Tác giả: Dany Huang, Ph.D.
CEO & Trưởng nhóm R&D, TOB New Energy
Kết nối với Tiến sĩ Huang trên LinkedIn
Tóm tắt điều hành & bài học chính
- Không thể đạt được sai sót trong quá trình sản xuất lithium-ion bằng cách kiểm tra tốt hơn ở cuối dây chuyền. Điều này đạt được bằng cách phát hiện các khoảng trống lớp phủ ở độ phân giải 0,1 mm, nếp gấp tab ở 0,05 mm và độ xốp hàn ở 0,01 mm - mỗi loại khuyết tật yêu cầu quang học, ánh sáng và thuật toán khác nhau ở một trạm khác nhau. Hệ thống kiểm tra là một công cụ xử lý chứ không phải là cổng chất lượng.
- Các khoảng trống lớp phủ và lá trần: được phát hiện bằng camera quét đường ở kích thước khuyết tật tối thiểu 0,1 mm, chạy ở tốc độ web tối đa với ánh sáng nhấp nháy.
- Gấp và lệch tab: được phát hiện ở độ phân giải 0,05 mm với hệ thống quét vùng hoặc đường được kích hoạt bởi cảm biến vị trí tab.
- Độ xốp và vết loang của mối hàn: được phát hiện ở tỷ lệ 0,01 mm thông qua hình ảnh đồng trục có độ phóng đại cao, bởi vì một lỗ rỗng 50 µm có thể tạo ra đường rò rỉ.
- Thang chính xác: camera giải quyết mọi thứ ở mức 0,01 mm phía sau đường dây; nhiệm vụ kỹ thuật là làm cho độ phân giải của mỗi trạm phù hợp với lỗi nhỏ nhất thực sự quan trọng ở đó.
Một lỗ kim trên lớp phủ cực âm - có đường kính 0,2 mm, một vết nhôm trần - chạm tới cuộn thạch mà không bị phát hiện. Nó vượt qua sự hình thành. Nó vượt qua sàng lọc OCV. Nó vượt qua việc phân loại năng lực. Nó lên một chiếc xe hoặc một container, và mười tám tháng sau, tế bào sinh ra với cái lỗ đó sẽ đưa gói hàng ra khỏi hoạt động. Không có khuyết tật có nghĩa là xử lý lỗ đó tại trạm phủ, ở tốc độ web, trên mỗi mét vuông mà không dừng dây chuyền.
Kiểm tra CCD là kỷ luật thu hẹp khoảng cách đó. Đây cũng là nguyên tắc thường bị chỉ định sai nhất: các kỹ sư mua máy ảnh có độ phân giải cao nhất mà họ có thể mua được và cho rằng vấn đề đã được giải quyết. Độ phân giải không có độ tương phản là vô ích; độ tương phản không có ánh sáng phù hợp là vô ích; và nếu không có logic phân loại lỗi sẽ tạo ra nhiều lỗi bị loại bỏ đến mức dây chuyền chạy ở tốc độ một nửa. Nhiệm vụ kỹ thuật không phải là "có được chiếc máy ảnh tốt nhất". Nó nhằm khớp vật lý phát hiện với từng loại khuyết tật ở mỗi trạm.
Bản đồ khiếm khuyết: Cần phát hiện cái gì, ở đâu và ở quy mô nào
Các khiếm khuyết khác nhau được sinh ra ở các trạm khác nhau và mỗi trạm đòi hỏi phương pháp phát hiện riêng. Bảng dưới đây là bản đồ tham khảo cho dây chuyền lắp ráp và điện cực lithium-ion điển hình.
