سیستم های بازرسی CCD در خطوط لیتیوم یون: دستیابی به عیوب صفر

نویسنده: Dany Huang, Ph.D.

مدیر عامل و رهبر تحقیق و توسعه، TOB New Energy

با دکتر هوانگ در لینکدین ارتباط برقرار کنید

خلاصه اجرایی و نکات کلیدی

• نقص صفر در تولید لیتیوم یون با بازرسی بهتر در انتهای خط به دست نمی آید. این امر با تشخیص حفره‌های پوشش در وضوح 0.1 میلی‌متر، چین‌های زبانه در 0.05 میلی‌متر، و تخلخل جوش در 0.01 میلی‌متر در هر کلاس نقص که اپتیک، نور و الگوریتم‌های متفاوتی را در ایستگاه‌های مختلف می‌طلبد، به دست می‌آید. سیستم بازرسی یک ابزار فرآیند است، نه یک دروازه کیفیت.
• حفره‌های پوششی و فویل خالی: توسط دوربین‌های لاین اسکن با حداقل اندازه نقص 0.1 میلی‌متری شناسایی می‌شوند که با سرعت کامل وب با نور بارقی کار می‌کنند.
• تا شدن زبانه و ناهماهنگی: با وضوح 0.05 میلی متر با سیستم های اسکن ناحیه یا خط که توسط سنسور موقعیت زبانه فعال می شوند، شناسایی می شود.
• تخلخل جوش و پاشش: در مقیاس 0.01 میلی متر از طریق تصویربرداری کواکسیال با بزرگنمایی بالا شناسایی می شود، زیرا یک منفذ 50 میکرومتری می تواند مسیر نشتی را ایجاد کند.
• نردبان دقیق: دوربین هایی که همه چیز را در 0.01 میلی متر حل می کنند، خط را کاهش می دهند. وظیفه مهندسی تطبیق وضوح هر ایستگاه با کوچکترین نقصی است که واقعاً در آنجا مهم است.

سوراخ سوزنی در پوشش کاتد - 0.2 میلی متر عرض، لکه ای از آلومینیوم خالی - بدون شناسایی به رول ژله ای می رسد. از شکل گیری عبور می کند. غربالگری OCV را پشت سر می گذارد. از درجه بندی ظرفیت عبور می کند. سوار یک وسیله نقلیه یا کانتینر می شود و هجده ماه بعد، سلولی که با آن سوراخ متولد شده بود، بسته را از سرویس خارج می کند. عیوب صفر به معنای گرفتن آن سوراخ در ایستگاه پوشش، با سرعت وب، در هر متر مربع، بدون توقف خط است.

بازرسی CCD رشته ای است که این شکاف را می بندد. همچنین این رشته ای است که اغلب اشتباه مشخص می شود: مهندسان دوربینی را با بالاترین وضوح می خرند و تصور می کنند که مشکل حل شده است. وضوح بدون کنتراست بی فایده است. کنتراست بدون نور مناسب بی فایده است. و یا بدون منطق طبقه‌بندی نقص، ردهای نادرست زیادی ایجاد می‌کند که خط با سرعت نصف کار می‌کند. وظیفه مهندسی «بهترین دوربین را دریافت کنید» نیست. این برای تطبیق فیزیک تشخیص با هر کلاس نقص در هر ایستگاه است.

نقشه نقص: چه چیزی را شناسایی کنیم، کجا و در چه مقیاسی

نقص های مختلف در ایستگاه های مختلف متولد می شوند و هر یک رویکرد تشخیص خاص خود را می طلبد. جدول زیر یک نقشه مرجع برای یک الکترود لیتیوم یون معمولی و خط مونتاژ است.

الگوی: عیوب پوشش در 0.1 میلی متر، عیوب سطح زبانه در 0.05 میلی متر و تخلخل جوش در 0.01 میلی متر کار می کنند. نردبان رزولوشن خودسرانه نیست. از پیامد شکست چنین است: یک نقطه فویل 0.1 میلی متری یک سنبله چگالی جریان محلی است که آبکاری لیتیوم را تسریع می کند. یک ترک زبانه 0.05 میلی متری به یک مدار باز تبدیل می شود. یک منفذ 0.01 میلی متری در یک جوش کلاهک به یک مسیر نشتی تبدیل می شود که رطوبت را در طول سال ها می پذیرد.

