黃世日亙，梁世民，屠 鋒，徐曉煒

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310000；3.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

新能源汽車以電池模組作為動(dòng)力來源，可以說新能源電池的質(zhì)量直接影響汽車的運(yùn)行動(dòng)力質(zhì)量。為了給新能源汽車提供充足的動(dòng)力支持，電池模組通常安裝在電池線路板中，保證各個(gè)電池元件處于同一個(gè)工作頻率中[1]。電池線路板可以大體分為陶瓷線路板、PCB板、厚銅板等多種類型，為了滿足汽車車身輕量化的要求，選擇密度小、強(qiáng)度好的鋁合金線路板。

在新能源電池線路板的制作過程中需要利用焊接工作結(jié)合電池殼，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)電池單體的串并聯(lián)?，F(xiàn)階段以鋁合金為原材料的新能源電池線路板基本都是采用激光焊接方式，然而在實(shí)際的工作過程中發(fā)現(xiàn)，由于在焊接過程中無法直接觀察線路板的位置，因此無法精準(zhǔn)定位線路板的焊接點(diǎn)位置，導(dǎo)致線路板焊接失效。除此之外，焊接操作人員也無法觀察到線路板的實(shí)時(shí)焊接狀態(tài)，容易產(chǎn)生凝固裂紋、孔穴、未熔合、未焊透等焊接缺陷，最終影響新能源電池線路板的焊接加工質(zhì)量。

為了解決當(dāng)前新能源電池線路板焊接方法存在的問題，將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到焊接方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中。機(jī)器視覺是利用計(jì)算機(jī)對(duì)人的視覺功能進(jìn)行仿真，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行提取、加工，最后進(jìn)行測(cè)量和控制的過程。機(jī)器視覺的色彩和灰度分辨力更高，且可以做到量化，能夠有效的降低焊接激光對(duì)人眼造成的傷害。通過機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，以期能夠提高新能源電池線路板的焊接質(zhì)量。

1 應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的新能源電池線路板焊接方法設(shè)計(jì)

1.1 利用機(jī)器視覺技術(shù)生成新能源電池線路板圖像

機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用需要相關(guān)硬件設(shè)備的支持，具體包括光源、成像相機(jī)、鏡頭以及運(yùn)動(dòng)控制器等。在考慮圖像對(duì)比度、圖像亮度以及圖像清晰度三個(gè)因素，選擇AOI光源，為了減少圖像采集過程中的反光，采用高角度照射方式。由于光耦合組件傳感器相機(jī)相機(jī)具有拍攝圖像質(zhì)量高且抗噪能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將其安裝到新能源電池線路板焊接工作臺(tái)上，安裝型號(hào)為FUJINON的鏡頭，且保證相機(jī)與鏡頭的安裝位置能夠拍攝到完成的焊接工作圖像。在硬件設(shè)備的協(xié)同配合下，按照?qǐng)D1表示的成像原理，生成新能源電池線路板的圖像拍攝結(jié)果。

圖1 新能源電池線路板機(jī)器視覺成像原理圖

假設(shè)世界坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)為在成像圖像平面上生成的坐標(biāo)點(diǎn)為那么兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為：

式(1)中f為相機(jī)焦距，其計(jì)算公式如下：

其中V、FOV(V)和WD分別為相機(jī)內(nèi)部的感光元件大小、視野范圍大小和物距[2]。定義相機(jī)的成像投影坐標(biāo)點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u，v)，由此可以得出兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以表示為：

式(3)中ax和ay成像坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系在兩個(gè)坐標(biāo)軸方向的放大系數(shù)，Min為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣。根據(jù)上述原理可以得出新能源電池線路板上所有位置在相機(jī)以及像素坐標(biāo)系中的映射結(jié)果，即新能源電池線路板圖像的生成結(jié)果。另外運(yùn)動(dòng)控制部分主要是驅(qū)動(dòng)攝像子系統(tǒng)的動(dòng)作，使攝像機(jī)在各個(gè)位置上完成局部的拍攝。設(shè)置圖像生成時(shí)間間隔為0.5s，得出新能源電池線路板在焊接全過程中的實(shí)時(shí)圖像。

