多目视觉系统在电芯自动上料设备中的应用*

王行洲,秦立宇,陈亮宏,尹东海,王 浩,陈春来,陈 亮

(常州博瑞电力自动化设备有限公司,江苏 常州 213100)

0 引 言

随着碳达峰、碳中和战略的推进与实施,各类电芯制造商及PACK集成商快速兴起,储能电池将迎来高速发展的机遇期。电芯是电池PACK的核心部件,但其电气参数测试及扫码需逐一完成,行业内通用的电芯包装方式为多层码垛[1]。目前,电芯自动上料设备通用的实现方式为为工业机器人搭配1台平视相机,此方式存在捕捉视野小、相邻电芯间距无法检测、电芯位置高度无法检测、来料偏转角度无法检测等问题,而且在使用过程中对来料的一致性和上料的精度要求也很高。因此,如何让机器人适应不同电芯商来料即降低对来料一致性和上料精度的要求,成为诸多PACK产线制造商及电池PACK集成商急需解决的问题。

电芯来料问题:①各电芯厂底托高度存在差异;②各电芯厂电芯码垛方式不一致,交替码垛及单向码垛并存;③同厂家不同料拖电芯极柱朝向随机;④各电芯厂电芯间隔板尺寸材质不一,相邻电芯间距不一。

多目视觉系统采用多个相机进行工作,相机成组布置,每组相机负责完成不同的功能;不同组间相机组合应用,通过软件系统的控制,引导工业机器人执行相应的动作。

笔者针对液冷电池模块(PACK)及风冷电池模块生产过程中存在的电芯来料形式不统一的问题,从视觉识别技术研究出发,将视觉识别技术与工业机器人进行集成,设计对应的技术方案来解决生产产线中电芯上料的准确性和快速性问题。通过多目视觉检测系统在电芯搬运工业机器人上的应用,实现工业机器人夹爪状态的自调整功能;该系统适应各规格及各种摆放方式的电芯,解决了工业机器人在抓取过程中存在的定位不准确的问题,保证电芯上料的准确性和快速性,提高了生产率。

1 多目视觉系统原理

一个典型的工业机器视觉应用系统包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等[2]。

双目视觉的工作原理来源于人类的双目视觉系统,也就是说从不同的视角以两个相同的相机捕获同一个位置下的左右两侧图像,然后再利用三角测量原理获取物体的深度信息并重建出物体的三维模型[3]。多目视觉是双目视觉的一种延伸,它是在双目视觉的基础上增加一台或者多台摄像机作为辅助进行测量,从而获得不同角度下同一物体的多对图像[4]。

多目视觉法不需要人为地对相关辐射源进行设置,它能够在不接触的情况下进行自动在线检测[5]。这种方法的优点是可以减少测量中的盲区,获得更大的视野范围以及更高的识别精度;此外,该方法还能解决双目视觉中的误匹配现象,能够适应各种场景及多种工况。目前,多目视觉法在车辆自主驾驶、机器人视觉、多自由度机械装置控制等很多领域获得了广泛的应用。

近些年,随着芯片技术的不断发展,多目视觉技术迅速发展,其应用当中的海量数据计算难题得以解决。多目视觉系统采用多个高像素相机+高亮度投影仪,具备了对视野范围内的三维坐标的共建、构建能力,可以在0.5 s内识别工件位置、相对高度、间距、旋转相位等关键信息,能够精确引导工业机器人进行自适应抓取。

2 配置及部署方案

2.1 多目视觉硬件配置

完整的电芯全自动上料系统应包括上料AGV1台、工业机器人1台、随动平视相机1台、高空移动相机组1套(不少于3目)、高亮投影仪1台、电芯输送线1条。

高空移动相机组需采用不少于3个的相机进行组合,同时需搭配一个高亮投影仪,高亮投影仪为蓝光,可为相机的捕捉视野范围内的特征提供光源,避免环境强光对相机检测的影响。此次方案选用了4个高清相机+1个高亮投影仪进行组合,组合结构如图1所示。

