KR20230108774A - 레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 이용하여 이차전지용 전극의 결함을 검출하기 위한 비젼 검사 시스템 - Google Patents

레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 이용하여 이차전지용 전극의 결함을 검출하기 위한 비젼 검사 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예는 이차전지용 전극을 이송시키는 이송라인; 상기 이차전지용 전극의 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 1 이미지를 얻는 제 1 카메라; 상기 이차전지용 전극의 측 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 2 이미지를 얻는 제 2 카메라; 및 상기 제 1 이미지 및 상기 제 2 이미지를 분석하여 상기 이차전지용 전극의 결함을 검출하는 제어부를 포함하는 이차전지용 전극의 비젼 검사 시스템을 제공한다.

Description

레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 이용하여 이차전지용 전극의 결함을 검출하기 위한 비젼 검사 시스템{Vision inspection system for detecting defects of electrodes for secondary batteries using depth camera and stereo camera}
실시예는 레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 이용하여 이차전지용 전극의 결함을 검출하기 위한 비젼 검사 시스템에 관한 것이다.
모바일 기술에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이에 따라 다양한 요구에 부흥할 수 있는 전지에 대한 연구가 행해지고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도, 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 집전체인 극판의 표면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막인 세퍼레이터를 개재하여 전극조립체를 만든 다음, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하여 제조되는 경우가 많다.
이러한 이차전지의 생산과정에서 가장 중요한 것 중의 하나는 소망하는 성능과 안전성 등을 제공하는지 여부를 확인하는 품질 관리이다. 여기서, 품질 관리는 이차전지가 제대로 충방전 성능을 가지고 있는지를 잘 판단하여 양품을 생산하는 한편, 불량품을 선별해 내는 것이다. 이러한 품질 관리가 잘 이루어짐으로써 고품질의 이차전지를 생산할 수 있다.
상기 이차전지용 극판에 나타날 수 있는 생산공정 중 일반적인 결함은 극판 사이즈가 규격에 맞지 않거나 극판의 코너부에 접힘 부분이 생기거나 활물질의 코팅 불량 등이다. 이처럼, 이차전지의 성능을 좌우하는 변수로는 여러 가지가 있는데, 상기한 이차전지 극판의 사이즈, 극판에 활물질이 불량 없이 제대로 코팅되었는지의 여부 등이 이차전지의 성능에 영향을 미치게 된다. 다시 말해, 이차전지용 극판의 사이즈 측정은 물론 극판의 접힘이나 활물질의 코팅 불량 여부 등의 검사 역시 이차전지의 품질을 위해 매우 중요하다. 즉, 극판의 사이즈가 규격에 맞지 않거나 접힘 현상이 있거나 활물질 코팅 불량 등이 있는 상태로 그대로 이차전지를 제조하면, 이차전지의 성능 저하 등의 문제가 생기고 이차 전지의 불량을 초래할 수도 있기 때문에, 이차전지 제조 공정 중에 상기 요인으로 인한 불량 극판을 선별해내는 공정이 필수적으로 요구되는 것이다.
이때, 이차전지용 극판의 검사를 위해서는 비젼 검사 방법을 채용하는데, 이러한 극판 비젼 검사 방법은 상기 극판의 네 코너부 중에서 세 코너부의 X축 라인과 Y축 라인의 일부만 측정하고, 극판의 X축 일부 라인과 Y축 일부 라인을 잊는 가상의 연장선이 만나는 지점을 추적하여 극판의 코너 포인트로 계산함으로써, 극판의 전체 사이즈를 측정하고, 동시에 카메라에 의해 극판의 X축 코너부와 Y측 코너부의 일부 영역에 활물질의 코팅 불량이나 얼룩, 기타 필요한 영역의 치수 불량 등이 있는지의 여부를 검사한다. 기타 필요한 영역의 치수 불량의 일례로는 전극탭의 높이와 전극탭에서 활물질의 코팅 높이 등이 될 수 있는데, 이러한 치수 불량 등을 검사하는 것이다.
이처럼 이차전지용 극판의 네 코너부 중에서 세 코너부의 X축 라인과 Y축 라인의 일부만 측정하여 사이즈를 계산하고 불량 여부를 검출하는 이유는 레졸루션(resolution: 해상도)이 높은 카메라에 의해 극판 전체면을 촬영하여 극판의 사이즈와 극판의 표면 불량 여부 등을 검사하는 경우에는 메인 피씨에서의 캘큘레이션 타임이 많이 들어가므로, 극판을 고속으로 이송하는 상태에서 극판을 측정하기가 현실적으로 어렵기 때문이다. 다시 말해, 고해상도의 카메라에 의해 극판 전체면을 측정하는 경우 극판의 이미지를 획득하여 계산하는 시간(calculation time)이 그만큼 많이 걸리므로, 연속되는 극판 이송 공정 도중에 다음 번 극판의 측정이 불가능하게 되고, 이에 따라, 이송라인을 따라 극판이 투입되고 배출되는 시간(즉, 태그 타임)에 극판의 사이즈나 불량 여부 검출 등을 위한 캘큘레이션 타임(계산 시간)이 매칭되지 못하여 고속 이송라인에서 극판을 측정 검사하기가 용이하지 않은 것이다. 캘큘레이션 타임 뿐만 아니라 극판 전체를 다 보기 위한 기능을 구현하려면 카메라 및 제반 하드웨어의 금액이 상당히 고가이므로, 비경제적이다. 이를테면, 이송되는 극판마다 전체면을 촬영하여 세밀하게 계산(캘큘레이팅)할 수는 있으나, 다음 번의 극판이 지나갈 때까지 타임(캘큘레이션 타임)이 많이 들어서 다음 번 극판의 측정이 안되는 것이다.
