CN116673626A - 一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，包括：焊接平台，焊接平台上设置有多个用于放置锂电池顶盖的焊接位，上位机分别与每个定位检测终端通信连接；焊接位设置有定位板，定位板连接有伺服电机；伺服电机的输出端通过传动机构与定位板连接；伺服电机还与变频器连接；终端处理器通过图像采集模块采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息；上位机基于获取的位置图像信息，识别出锂电池顶盖在焊接位的位置信息，得出位置偏差信息，发送至终端处理器；终端处理器通过变频器控制伺服电机运行，进而控制定位板移动对锂电池顶盖进行定位。本发明实现了精准控制，提高定位的工作效率。

Description

一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统

技术领域

本发明属于锂电池壳体焊接技术领域，尤其涉及一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统。

背景技术

目前的锂电池一般需要在外部罩设一层外壳，来对锂电池进行有效的保护。通常锂电池的外壳可以采用钢制材料制作，也可以采用铝制，或者不锈钢材质制作。当然也可以根据需要设置绝缘材料制作。比如采用塑料材质制作。那么在制作锂电池的外壳时，为了方便使用，方便锂电池在外壳的安装和拆卸，在需要更换或者使用锂电池的时候，能取出或者放置，一般会设计外壳和顶盖。顶盖的位置可以是锂电池的输出端，在顶盖上开设相应的孔，使锂电池的正负极能够伸出外壳外部，便于使用。

而对于锂电池的顶盖来讲，一般是先进行下料，按照设计好的尺寸进行切割，再进行弯折，形成一定的形状，再进行焊接，这一过程可以实现锂电池顶盖的制作。

通常来讲，采用的方壳锂电池的顶盖焊接工艺是摩擦等接触式的焊接工艺，这种焊接工艺性能不稳定、容易虚焊，并且对方壳锂电池的顶盖有损伤，目前已较少采用。随着行业的发展，目前主要采用激光焊接工艺。该工艺利用高能量的激光脉冲对方壳锂电池进行微小区域的局部加热，将对锂电池的壳体与顶盖局部熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。

但是在进行焊接前需要对锂电池的顶盖进行定位，由于锂电池外壳及顶盖制作均为批量作业，在焊接前如果定位不准确，或者定位出现偏差将会影响焊接质量，容易造成偏焊、漏焊，影响产品合格率，造成资源的浪费，那么如何实现锂电池顶盖在焊接前的定位，进而保证焊接质量是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，系统避免了锂电池顶盖在激光焊接过程中出现偏焊、漏焊的缺陷，提高了焊接定位的工作效率。

系统包括：焊接平台，焊接平台上设置有多个用于放置锂电池顶盖的焊接位，焊接位的上部设置有定位检测终端；系统还包括：上位机，上位机分别与每个定位检测终端通信连接；焊接位设置有定位板，定位板连接有伺服电机；

伺服电机的输出端通过传动机构与定位板连接；伺服电机还与变频器连接；

定位检测终端设有图像采集模块、终端处理器以及通信模块；

终端处理器通过图像采集模块采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并通过通信模块上传至上位机；

上位机基于获取的位置图像信息，识别出锂电池顶盖在焊接位的位置信息，并将获取的位置信息与预设的位置信息进行比对，得出位置偏差信息，发送至终端处理器；

终端处理器基于位置偏差信息生成相应的电机控制指令，并通过变频器控制伺服电机运行，进而控制定位板移动对锂电池顶盖进行定位。

进一步需要说明的是，焊接位的其中两侧壁上安装有挡板，另两个侧壁设置有两个定位板；传动机构采用丝杠，丝杠通过螺纹连接有左螺母和右螺母，左螺母固定连接一定位板，右螺母固定连接另一定位板；丝杠选用的正反丝丝杠。