图1 多目相机组结构示意图

2.2 多目视觉布置方案

如图2所示,整套电芯自动上料设备采用高低错位布置方案。随动平视相机安装于机械手第6轴上,可随机械手自由任意较低移动,其主要作用是检测电芯极柱的正负方向。高空移动相机组与高亮投影仪进行组合(或者选用已集成的成套相机),安装于支撑架上,相机组可在支撑架上移动,往返扫描两个上料工位。系统通过2D及3D相机的拍照取样进行图样分析,从而判断电芯的码垛方向、极柱朝向、电芯间距、旋转相位和电芯高度,进而反馈给PLC中控系统,中控系统将反馈的信息进行识别、读取和分析判断,然后输出控制信号,从而控制机器人对电芯进行夹取上料。

图2 电芯自动上料设备中多目视觉的布置方案

工业机器人为六轴传动机器人,其A6腕部轴顶端安装电芯夹具,可实现电芯夹取上料功能。

电芯夹具工装主要包括安装座和并排布置于安装座底部且可变距的多个电芯夹爪。同时,安装座外围装有可上下移动的泡沫夹爪,泡沫夹爪负责夹取空存放电芯的泡沫托盘。

安装座的底部设置有与电芯夹爪排布方向同向的滚珠丝杆,滚珠丝杆的一端连接有电机,电芯夹爪的上方设置有菱形收放架,滚珠丝杆的螺母与所述菱形收放架相连。电机驱动菱形收放架收紧或展开带动各个电芯夹爪收拢或散开,实现电芯的夹取和放置;同时电芯夹爪的内壁上贴有海绵胶条,可起到保护电芯的作用。

支撑架为龙门式结构,伺服导轨(X轴)安装在左右立柱上,相机组安装于伺服导轨上,系统通过伺服电机驱动相机组左右精确移动。若来料高度差异过大,可在X轴上下挂Z轴,使相机具备盲区自调节功能,以兼容不同层数、不同高度的电芯来料。

2.3 多目视觉系统与工业机器人联动逻辑

集成设备通过使用相关品牌的PLC实现控制联动。通过控制器进行连接相关的主令开关、IO模块、触摸屏、变频器、伺服电机及驱动器、PN/PN耦合器以及光电传感器等各类传感器等电气元件的指令输送,使得整个系统中电信号得到输出和反馈接收,从而实现整个控制系统与系统中其它子模块的调配和协调。

整个系统采用PLC仿真软件进行系统的编程设计,并使用对应仿真软件进行程序的仿真,以此来实现逻辑验证,保证程序执行效果。设备执行流程图如图3所示。

图3 搬运机器人逻辑执行流程图

3 多目视觉系统在电芯自动上料设备中的应用

3.1 上料位置检测

上料是否到位直接影响工业机器人抓取,传统做法采用2D平视相机进行检测,2D平视相机一般安装于机械手上。受机器人臂展影响,2D平视相机只能进行局部拍照检测,一旦上料位置偏离机械手臂展范围,则无法检测。采用高空相机组,相机组自身视野范围大且可在高空X、Y、Z三轴方向进行移动,对上料精度要求降低至±80 mm(如图4所示),现行各类自动导航式的搬运设备均可适配。

图4 来料尺寸与多目视觉系统视野范围

3.2 电芯极柱正负极识别

方壳电芯含有2个极柱,为满足后端PACK集成测试需要,机器人上料时需保证电芯正极按照统一方向码放到流水线上。行业内目前有两种解决方案:①依靠电芯厂码垛时保证,但不同厂家方式较难统一;②由PACK集成商自行翻包,但存在浪费人力的情况。采用多目视觉后,电芯位置检测由高空相机组进行,安装于机械手上的随动平视相机可独立用于极柱正负极识别,引导机械手进行姿态调节,确保电芯上料方向的一致。