따라서, 캘큘레이션 타임을 극판의 태그 타임과 맞추기 위해서는 극판의 네 코너부 중에서 세 코너부의 X축 라인과 Y축 라인의 일부만 측정하고, 극판의 X축 일부 라인과 Y축 일부 라인을 이어주는 가상의 연장선이 만나는 지점을 추적하여 극판의 코너 포인트로 계산함으로써, 극판의 전체 사이즈를 측정하고, 동시에 상기 카메라에 의해 극판의 X축 코너부와 Y측 코너부의 일부 영역(즉, 카메라에 의해 스캔된 영역)에 활물질의 코팅 불량 등이 있는지, 극판 코너부 및 전극탭(Tab)은 적절한 길이를 유지하고 있는지의 여부 등을 검사하는 방식을 취하고 있다. 즉, 극판에 대한 캘큘레이션 타임을 태그 타임과 맞추기 위해서는 극판의 전체면을 촬영하지 못하고 각 극판의 네 코너부 중에서 세 개의 코너부 일부 이미지만을 획득하여 극판의 사이즈를 측정하고 극판의 불량 여부를 검사하고 있는 실정이다.
그런데, 상기와 같이 극판을 검사하는 방식의 문제점은 극판의 일부 코너 부분만을 검사하므로, 상기 극판의 스캔된 코너부를 제외한 나머지 부분에 대한 불량 여부를 검출해내지 못한다는 것이다. 즉, 피검사 대상 극판의 세 코너부, 특히, 세 코너부의 일부 영역만 지정하여 카메라로 촬영 이미지를 획득하여 사이즈와 불량 여부를 검출하고, 극판의 나머지 영역은 빼놓고 검사하기 때문에, 상기 카메라가 스캔하지 못한 극판의 다른 영역에 생겨 있는 불량(예를 들어, 활물질의 코팅 불량이나 얼룩 등으로 인한 불량 등)은 검출하지 못하는 것이며, 이처럼 극판 전체면에 대한 검사가 이루어지지 않아서 불량 극판을 그대로 사용하여 이차전지를 제조하게 되면, 이차전지의 성능이 저하되고 나아가 이차전지의 불량이 초래되는 결과를 낳게 되는 것이다.
실시예는 이차전지용 전극을 정확하게 검사하여, 오차 없이 이차전지용 전극의 표면의 결함을 검출할 수 있는 비젼 검사 시스템을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 비젼 검사 시스템은 이차전지용 전극을 이송시키는 이송라인; 상기 이차전지용 전극의 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 1 이미지를 얻는 제 1 카메라; 상기 이차전지용 전극의 측 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 2 이미지를 얻는 제 2 카메라; 및 상기 제 1 이미지 및 상기 제 2 이미지를 분석하여 상기 이차전지용 전극의 결함을 검출하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 카메라는 상기 이차전지용 전극의 상면의 위치별 거리를 측정하는 레이저 거리 측정기이고, 상기 제 1 데이터는 상기 이차전지용 전극의 위치별 거리 정보이고, 상기 제 2 카메라는 스테레오 카메라이고, 상기 제 2 이미지는 상기 이차전지용 전극의 뎁스 이미지이고, 상기 제어부는 상기 제 1 데이터로부터 극좌표계를 도출하고, 상기 제 2 이미지로부터 직교좌표계를 도출하고, 상기 직교좌표계를 바탕으로 상기 극좌표계를 보정하고, 상기 뎁스 이미지를 보정한다.
실시예에 따른 비젼 검사 시스템은 레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 사용하여, 이차전지용 전극의 결함을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지용 극판 비젼 검사방법을 개념적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 전체면을 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 코너부 일부를 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 채용되는 비젼 검사 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지용 극판 비젼 검사방법을 개념적으로 보여주는 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 전체면과 극판의 코너부를 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따라서, 스테레오 카메라와 레이저 거리 측정기가 이차 전지용 전극의 결함을 검출하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 다른 실시예에 따라서, 스테레오 카메라로부터의 영상 평면을 레이저 거리 측정기에 의한 스캔 평면으로 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지용 극판 비젼 검사방법을 개념적으로 보여주는 사시도이다. 도 2는 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 전체면을 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다. 도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 코너부 일부를 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다. 도 4는 본 발명에 따른 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 채용되는 비젼 검사 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 개략도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지용 극판 비젼 검사방법을 개념적으로 보여주는 사시도이다. 도 6은 도 5에 도시된 이차전지용 극판 비젼 검사방법에 의해 극판의 전체면과 극판의 코너부를 촬영하는 단계를 개념적으로 보여주는 평면도이다.
도면을 참조하면, 일 실시예는 이송라인을 따라 이동되는 이차전지용 극판(10)의 표면 이미지를 스캔하여 상기 극판(10)을 검사하는 이차전지용 극판 비젼 검사 방법으로서, 상기 극판(10)의 상부에 제1카메라(20)를 배치하여 제1카메라(20)를 이용하여 이동중인 극판(10)의 표면 제 1 이미지를 스캔하는 단계와, 상기 극판(10)의 상부에 제2카메라(30)를 이용하여 극판(10)의 제 2 이미지를 얻는단계를 포함한다.