ایستگاه 1: پوشش و ورقه های خالی و خشک کردن-گیرنده

پوشش جایی است که بالاترین ارزش بازرسی را انجام می دهد، زیرا تار پوشش داده شده بزرگترین سرمایه گذاری تک ماده در کارخانه است. نقص پوشش از دست رفته، کل ناحیه الکترود را به ضایعات یا بدتر از آن به خرابی میدان تبدیل می کند.

فیزیک نقصفویل بره منطقه ای است که پوشش به آن چسبیده یا رسوب نکرده است. سطح فلزی خاص و بسیار بازتابنده است. پوشش منتشر است. در یک تصویر اسکن خطی با نور مایل با زاویه کم، فویل خالی به عنوان یک نقطه روشن در برابر پوشش تیره تر ظاهر می شود. در نور پراکنده کواکسیال، کنتراست تغییر می کند یا ناپدید می شود. بنابراین انتخاب نور اولین تصمیم مشخصه است نه وضوح دوربین.

نیاز به وضوحهدف تشخیص عملی حداقل 0.1 میلی متر است. الکترودها در عرض شبکه تا 1600 میلی متر و سرعت تا 80 متر در دقیقه پوشش داده می شوند. یک دوربین اسکن تک خطی با وضوح 0.1 میلی متر در 1600 میلی متر تقریباً به 16000 پیکسل در هر خط نیاز دارد. در 80 متر بر دقیقه که یک نرخ خط نزدیک به 13 کیلوهرتز است. دوربین های متعدد یا سنسورهای ادغام تاخیر زمانی (TDI) در این سرعت ها رایج هستند. تجارت مهندسی بین تعداد دوربین، قدرت روشنایی و توان محاسباتی است.

مدیریت رد کاذبخطوط پوشش، دانه های لبه، نوارهایی با وزن پوشش و تغییرات گهگاهی براق شدن از خشک شدن ایجاد می کنند. الگوریتم‌ها باید اینها را به عنوان ویژگی‌های فرآیند طبقه‌بندی کنند و نه به عنوان نقص، در غیر این صورت سیستم بازرسی نیمی از هر حلقه را رد می‌کند. مدل طبقه بندی بر روی آن فرمول پوشش خاص و مشخصات خشک کردن کالیبره شده است - یک سیستم آموزش دیده در NMC بدون آموزش مجدد به LFP منتقل نمی شود.

هدف 0.1 میلی متری محافظه کارانه نیست.در 0.1 میلی متر، یک فضای خالی در سرعت تولید قابل تشخیص است. نقص‌های کوچک‌تر را می‌توان در یک خط متوقف شده شناسایی کرد، اما در 20 تا 80 متر در دقیقه، زنجیره نوری، روشنایی و محاسباتی باید 2 تا 3 پیکسل در هر ویژگی نقص را حل کند تا به طور قابل اعتماد فعال شود. زیر 0.1 میلی متر، سیگنال به نویز در سرعت کمتر از تشخیص عملی است. اینجاست که گیج مساحت اشعه ایکس وظیفه بارگذاری متوسط ​​را بر عهده می گیرد، در حالی که CCD عیوب مجزا را کنترل می کند.

ایستگاه 2: جابجایی زبانه - گرفتن چین و انحراف

تاهای زبانه قاتلان خاموش هستند. زبانه تا شده یک لایه دو برابری از فلز رسانا است که بین لایه‌های جداکننده فشرده می‌شود. ممکن است از روی هم انباشته شدن، قرار دادن و حتی تشکیل شدن جان سالم به در ببرد، سپس در طول دوچرخه سواری یک نقطه گرمایش موضعی ایجاد کند. کیفیت جوش روی زبانه تا شده قابل اعتماد نیست حتی اگر خود جوش قابل قبول به نظر برسد.