进一步需要说明的是，终端处理器采用STM32F104微处理器，或采用LAN9252处理器；通信模块采用W5100模块。

进一步需要说明的是，定位检测终端还设有网口变压器、RJ45接口、 PHY芯片以及FPGA芯片。

进一步需要说明的是，定位检测终端还设有编码器；终端处理器依次通过编码器、PHY芯片、FPGA芯片、网口变压器、RJ45接口与变频器连接。

进一步需要说明的是，图像采集模块采用CCD视频识别模式识别锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息。

进一步需要说明的是，上位机定义每个焊接位的二维坐标系；上位机基于SURF算法提取位置图像信息中的特征点，再利用FLANN算法将获取的位置图像信息与预设的位置信息进行匹配，根据位置图像信息与预设的位置信息之间的位置关系获取锂电池顶盖在焊接位上的坐标位置；采用RANSAC算法得到位置图像信息的偏离信息，基于偏离信息生成距离调整信息发送至定位检测终端。

进一步需要说明的是，定位检测终端基于上位机发送的距离调整信息，生成电机控制指令，控制伺服电机，使伺服电机驱动定位板运行，推动锂电池顶盖到预设位置。

进一步需要说明的是，上位机与每个定位检测终端通过EtherCAT总线通信连接，且上位机与每个定位检测终端之间的通信信息采用EtherCAT数据报文的形式进行传输。

进一步需要说明的是，定位检测终端配置有储存器和时钟模块；焊接位上安装有顶盖放置传感器；终端处理器与储存器连接，储存器用于储存图像采集模块采集的位置图像信息以及上位机发送的信息；终端处理器与顶盖放置传感器连接，获取锂电池顶盖的放置信号，并将放置信号发送至上位机，上位机基于接收的放置信号发送图像采集指令，并在每个采集周期内获取终端处理器发送的位置图像信息；终端处理器基于时钟模块记录每个采集周期，并基于采集周期的起始时间点采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并上传至上位机。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统可以获取锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，本发明运用CCD视频识别模式识别锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，实现了精准识别位置，避免了人工定位的误差，为下一工序提供了可靠的基础。系统中基于EtherCAT技术实现数据传输，降低了信息传输的延迟、信息丢包等问题，上位机运用EtherCAT技术与每个定位检测终端通信实现了反应快、控制精度高的特点。而且本发明把信息转变成脉冲和方向执行定位过程，实现了精准控制，保证了控制的可靠性。系统自动控制伺服电机运行，实现自动找正定位运动的实现，而且还利用丝杠（正反丝）传动满足定位的位置要求，进而实现了锂电池顶盖的自动定位。本发明还避免了锂电池顶盖在激光焊接过程中出现偏焊、漏焊的缺陷，提高了焊接定位的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为锂电池顶盖激光焊接自动定位系统示意图；

图2为锂电池顶盖激光焊接自动定位系统实施例示意图。

附图标记说明：1、焊接平台；2、伺服电机；3、定位板；4、丝杠；5、固定座。

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。

请参阅图1和2所示，本发明提供的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统主要是为了解决在批量焊接过程中，由于锂电池顶盖的位置不统一，容易造成偏焊、漏焊，影响产品合格率的问题。基于这个问题，本系统包括焊接平台1，焊接平台1上设置有多个用于放置锂电池顶盖的焊接位，焊接位的上部设置有定位检测终端。

可以理解的是，焊接平台1是对锂电池顶盖进行焊接的一个工位。焊接平台1可以与在先的组装工位，或者折弯工位进行配合使用。示例性的讲，锂电池顶盖在经过下料，折弯之后需要进行焊接作业，经过焊接之后形成了锂电池顶盖的整体形状。所以焊接位置的准确性，也是影响到锂电池顶盖质量的一道工序。焊接平台1上设置有多个放置锂电池顶盖的焊接位，可以实现一次性焊接多个锂电池顶盖，提高焊接效率。各个工序之间可以采用传送机器人来进行自动传输，传送机器人将锂电池顶盖放置到焊接位上，之后由定位检测终端执行定位程序。