한편, 해상도란 디스플레이 장치(모니터와 같은 장치)의 화면상에 포함되어 있는 픽셀의 숫자를 말하는데, 대개 가로 방향의 픽셀수와 세로 방향을 픽셀 수의 곱하기 형태로 나타내는 경우가 많다. 화면 이미지의 선명도는 해상도와 모니터의 크기에 좌우된다. 동일한 해상도에서는 크기가 적은 모니터에서 더 선명하고 크기가 큰 모니터로 갈수록 선명도가 떨어지는데, 그 이유는 면적이 더 크면서도 같은 갯수의 픽셀이 분포되어 있기 때문이다.
예를 들어, 1인치라는 정해진 화면 공간에 많은 수의 픽셀이 들어가면 그만큼 이미지를 정밀하게 표현할 수 있을 것이고, 1인치 공간에 픽셀이 상대적으로 적게 들어가면 그만큼 이미지를 덜 정밀하게 표현할 수 있을 것이다.
본 발명에서는 이송중인 극판(10)의 화면 이미지 획득을 위하여 제1카메라(20) 및 제2카메라(30)를 에리어 스캔(Area scan) 카메라로 채용할 수 있다. 이러한 에리어 스캔 카메라는 이동중인 대상물의 위치나 치수의 계측, 결함검출 등에 이용한다. 즉, 이송라인을 따라 이송중인 이차전지용 극판(10)이 에리어 스캔 카메라를 경유함에 따라, 에리어 스캔 카메라가 연속 라인의 영상 데이터(즉, 필요 면적에 대한 정지 영상)을 획득하고, 에리어 스캔 카메라로부터의 영상 데이터는 비젼 시스템에 제공되고, 이러한 비젼 시스템 안에서 극판(10)의 영상 프레임들이 포착된다. 구체적으로, 이송중인 극판(10)의 전체면을 촬영한 영상 데이터가 획득될 수 있다. 또한, 극판(10)의 적어도 두 개의 코너부(좀더 구체적으로는 전극탭(15) 인접 코너부와 전극탭(15) 대각선 방향 코너부)의 일부를 촬영한 영상 데이터가 획득될 수 있다. 본 발명에서는 전극탭(15) 인접 코너부와 전극탭(15) 전체면과 다른 대각선 방향 코너부를 스캔하여 영상 데이터를 획득할 수 있다.
상기 극판(10)의 표면 전체 이미지를 스캔하는 단계에서는 극판(10)의 두 코너부(two corner portion)를 스캔하거나, 극판(10) 전체면을 촬영하여 극판(10) 전체면에 대한 이미지를 취득할 수 있다. 이에 따라서, 불량 여부를 검출할 수 있다. 이때, 제1카메라(20)에 의해서 포착되는 불량은 제2카메라(30)에서 획득된 극판(10)의 세밀한 이미지에 비하여 보다 덜 세밀한 불량, 예를 들어, 육안으로 확인할 수 있는 얼룩(활물질의 코팅 불량 등으로 생긴 것이라 할 수 있음)이나 극판(10)의 둘레부의 접힘 불량 등이다. 즉, 상대적으로 레졸루션이 높은 제2카메라(30)에 비하여 상대적으로 레졸루션이 더 낮은 제1카메라(20)에서는 상당히 세밀한 불량을 검출해는 대신에 극판(10) 전체면에 생겨 있는 보다 덜 세밀한 불량(상기한 얼룩 불량이나 접힘 불량 등)을 검출해내는 것이다. 도 2에서는 제1카메라(20)에 의해 극판(10)의 촬영되는 영역(SA1)이 도시되어 있다.
상기한 바와 같이, 극판(10)의 두 코너부 측정 단계에서는 극판(10) 전체면 스캔 단계에서 사용되는 제1카메라(20)에 비하여 상대적으로 레졸루션이 보다 높은 제2카메라(30)를 이용하여 극판(10)의 대각선 방향 두 코너부의 일부 이미지를 스캔하여 스캔 이미지를 활용하여 극판(10)의 두 코너부의 서로 만나는 꼭지점(P1,P2)에서 연장되는 극판(10)의 가로 라인(X축 방향 라인)과 세로 라인(Y축 방향 라인)을 추적함으로써 극판(10)의 전체 사이즈를 계산하고 동시에 극판(10)의 두 코너부의 표면 불량 및 치수 불량 여부 등도 검출한다. 즉, 제2카메라(10)에 의해 극판(10)의 두 대각선 방향 코너부(구체적으로, 한 쪽의 전극탭 인접 코너부와 전극탭 전체면과 상기 전극탭 대각선 방향의 다른 쪽 코너부)를 스캔하여 활물질의 코팅 불량이나 얼룩, 기타 필요한 영역의 치수 불량 등이 있는지의 여부를 검사한다. 기타 필요한 영역의 치수 불량의 일례로는 전극탭의 높이와 전극탭에서 활물질의 코팅 높이 등이 될 수 있는데, 이러한 치수 불량 등을 검사하는 것이다.