فیزیک.یک زبانه تا شده دو سطح فلزی را در یک پشته با یک خط چین قابل مشاهده نشان می دهد. تشخیص متکی بر دو سیگنال است: هندسی (زبانه کوتاه‌تر از حد انتظار به نظر می‌رسد، یا نمایه آن یک پله را نشان می‌دهد) و بصری (چروک به عنوان یک خط با کنتراست بالا در زیر نور جهت‌دار ظاهر می‌شود). تصویربرداری منطقه ای با نور ساختاریافته یا با وضوح بالا تغییرات سه بعدی را ثبت می کند. یک سیستم اسکن خط، چین دوبعدی را می گیرد.

نیاز به وضوحهدف 0.05 میلی متر است. زبانه ها کوچک هستند (معمولاً 10 تا 40 میلی متر عرض) بنابراین میدان دید دوربین می تواند باریک و وضوح بالا بدون شمارش بیش از حد دوربین باشد. ماشه از سنسور موقعیت زبانه ایستگاه می آید. دوربین فقط زمانی عکس می گیرد که زبانه موجود باشد. دقت ماشه مهم است: اگر دوربین 2 میلی متر زود یا دیر شلیک کند، زبانه ممکن است اصلاً در کادر نباشد.

حالت شکست رایجسیستم های بینایی که به درستی مشخص شده اند اما به اشتباه راه اندازی شده اند. محرک‌های برگه باید در هر تغییر محصول تأیید شوند و تصویر واقعی از اولین مقاله ثبت و بررسی شود. سیستمی که "ماه گذشته کار می کرد" می تواند به آرامی برگه ها را پس از یک جابجایی ثابت چند دهم میلی متری از دست بدهد.

ایستگاه 3:جوش لیزری- گرفتن تخلخل 0.01 میلی متری در درز

بازرسی جوش به بالاترین وضوح در کل خط نیاز دارد، زیرا پیامد نقص از دست رفته سلول غیر هرمتیک است. یک جوش کلاهک روی یک سلول منشوری تقریباً 760 میلی متر درز پیوسته است. در یک سلول استوانه ای، ده ها زبانه جوش در هر سلول. هر کدام بدون استثنا باید بازرسی شوند.

فیزیک.تخلخل جوش به صورت حفره های تیره کوچک در یک میدان فلزی بازتابنده ظاهر می شود. پاشش به صورت ذرات برجسته یا چسبیده در نزدیکی درز ظاهر می شود. هر دو در نور پراکنده کنتراست کم و در روشنایی میدان تاریک یا کواکسیال کنتراست بالا دارند. بهترین سیستم های بازرسی جوش، تصویربرداری کواکسیال از حوضچه جوش را با تصویربرداری میدان تاریک پس از جوش از درز تکمیل شده ترکیب می کند.

نیاز به وضوحهدف 0.01 میلی متر تا 10 میکرومتر برای تشخیص تخلخل است. این 10× ریزتر از بازرسی الکترود است و به اپتیک با بزرگنمایی بالا با میدان دید باریک یا نظارت کواکسیال از داخل سر جوش نیاز دارد. در 0.01 میلی متر، سیستم منطقه بسیار کوچکتری را در هر قاب بازرسی می کند، به همین دلیل است که بازرسی جوش در حین حرکت جوش انجام می شود و توسط مسیر جوش راه اندازی می شود نه توسط یک شاخص نوار نقاله جداگانه.

محدودیت های تشخیصهیچ سیستم بینایی به طور قابل اعتمادی تخلخل زیرسطحی را تشخیص نمی دهد. یک درز جوش کاملا بسته می تواند حفره های داخلی را که فقط اشعه ایکس یا سی تی می تواند ببیند پنهان کند. بازرسی CCD اولین فیلتر است که عیوب شکستگی و نزدیک به سطح را با سرعت تشخیص می دهد: آزمایش اشعه ایکس یا اولتراسونیک بقیه را نمونه می کند. استراتژی صفر نقص هر دو CCD درون خطی را در بازرسی 100٪ و اشعه ایکس یا CT بر اساس نمونه برداری برای تأیید فرآیند ترکیب می کند.