本实施例中，焊接位设置有定位板3，定位板3连接有伺服电机2；为了实现伺服电机2驱动定位板3移动，伺服电机2的输出端通过传动机构与定位板3连接；伺服电机2连接至变频器。定位检测终端通过控制伺服电机2带动定位板3移动，来实现对锂电池顶盖进行定位，以保证焊接位置的准确性。

本发明的实施例中，系统中还包括上位机，上位机分别与每个定位检测终端通信连接。上位机可以是台式计算机、服务器、刀片式服务器、大型计算机和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本申请实施例的实现。

上位机分别与每个定位检测终端的通信网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(VirtualPrivateNetwork，VPN)等。

作为本发明的实施例，上位机与每个定位检测终端通过EtherCAT总线通信连接，且上位机与每个定位检测终端之间的通信信息均采用EtherCAT数据报文的形式进行传输。

这里可以是终端处理器将需要传输的如位置图像信息以及其他数据信息，转换成EtherCAT数据报文的形式，通过EtherCAT总线传输给上位机。上位机向终端处理器发送的数据也是转换成EtherCAT数据报文的形式，通过EtherCAT总线传输终端处理器。

在一个示例性实施例中，定位检测终端设有图像采集模块、终端处理器以及通信模块。

终端处理器通过图像采集模块采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并通过通信模块上传至上位机。

可选地，图像采集模块采用CCD视频识别模式识别锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息。

为了方便对锂电池顶盖进行位置识别，上位机定义每个焊接位的二维坐标系；也就是在对锂电池顶盖放置到焊接位时，需要将锂电池顶盖放置到二维坐标系内部，二维坐标系包括了全部的焊接位。可以在焊接位设置一个基准点，以便于进行定位使用。

上位机基于SURF算法提取位置图像信息中的特征点。

其中，本发明生产制作的锂电池顶盖均为标准化生产流水线作业，每个类型或每个型号的锂电池顶盖的尺寸具有一致性，同一型号的锂电池顶盖从外观尺寸基本相同。在此基础上，可以将标准的锂电池顶盖制作成模板图像，也就是预设的位置信息，并标注出定位的中心坐标，运用图像匹配技术，寻找锂电池顶盖与模板图像坐标之间的对应关系，然后将模板图像上标注的定位坐标信息传递到定位检测终端，以便于控制伺服电机2运行，进行位置调整。

可选地，由于位置图像信息采集的环境、设备等影响获取其他干扰信息，导致获取的位置图像信息效果不佳。本发明中，上位机可以基于直方图均衡对位置图像信息进行增强方法，通过调整图像的直方图来实现增大位置图像信息的对比度，使得位置图像信息更加清晰。而且经过直方图均衡，还能够将原位置图像信息调整为均匀分布的形式，扩大了位置图像信息的灰阶值的变化幅度。

当然还可以基于拉普拉斯算子对位置图像信息进行锐化处理，增强图像中各个区域邻域像素之间的灰度值对比来达到突出锂电池顶盖图像中焊接位置边缘的目的。

需要说明的是，上位机基于SURF算法提取位置图像信息中的特征点，可以利用积分图像技术得到锂电池顶盖图像中Haar小波响应值，并通过扇形滑动窗方法统计得到锂电池顶盖图像中的特征点及其锂电池顶盖放置方向，然后根据锂电池顶盖放置方向计算出描述位置，如此得到的描述位置具有良好的鲁棒性。

进一步的讲，上位机还利用FLANN(Flann-based matcher)算法将获取的位置图像信息与预设的位置信息进行匹配，这里的FLANN算法执行匹配方式，可以实现快速匹配近似相邻搜索算法，提升了运算速度。

本实施例根据位置图像信息与预设的位置信息之间的位置关系获取锂电池顶盖在焊接位上的坐标位置。

系统的上位机还采用RANSAC算法得到位置图像信息的偏离信息，基于偏离信息生成距离调整信息发送至定位检测终端。

这样，本发明采用CCD扫描的方式进行锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息采集，只需将锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息变换到坐标系中，然后与模板图像进行匹配，得出相应的位置偏差，进而实现自动定位的作用。

