置的运行参数；

图像采集模块，通过采集装置获取极片毛刺图像；

检测模块，用于将图像采集模块中的图像通过检测方法获得检测结果；

预警模块，用于将检测模块中的检测结果，根据预设模式发送预警信息；

控制模块，用于将检测模块中的检测结果执行打标或控制产线动作；

自动聚焦模块：用于在极片到所述相机的距离变动时，使图像采集模块中采集的成像达到预设值。

Images