1.2 初始電池線路板圖像預(yù)處理

1.2.1 圖像灰度化

灰度化處理是把彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像的過程。采用加權(quán)平均的方式得出圖像的灰度化處理結(jié)果為：

其中ωR、ωG和ωB分別為R、G和B三個(gè)顏色分量的權(quán)重值，上述三個(gè)參數(shù)的和為1。通過計(jì)算權(quán)重值的最優(yōu)解，得到合理的灰度圖像。

1.2.2 圖像噪聲處理

由于受新能源電路板焊接工藝條件的限制，采集到的圖像往往包含椒鹽噪聲、高斯噪聲等，從而造成圖像的特征信息被遮蔽，從而降低了檢測(cè)準(zhǔn)確率。因此，采用中值濾波方法，以達(dá)到更好地逼近實(shí)際值，并排除了孤立噪聲的影響[3]。選取滑動(dòng)過濾窗A，在本地區(qū)域選取一個(gè)像素，將其他像素與此像素進(jìn)行比較，其中灰度較低的像素位于其前方，而灰度較高的像素則位于其后，利用式(5)計(jì)算數(shù)據(jù)中值。

式(5)中R表示的是偶數(shù)集合。將式(5)的計(jì)算結(jié)果賦值給該局部區(qū)域的像素，通過對(duì)初始圖像中所有像素的連續(xù)處理，完成圖像的噪聲處理工作。

1.2.3 分割圖像感興趣區(qū)域

由于相機(jī)拍攝位置、視角等因素，獲取的圖像背景信息復(fù)雜，信息量大，圖像中的靶點(diǎn)特征不明顯，從而影響圖像處理的處理效率，因此，在圖像處理之前，必須對(duì)圖像進(jìn)行處理，減少圖像處理的時(shí)間。針對(duì)目標(biāo)焊點(diǎn)及周圍區(qū)域進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)前景圖像與背景圖像的分割，提取的前景圖像即為焊點(diǎn)圖像感興趣區(qū)域。設(shè)置圖像分割閾值為T，則初始采集圖像f(x，y)的分割結(jié)果可以表示為：

提取g(x，y)取值為1的部分作為前景圖像，使用矩形區(qū)域的Rect方法，在前景圖像位置上以矩形的方式對(duì)焊點(diǎn)圖像感興趣區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記。

1.3 實(shí)時(shí)提取新能源電池線路板焊接圖像特征

以采集并處理完成的新能源電池線路板圖像為基礎(chǔ)，從輪廓邊緣、區(qū)域面積等方面，提取圖像特征，為焊接位置的確定以及線路板缺陷的檢測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。其中輪廓邊緣是圖像的基本特征，能夠反映出新能源電池線路板的基本形狀和走線方式，同時(shí)也能夠通過對(duì)邊緣的檢測(cè)，確定焊點(diǎn)的形狀及位置特征。在輪廓邊緣檢測(cè)過程中，利用Roborts算子通過對(duì)角線上兩個(gè)鄰近像素之間的差分，采用局部差分算子來進(jìn)行邊緣提取，邊緣特征的提取過程可以表示為：

式(7)中Roborts(·)為算子函數(shù)，f`x和f`y分別為兩個(gè)45°傾斜方向上圖像像素點(diǎn)的微分值，最終得出的結(jié)果edge即為焊接圖像邊緣的檢測(cè)結(jié)果[4]。在此基礎(chǔ)上，利用式(8)可以得出焊點(diǎn)面積特征的提取結(jié)果。