需要说明的是，上位机基于获取的位置图像信息，识别出锂电池顶盖在焊接位的位置信息，并将获取的位置信息与预设的位置信息进行比对，得出位置偏差信息，发送至终端处理器；终端处理器基于位置偏差信息生成相应的电机控制指令，并通过变频器控制伺服电机2运行，进而控制定位板3移动对锂电池顶盖进行定位。

这里的终端处理器包括但不限于微处理器、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)、数字处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)等。

示例性的讲，终端处理器采用STM32F104微处理器，或采用LAN9252处理器；通信模块采用W5100模块。

根据本申请的实施例中为了丰富定位检测终端的功能，定位检测终端还设有编码器、网口变压器、RJ45接口、 PHY芯片以及FPGA芯片。

终端处理器依次通过编码器、PHY芯片、FPGA芯片、网口变压器、RJ45接口与变频器连接。编码器具有光耦模块和SP485EEN差分芯片，基于FPGA芯片实现，编码信号的发送，并通过光耦模块实现定位检测终端静电防护和电压保护，基于SP485EEN差分芯片实现信号的差分传输，避免静电干扰和脉冲干扰，提高对电机控制信号的稳定性。

上述接口及芯片可以使终端处理器连接至伺服电机2，接口及芯片能够接收用于传输的数据或控制信号，控制伺服电机2以及接收伺服电机2反馈的运行状态。而本发明的变频器能够基于接收到的控制信号比如转速数据，电流数据等等驱动及控制伺服电机2，使伺服电机2驱动定位板3对锂电池顶盖进行定位。

对于本发明的定位来讲，焊接位的其中两侧壁上安装有挡板，另两个侧壁设置有两个定位板；传动机构采用丝杠4，丝杠通过螺纹连接有左螺母和右螺母，左螺母固定连接一定位板，右螺母固定连接另一定位板；丝杠选用的正反丝丝杠，丝杠通过带动左螺母和右螺母移动，由于正反丝的缘故两个定位板会相对方向运动，即同速度居中、同速度分散，从而实现左右自动找正的功能，进而带动两个定位板，实现了定位的需要。丝杠的一端固定连接到固定座5上。这样，两块定位板3可以在丝杠的作用下进行移动，进而推动锂电池顶盖，对锂电池顶盖进行定位，并达到焊接位置，可以进行焊接作业。

在一个示例性实施例中，在一些定位过程中，并非是一次定位成功，而且需要多次获取位置图像，再发送控制指令，控制伺服电机2，进而满足定位的要求。基于这个方式，定位检测终端配置有储存器和时钟模块；焊接位上安装有顶盖放置传感器；顶盖放置传感器可以是重力传感器，或者光电传感器。

终端处理器与储存器连接，储存器用于储存图像采集模块采集的位置图像信息以及上位机发送的信息；终端处理器与顶盖放置传感器连接，获取锂电池顶盖的放置信号，并将放置信号发送至上位机，上位机获悉到放置信号之后，即获悉启动定位进程，也就是上位机基于接收的放置信号发送图像采集指令，并在每个采集周期内获取终端处理器发送的位置图像信息。采集周期的设置数量可以基于工艺需要或者根据现场制作需要设置周期数量，这里不做限定。终端处理器基于时钟模块记录每个采集周期，并基于采集周期的起始时间点采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并上传至上位机。

这里相当于是在采集周期的起始时间点采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，而在周期内的时间是对锂电池顶盖进行位置调整的过程，调整方式是基于定位板3的推动。相当于每个周期对锂电池顶盖执行了一次位置调整，如果当前的锂电池顶盖位置调整到为，即为获取的位置信息与预设的位置信息相匹配，则完成定位进程。上位机可以向系统发送定位完成信号，开启下一道工序。