| Lớp khiếm khuyết | Sinh Tại | Kích thước mục tiêu phát hiện | Trạm/Kích hoạt | Vật lý phát hiện |
|---|---|---|---|---|
| Lớp phủ trống / lá trần | Lối thoát máy sấy sơn | Lớn hơn hoặc bằng 0,1 mm | Quét toàn bộ dòng web | Độ tương phản: độ phản xạ của kim loại so với độ khuếch tán của lớp phủ |
| Dải độ dày lớp phủ | Lớp phủ chết | ±1% biến thiên cục bộ | Quét toàn bộ dòng web + thước đo diện tích | Hồ sơ thang độ xám + kiểm tra chéo tia X |
| Lớp phủ cạnh / phần nhô ra | Rạch | Lớn hơn hoặc bằng 0,3 mm | Thoát khỏi máy xén, web trên + dưới | Quét dòng hai mặt, kích hoạt cạnh |
| Tab gấp / hư hỏng | Xếp chồng / cuộn dây | Lớn hơn hoặc bằng 0,05 mm | Ngăn xếp sau, kích hoạt tab | Quét vùng ánh sáng có cấu trúc hoặc độ phân giải cao |
| Độ xốp của mối hàn | Hàn tab | Lớn hơn hoặc bằng 0,01 mm (lỗ chân lông) | Trạm hàn, đồng trục | Hình ảnh đồng trục + đèn nền |
| Vết hàn/hạt hàn | Hàn tab và nắp | Lớn hơn hoặc bằng 0,05 mm | Lối ra mối hàn | Chiếu sáng trường tối + quét dòng |
| Dấu phân cách nếp nhăn / vết rách | Xếp chồng/chèn | Lớn hơn hoặc bằng 0,1 mm | Ngăn xếp sau | Chiếu sáng truyền qua |
| Khiếm khuyết đường hàn nắp | Hàn nắp trên | Lớn hơn hoặc bằng 0,1 mm | Lối ra mối hàn | Giám sát đồng trục + ánh sáng có cấu trúc |
Kiểu mẫu: khuyết tật lớp phủ hoạt động ở mức 0,1 mm, khuyết tật cấp độ tab ở mức 0,05 mm và độ xốp của mối hàn ở mức 0,01 mm. Thang phân giải không phải là tùy ý. Nó xuất phát từ hậu quả hư hỏng: một điểm trên lá trần 0,1 mm là sự tăng đột biến mật độ dòng điện cục bộ làm tăng tốc quá trình mạ lithium; vết nứt tab 0,05 mm phát triển thành mạch hở; lỗ rỗng 0,01 mm trong mối hàn nắp trở thành đường rò rỉ tiếp nhận độ ẩm qua nhiều năm.
Trạm 1: Phủ và làm khô-bắt khoảng trống và lá trần
Lớp phủ là nơi diễn ra quá trình kiểm tra có giá trị cao nhất, bởi vì mạng lưới tráng phủ là khoản đầu tư vật liệu đơn lẻ lớn nhất trong nhà máy. Một khiếm khuyết lớp phủ bị bỏ sót sẽ biến toàn bộ khu vực điện cực thành phế liệu hoặc tệ hơn là hỏng hiện trường.
Vật lý của khuyết tật.Giấy bạc trần là vùng mà lớp phủ không bám dính hoặc không lắng đọng. Bề mặt kim loại có tính phản chiếu và độ phản chiếu cao; lớp phủ là khuếch tán. Trong ảnh quét đường với ánh sáng xiên ở góc thấp, lá mỏng xuất hiện dưới dạng một điểm sáng trên lớp phủ tối hơn. Dưới ánh sáng khuếch tán đồng trục, độ tương phản bị đảo lộn hoặc biến mất. Do đó, việc lựa chọn ánh sáng là thông số kỹ thuật đầu tiên quyết định chứ không phải độ phân giải của camera.
Yêu cầu về độ phân giải.Mục tiêu phát hiện thực tế là tối thiểu 0,1 mm. Các điện cực được phủ ở chiều rộng màng lên tới 1.600 mm và tốc độ lên tới 80 m/phút. Một camera quét một dòng ở độ phân giải 0,1 mm trên 1.600 mm cần khoảng 16.000 pixel trên mỗi dòng; ở tốc độ 80 m/phút, đó là tốc độ đường truyền gần 13 kHz. Nhiều camera hoặc cảm biến tích hợp độ trễ thời gian (TDI) là phổ biến ở những tốc độ này. Trao đổi kỹ thuật là giữa số lượng camera, công suất chiếu sáng và thông lượng tính toán.