其中M和N分別為焊點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度，上述兩個(gè)參數(shù)的具體取值可以根據(jù)提取的邊緣特征直接得出，nedge為焊點(diǎn)區(qū)域中包含的像素?cái)?shù)量，S1表示一個(gè)像素所占的面積大小。同理可以求出焊點(diǎn)周長(zhǎng)、焊點(diǎn)球形性等特征的量化提取結(jié)果。

1.4 規(guī)劃新能源電池線路板焊接路線

1.4.1 確定電池線路板焊接起始位置

設(shè)置新能源電池線路板以及板上引線、芯片等元件的標(biāo)準(zhǔn)形狀特征，并以此作為圖像匹配的模板，利用式(9)進(jìn)行輪廓邊緣特征與模板之間的匹配任務(wù)。

其中R(j，k)和β(x+j，y+k)分別為設(shè)置的模板特征和提取的圖像特征，(j，k)和(x，y)為圖像對(duì)應(yīng)的像素值，式(9)的計(jì)算結(jié)果為輪廓邊緣特征與模板之間的相似度，若η(x，y)的計(jì)算結(jié)果高于η0，則表示當(dāng)前圖像目標(biāo)的邊緣特征符合相應(yīng)模板特征，由此便可以確定當(dāng)前圖像中的焊點(diǎn)位置，并對(duì)引腳、芯片等焊點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。圖2為標(biāo)記后新能源電池線路板焊點(diǎn)分布情況。

圖2 新能源電池線路板焊點(diǎn)分布圖

利用機(jī)器視覺技術(shù)直接得出該目標(biāo)元素的位置坐標(biāo)。若η(x，y)低于η0，則需要進(jìn)行下一個(gè)模板的匹配，直到找到匹配結(jié)果或所有模板均未匹配成功為止。利用式(10)分別計(jì)算檢測(cè)出的焊點(diǎn)與新能源電池線路板邊緣起點(diǎn)之間的距離。

式(10)中(xi，yi)和(x0，y0)分別為目標(biāo)元素與線路板邊緣起點(diǎn)的坐標(biāo)值，(x0，y0)可以選擇線路板的任意一個(gè)端點(diǎn)作為邊緣起點(diǎn)。將識(shí)別出的目標(biāo)元素逐一代入到式(10)中，并選擇距離新能源電池線路板邊緣起點(diǎn)位置最近的焊點(diǎn)作為起始點(diǎn)。

1.4.2 生成新能源電池線路板焊接路線

按照式(11)的計(jì)算方式，分別計(jì)算新能源電池線路板上其他焊點(diǎn)與起始位置的距離，選擇距離最小的焊點(diǎn)作為第二個(gè)焊接位置，并將其與起始位置相連。同理逐一計(jì)算后續(xù)焊點(diǎn)的焊接順序，保證新能源電池線路板上所有的焊點(diǎn)均包含在焊接隊(duì)列中，并按照順序?qū)更c(diǎn)進(jìn)行連接，經(jīng)過平滑處理后，得出焊接路線的生成結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)新能源電池線路板焊接

