電池極柱激光清洗關(guān)鍵技術(shù)研究

支嘉斌，郭 瑞，郝瑞超，高士浩，金武飛

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，新能源動(dòng)力業(yè)迅速發(fā)展，電池產(chǎn)品生產(chǎn)工藝也發(fā)生了巨大的變化。其中，動(dòng)力鋰電池模組鋁排連接工藝已經(jīng)逐漸演變成目前較先進(jìn)的激光焊接連接方式，而在激光焊接工藝之前需要對(duì)電池極柱進(jìn)行表面處理，防止在大功率焊接過程中造成飛濺以及其他不良反應(yīng)。目前，激光清洗是一種電池表面處理的主要手段。該技術(shù)通過采用激光器、打標(biāo)頭以及控制軟件，通過計(jì)算機(jī)集成控制，能顯著提高產(chǎn)品一致性與生產(chǎn)效率，可以很好的滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求以及提高生產(chǎn)效率。而對(duì)比于外國(guó)自動(dòng)化商家高昂的價(jià)格，本文基于該種實(shí)際情況提出一種方案，來滿足工藝生產(chǎn)需要，同時(shí)降低設(shè)備生產(chǎn)成本。

1 激光清洗專機(jī)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際新能源項(xiàng)目模組極柱清洗工藝要求，電池極柱在清洗后其表面氧化膜被清除因此十分利于后續(xù)的焊接工作進(jìn)行。電池極柱表面激光清洗深度要求為0.001mm～0.01mm。如圖1所示，左邊是清洗專機(jī)機(jī)架以及機(jī)罩，右邊是機(jī)房?jī)?nèi)部三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括其承載的打標(biāo)頭以及CCD組件，流水線上配置了專用于定位的阻擋頂升機(jī)構(gòu)。采用該方案設(shè)計(jì)的激光清洗專機(jī)能夠有效提高激光清洗工序的生產(chǎn)效率。

本文從目標(biāo)區(qū)域（極柱）精確定位、打標(biāo)振鏡頭的硬件以及振鏡系統(tǒng)偏差來源著手來研究激光清洗系統(tǒng)。該激光清洗系統(tǒng)可分為打標(biāo)子系統(tǒng)、機(jī)器視覺子系統(tǒng)以及三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載打標(biāo)頭設(shè)置控制工作點(diǎn)位，打標(biāo)頭控制激光按一定功率出光并且掃描預(yù)設(shè)圖形；機(jī)器視覺系統(tǒng)通過拍照、計(jì)算后得出極柱區(qū)域定位數(shù)據(jù)信息；本文通過試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)得到一套適用于鋰電池的極柱清洗專機(jī)。

圖1 電池極柱清洗專機(jī)三維效果圖

按照具體電池生產(chǎn)工藝流程，模組激光清洗工位處于電池打軋帶的后段，而位于極柱激光焊接前段，該工藝采用激光清洗的方法處理極柱表面的氧化物等雜質(zhì)。實(shí)際設(shè)計(jì)方案中采取對(duì)稱雙工位加快工作節(jié)拍。

2 系統(tǒng)工作流程

電池極柱激光清洗系統(tǒng)工作流程主要包含了前段線來料，電池模組的機(jī)械定位與機(jī)器視覺極柱區(qū)域定位，電池極柱激光打標(biāo)清洗以及系統(tǒng)工作完畢下料過程。電池極柱清洗專機(jī)工藝流程如圖2所示。

圖2 電池極柱清洗專機(jī)工藝流程

3 激光清洗關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)在該電池激光清洗工序中起到最重要的作用是提高定位精度，如果沒有視覺系統(tǒng)的定位，由于工裝與電池模組間隙、模組電芯尺寸公差、軸平臺(tái)電機(jī)的重復(fù)定位精度誤差等諸多因素，該極柱清洗工作精度無法保證，從而無法保證電池模組極柱焊接的成品率。本系統(tǒng)通過機(jī)器視覺與軸平臺(tái)電機(jī)伺服以及激光打標(biāo)頭的集成控制，由機(jī)器視覺進(jìn)行目標(biāo)電池極柱進(jìn)行定位，再由軸平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定位置，最后由振鏡激光打標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行電池極柱清洗工作[1]。

3.1.1 目標(biāo)匹配與定位

3.1.2 視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系與振鏡打標(biāo)頭坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 視覺系統(tǒng)工作流程圖

