CN115808126B - 一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，包括以下步骤：（1）在锂电池极片输送路线上，设置测厚仪，在锂电池极片输送时，用测厚仪传感器探头对极片进行实时的厚度扫描；（2）对传感器厚度扫描数据进行移动求方差计算，通过对移动方差结果求散点拟合曲线绘制横向坐标对应横向扫描位置的连续波形图，结合波形曲线中的波峰数量，通过做边界判定参数线寻找分割线同每个波峰的交点坐标，所述边界判定参数线为横线分割线，2个交点之间的连线的中点用于定位边界，获得涂布边界。本发明能够基于测厚仪的实时扫描数据，更有依据更准确地实时判定锂电池极片的涂布边界位置。

Description

一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法

技术领域

本发明属于锂电制造中的机器视觉检测领域，具体涉及一种基于机器视觉扫描数据的锂电池极片涂布边界定位方法。

背景技术

锂电池的生产过程相当复杂且敏感，因此如何快速对锂电池的各段生产工序进行层层的质检，成为了锂电高效生产的关键环节。对此，机器视觉以识别、测量、定位、检测四大核心功能，成为锂电池生产装配中的标准配置。针对锂电生产过程中的隔膜、涂布、辊压、分切、模切、卷绕、叠片等工序，机器视觉提供了五花八门的解决方案如面密度检测、尺寸测量、对齐度检测、外观缺陷检测、位置归正和纠偏闭环控制等。

在锂电池极片的涂布生产和滚轧生产两个环节，需要测厚仪对锂电池极片进行实时在线厚度或者重量检测（所需设备为现有的面密度检测仪和激光测厚仪，一下统称为测厚仪），而锂电池极片规格主要分为连续涂布和间歇涂布两种，即空箔留白区域是横向或者竖向的。如图1、2所示，图中深色部分为涂布材料，浅色部分为空箔留白区域。

在锂电池的极片生产产线上检测出来的数据，需要统计涂层部分的有效数据，而整个极片上包含涂层区域和留白区域，两部分区域的数据都会被测厚仪检测出来，但是在数据统计上需要精准将留白区域的数据剔除掉。

由于测厚仪传感器检测光斑较大的原因（目前常用的检测光斑直径都在20mm左右），在传感器扫描极片材料的整个过程中，光斑掠过材料边界的这一段数据都无法保证其检测的准确性，因此在检测数据统计过程中需要把此段的数据剔除。而为保证剔除数据区域的准确性，因此需要准确定位到材料实际边界映射到扫描数据数组中的对应横向位置，再通过映射到的边界位置，以准确将该轮扫描的无效数据剔除。

该问题的难点主要在于以下二点：①电池极片在实际连续生产中会出现左右来回移动的情况，且不同规格以及不同幅宽的极片材料在测厚仪的整个扫面范围内的位置不确定。②对于间歇涂布的电池极片的检测，由于扫描传感器是横向往复循环扫描的，而电池极片同时也在纵向上连续运行，因此传感器每轮扫描过程中所经过的空箔留白区域数量以及位置都是不确定的。结合以上两点原因，都无法通过固定位置定位来进行精准的剔除。

因此，目前行业里主要的剔除手段是采用阈值的方式判定，即只要检测数据到达设定的界限后，就将超出部分数据直接剔除掉，或者是类似该原理的其他变换方式，例如以目标值的百分比作为阈值界限等。此方式只能是从检测数值上判断数据的有效性，但传感器光斑在掠过材料边界时检测曲线是一个缓慢上升的过程，且材料边界处涂层的厚薄情况会直接影响边界点的定位差异，因此阈值判断方式无法实际映射到边界位置，且阈值具体的选定值也无法从原理上确定为何值。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，能够基于测厚仪的实时扫描数据，更有依据更准确地实时判定锂电池极片的涂布边界位置，本发明采用以下技术方案：