نردبان دقیق: تطبیق وضوح با نقصی که مهم است

رایج ترین خطای مشخصات انتخاب یک رزولوشن برای کل خط است. یک سیستم 0.01 میلی متری اعمال شده برای بازرسی الکترود، تعداد دوربین و بار محاسباتی را چهار برابر می کند و سرعت خط را به نصف می رساند. یک سیستم 0.1 میلی متری که برای بازرسی جوش اعمال می شود، هر عیب مهمی را از دست می دهد.

رویکرد صحیح یک نردبان دقیق است:

نردبان به عنوان بودجه مهندسی اعمال می شود. سیستمی که 0.01 میلی متر در درز جوش حل می شود اما 0.1 میلی متر در ایستگاه پوشش از دوربین مناسب در مکان مناسب با قیمت مناسب استفاده می کند. همچنین بار محاسباتی را در محدوده‌های واقعی نگه می‌دارد - یک سیستم 0.01 میلی‌متری با عرض کامل وب و سرعت کامل می‌تواند داده‌ها را سریع‌تر از هر خط لوله پردازش عملی که بتواند آن را مصرف کند تولید می‌کند.

A در مقابل B: چشم انداز مبتنی بر قانون در مقابل طبقه بندی هوش مصنوعی

دو فلسفه الگوریتمی بر بازرسی باتری غالب است.

بازرسی مبتنی بر قانوناز آستانه های ثابت، تجزیه و تحلیل لکه ها و اندازه گیری هندسی استفاده می کند. قطعی، سریع و آسان برای تایید است. در جایی که عیوب به خوبی تعریف شده باشد و امضای نقص پایدار باشد برتری دارد: یک سوراخ ناحیه تاریک یک منطقه خاص است. یک تا کردن یک خط با کنتراست بالا بالاتر از یک طول مشخص است. هنگامی که تغییرات طبیعی در بافت پوشش محصول، نوسانات نور، شکل لبه شبیه به نقص باشد، از کار می افتد.

طبقه بندی هوش مصنوعیاز مدل های یادگیری عمیق آموزش داده شده بر روی تصاویر برچسب زده شده از مناطق خوب و معیوب استفاده می کند. این تغییرات را به خوبی مدیریت می کند و با امضای نقص پیچیده سازگار می شود. به داده های آموزشی نیاز دارد، زمانی که فرآیند تغییر می کند همچنان به بازآموزی نیاز دارد، و هنگامی که یک رد به چالش کشیده می شود، شفافیت کمتری دارد.

پاسخ عملی ترکیبی است: هوش مصنوعی برای تشخیص و طبقه بندی که در آن امضای نقص متغیر است. قوانین اندازه گیری و رد که در آن تصمیم باید قابل ممیزی باشد. هر دو روی یک پلت فرم اسکن خط اجرا می شوند.

Zero Defects یک ویژگی سیستم است، نه یک ویژگی دوربین

یک سیستم CCD به تنهایی هرگز عیب صفر را ارائه نمی دهد. زنجیره کامل دارای چهار بخش است:

1. تشخیصدر وضوح و کنتراست مناسب برای هر کلاس نقص.
2. طبقه بندیکه عیوب واقعی را از تغییرات فرآیند جدا می کند تا ردهای نادرست را پایین نگه دارد.
3. اقدامکه سلول یا بخش الکترود آسیب دیده را از خط در همان چرخه رد می کند.
4. بازخوردکه روند نقص را به پارامترهای فرآیند بالادستی در نمودار کنترل متصل می کند.

از دست دادن هر یک از بخش‌ها باعث می‌شود دوربین‌هایی که داده‌هایی را تولید می‌کنند که هیچ‌کس استفاده نمی‌کند، از خط تولید خارج شود. سرمایه‌گذاری تنها زمانی پرداخت می‌شود که داده‌های بازرسی حلقه بازگشت به فرآیند را ببندد.