Quản lý từ chối sai.Các dây chuyền phủ tạo ra các hạt cạnh, các đường sọc trên bề mặt và đôi khi có sự thay đổi độ bóng do sấy khô. Các thuật toán phải phân loại chúng thành các tính năng của quy trình chứ không phải là lỗi, nếu không hệ thống kiểm tra sẽ loại bỏ một nửa số cuộn. Mô hình phân loại được hiệu chỉnh dựa trên công thức lớp phủ cụ thể và hồ sơ sấy khô - một hệ thống được đào tạo về NMC sẽ không chuyển sang LFP nếu không đào tạo lại.
Mục tiêu 0,1 mm không phải là mục tiêu thận trọng.Ở mức 0,1 mm, khoảng trống có thể được phát hiện ở tốc độ sản xuất. Các khuyết tật nhỏ hơn có thể được phát hiện trên một dây chuyền đã dừng, nhưng ở tốc độ 20–80 m/phút, chuỗi quang học, chiếu sáng và tính toán phải phân giải 2–3 pixel trên mỗi đặc điểm khuyết tật để kích hoạt một cách đáng tin cậy. Dưới 0,1 mm, tín hiệu trên tạp âm giảm xuống dưới mức phát hiện thực tế ở tốc độ. Đó là nơi máy đo diện tích tia X đảm nhận tải trung bình, trong khi CCD xử lý các khuyết tật riêng biệt.
Trạm 2: Xử lý tab-Bắt nếp gấp và căn chỉnh sai
Các nếp gấp tab là kẻ giết người thầm lặng. Tab gấp là một lớp kim loại dẫn điện gấp đôi được ép giữa các lớp phân cách. Nó có thể tồn tại sau khi xếp chồng, chèn và thậm chí hình thành, sau đó tạo ra một điểm nóng cục bộ trong quá trình đạp xe. Chất lượng mối hàn trên tab gấp không đáng tin cậy ngay cả khi bản thân mối hàn trông có vẻ chấp nhận được.
Vật lý.Tab gấp thể hiện hai bề mặt kim loại xếp chồng lên nhau với đường gấp có thể nhìn thấy được. Việc phát hiện dựa trên hai tín hiệu: hình học (tab có vẻ ngắn hơn dự kiến hoặc cấu hình của nó hiển thị một bước) và hình ảnh (nếp gấp xuất hiện dưới dạng đường có độ tương phản cao dưới ánh sáng định hướng). Hình ảnh quét vùng có cấu trúc bằng ánh sáng hoặc độ phân giải cao ghi lại sự thay đổi 3D; một hệ thống quét đường sẽ ghi lại nếp gấp 2D.
Yêu cầu về độ phân giải.Mục tiêu là 0,05 mm. Các tab có kích thước nhỏ (thường rộng 10–40 mm) nên trường nhìn của camera có thể hẹp và độ phân giải cao mà không cần số lượng camera quá nhiều. Trình kích hoạt đến từ cảm biến vị trí tab của trạm; máy ảnh chỉ chụp khi có tab. Độ chính xác của trình kích hoạt rất quan trọng: nếu máy ảnh kích hoạt sớm hoặc muộn 2 mm thì tab có thể không nằm trong khung hình.
Chế độ lỗi phổ biến.Hệ thống tầm nhìn được chỉ định chính xác nhưng được kích hoạt không chính xác. Trình kích hoạt tab phải được xác minh mỗi lần thay đổi sản phẩm, bằng hình ảnh thực tế từ bài viết đầu tiên được ghi lại và xem xét. Một hệ thống "hoạt động vào tháng trước" có thể âm thầm bỏ lỡ các tab sau khi vật cố định trôi đi vài phần mười milimét.