在振鏡打標(biāo)頭系統(tǒng)安裝調(diào)試階段，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以確定振鏡系統(tǒng)坐標(biāo)系跟視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為振鏡運(yùn)動(dòng)控制做好前提準(zhǔn)備。振鏡系統(tǒng)的標(biāo)定需要借助CCD探測(cè)器。本節(jié)主要是給出一種振鏡系統(tǒng)的坐標(biāo)系標(biāo)定方法，通過標(biāo)定其坐標(biāo)系完成視覺系統(tǒng)輸出點(diǎn)與振鏡系統(tǒng)執(zhí)行點(diǎn)之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)。

該系統(tǒng)標(biāo)定方法屬于一種旁軸式視覺系統(tǒng)與激光振鏡加工系統(tǒng)位置關(guān)系標(biāo)定方法[2]。具體步驟如下：

1）建立相機(jī)坐標(biāo)系與振鏡坐標(biāo)系；OC代表相機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)即相機(jī)光心，OCZC需要與硬件光心軸重合，OCXC為垂于與OCZC的水平方向，OCYC為垂直于OCZC的在平面內(nèi)與OCXC垂直方向；OL為振鏡坐標(biāo)系原點(diǎn)，OLZL建立需要與振鏡心軸重合，OLXL沿著垂直于OLZL的水平方向，OLYL為沿著垂于與OLZL在平面內(nèi)與OLXL垂直的Y方向；

2）在振鏡下面加工平臺(tái)同時(shí)處于相機(jī)視野中擺放試刻靶標(biāo)，標(biāo)靶為試刻紙或金屬板任一類型。需要通過重物壓制或者真空吸附等方法將試刻靶紙緊固于平面。

3）靶紙上標(biāo)記點(diǎn)為圓形，其圓心為標(biāo)記坐標(biāo)點(diǎn)。首先開啟激光振鏡加工系統(tǒng)，進(jìn)行刻蝕?？涛g完畢后記錄標(biāo)記點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，記錄為坐標(biāo)PLi（XLi，YLi，0）。

4）將相機(jī)中心移至靶標(biāo)處，使其視野覆蓋所有標(biāo)記點(diǎn)，記錄相機(jī)的位移在振鏡坐標(biāo)系中的值tx、ty，其中z方向?yàn)?。

5）在視覺系統(tǒng)中標(biāo)定靶標(biāo)上標(biāo)記點(diǎn)的值。具體方法是視覺系統(tǒng)的圖像處理（特征提取、曲線擬合），在二維像素坐標(biāo)中提取標(biāo)定點(diǎn)i圖像坐標(biāo)（ui，vi）。由相機(jī)自身的標(biāo)定方法得知其內(nèi)外參數(shù)矩陣。本系統(tǒng)針對(duì)二維平面進(jìn)行標(biāo)定，z方向取值為0。結(jié)合成像公式通過二維坐標(biāo)得到其在標(biāo)定的相機(jī)坐標(biāo)系下的值。同時(shí)根據(jù)相機(jī)的位移得到其初始狀態(tài)下的值。記錄其在相機(jī)坐標(biāo)系中為Pci（Xci，Yci，0）。

5)由反沖質(zhì)子的空間坐標(biāo)表達(dá)式和出射方向余弦表達(dá)式，獲得相同能量質(zhì)子的空間分布，以空間各點(diǎn)之間距離最小作為反沖質(zhì)子會(huì)聚的焦平面分布位置。

假設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系與振鏡坐標(biāo)系間的位置關(guān)系向量Mcl=[Rcl，tcl]，其中，Rcl表示旋轉(zhuǎn)向量，tcl表示平移向量，則可以得到如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

已知各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在振鏡坐標(biāo)系跟相機(jī)坐標(biāo)系下的值將其代入式(1)，采用傳統(tǒng)的Levenberg-Marquard（LM）法通過優(yōu)化求得McL矩陣，該矩陣就代表了振鏡坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系。

3.2 振鏡激光系統(tǒng)

激光清洗是一種采用高能量密度光對(duì)材料表面進(jìn)行精準(zhǔn)加熱處理的技術(shù)，其設(shè)備硬件又可以稱作為打標(biāo) 器件。

打標(biāo)硬件以及軟件經(jīng)歷了多代發(fā)展，從之前的大幅面打標(biāo)頭到以轉(zhuǎn)鏡為核心再到最新的振鏡掃描系統(tǒng)。本清洗系統(tǒng)集成振鏡系統(tǒng)與激光器系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，以滿足實(shí)際清洗的要求。

從理論的角度可以把經(jīng)過擴(kuò)束、準(zhǔn)直的激光束當(dāng)作理想高斯光束模型如圖4所示。高斯光束匯聚后聚焦點(diǎn)與光程有關(guān)，并且在聚焦點(diǎn)處匯聚最大的能量[3]。