一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在锂电池极片输送路线上，设置测厚仪，在锂电池极片输送时，用测厚仪传感器探头对极片进行实时的厚度扫描；

（2）对传感器厚度扫描数据进行移动求方差计算，通过对移动方差结果求散点拟合曲线绘制横向坐标对应横向扫描位置的连续波形图，结合波形曲线中的波峰数量，通过做边界判定参数线寻找分割线同每个波峰的交点坐标，所述边界判定参数线为横线分割线，2个交点之间的连线的中点用于定位边界，获得涂布边界。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些技术方案组合使用：

移动方差计算公式如下：

其中N为移动项数，根据射线光斑大小以及设备实际定距精度确定，

为移动平均值，/>

为移动方差。

移动项数对应的距离为：在扫描路径上，两个传感器探头光斑正好脱离时，光斑中心所移动的距离。

在步骤（2）后还包括以下步骤：

（3）确定涂布厚度计算边界；设定一个移动值，利用所述中点对应的横向位置减去或加上所述移动值即为所确定的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标；如果将传感器探头光斑在进入涂布到离开涂布区时，横坐标值增加作为参考方向，则对于进入涂覆区的光斑，其为加上该移动值，对于离开涂布区的光斑，则为减去该移动值；所获得的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标即为厚度计算用的选定边界。

对于纵向连续涂布的极片，其移动项数N的计算方式采用：N=光斑直径/定距精度，其中，定距精度是测厚仪设备自身的一项指标，是采集的数据之间的距离。

对于纵向连续涂布的极片，所述移动值为传感器探头光斑的半径。

对于具有竖向间隙的横向连续涂布，移动项数和移动值采用下式计算：

V_带 为极片纵向走带速度，该速度由测厚仪的纵向编码器获取；V_带为传感器探头的横向移动速度；L为移动值。

根据本发明目的的第二个方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法的步骤。

根据本发明目的的第三个方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法的步骤。

本发明提供的方法通过采用直接对测厚仪扫描数据依次进行移动方差计算，将计算结果进行曲线拟合，然后在拟合曲线上找出方差拟合曲线的波峰交点的坐标中值进行涂布边界判断，可以实时精准的识别出扫描数据里传感器光斑掠过材料边界过程中材料边界的映射位置，并能精确配合移动值剔除影响涂布厚度计算的数据。通过此方法识别出来的涂边界同实际材料边界对比误差小于±1mm，并且，本方法所识别涂布边界稳定，重复测试的误差小于等于0.1mm，相较于传统的阈值判定料边方式，本方法的厚度识别和涂布厚度计算的准确度更高。

并且，本发明的方法的识别效果相较于传统的阈值判断方式而言不会受到极片涂层涂敷厚度差异的影响，不会受到极片涂敷规格的影响，不会受到被检测材料左右移动的影响，具有完全的通用性，能够完美适用电池极片的连续涂布和间歇涂布两种工艺规格，能够适于各种规格的极片涂覆宽度、间隙、厚度，不需要额外增加传感器，因此相较于那些采用增加额外判边传感器的方案来说，更加节省设备成本以及降低设备的调试成本。因此，本发明的方法解决了目前行业里传统边界判定方法的不足之处，使得电池极片生产环节厚度检测有效数据的保留更加精准，有效提高了锂电池极片涂布的一致性，减少了生产过程中的材料报废，同时有效保证了最终电池成品的质量。

