電池極柱激光清洗關鍵技術研究

支嘉斌，郭 瑞，郝瑞超，高士浩，金武飛

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，新能源動力業迅速發展，電池產品生產工藝也發生了巨大的變化。其中，動力鋰電池模組鋁排連接工藝已經逐漸演變成目前較先進的激光焊接連接方式，而在激光焊接工藝之前需要對電池極柱進行表面處理，防止在大功率焊接過程中造成飛濺以及其他不良反應。目前，激光清洗是一種電池表面處理的主要手段。該技術通過采用激光器、打標頭以及控制軟件，通過計算機集成控制，能顯著提高產品一致性與生產效率，可以很好的滿足產品的質量要求以及提高生產效率。而對比于外國自動化商家高昂的價格，本文基于該種實際情況提出一種方案，來滿足工藝生產需要，同時降低設備生產成本。

1 激光清洗專機系統機械結構設計

根據實際新能源項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的焊接工作進行。電池極柱表面激光清洗深度要求為0.001mm～0.01mm。如圖1所示，左邊是清洗專機機架以及機罩，右邊是機房內部三軸運動平臺包括其承載的打標頭以及CCD組件，流水線上配置了專用于定位的阻擋頂升機構。采用該方案設計的激光清洗專機能夠有效提高激光清洗工序的生產效率。

本文從目標區域（極柱）精確定位、打標振鏡頭的硬件以及振鏡系統偏差來源著手來研究激光清洗系統。該激光清洗系統可分為打標子系統、機器視覺子系統以及三軸運動平臺。三維運動平臺搭載打標頭設置控制工作點位，打標頭控制激光按一定功率出光并且掃描預設圖形；機器視覺系統通過拍照、計算后得出極柱區域定位數據信息；本文通過試驗測試參數得到一套適用于鋰電池的極柱清洗專機。

圖1 電池極柱清洗專機三維效果圖

按照具體電池生產工藝流程，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。實際設計方案中采取對稱雙工位加快工作節拍。

2 系統工作流程

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

圖2 電池極柱清洗專機工藝流程

3 激光清洗關鍵技術

3.1 機器視覺系統

機器視覺系統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、軸平臺電機的重復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。本系統通過機器視覺與軸平臺電機伺服以及激光打標頭的集成控制，由機器視覺進行目標電池極柱進行定位，再由軸平臺運動到指定位置，最后由振鏡激光打標系統進行電池極柱清洗工作[1]。

3.1.1 目標匹配與定位

3.1.2 視覺系統坐標系與振鏡打標頭坐標系對應關系

圖3 視覺系統工作流程圖

在振鏡打標頭系統安裝調試階段，需要對其進行標定，以確定振鏡系統坐標系跟視覺系統坐標系的對應關系，為振鏡運動控制做好前提準備。振鏡系統的標定需要借助CCD探測器。本節主要是給出一種振鏡系統的坐標系標定方法，通過標定其坐標系完成視覺系統輸出點與振鏡系統執行點之間的關系對應。

該系統標定方法屬于一種旁軸式視覺系統與激光振鏡加工系統位置關系標定方法[2]。具體步驟如下：

1）建立相機坐標系與振鏡坐標系；OC代表相機坐標原點即相機光心，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的在平面內與OCXC垂直方向；OL為振鏡坐標系原點，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在平面內與OLXL垂直的Y方向；

2）在振鏡下面加工平臺同時處于相機視野中擺放試刻靶標，標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）靶紙上標記點為圓形，其圓心為標記坐標點。首先開啟激光振鏡加工系統，進行刻蝕?？涛g完畢后記錄標記點在振鏡坐標系下的坐標值，記錄為坐標PLi（XLi，YLi，0）。

4）將相機中心移至靶標處，使其視野覆蓋所有標記點，記錄相機的位移在振鏡坐標系中的值tx、ty，其中z方向為0。

5）在視覺系統中標定靶標上標記點的值。具體方法是視覺系統的圖像處理（特征提取、曲線擬合），在二維像素坐標中提取標定點i圖像坐標（ui，vi）。由相機自身的標定方法得知其內外參數矩陣。本系統針對二維平面進行標定，z方向取值為0。結合成像公式通過二維坐標得到其在標定的相機坐標系下的值。同時根據相機的位移得到其初始狀態下的值。記錄其在相機坐標系中為Pci（Xci，Yci，0）。