利用控制器設(shè)備保證激光焊接設(shè)備嚴(yán)格按照規(guī)劃的焊接路線執(zhí)行焊接任務(wù)，具體的焊接流程如圖3所示。

圖3 新能源電池線路板焊接流程圖

按照?qǐng)D3表示的流程，新能源電池外殼垂直放置在輸送機(jī)上，再通過輸送機(jī)輸送到焊縫區(qū)。通過焊接機(jī)器人的上料、裝配，啟動(dòng)夾具對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行定位、夾持，并利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，確保焊縫之間的間隔、間隔和適當(dāng)?shù)木嚯x。實(shí)際焊接時(shí)，控制焊點(diǎn)的誤差不超過0.05mm。采用激光焊接機(jī)對(duì)電池進(jìn)行封裝焊接，可以實(shí)現(xiàn)0.3mm～0.7mm的焊縫熔深，0.6mm～1.2mm的焊縫寬度[5]。利用機(jī)器視覺實(shí)時(shí)采集的圖像，對(duì)焊接的每一個(gè)步驟進(jìn)行跟蹤，并在完成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接后，對(duì)該焊點(diǎn)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，判斷是否存在未焊少焊、凸起、凹陷等缺陷，若機(jī)器視覺在焊接過程中檢測(cè)出缺陷，則立即停止當(dāng)前焊接操作，對(duì)前一個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行重新焊接，完成缺陷修補(bǔ)后，重新按照規(guī)劃路徑執(zhí)行焊接任務(wù)，直到所有焊點(diǎn)焊接完成，且機(jī)器視覺顯示無缺陷時(shí)，新能源電池線路板焊接操作結(jié)束。

2 應(yīng)用效果實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試機(jī)器視覺技術(shù)在新能源電池線路板焊接中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)，分別從焊接精度和焊接質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，并通過與應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)前的新能源電池線路板焊接方法的對(duì)比，體現(xiàn)出機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 準(zhǔn)備新能源電池線路板樣本

為了避免操作失誤對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，準(zhǔn)備相同型號(hào)的新能源電池線路板共600個(gè)，準(zhǔn)備線路板樣本的基本材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 新能源電池線路板樣本屬性參數(shù)表

初始準(zhǔn)備的新能源電池線路板均為裸板，電池、引腳以及芯片均未安裝，且新能源電池線路板表面無缺陷和劃痕。在實(shí)驗(yàn)過程中將準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)樣本劃分為5個(gè)組別，每個(gè)組別中的樣本數(shù)量均為120個(gè)，每個(gè)線路板上包含25個(gè)以上焊點(diǎn)。

2.2 安裝與調(diào)試機(jī)器視覺硬件設(shè)備與焊接設(shè)備

選擇新能源電池線路板焊接數(shù)控機(jī)床作為主要操作平臺(tái)，選擇激光焊接筆作為主要的焊接操作設(shè)備，并將其安裝在數(shù)控機(jī)床的相應(yīng)位置上。將焊接設(shè)備與數(shù)控機(jī)床上的驅(qū)動(dòng)器和控制器相連，保證焊接設(shè)備能夠按照實(shí)時(shí)發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。在此基礎(chǔ)上將機(jī)器視覺技術(shù)相關(guān)硬件設(shè)備安裝在數(shù)控機(jī)床上，組裝完畢后，調(diào)整機(jī)床的工作臺(tái)，將工作臺(tái)調(diào)整到合適的位置。在調(diào)整數(shù)控機(jī)床平臺(tái)時(shí)，需要將整個(gè)測(cè)試電路板放到調(diào)整機(jī)構(gòu)上，同時(shí)，調(diào)整螺釘要固定，確保測(cè)試時(shí)不會(huì)搖晃，避免對(duì)測(cè)試帶來的干擾，確保測(cè)試的精度，減少測(cè)量誤差。將電腦開機(jī)，將所設(shè)計(jì)的軟件與采集設(shè)備相連，并接通硬件采集設(shè)備的主開關(guān)，使外部觸發(fā)器啟動(dòng)。確保相機(jī)在觸發(fā)時(shí)能夠捕捉到目標(biāo)。設(shè)定輸送帶的輸送方向是向前的，并調(diào)整輸送帶的轉(zhuǎn)速。如果傳輸速度太快，拍攝的畫面會(huì)變得模糊不清，如果拍攝的速度太慢，拍攝的畫面就會(huì)變得不真實(shí)。把輸送帶的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到合適的范圍，這樣就可以保證機(jī)器視覺所獲取的圖像不會(huì)有失真，而且可以完整地收集。

2.3 設(shè)置應(yīng)用效果測(cè)試指標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)主要通過線路板缺陷與焊點(diǎn)位置誤差兩個(gè)方面，反映新能源電池線路板的焊接質(zhì)量。其中焊接缺陷的類型包括凸起、凹陷、焊盤堵塞、焊盤丟失等幾種類型，其中凸起/凹陷量測(cè)試指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果可以表示為：