Trạm 3:Hàn laze- Bắt độ xốp 0,01 mm tại đường may
Kiểm tra mối hàn đòi hỏi độ phân giải cao nhất trên toàn dây chuyền, vì hậu quả của việc bỏ sót khuyết tật là tế bào không kín. Mối hàn nắp trên một tế bào hình lăng trụ có đường nối liên tục khoảng 760 mm; trên một ô hình trụ, có hàng chục mối hàn trên mỗi ô. Mỗi cái phải được kiểm tra mà không có ngoại lệ.
Vật lý.Độ xốp của mối hàn xuất hiện dưới dạng các hố đen nhỏ trong trường kim loại phản chiếu. Vết loang xuất hiện dưới dạng các hạt nổi lên hoặc dính chặt gần đường may. Cả hai đều có độ tương phản thấp trong ánh sáng khuếch tán và độ tương phản cao trong trường tối hoặc chiếu sáng đồng trục. Các hệ thống kiểm tra mối hàn tốt nhất kết hợp hình ảnh đồng trục của vũng hàn với hình ảnh trường tối sau hàn của đường may đã hoàn thiện.
Yêu cầu về độ phân giải.Mục tiêu là 0,01 mm-10 µm-để phát hiện độ xốp. Điều này tốt hơn 10× so với kiểm tra điện cực và yêu cầu quang học có độ phóng đại cao với trường quan sát hẹp hoặc giám sát đồng trục từ bên trong đầu mối hàn. Ở mức 0,01 mm, hệ thống kiểm tra diện tích nhỏ hơn nhiều trên mỗi khung, đó là lý do tại sao việc kiểm tra mối hàn diễn ra trong khi mối hàn di chuyển và được kích hoạt bởi đường hàn chứ không phải bởi một chỉ số băng tải riêng biệt.
Hạn chế phát hiện.Không có hệ thống quan sát nào phát hiện được độ xốp dưới bề mặt một cách đáng tin cậy. Đường hàn kín hoàn toàn có thể che giấu các khoảng trống bên trong mà chỉ X-quang hoặc CT mới có thể nhìn thấy. Kiểm tra CCD là bộ lọc đầu tiên, phát hiện các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt một cách nhanh chóng: kiểm tra bằng tia X hoặc siêu âm các mẫu còn lại. Chiến lược không khuyết tật kết hợp cả CCD nội tuyến với tỷ lệ kiểm tra 100% và chụp X-quang hoặc CT trên cơ sở lấy mẫu để xác minh quy trình.
Thang chính xác: Độ phân giải phù hợp với khiếm khuyết quan trọng
Lỗi đặc tả phổ biến nhất là chọn một độ phân giải cho toàn bộ dòng. Hệ thống 0,01 mm được áp dụng để kiểm tra điện cực giúp tăng gấp bốn lần số lượng camera và tải tính toán, đồng thời giảm một nửa tốc độ đường truyền. Hệ thống 0,1 mm được áp dụng để kiểm tra mối hàn sẽ bỏ sót mọi khuyết tật quan trọng.
Cách tiếp cận đúng là một cái thang chính xác:
| Ga tàu | Hậu quả của khiếm khuyết | Khiếm khuyết nhỏ nhất có liên quan | Độ phân giải được chỉ định |
|---|---|---|---|
| Lớp phủ/sấy khô | Tăng đột biến hiện tại cục bộ, mạ | 0.1 mm | 0.1 mm |
| Rạch cạnh | Burr, vết thủng phân cách | 0.3 mm | 0.2 mm |
| Xếp chồng / cuộn dây | Gấp tab, lệch tab | 0.05 mm | 0.05 mm |
| Hàn tab | Hở mạch, trôi điện trở | văng tung tóe 0,05 mm; độ xốp 0,01 mm | 0,01 mm tại vùng hàn |
| Hàn nắp | Độ ẩm xâm nhập, rò rỉ | lỗ chân lông 0,01mm | 0,01 mm tại đường may |
| Hình ảnh lắp ráp cuối cùng | Khiếm khuyết thẩm mỹ và tổng thể | 0.1 mm | 0.1 mm |
Thang được áp dụng như một ngân sách kỹ thuật. Một hệ thống phân giải 0,01 mm ở đường hàn nhưng 0,1 mm ở trạm phủ sử dụng camera phù hợp, đúng nơi với mức giá phù hợp. Nó cũng giữ tải tính toán trong giới hạn thực tế - hệ thống 0,01 mm ở chiều rộng web đầy đủ và tốc độ tối đa sẽ tạo ra dữ liệu nhanh hơn bất kỳ đường ống xử lý thực tế nào có thể tiêu thụ nó.