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

假設相機坐標系與振鏡坐標系間的位置關系向量Mcl=[Rcl，tcl]，其中，Rcl表示旋轉向量，tcl表示平移向量，則可以得到如下對應關系：

已知各個標記點在振鏡坐標系跟相機坐標系下的值將其代入式(1)，采用傳統的Levenberg-Marquard（LM）法通過優化求得McL矩陣，該矩陣就代表了振鏡坐標系與相機坐標系的關系。

3.2 振鏡激光系統

激光清洗是一種采用高能量密度光對材料表面進行精準加熱處理的技術，其設備硬件又可以稱作為打標 器件。

打標硬件以及軟件經歷了多代發展，從之前的大幅面打標頭到以轉鏡為核心再到最新的振鏡掃描系統。本清洗系統集成振鏡系統與激光器系統，在運行過程中需要進行參數調試，以滿足實際清洗的要求。

從理論的角度可以把經過擴束、準直的激光束當作理想高斯光束模型如圖4所示。高斯光束匯聚后聚焦點與光程有關，并且在聚焦點處匯聚最大的能量[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鏡。通過其聚焦的激光束，可以獲得一個平面的聚焦場，不論其是從哪個角度入射的，而普通聚焦透鏡則會形成空間曲狀的像平面。由圖6可以看出，當反射鏡轉動（即振鏡擺動）時，在點附近還能有較小的光斑，在離中心點較遠時，由于像場不是平面，在傳播到工作平面上時聚焦光斑會放大，導致功率密度降低，圖形掃描也產生存在較明顯的桶形失真誤差，這不利于進行激光加工。

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，當光斑離加工中心越遠，其尺寸會越大，激光功率密度就會嚴重下降，其可加工的范圍相對較小。因此，普通聚焦透鏡通常用在較為原始對自動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進行激光加工，這也是振鏡掃描的激光加工尤為重要的一個優勢。如果用f-theta平場聚焦透鏡聚焦，不管在中心點附近，還是在離中心較遠的點，都能獲得較好的聚焦光斑，工作平面上能得到高質量的聚焦光束。所以，在本文激光清洗系統中，選用平場f-theta聚焦透鏡。

表1 激光清洗專機節拍分析表

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導致的枕形失真；另一種是聚焦透鏡導致的桶形失真。振鏡在偏轉的時候擁有固定的加減速時間，導致了偏轉角度與速度成正比，而偏轉角越大失真也會越大，這就是振鏡枕形失真的情況。平場鏡也會產生失真，平場鏡的作用是把原本一個球面上的焦面轉換到了一個平面，其中必然存在桶形失真的情況[4,5]，如圖7所示。

(a) 振鏡導致的像場枕形失真

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，需要對其進行綜合處理。失真糾正有軟件硬件兩個方面的方法，目前主要使用的還是軟件校正方法，因為其具有靈活方便、花銷小及不依賴硬件等優點。軟件糾正的主要思路是通過加入一個補償量對偏差量進行校正，需要按照實際規律進行總結?？傮w來說，市場上對于軟件糾正振鏡掃描失真的技術已經比較成熟，能夠對偏差值進行糾正從而使系統達到一個較高掃描精度。

4 激光清洗專機節拍分析

經過上述技術分析，以實際項目為例進行系統的節拍分析。清洗的主要工序分為5個步驟：流入、機械定位、視覺定位、激光清洗、流出。具體分析如表1所示，該系統對12個電芯組成的模組的激光清洗時間為56.4S，達到一個較快的節拍。

5 結論

通過本文以上關鍵技術的研究，本激光清洗專機基本成型。本文介紹了系統機械機構設計以及專機工作流程。介紹了實際項目中機器視覺采用目的以及坐標系對應方法，介紹了振鏡打標頭的系統類別以及偏差來源。最后通過試驗獲得理想系統工作節拍。本系統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。