附图说明

图1为锂电池极片具有横向间隙的多条竖向连续涂布示意图。

图2为锂电池极片具有竖向间隙的横向连续涂布示意图。

图3为本发明所提出的方法的流程示意图。

图4为上位机根据接收的测厚仪传感器扫描检测数据进行数据处理的流程示意图。

图5为本发明提供的实施例的竖向间歇涂布示意图。

图6为本发明提供的实施例中，测厚仪传感器的一组扫面检测数据的原始厚度曲线图，其为自最左侧扫描至最右侧的扫面检测数据。

图7为上位机根据图6数据处理形成的方差拟合曲线。

图8为上位机进行边界确定的界面示意图。

图9为本发明实施例在图8所示界面输入参数和获得结果的示意图。

图10为极片检测示意图。

图11为图10对应检测界面示意图。

实施方式

参照附图，本发明提供的一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，是在生产中实时根据测厚仪传感器实际扫描得到的原始厚数据度，对传感器扫描数据进行移动求方差计算，再通过对移动方差结果求散点拟合曲线绘制对应扫描横向坐标的连续波形图，结合波形曲线中的波峰数量，通过做横线分割线（边界判定参数线）寻找分割线同每个波峰的交点坐标，每2个交点定位一个边界，实时获得涂布边界。以下结合实施例进一步详细说明。

本发明的方法包括以下步骤：

（1）在锂电池极片输送路线上，设置测厚仪，在锂电池极片输送时，用测厚仪传感器对极片进行实时的厚度扫描。以图5所示实施例为例，其涂布方式为横向并行两条，每条均在纵向连续涂布，两条涂布区域之间有中间空白区域，左边涂布区域到极片的左边沿有左侧空白区域，右边涂布区域到极片的右边沿有右侧空白区域，测厚仪传感器的移动方向为横向。

对于扫描获得的数据，形成以传感器检测到的每个数据对应的横向位置为横坐标，材料厚度为纵坐标的原始厚度曲线图，见图6，其中，附图标号61为空箔部分的检测厚度数据，附图标号62为传感器光斑完全移动到涂层区域里面的检测厚度数据，附图标号63为传感器光斑掠过涂层边界时候的检测厚度数据。

以上数据处理，可以是由上位机完成，上位机实时获得传感器检测到的数据，并进行相应处理。

（2）上位机对接受到的对传感器厚度扫描数据进行移动求方差计算，通过对移动方差结果求散点拟合曲线绘制横向坐标对应横向扫描位置的连续波形图，结合波形曲线中的波峰数量，通过做横线分割线（边界判定参数线）寻找分割线同每个波峰的交点坐标，2个交点之间的连线的中点用于定位边界，实时获得涂布边界，见图7，纵坐标为移动方差值，横坐标为移动方差区间对应的横向扫描位置，附图标号71为边界判定参数线，附图标号72为移动方差波形曲线。

移动方差计算公式如下：

其中N为移动项数，也即每次计算方差所进行的横向移动的距离除以传感器每次扫描的间隔距离的数值，根据射线光斑大小以及设备实际定距精度（两个扫描数据之间的距离）确定，

为移动平均值，/>

为移动方差，优选地，每次计算方差所进行的横向移动的距离以两个光斑正好脱离（相切）时，光斑中心所移动的距离，该距离为光斑的直径，这样，能够使得方差计算获得的区别性最为明显，图7所示的曲线更容易判断。

通过移动方差曲线可以看出来，每个材料边界位置的方差走势都呈现明显的波峰，对于边界判定参数线71，其为平行于横坐标的一条直线，其纵坐标的取值一般在移动方差波形曲线中最大方差值的30-60%，本发明的其中一个优势在于当N为移动项数选定为最佳值时，边界判定参数线71的取值在一定范围内的变化都不会影响最后计算结果（边界）的准确性，这样也是本发明的一大技术特点，即在所述方法被通过程序的方式实施后，其操作变得非常容易，容错性能很好。然后，仍然推荐一定值（建议按照移动方差整体均值的40%为定值），同移动方差曲线求交，按照排序以此计算两个个交点横坐标的中值，所得中值即为涂布边界映射到传感器扫描数据中的边界位置。

对于如图1、5所示的纵向连续涂布的极片，其移动项数N的计算方式可采用：N=光斑直径/定距精度，其中，定距精度是测厚仪设备自身的一项指标，就是采集的数据之间的距离。