A vs B: Tầm nhìn dựa trên quy tắc so với phân loại AI
Hai triết lý thuật toán chi phối việc kiểm tra pin.
Kiểm tra dựa trên quy tắcsử dụng các ngưỡng cố định, phân tích blob và đo lường hình học. Nó mang tính quyết định, nhanh chóng và dễ xác nhận. Nó vượt trội khi các khuyết tật được xác định rõ ràng và dấu hiệu khuyết tật ổn định: lỗ trống là vùng tối của một khu vực nhất định; nếp gấp là một đường có độ tương phản cao trên một độ dài nhất định. Nó không thành công khi có sự thay đổi tự nhiên trong kết cấu lớp phủ sản phẩm, sự dao động của ánh sáng, các khuyết tật giống hình dạng cạnh.
Phân loại AIsử dụng các mô hình học sâu được đào tạo trên các hình ảnh được dán nhãn của các vùng tốt và vùng bị lỗi. Nó xử lý các biến thể một cách khéo léo và thích ứng với các dấu hiệu lỗi phức tạp. Nó yêu cầu dữ liệu đào tạo, tiếp tục cần đào tạo lại khi quy trình thay đổi và kém minh bạch hơn khi có thách thức từ chối.
| Nhân tố | Tầm nhìn dựa trên quy tắc | Phân loại AI |
|---|---|---|
| Chủ nghĩa quyết định | Hoàn toàn xác định | xác suất |
| Xác thực | Đơn giản | Yêu cầu bộ kiểm tra giữ lại |
| Phù hợp nhất | Khoảng trống, nếp gấp, hình học thô | Kết cấu tinh tế, hoa văn phức tạp |
| Thích ứng hóa học mới | Yêu cầu điều chỉnh ngưỡng thủ công | Yêu cầu đào tạo lại tập dữ liệu |
| Tỷ lệ từ chối sai trên quy trình ổn định | Thấp | Thấp |
| Tỷ lệ từ chối sai trong quá trình trôi dạt | Tăng mạnh | Ổn định hơn |
Câu trả lời thực tế là sự kết hợp: AI để phát hiện và phân loại trong đó dấu hiệu lỗi có thể thay đổi; các quy tắc đo lường và bác bỏ trong đó quyết định phải được kiểm toán. Cả hai đều chạy trên cùng một nền tảng quét dòng.
Cái nhìn sâu sắc về kỹ thuật:
Mọi hệ thống kiểm tra đều là một công cụ xử lý, không phải là cổng chất lượng. Bản đồ khuyết tật phải phản hồi lại trạm đã tạo ra lỗi: cụm khoảng trống lớp phủ quay trở lại miếng chêm khuôn hoặc xung bơm; cụm tab gấp theo dõi hướng dẫn xếp chồng sai lệch. Nếu dữ liệu kiểm tra dừng lại ở mức đạt/không đạt, lỗi sẽ được phát hiện nhưng quy trình không được khắc phục. TOB New Energy tích hợp bản đồ lỗi với các thông số của trạm để nhóm đường dây không chỉ thấy "khiếm khuyết ở độ cao 1.342 m" mà còn "khiếm khuyết ở độ cao 1.342 m tương quan với việc giảm áp suất bơm 0,2 bar 30 giây trước đó."
Không có lỗi là thuộc tính của hệ thống, không phải thuộc tính của máy ảnh
Chỉ một hệ thống CCD thôi thì không bao giờ có lỗi bằng không. Chuỗi hoàn chỉnh có bốn phần:
- Phát hiệnở độ phân giải và độ tương phản phù hợp cho từng loại lỗi.