圖4 高斯光束模型

圖5 f-theta焦距透鏡的掃描圖

f-theta聚焦透鏡又被稱作平場(chǎng)鏡。通過其聚焦的激光束，可以獲得一個(gè)平面的聚焦場(chǎng)，不論其是從哪個(gè)角度入射的，而普通聚焦透鏡則會(huì)形成空間曲狀的像平面。由圖6可以看出，當(dāng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)（即振鏡擺動(dòng)）時(shí)，在點(diǎn)附近還能有較小的光斑，在離中心點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，由于像場(chǎng)不是平面，在傳播到工作平面上時(shí)聚焦光斑會(huì)放大，導(dǎo)致功率密度降低，圖形掃描也產(chǎn)生存在較明顯的桶形失真誤差，這不利于進(jìn)行激光加工。

圖6 普通透鏡的掃描圖

由于激光束能量匯聚在激光束腰處，普通聚焦透鏡在匯聚激光束時(shí)，當(dāng)光斑離加工中心越遠(yuǎn)，其尺寸會(huì)越大，激光功率密度就會(huì)嚴(yán)重下降，其可加工的范圍相對(duì)較小。因此，普通聚焦透鏡通常用在較為原始對(duì)自動(dòng)化以及加工效果要求不高的嫦娥和。f-theta聚焦透鏡能在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行激光加工，這也是振鏡掃描的激光加工尤為重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。如果用f-theta平場(chǎng)聚焦透鏡聚焦，不管在中心點(diǎn)附近，還是在離中心較遠(yuǎn)的點(diǎn)，都能獲得較好的聚焦光斑，工作平面上能得到高質(zhì)量的聚焦光束。所以，在本文激光清洗系統(tǒng)中，選用平場(chǎng)f-theta聚焦透鏡。

表1 激光清洗專機(jī)節(jié)拍分析表

3.3 振鏡失真校正

振鏡偏擺掃描過程中主要存在兩種類型失真，一種是由于振鏡偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的枕形失真；另一種是聚焦透鏡導(dǎo)致的桶形失真。振鏡在偏轉(zhuǎn)的時(shí)候擁有固定的加減速時(shí)間，導(dǎo)致了偏轉(zhuǎn)角度與速度成正比，而偏轉(zhuǎn)角越大失真也會(huì)越大，這就是振鏡枕形失真的情況。平場(chǎng)鏡也會(huì)產(chǎn)生失真，平場(chǎng)鏡的作用是把原本一個(gè)球面上的焦面轉(zhuǎn)換到了一個(gè)平面，其中必然存在桶形失真的情況[4,5]，如圖7所示。

(a) 振鏡導(dǎo)致的像場(chǎng)枕形失真

圖7 幾種失真情況

掃描振鏡就存在如圖7所示上述兩種失真情況，需要對(duì)其進(jìn)行綜合處理。失真糾正有軟件硬件兩個(gè)方面的方法，目前主要使用的還是軟件校正方法，因?yàn)槠渚哂徐`活方便、花銷小及不依賴硬件等優(yōu)點(diǎn)。軟件糾正的主要思路是通過加入一個(gè)補(bǔ)償量對(duì)偏差量進(jìn)行校正，需要按照實(shí)際規(guī)律進(jìn)行總結(jié)?？傮w來說，市場(chǎng)上對(duì)于軟件糾正振鏡掃描失真的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)ζ钪颠M(jìn)行糾正從而使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)較高掃描精度。

4 激光清洗專機(jī)節(jié)拍分析

經(jīng)過上述技術(shù)分析，以實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行系統(tǒng)的節(jié)拍分析。清洗的主要工序分為5個(gè)步驟：流入、機(jī)械定位、視覺定位、激光清洗、流出。具體分析如表1所示，該系統(tǒng)對(duì)12個(gè)電芯組成的模組的激光清洗時(shí)間為56.4S，達(dá)到一個(gè)較快的節(jié)拍。

5 結(jié)論

通過本文以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，本激光清洗專機(jī)基本成型。本文介紹了系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及專機(jī)工作流程。介紹了實(shí)際項(xiàng)目中機(jī)器視覺采用目的以及坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)方法，介紹了振鏡打標(biāo)頭的系統(tǒng)類別以及偏差來源。最后通過試驗(yàn)獲得理想系統(tǒng)工作節(jié)拍。本系統(tǒng)很好的滿足了新能源方形硬殼鋰電池極柱清洗工序的需求。