为进一步提高计算涂布厚度的精确性，可以在上述中点定位涂布边界的基础上确定一个涂布厚度计算边界。可以采用以下方法，设定一个移动值，利用上述中点对应的横向位置减去或加上该移动值即为所确定的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标，如果将光斑在进入涂布到离开涂布区时，横坐标值增加作为参考方向，则对于进入涂覆区的光斑，其为加上该移动值，对于离开涂布区的光斑，则为减去该移动值。所获得的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标即为后续计算用的所选定的边界。由于本发明的边界确定具有精确性的优势，因此，对于如图1、5所示的纵向连续涂布的极片，所述移动值优选为光斑的半径，可以保留最多的厚度扫描数值，使得计算结果更符合实际。

对于如图2所示的具有竖向间隙的横向连续涂布，测厚仪扫描探头在横向运行时候经过多个空箔间歇，所成呈现的扫描曲线为多个波谷，对于间隙涂空箔部分的边界点识别方式同连续涂布的边界识别方式一样，采用移动方差计算。对于竖向间隙的横向连续涂布的方差计算移动项数为

V_带 为极片纵向走带速度，该速度由测厚仪的纵向编码器获取。V_带为传感器探头的横向移动速度。L为涂布边界点向内收缩的剔除距离，也即前述的移动值，如果将光斑在进入涂布到离开涂布区时，横坐标值增加作为参考方向，则对于进入涂覆区的光斑，其为边界点坐标加上该移动值，对于离开涂布区的光斑，则为边界点坐标减去该移动值。N为移动方差的移动项数。

本方法具体可以制作成一个边界识别的软件模块，本发明的实施可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。比如使用现有的处理器来实现，或者由被用于此目的或其他目的用于适当系统的专用处理器来实现，或者由硬接线系统来实现。本发明的实施例还包括非暂态计算机可读存储介质，其包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质；这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或任何其他可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码，并可被由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的介质。当信息通过网络或其他通信连接（硬接线、无线或硬接线或无线的组合）传输或提供给机器时，该连接也被视为机器可读介质。

对于所述边界识别的软件模块，可以将移动项数N作为可调参数开放出来，并且在软件调节界面绘出移动方差波形曲线，移动方差曲线用于观察边界识别情况，移动方差离散点的拟合曲线模型可以采用现有的开源程序。

参照图8，其中的界面内容说明如下：附图标号81为测厚仪所装配的传感器光斑尺寸输入窗口；附图标号82为本方法所规定的边界判定参数输入窗口；附图标号83为移动方差的拟合曲线；附图标号84为边界判定参数线；附图标号85为识别出来的涂布边界与传感器扫描轨迹交点的坐标值。

本发明的方法一般情况下会配合横幅数据分段模块一起使用，其主要特征是读取识边算法识别出来的涂布边界点位置，然后再根据边界位置进行相应的收缩（如前所述的加上或减去移动值），或者分区等操作。

以下再以图5所示实施例为例，结合操作过程，具体介绍本发明的基于锂电池极片扫描数据的涂布边界定位方法。

图5中，黑色区域为涂敷材料，浅色区域为极片基材，斜线为测厚仪传感器的扫描轨迹线，右侧箭头为电池极片的运行方向，已知客户工艺要求，将测厚仪所检测的横幅数据里面，从涂敷材料边界位置向材料内部收缩20mm宽度开始统计。针对该情况，具体操作步骤如下：