상기 극판(10)의 두 코너부 측정 단계에서는 제2카메라(30)를 이용하여 극판(10)의 각 코너부의 스캔된 이미지를 이용하여 코너부의 필요한 데이터를 추출하고, X축 및 Y축 방향의 라인 이미지를 추출하여 가상의 연장선을 이어서 각 꼭지점을 찾고, 계산된 꼭지점을 이용하여 극판(10)의 사이즈를 계산하는 과정으로 이루어 질 수 있다. X축 및 Y축 방향의 라인 이미지 이외에 표면 이미지를 추출하여 각 꼭지점을 찾고, 계산된 꼭지점을 이용하여 극판(10)의 사이즈를 계산하는 것도 가능하다. 도 3에서는 제2카메라(30)에 의해 극판(10)의 촬영되는 영역이 표시되고 계산의 속도를 높이기 위해 라인 추출에 필요한 관심 영역(SA2)이 도시되어 있고, 제2카메라(30)에 의해 촬영된 X축 라인과 Y축 라인을 바탕으로 추적된 코너 꼭지점(P1,P2)이 도시되어 있다. 한편, 제2카메라(30)의 레졸루션은 필요에 따라 조절할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명에서는 제1카메라(20)를 극판(10) 위에 배치하여 극판(10)의 전체면을 촬영하여 표면 이미지를 스캔하는 단계와, 제1카메라(20)의 다음 단에 배치되도록 제2카메라(30)를 설치하여 제1카메라(20)에 의해 극판(10) 전체면의 스캔 이미지가 확보된 다음에 제2카메라(30)에 의해 극판(10)의 대각선 방향 두 코너부의 상대적으로 더 세밀한 표면 이미지를 스캔하는 단계를 포함하되, 극판(10)의 표면 이미지 스캔 단계에 더하여 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 확보된 스캔 이미지 데이터를 비젼 제어부를 통하여 메인 피씨(40)에 통보하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서는 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 촬영된 영상 이미지가 메인 피씨(40)로 통보되고, 메인피씨(40)에서는 극판(10)의 스캔된 이미지를 이용한 사용자 지정의 데이터를 추출하고, 상기 추출된 데이터가 극판(10)의 정해진 사양값 범위에 들어오는지의 여부를 검출한다. 즉, 스캔된 이미지에서 에지 추출 알고리즘 및 표면 밝기 (gray level) 데이터 등을 사용하여 필요한 값 등을 계산해 내는 것이고, 이러한 계산된 값이 정해진 사양값(즉, 극판(10)의 정상 규격 사이즈나 정상 표면 밝기(gray level) 데이터 등)의 범위 내에 들어오지 않으면 극판(10)의 불량으로 판별하고, 이렇게 불량으로 판별된 극판(10)은 이송라인 상에 설치된 자동 취출기에 의해 해당 불량 극판(10)을 신속하게 취출하는 것이다.
본 발명에서는 고속으로 이송(대략 초당 2장 이상)되는 다수개의 이차전지용 극판(10)의 표면을 촬영하여 이미지 데이터를 획득하고, 이러한 데이터를 이용하여 필요한 값(극판 사이즈나 불량 여부 등)을 추출하기 위한 알고리즘 등의 계산(연산)을 수행하는데, 상기 제2카메라(30)에 비하여 레졸루션이 더 낮은 제1카메라(20)를 사용하는 이유는 극판(10)의 전체면을 모두 촬영하여 세밀한 촬영 이미지를 취득하여 계산(캘큘레이팅)할 수는 있으나, 이처럼 제1카메라(20)에서 세밀한 극판(10) 이미지를 취득하여 계산할 경우에는 다음번의 극판(10)이 지나갈때까지 캘큘레이션 타임이 그만큼 많이 들어서 다음 번의 극판(10) 측정이 안되기 때문이며, 이에 따라, 극판(10)의 전체 표면 이미지를 취득하여 연산하고 불량 극판(10)을 검출하기 위해서는 제2카메라(30)에 비하여 레졸루션이 보다 낮은 제1카메라(20)를 사용하는 것이 필수적으로 요구된다. 즉, 초당 대략 고속 이송 중인 개별 이차전지용 극판(10)을 신속하게 촬영하여 연산(계산)하고 다음 번의 극판(10)도 신속하게 촬영하여 연산하는 과정을 바로바로 수행해야 하는데, 상기 제1카메라(20)의 레졸루션을 제2카메라(30)의 레졸루션에 비하여 낮은 것을 사용하여 촬영하는 방식을 채용함으로써 이러한 극판(10)의 전체면에 대한 촬영 이미지 획득이 원활하게 이루어질 수 있게 되며, 제1카메라(20)에 의해 극판(10)의 전체면을 촬영하여 극판(10)의 표면 데이터를 획득함으로써 태그 타임(즉, 극판(10)이 들어오는 시간과 나가는 시간)을 맞춰줄 수 있게 된다.
상기 제1카메라(20)(즉, 제2카메라(30)에 비하여 레졸루션이 낮은 카메라)는 극판(10)의 사이즈가 달라지는 경우에 대응하여 극판(10)의 상부에서 승강되는 구조를 가지도록 하고 동시에 승강 위치에 대응하여 레졸루션도 자동 조절되도록 하는 것이 바람직하다. 제1카메라(20) 승강수단은 모터와 이에 연결된 엘엠 가이드 등과 같은 공지의 승강장치를 채용할 수 있을 것이며, 제1카메라(20) 레졸루션 조절은 후술할 비젼 제어부에 프로그래밍된 제어 알고리즘에 의해 이루어지도록 할 수 있을 것이다.
극판(10)의 사이즈가 상대적으로 커진다면 제1카메라(20)를 상승시켜서 극판(10)의 전체면을 촬영할 수 있도록 해야 할 것이며, 제1카메라(20)가 상승되어 극판(10)에서 멀어지면 제1카메라(20)가 포착하는 극판(10) 표면의 선명도가 떨어질 수 있기 때문에, 제1카메라(20)가 극판(10)에서 상대적으로 더 높이 상승하면 제1카메라(20)의 레졸루션을 좀더 높여주는 것이 바람직하며, 이렇게 함으로써 제1카메라(20)가 극판(10)의 전체면을 촬영하여 이미지를 획득하면서 극판(10) 표면의 불량 여부를 검출할 수 있을 것이며, 반대로 극판(10)의 사이즈가 상대적으로 작아진다면 제1카메라(20)를 하강시켜 극판(10) 전체면에서 불량 여부를 검출할 수 있을 것이다.