根据本申请实施例的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，定位检测终端可以获取锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，本发明运用CCD视频识别模式识别锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，实现了精准识别位置，避免了人工定位的误差，为下一工序提供了可靠的基础。系统中基于EtherCAT技术实现数据传输，降低了信息传输的延迟、信息丢包等问题，上位机运用EtherCAT技术与每个定位检测终端通信实现了反应快、控制精度高的特点。而且本发明把信息转变成脉冲和方向执行定位过程，实现了精准控制，保证了控制的可靠性。系统自动控制伺服电机运行，实现自动找正定位运动的实现，而且还利用丝杠（正反丝）传动满足定位的位置要求，进而实现了锂电池顶盖的自动定位。本发明还避免了锂电池顶盖在激光焊接过程中出现偏焊、漏焊的缺陷，提高了焊接定位的工作效率。

本发明提供的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请锂电池顶盖激光焊接自动定位系统中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

锂电池顶盖激光焊接自动定位系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，包括：焊接平台，焊接平台上设置有多个用于放置锂电池顶盖的焊接位，焊接位的上部设置有定位检测终端；其特征在于，包括：上位机，上位机分别与每个定位检测终端通信连接；焊接位设置有定位板，定位板连接有伺服电机；

伺服电机的输出端通过传动机构与定位板连接；伺服电机还与变频器连接；

定位检测终端设有图像采集模块、终端处理器以及通信模块；

终端处理器通过图像采集模块采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并通过通信模块上传至上位机；

上位机基于获取的位置图像信息，识别出锂电池顶盖在焊接位的位置信息，并将获取的位置信息与预设的位置信息进行比对，得出位置偏差信息，发送至终端处理器；

终端处理器基于位置偏差信息生成相应的电机控制指令，并通过变频器控制伺服电机运行，进而控制定位板移动对锂电池顶盖进行定位。

2.根据权利要求1所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，焊接位的其中两侧壁上安装有挡板，另两个侧壁设置有两个定位板；传动机构采用丝杠，丝杠通过螺纹连接有左螺母和右螺母，左螺母固定连接一定位板，右螺母固定连接另一定位板；丝杠选用的正反丝丝杠。

3.根据权利要求1所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，终端处理器采用STM32F104微处理器，或采用LAN9252处理器；通信模块采用W5100模块。

4.根据权利要求1所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，定位检测终端还设有网口变压器、RJ45接口、 PHY芯片以及FPGA芯片。

5.根据权利要求4所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，定位检测终端还设有编码器；

终端处理器依次通过编码器、PHY芯片、FPGA芯片、网口变压器、RJ45接口与变频器连接。

6.根据权利要求1所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，图像采集模块采用CCD视频识别模式识别锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息。

7.根据权利要求6所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，上位机定义每个焊接位的二维坐标系；

上位机基于SURF算法提取位置图像信息中的特征点，再利用FLANN算法将获取的位置图像信息与预设的位置信息进行匹配，根据位置图像信息与预设的位置信息之间的位置关系获取锂电池顶盖在焊接位上的坐标位置；

采用RANSAC算法得到位置图像信息的偏离信息，基于偏离信息生成距离调整信息发送至定位检测终端。

8.根据权利要求7所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，定位检测终端基于上位机发送的距离调整信息，生成电机控制指令，控制伺服电机，使伺服电机驱动定位板运行，推动锂电池顶盖到预设位置。

9.根据权利要求1或2所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，上位机与每个定位检测终端通过EtherCAT总线通信连接，且上位机与每个定位检测终端之间的通信信息采用EtherCAT数据报文的形式进行传输。

10.根据权利要求1或2所述的锂电池顶盖激光焊接自动定位系统，其特征在于，定位检测终端配置有储存器和时钟模块；焊接位上安装有顶盖放置传感器；

终端处理器与储存器连接，储存器用于储存图像采集模块采集的位置图像信息以及上位机发送的信息；

终端处理器与顶盖放置传感器连接，获取锂电池顶盖的放置信号，并将放置信号发送至上位机，上位机基于接收的放置信号发送图像采集指令，并在每个采集周期内获取终端处理器发送的位置图像信息；

终端处理器基于时钟模块记录每个采集周期，并基于采集周期的起始时间点采集锂电池顶盖在焊接位的位置图像信息，并上传至上位机。