نکته پایانی در مورد آزمون پذیرش وضوح دوربین و نرخ فریم لازم است اما برای تهیه کافی نیست. این مشخصات باید به یک آزمایش قابلیت نیاز داشته باشد: عیوب شناخته شده لکه های فویل بدون کلاس در 0.1 میلی متر، چین های زبانه در 0.05 میلی متر، منافذ جوش در 0.01 میلی متر کاشت در موقعیت های شناخته شده و نرخ های تشخیص اندازه گیری شده در سرعت تولید. سیستمی که آزمایش را پشت سر بگذارد یک سیستم است نه یک دیتاشیت. این محدوده بازرسی کامل-پوشش، زبانه و ایستگاه های جوش روی یک پلت فرم با معماری داده های مشترک- از طریق سیستم های بازرسی CCD باتری برای تشخیص عیب الکترود و جوش مهندسی شده در کنار ایستگاه های پوشش و جوشکاری که محافظت می کنند، عرضه می شود.

سؤالات متداول: بازرسی CCD در خطوط Li-ion

چه وضوحی برای بازرسی الکترود باتری لازم است؟
حداقل اندازه عیب 0.1 میلی متر برای پوشش حفره ها و فویل خالی بر روی یک شبکه تمام عرض در سرعت تولید. ویژگی های کوچکتر را می توان در یک وب متوقف شده حل کرد، اما تشخیص قابل اعتماد با سرعت 20 تا 80 متر در دقیقه به 0.1 میلی متر به عنوان هدف عملی نیاز دارد.

چرا بازرسی جوش به وضوح 0.01 میلی متر نیاز دارد؟
زیرا منافذ شکن سطح زیر 0.1 میلی متر در جوش کلاهک یا زبانه به مسیرهای نشتی در طول عمر سلول تبدیل می شوند. منافذ 50 میکرومتری یک نقص زیبایی نیست. این یک خطر هرمسیتی است. که بازرسی جوش را به مراتب ظریف تر از بازرسی الکترود می کند.

آیا بازرسی CCD می تواند جایگزین تست نشت هلیوم شود؟
خیر. CCD تخلخل، پاشش و درز شکستن سطح را در سرعت تشخیص می دهد. حفره های زیرسطحی کاملا محصور برای بازرسی نوری نامرئی هستند. این دو مکمل یکدیگر هستند: CCD برای 100٪ بازرسی جوشکاری درون خطی، آزمایش نشت هلیوم برای تأیید 100٪ هرمسیتی، و نمونه برداری اشعه ایکس برای کنترل فرآیند زیرسطحی.

چه چیزی باعث رد کاذب در سیستم های دید باتری می شود؟
ناپایداری روشنایی و تغییرات کنترل نشده فرآیند تغییر براقیت پوشش، جابجایی ناحیه خشک شدن و بال زدن وب. اصلاح معماری روشنایی و تثبیت فرآیند، ردهای کاذب را موثرتر از افزایش وضوح دوربین کاهش می دهد.

مدل های بازرسی هر چند وقت یک بار باید دوباره آموزش ببینند؟
هر زمان که محصول تغییر کند: فرمول پوشش جدید، هندسه الکترود یا پشته جوش. آستانه های مبتنی بر قانون نیاز به اعتبار سنجی مجدد دارند. مدل‌های هوش مصنوعی به داده‌های برچسب‌گذاری‌شده جدید نیاز دارند. یک رویه تغییر که شامل اعتبار سنجی بازرسی می شود، از فقدان عیوب سیستم پس از تغییر قالب جلوگیری می کند.

مرجع فنی گردآوری شده توسط گروه مهندسی فرآیند انرژی جدید TOB از استقرار بازرسی بینایی روی پوشش الکترود، جوشکاری زبانه و خطوط مونتاژ سلولی. برای مطالعه تشخیص کلاس نقص در الکترود و هندسه جوش خاص خود، با دکتر Dany Huang در LinkedIn ارتباط برقرار کنید یا نمونه عیوب را به آزمایشگاه بینایی Xiamen ارسال کنید.