이를테면, 제1카메라(20)의 높이 가변성을 확보하여 모든 사이즈의 극판(10)에 대한 검사가 이루어지도록 할 수 있는 것이다.
또한, 상기 제2카메라(30)에 의해서는 극판(10)의 대각선 방향 두 코너부의 일부 표면 이미지를 획득하여 극판(10) 사이즈를 측정하고 극판(10) 두 코너부의 불량 여부도 검출하는데, 두 군데의 제2카메라(30) 중에서 한 군 데의 제2카메라(30), 예를 들어, 극판(10)의 상면을 기준으로 좌상측 제2카메라(30)의 위치값(position value)을 절대값(기준 위치)로 잡고, 다른 한 군데의 제2카메라(30)는 극판(10)의 사이즈가 달라지는 것에 대응하여 위치 변경이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 극판(10)의 사이즈가 상대적으로 커지면 절대값으로 지정된 제2카메라(30)는 정지시킨 상태에서 다른 위치의 제2카메라(30)는 위치 이동(X축 또는 Y축 이동)하면 될 것이다. 제2카메라(30)의 이동은 X축 플로터와 Y축 플로터가 이동하는 장치를 채용하는 경우 등을 고려해 볼 수 있을 것이다. 그리고, 상기 제2카메라(30)에서 절대값을 설정하는 것은 메인 피씨(40)의 마우스를 이용하여 가능할 것이다. 결국, 제1카메라(20)의 높이 가변성을 확보하고 제2카메라(30)의 이동성을 확보함으로써, 극판(10)의 사이즈 측정에 있어서 유연성을 가질 수 있게 된다. 물론, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)는 도시되지 않은 지지대에 장착되어 각각 상하 이동과 X축 Y축 이동이 가능한 구조를 취할 수 있다.
한편, 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 성능을 저하시키지 않으려면, 주기적인 캘리브레이션(calibration), 다시 말해, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 동작 조건들을 주기적으로 조정할 수 있다. 구체적으로, 조명계의 조도를 주기적으로 보상하고, 입력 신호(극판(10) 표면 스캔 이미지 데이터라 할 수 있음)에 대한 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 레졸루션, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 각도 등을 주기적으로 갱신할 수 있을 것이다. 조명계의 조도는 물론 조도 조절 장치에 의해 수행할 수 있고, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 레졸루션 조절은 각 카메라(20 및 30)에 내장되거나 회로적으로 연결된 제어부(미도시)에서 수행 가능하며, 제1카메라(20) 및 제2카메라(30)의 각도도 물론 공지의 각도 조절기를 이용하여 가능할 것이다.
제1카메라(20)와 제2카메라(30) 개별 교정 단계에서는 레졸루션 조절, 디스토션(distortion) 조정, 카메라 간의 상대 거리, 상대 회전 각도 등의 조절, 1~2회의 조작에 의한 오토 캘리브레이션(auto calibration) 등이 이루어질 수 있고, 조명계의 조절 단계에서는 극판(10)의 획득 이미지 최적화를 달성하기 위한 조명 최적화 모드를 조절할 수 있을 것이다.
본 발명에서 채용되는 비젼 제어부는 제1카메라(20)와 제2카메라(30) 및 메인 피씨(40) 사이에 인터페이스되도록 구성할 수 있다. 이러한 비젼 제어부는 제1카메라(20)와 제2카메라(30)와 메인 피씨(40)에 연결된 영상 획득부(42)와 중앙 처리장치(44)와 영상 인터페이스(46) 및 디스플레이 장치(46)를 포함하도록 구성하여, 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 취득된 극판(10)의 표면 상태 데이터를 메인 피씨(40)의 영상 획득부(42)를 통해 중앙 처리장치(44)에 전송하고, 메인 피씨(40)의 영상 인터페이스(46)는 극판의 촬영된 영상 이미지를 전송하여 디스플레이 장치(46)에서 확인하도록 할 수 있다.
상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 촬영한 영상 데이터를 메인 피씨(40)의 영상 획득부(42)에 전송하고, 이러한 영상 획득부(42)는 전송된 영상 데이터를 처리하여 프레임 단위로 출력하도록 할 수 있다.
상기 메인 피씨(40)의 중앙 처리장치(44)에서는 영상 획득부(42)에서 포착된 영상 데이터를 분석하여 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 검사 결과 데이터를 영상 인터페이스(46)에 입력시키고, 이러한 영상 인터페이스(46)는 중앙 처리장치(44)로부터의 영상 데이터를 인터페이싱하여 디스플레이 장치(46)에 입력시키므로, 디스플레이 장치(46)에서는 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 검사 결과 데이터(촬영된 극판(10) 표면의 영상 데이터)가 디스플레이되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 고속 이송 중인 극판(10)의 표면을 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 촬영하여 표면 이미지를 취득하는 단계와, 극판(10)의 이미지가 취득되면 비젼 제어부는 기준값을 이용하여 취득된 극판(10) 이미지에 불량이 있는지의 여부를 판단하는 단계와, 극판(10)의 획득 이미지에 불량이 발생되면 비젼 제어부는 극판(10) 표면의 불량 정보를 발생하여 출력하는 단계로 구성될 수 있는 것이다. 이때, 메인 피씨(40)에 연결된 키보드나 마우스는 비젼 제어부에 작업자가 정보나 초기 설정값을 입력하기 위해 사용될 수 있고, 디스플레이 장치(46)에는 극판(10) 표면 이미지의 획득 결과나 기타 결과를 작업자가 시각적으로 볼 수 있도록 할 수 있다.