3.3 电芯间距检测及报警

电芯由机械手上的夹爪抓取上料,夹爪具有一定的厚度,在抓取时,相邻电芯之间需保证一定的间距,以避免夹爪下行时破坏电芯。目前间距保证主要依赖电芯包装中的泡沫隔板,无间距检测及告警功能。由于电芯自身高度较大,电芯摆放于隔板当中时,不可避免会地出现因歪斜摆放而导致相对间距变小的情况。高空多目相机组在投影仪的辅助下,可对每块电芯三维坐标进行识别建模并可测量电芯间距;然后软件后台与安全阈值进行比对,当间距小于安全阈值时,触发机器人停止作业并告警,杜绝电芯的损坏。

3.4 电芯位置高度检测

电芯位置高度决定了机械手夹爪的下行位移,电芯位置高度检测影响着电芯上料的准确性。目前行业内通用做法为激光测距,即在机械手上部署一个激光测距传感器,检测每层电芯的高度,引导机械手适应抓取。在面对来料托盘局部变形时,该做法需要多次检测,对上料节拍存在一定影响。而高空多目相机组可全方位构建电芯三位坐标系,且由于其和机械手并行动作,在机械手转向上料时可同时进行检测,对上料节拍无影响。

3.5 来料旋转相位检测

2D相机无旋转相位检测功能,在该情况下,程序一般默认设定机械手来料为正向无偏角放置,若遇到上料角度偏转时,机械手按原位下行抓取,极大概率会出现夹爪碰撞电芯的情况,导致电芯损坏。而基于多目相机的无死角检测可注册目标物的细微特征,能解决过去难以判别表面反面及旋转相位的难题。

4 应用场景及价值

此次基于行业内普遍的多层码垛式的电芯包装进行研究,通过多目视觉系统的应用,有效降低了上料设备对来料包装一致性的要求,采用所述方案后,上料精度可降低至±80 mm以下,实现了对电线来料的旋转相位、高度、间距、正负极的检测、识别和预警,具备防呆、防错、极性自适应、偏角自适应抓取功能。

实际应用中,采用多目视觉系统检测引导上料机器人完成了150 000只电芯上料,未出现电芯损伤、来料无法识别等问题,单电芯平均上料节拍5～10 s,满足产线生产节拍需求。

结合结构以及实现的功能进行综合评估,该多目视觉系统既能保证产品生产需求,也保证其造价成本在可控范围内,性价比较高,具有较高的经济可行性。

随着新能源市场的快速发展,各PACK集成商之间的竞争逐步由核心工艺转向生产制造效率、制造成本,采用多目视觉系统引导的电芯自动上料设备将在电池PACK生产线中得到越来越广泛的应用。

5 结 语

此次研究应用提供了一种夹取过程中准确度更高、故障率更低、通用性更强的设备,解决了现有的液冷电池模块(PACK)及风冷电池模块生产过程中电芯上料设备上存在的缺陷及不足。通过该设备的各个机构部件的协作生产,能够快速完成电池模组的电芯的上料作业,以流水线的生产方式,降低人的疲劳程度,提高产品装配的便捷性和效率,省时省力,达到预期设计目的。

同时,根据产品特性,可在现有方案上进行设备改造,可在需夹取、搬运各类、各形状及复杂工况的相关产品及其配件的生产场所进行推广应用,具有一定的通用性。

随着算法、芯片技术的不断进步,多目视觉系统在无序分拣、机器视觉方面得到越来越广泛的应用,各大视觉厂家也在逐步开发视野范围更大、检测精度更高的多目视觉系统;制约多目视觉系统应用的价格问题将逐步得到解决,其在常规的工业生产当中将得到更加广泛的应用。同时,需继续针对现有设备中存在的不足之处进行改造升级,加快人才队伍的组建和培养,以应对更高精度要求和更复杂工况的生产需求所带来的挑战。