1、启动测厚仪，使测厚仪传感器运行起来，上位机接收到完整的横幅扫描数据。

2、打开软件料边识别参数设置界面，见图8。

3、在光斑直径窗口输入传感器的射线光斑尺寸，实验所用传感器光斑直径18mm。

4、料边识别参数设置界面下方方差拟合曲线刷新，刷新后界面如图9所示。

5、根据拟合曲线的波形适当调整边界判定参数为3.5，即边界判定参数线的纵坐标。

6、根据以上参数软件自动判别出来的涂布边界坐标位置依次为152，575，688，1111。

7、打开软件横幅数据分段界面，横幅数据分段模块自动获取上面识别出来的边界位置。

8、在横幅数据分段界面的边界收缩窗口输入边界收缩距离20，软件在对横幅数据进行统计划分时便从边界点向内20mm位置作为数据统计起始点进行统计计算。

至此本方法的设置方式设置完成，并计算出所两条涂料的边界位置。

参照图10、图11，下面提供一种对本发明定位方法准确性的验证方式：

（1）、首先配置相关参数，使软件判断出涂布的边界位置，对于图10 所示的竖向连续，横向间隔为两条的涂布方式，自左至右记作边界一，边界二，边界三，边界四，其横向坐标在图11中分别为标号86、87、88、89所指方格中的数字。

（2）、手动记录边界的位置，边界一和边界2二左侧涂层的左右边界，边界三和边界四为右侧涂层的左右边界。

（3）、用边界二坐标减去边界一的坐标，计算出左侧涂层的宽度，用边界四坐标减去边界三的坐标，计算出右侧涂层的宽度，用边界三坐标减去边界二的坐标，计算出中间留白区域的宽度。

（4）、再人工手动测量出电池极片上左测涂层的实际宽度a，右侧涂层的实际宽度b，以及中间留白区域的实际宽度c。

（5）、用步骤（3）计算出的左侧涂层宽度减去宽度a，计算出的右侧涂层宽度减去宽度b，计算出的中间留白区域宽度减去宽度c，即可得出软件判断的位置同实际的位置的误差精度。

本方法已经过大量实验验证其位置识别偏差小于±1mm。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在锂电池极片输送路线上，设置测厚仪，在锂电池极片输送时，用测厚仪传感器探头对极片进行实时的厚度扫描；

(2)对传感器厚度扫描数据进行移动求方差计算，通过对移动方差结果求散点拟合曲线绘制横向坐标对应横向扫描位置的连续波形图，结合波形曲线中的波峰数量，通过做边界判定参数线寻找分割线同每个波峰的交点坐标，所述边界判定参数线为横线分割线，2个交点之间的连线的中点用于定位边界，获得涂布边界；

(3)确定涂布厚度计算边界；设定一个移动值，利用所述中点对应的横向位置减去或加上所述移动值即为所确定的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标；如果将传感器探头光斑在进入涂布到离开涂布区时，横坐标值增加作为参考方向，则对于进入涂覆区的光斑，其为加上该移动值，对于离开涂布区的光斑，则为减去该移动值；所获得的扫描轨迹对应涂布厚度计算边界的横坐标即为厚度计算用的选定边界；

移动方差计算公式如下：

其中N为移动项数，根据射线光斑大小以及设备实际定距精度确定，

为移动平均值，STD为移动方差；

对于纵向连续涂布的极片，其移动项数N的计算方式采用：N＝光斑直径/定距精度，其中，定距精度是测厚仪设备自身的一项指标，是采集的数据之间的距离。

2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，其特征在于，移动项数对应的距离为：在扫描路径上，两个传感器探头光斑正好脱离时，光斑中心所移动的距离。

3.如权利要求1所述的一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，其特征在于，对于纵向连续涂布的极片，所述移动值为传感器探头光斑的半径。

4.如权利要求1所述的一种基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法，其特征在于包括以下步骤：

对于具有竖向间隙的横向连续涂布，移动方差计算公式如下：

其中N为移动项数，根据射线光斑大小以及设备实际定距精度确定，

为移动平均值，STD为移动方差；/>

其中，移动项数和移动值采用下式计算：

L＝t×V_探

V_带为极片纵向走带速度，该速度由测厚仪的纵向编码器获取；V_探为传感器探头的横向移动速度，L为移动值。

5.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法的步骤。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述的基于机器视觉扫描数据的锂电极片涂布边界定位方法的步骤。

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