한편, 상기 디스플레이 장치(46)(모니터)에서는 캘리브레이션 결과값(수정 가능), 제1카메라(20)와 제2카메라(30)의 실시간 취득 영상(측정된 엣지, 모서리 표시, 측정값), 극판(10)의 불량 또는 양호 여부(OK, NG), 데이터 처리시간, 생산 속도, 입출력 신호(I/O 카드 신호), 양품률과 공정능력지수 등의 측정 통계, 불량 누적수 등을 디스플레이할 수 있을 것이며, 오차 범위 설정, 측정 영역 설정(마우스 활용), 측정 항목 취사 선택 조작을 할 수 있을 것이다.
또한, 상기 비젼 제어부를 통해서는 데이터 전송 및 저장이 이루어질 수 있다. 즉, 메인 피씨(40)로 극판(10)의 양불 여부 데이터(OK, NG 정보), 측정값의 전송이 이루어지며, NG 이미지 저장이 이루어질 수 있다. NG 이미지는 폴더 단위 분류 저장되고, 자동 삭제되는 기능을 가지도록 할 수 있다. 또한, 모드 선택이 가능하도록 모든 측정값을 롤 단위, 매거진 단위, 롯트 단위, 오퍼레이터 단위로 저장되도록 할 수 있을 것이다.
한편, 고속 이송중인 각각의 극판(10)을 신속하게 촬영하여 인식하고 극판(10) 표면 이미지 데이터 전송과 계산을 위해서는 트리거 기능을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 연결된 트리거 출력장치(20)를 구비하여, 극판(10)의 이동 거리와 속도 등을 측정하고, 극판(10)의 일정한 이동 거리와 속도 등에 비례하여 트리거 출력신호를 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 인터페이스되어 있는 메인 피씨(40)로 전송한다. 그러면, 상기 트리거 출력장치(20)에서 트리거 출력신호를 입력받은 메인 피씨(40)는 트리거 출력신호를 기초로 하여 제1카메라(20) 및 제2카메라(30)로 하여금 피사체인 극판(10)에 대한 촬영을 하도록 하는 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면, 제1카메라(20)에 의해 극판(10) 전체면을 스캔하는 단계와 제2카메라(30)에 의해 극판(10)의 대각선 방향 두 코너부를 스캔하는 단계를 수행하는데, 상기 극판(10) 코너부의 일부를 스캔하는 단계에서는 극판(10) 전체면 스캔 단계에서 사용되는 제1카메라(20)에 비하여 상대적으로 레졸루션이 보다 높은 제2카메라(30)를 이용하여 극판(10)의 두 코너부의 일부 이미지를 스캔하여 스캔 이미지를 활용하여 극판(10)의 두 코너부의 서로 만나는 코너 꼭지점(P1,P2)을 추적함으로써 극판(10)의 사이즈를 계산하고 동시에 극판(10)의 두 코너부의 표면 불량 여부도 검출하고, 아울러, 제2카메라(30)의 레졸루션에 비하여 상대적으로 레졸루션이 낮은 제1카메라(20)에 의해 극판(10)의 표면 전체를 스캔하여 극판(10) 전체면에 대한 이미지를 취득함으로써 극판(10)의 표면 전체면에 대한 불량 여부를 검출하여 신속하게 불량 극판(10)을 검출 선별할 수 있으므로, 불량 극판(10)을 그대로 사용하여 이차전지를 제조하는 경우를 방지하고, 이로 인하여 이차전지의 고성능이 보장되고 양질의 이차전지를 생산하는데 기여하는 효과를 가져올 수 있다. 물론, 불량으로 판별된 극판(10)은 미도시된 취출 장치에 의해 이송라인에서 신속하게 선별 취출될 수 있을 것이다.
즉, 상대적으로 레졸루션이 낮은 제1카메라(20)에 의해서는 제2카메라(30)가 획득하는 세밀한 불량 이미지에 비하여 보다 덜 세밀한 불량, 예를 들어, 육안으로 확인할 수 있는 얼룩(활물질의 코팅 불량으로 생긴 것 등)이나 극판(10)의 둘레부의 접힘 불량 등을 검출하여 제2카메라(30)에 의해 극판(10)의 코너부를 촬영하기 전에 먼저 불량 극판(10)을 선별해 내는 것이며, 이처럼 제2카메라(30)에 의해 보다 세밀하게 극판(10)의 코너부를 스캔하기 전에 먼저 불량 극판(10)을 신속하게 검출하여 선별함으로써 능률적인 이차전지의 생산성은 보장하면서도 거의 완벽한 불량 극판(10) 선별 작업을 할 수 있다는 점에서 본 발명의 특징이 있는 것이다.
한편, 본 발명에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 동일 포지션에서 극판(10)의 표면을 촬영하는 방법을 채용할 수 있다.