其中hi和h0分別為焊接結(jié)果上第i個(gè)焊點(diǎn)的高度和電池線路板的高度值。焊盤堵塞和焊盤丟失的測(cè)試指標(biāo)可以表示為：

式(12)的計(jì)算結(jié)果表示的是焊盤堵塞與丟失缺陷的占比值，nbllocking、ndefect和nall分別為焊接處理結(jié)果中焊盤堵塞樣本數(shù)量、焊盤丟失樣本數(shù)量以及樣本總數(shù)量。另外焊點(diǎn)位置誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

式(13)中(xwelding-i，ywelding-i)和(xtarget-i，ytarget-i)分別為實(shí)際焊接位置和目標(biāo)焊接位置。最終計(jì)算得出Δh、δ和εposition的值越大，說明相應(yīng)新能源電池線路板的焊接質(zhì)量越差。

2.4 描述實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)過程中首先將準(zhǔn)備的新能源電池線路板樣本安裝在配置完成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)啟動(dòng)焊接設(shè)備和機(jī)器視覺設(shè)備，得出初始狀態(tài)下的機(jī)器視覺采集圖像，如圖4所示。

圖4 新能源電池線路板機(jī)器視覺圖像采集結(jié)果

按照設(shè)計(jì)的新能源電池線路板焊接方法生成具體的焊接路線，并在控制器與焊接設(shè)備的協(xié)同工作下，完成線路板的焊接操作。具體的焊接過程及結(jié)果如圖5所示。

圖5 新能源電池線路板焊接結(jié)果

同理可以得出其他新能源電池線路板樣本的焊接處理結(jié)果。為了體現(xiàn)出機(jī)器視覺技術(shù)在焊接方法中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，設(shè)置未應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的焊接方法作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法，在關(guān)閉機(jī)器視覺的相機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、圖像采集卡等設(shè)備的情況下，得出對(duì)應(yīng)方法的焊接結(jié)果。

2.5 應(yīng)用效果測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)兩種焊接方法得出的結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，即利用掃描儀設(shè)備檢測(cè)焊接線路板上是否存在凸起、凹陷等缺陷。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出凸起/凹陷量測(cè)試指標(biāo)的數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果，如表2所示。

表2 新能源電池線路板焊接凸起/凹陷缺陷檢測(cè)結(jié)果

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(11)中，得出機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用前后，新能源電池線路板焊接凸起/凹陷量的平均值分別為6.1mm和2.0mm。對(duì)5個(gè)組別中焊盤堵塞與丟失樣本數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出反映焊盤堵塞與丟失缺陷占比的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

將圖6中的數(shù)據(jù)代入到式(12)中，得出機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用前后，焊盤堵塞與丟失缺陷占比的平均值分別為0.29和0.09。另外焊點(diǎn)位置誤差的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖6 焊盤堵塞與丟失缺陷數(shù)量測(cè)試結(jié)果

表3 焊點(diǎn)位置誤差測(cè)試結(jié)果

將表3中的數(shù)據(jù)代入到式(13)中，計(jì)算得出應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)前后的平均焊點(diǎn)位置誤差分別為6.3和1.2。綜合上述三個(gè)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，可以看出應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)后新能源電池線路板焊接質(zhì)量更優(yōu)，由此證明機(jī)器視覺技術(shù)在新能源電池線路板焊接工作中具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

新能源電池線路板作為新能源汽車的重要組成部分，對(duì)于新能源汽車的推廣具有重要意義。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，通過機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，有效的提高了電池線路板的焊接質(zhì)量。然而由于應(yīng)用效果應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的線路板樣本數(shù)量較少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度較低，因此在今后的研究以及應(yīng)用工作中，需要針對(duì)上述問題進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與補(bǔ)充。