다시 말해, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지용 극판 비젼 검사방법을 개념적으로 보여주는 사시도로서, 도 5를 참조하면, 제1카메라(20)와 제2카메라(30)를 따로 분리되도록 배치하는 것이 아니라 제1카메라(20)와 제2카메라(30)를 동일 포지션(동일 위치)에 배치(이때, 미도시된 카메라 지지 프레임 등에 제1카메라(20)와 제2카메라(30)를 함께 장착하여 동일 포지션에 배치되도록 할 수 있음)하고, 극판(10)의 표면을 촬영할 때에 제1카메라(20)에 의해 극판(10)의 전체면을 촬영하면서 동시에 제2카메라(30)에 의해 극판(10)의 일부(즉, 극판(10)의 적어도 대각선 방향 두 개의 코너부)를 촬영하여 극판(10)을 스캔하는 방식을 채용할 수 있는 것이다.
이를테면, 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예는 제1카메라(20)와 제2카메라([0053] 30)를 각각 다른 포지션에 분리되도록 배치하는 것이 아니라 하나의 카메라 셋트로 통합함으로써, 극판(10)을 표면을 제1카메라(20)와 제2카메라(30)에 의해 다른 포지션에서 촬영하지 않고 동일 포지션에서 촬영하는 개념이라 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)를 각각 다른 지점인 제1포지션과 제2포지션에 배치하여, 상기 제1카메라(20)는 제1포지션에서 극판(10)의 전체 표면을 촬영하고, 상기 제2카메라(30)는 제2포지션에서 극판(10)의 일부 표면(즉, 극판(10)의 적어도 두 대각선 방향 코너부)을 촬영하는 방법을 채용할 수 있음은 물론이다.
여기서, 제1포지션과 제2포지션이라 함은 제1카메라(20)의 극판(10) 촬영 위치와 제2카메라(30)의 극판(10) 촬영 위치가 서로 다르다는 의미로서, 본 발명은 상기한 동일 포지션에서 극판(10)의 표면을 스캔하는 방법과 다른 포지션(즉, 제1포지션과 제2포지션)에서 극판(10)의 표면을 스캔하는 방법을 기본적으로 포함하는 것이지만,
이해를 돕기 위해 상기와 같이 제1카메라(20)에 의해 제1포지션에서 극판(10)의 전체 표면을 스캔하고 제2카메라(30)에 의해 제2포지션에서 극판(10)의 일부 표면을 스캔하는 방법을 재차 설명하였음을 이해해야 할 것이다.
정리하면, 본 발명은 제1카메라(20)는 제1포지션에서 극판(10)의 표면을 촬영하고, 상기 제2카메라(30)는 제1카메라(20)와는 다른 위치인 제2포지션에서 극판(10)의 표면을 촬영하는 방법은 물론, 상기 제1카메라(20)와 제2카메라(30)를 동일 포지션에 배치하여 극판(10)의 표면을 동일 포지션에서 동시에 촬영하는 방법을 모두 포함하는 개념이라 하겠다.
도 7은 다른 실시예에 따라서, 스테레오 카메라와 레이저 거리 측정기가 이차 전지용 전극의 결함을 검출하는 과정을 도시한 순서도이다. 도 8은 다른 실시예에 따라서, 스테레오 카메라로부터의 영상 평면을 레이저 거리 측정기에 의한 스캔 평면으로 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 카메라(20)는 레이저 거리 측정기이고, 상기 제 2 카메라(30)는 스테레오 카메라일 수 있다.
본 실시예에 따른 비젼 검사 시스템은 이차전지용 전극을 이송시키는 이송라인; 상기 이차전지용 전극의 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 1 데이터를 얻는 제 1 카메라; 상기 이차전지용 전극의 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 2 이미지를 얻는 제 2 카메라; 및 상기 제 1 이미지 및 상기 제 2 이미지를 분석하여 상기 이차전지용 전극의 결함을 검출하는 제어부를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제 1 카메라는 상기 이차전지용 전극의 상면의 깊이 지도를 얻는 레이저 거리 측정기가고, 상기 제 1 이미지는 상기 이차전지용 전극의 상면의 뎁스 이미지이고, 상기 제 2 카메라는 스테레오 카메라이고, 상기 제 2 이미지는 스테레오 이미지이고, 상기 제어부는 상기 제 1 이미지로부터 극좌표계를 도출하고, 상기 제 2 이미지로부터 직교좌표계를 도출하고, 상기 직교좌표계를 바탕으로 상기 극좌표계를 보정하고, 상기 뎁스 이미지를 보정한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 우선 스테레오 카메라 및 레이저 거리 측정기 각각의 데이터를 획득하게 되며, 그중 레이저 거리 측정기의 경우 극좌표계로 출력 값들을 재구성한 다음, 데이터를 보다 간결하게 사용하기 위해 레이저 거리 측정기를 원점으로 한 직교 좌표계로의 변환을 수행한다.
레이저 거리 측정기와 카메라 두 센서의 기하학적 위치 관계를 나타내기 위해 레이저 거리 측정기 좌표계를 회전 행렬과 평행이동 행렬을 통해 카메라 좌표계로 변환한다.
특히, 스테레오 카메라를 통해 검출된 깊이 지도와 동시에 획득된 레이저 거리 측정기 포인트 클라우드가 얻어질 수 있다. 카메라 FOV(field of view) 시야에 존재하는 깊이 지도를 통해 검출된 깊이 지도와 레이저 거리 측정기 포인트를 통해 검출된 포인트 클라우드를 비교하면, 깊이 지도는 물체의 인식과 분해능은 높으나 카메라의 화각에 따라 제한된 범위 내에서 인식을 수행하게 되며, 레이저 거리 측정기는 작업 수행의 목적 여부와 상관없이 스켄하는 모든 값들을 360°전 방위에 대해 측정할 수 있다.
따라서, 결함을 정확하게 인식하기 위해서, 스테레오 카메라 깊이 지도와 레이저 거리 측정기 포인트 클라우드의 융합이 필수적이다. 반면, 레이저 거리 측정기의 경우 데이터가 연속적인 3차원 정보로 표현될 수 있다.
도 8에서는 Lipu에 의해 제안된 2D 레이저 거리 측정기 센서와 카메라, 영상평면과의 상호 관계를 나타낸 것이다. 도 8에서는 pl은 레이저 거리 측정기의 스캔 평면에 있는 좌표값이다. q는 핀홀 카메라 모델에 의해 영상평면으로 투영된 pl의 이상적인 영상 픽셀이며, qc는 렌즈에 의해 왜곡된 실제 이미지를 의미한다. R과 t는 카메라 좌표계의 영상평면으로 변환을 위한 레이저 거리 측정기 좌표계의 위상을 의미하는 방향(orientation)과 크기를 의미하는 변환값(translation)이 되며, K는 카메라 고유 행렬(intrinsic matrix)이고 s는 변환 가중치인 스칼라(scalar)이다.
즉, 검출된 극좌표계와 카메라 각각의 좌표계를 형성한 뒤, 식 (1)과 같이 이들 두 좌표계간의 변환과정을 거치게 된다. 영상 픽셀과 레이저 거리 측정기 포인트는 서로 다른 차원의 정보를 가지기 때문에 식 (1)과 같이 레이저 거리 측정기 포인트를 영상 픽셀 좌표로 투영한다.
또한, 영상 픽셀의 색상 값과 레이저 거리 측정기 포인트의 데이터는 서로 다른 평균과 분포를 가지고 있다. 따라서 영상과 레이저 거리 측정기 데이터의 색상, 거리, 반사율 값이 모두 0~255에 위치하도록 평균화되어 있어야 한다.
[식 1]
식 (1)에서 qc는 레이저 거리 측정기 좌표계로부터 변환된 카메라 좌표계가 정규 좌표계를 거쳐 최종 변환된 영상 좌표계를 나타내며, 영상 좌표계에 기준한 이미지 공간 상 한점의 위치로 대응된다. 동시에 스테레오 카메라를 통해 획득되는 좌, 우 영상은 영상 좌표계를 통해 폐색영역을 제외한 스테레오 영상 정합을 위한 일치점 트리(tree) 구조 및 MAD 비용함수를 이용하여 깊이 지도(depth map)를 작성하게 된다[2]. 일반적으로, 입체영상의 시차지도에서 광축 교차점의 시차값은 0이므로 라이다 좌표계와 일치된 물체는 영상의 중심에서 0에 가까운 시차값을 가지게 된다. 또한, 두 스캔 정보의 융합을 위한 정합성을 높이기 위해서는 레이저 거리 측정기 스캔 분해능을 기준으로 식 (2)와 같이 두 데이터간의 스플라인 보간법(spline interpolation)을 이용하여 융합하였다.
[식 2]
식 (2)를 통해 깊이지도와 레이저 거리 측정기 포인트들간의 연관성을 보다 더 정확히 산출하여 깊이지도에서의 원하지 않는 계단형 일그러짐 현상과 윤곽선의 흐려짐 현상을 최소화하였다. 또한, 결함을 인식하는 깊이 지도와 레이저 거리 측정기의 포인트값이 겹치는 구간에서는 두 개의 데이터를 비교하여 거리가 상대적으로 가까운 정보를 우선적으로 선택하였다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10 극판
20 제1카메라
30 제2카메라
40 메인 피씨
42 영상 획득부
44 중앙 처리장치
46 영상 인터페이스
50 디스플레이 장치

Claims (2)

  1. 이차전지용 전극을 이송시키는 이송라인;
    상기 이차전지용 전극의 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 1 이미지를 얻는 제 1 카메라;
    상기 이차전지용 전극의 측 상부에 배치되고, 상기 이차전지용 전극의 제 2 이미지를 얻는 제 2 카메라; 및
    상기 제 1 이미지 및 상기 제 2 이미지를 분석하여 상기 이차전지용 전극의 결함을 검출하는 제어부를 포함하는 이차전지용 전극의 비젼 검사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 카메라는 상기 이차전지용 전극의 상면의 위치별 거리를 측정하는 레이저 거리 측정기이고,
    상기 제 1 데이터는 상기 이차전지용 전극의 위치별 거리 정보이고,
    상기 제 2 카메라는 스테레오 카메라이고,
    상기 제 2 이미지는 상기 이차전지용 전극의 뎁스 이미지이고,
    상기 제어부는 상기 제 1 데이터로부터 극좌표계를 도출하고, 상기 제 2 이미지로부터 직교좌표계를 도출하고, 상기 직교좌표계를 바탕으로 상기 극좌표계를 보정하고, 상기 뎁스 이미지를 보정하는 이차전지용 비젼 검사 시스템.
KR1020220003661A 2022-01-10 2022-01-10 레이저 거리 측정기 및 스테레오 카메라를 이용하여 이차전지용 전극의 결함을 검출하기 위한 비젼 검사 시스템 KR20230108774A (ko)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117871538A (zh) * 2024-03-07 2024-04-12 江苏时代新能源科技有限公司 缺陷检测系统、缺陷检测方法及相关设备
KR102669520B1 (ko) * 2023-07-25 2024-05-27 주식회사 인이지 노칭 공정의 불량 양상 검출 방법 및 이를 수행하기 위한 장치

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