- Phân loạigiúp phân biệt các khiếm khuyết thực sự khỏi sự biến đổi của quy trình để giữ tỷ lệ loại bỏ sai ở mức thấp.
- Hoạt độngloại bỏ phần tế bào hoặc điện cực bị ảnh hưởng khỏi đường dây trong cùng một chu kỳ.
- Nhận xétkết nối các xu hướng lỗi với các tham số quy trình ngược dòng trên biểu đồ kiểm soát.
Thiếu bất kỳ bộ phận nào sẽ khiến máy ảnh tạo ra dữ liệu không ai sử dụng. Khoản đầu tư chỉ thanh toán khi dữ liệu kiểm tra đóng vòng lặp lại quy trình.
Lưu ý cuối cùng về kiểm tra chấp nhận. Độ phân giải của camera và tốc độ khung hình là cần thiết nhưng chưa đủ để mua sắm. Thông số kỹ thuật phải yêu cầu thử nghiệm khả năng: các khuyết tật đã biết của từng điểm lá mỏng ở mức 0,1 mm, nếp gấp ở tab 0,05 mm, lỗ hàn ở mức 0,01 mm được trồng ở các vị trí đã biết và tốc độ phát hiện được đo ở tốc độ sản xuất. Hệ thống vượt qua thử nghiệm là một hệ thống chứ không phải biểu dữ liệu. Các trạm phủ, tab và hàn phạm vi kiểm tra đầy đủ này trên một nền tảng với kiến trúc dữ liệu dùng chung - được cung cấp thông qua hệ thống kiểm tra CCD pin để phát hiện khuyết tật điện cực và mối hàn được thiết kế cùng với các trạm phủ và hàn mà chúng bảo vệ.
Câu hỏi thường gặp: Kiểm tra CCD trong dây chuyền Li-ion
Độ phân giải nào là cần thiết để kiểm tra điện cực pin?
Kích thước khuyết tật tối thiểu 0,1 mm đối với các khoảng trống phủ và lá trần trên tấm có chiều rộng tối đa ở tốc độ sản xuất. Các tính năng nhỏ hơn có thể được giải quyết trên một trang web đã dừng, nhưng khả năng phát hiện đáng tin cậy ở tốc độ 20–80 m/phút yêu cầu mục tiêu thực tế là 0,1 mm.
Tại sao kiểm tra mối hàn cần độ phân giải 0,01 mm?
Bởi vì các lỗ thủng bề mặt dưới 0,1 mm trong mối hàn nắp hoặc tab sẽ trở thành các đường rò rỉ trong suốt vòng đời của tế bào. Lỗ chân lông 50 µm không phải là khiếm khuyết về mặt thẩm mỹ; đó là một nguy cơ kín. Điều đó thúc đẩy việc kiểm tra mối hàn ở mức độ cao hơn so với kiểm tra bằng điện cực.
Kiểm tra CCD có thể thay thế kiểm tra rò rỉ khí heli không?
Không. CCD phát hiện các khuyết tật về độ xốp, vết loang và đường may trên bề mặt ở tốc độ nhanh. Các khoảng trống dưới bề mặt được bao kín hoàn toàn không thể nhìn thấy được khi kiểm tra quang học. Cả hai đều bổ sung cho nhau: CCD để kiểm tra hàn nội tuyến 100%, kiểm tra rò rỉ khí heli để xác minh độ kín 100% và lấy mẫu tia X để kiểm soát quá trình dưới bề mặt.
Điều gì gây ra lỗi loại bỏ sai nhiều nhất trong hệ thống quan sát pin?
Sự mất ổn định của ánh sáng và sự biến đổi của quá trình không được kiểm soát - thay đổi độ bóng của lớp phủ, thay đổi vùng sấy và rung mạng. Việc sửa cấu trúc chiếu sáng và ổn định quy trình giúp giảm lỗi từ chối hiệu quả hơn so với việc tăng độ phân giải của camera.
Bao lâu thì các mô hình kiểm tra phải được đào tạo lại?
Bất cứ khi nào sản phẩm thay đổi: công thức lớp phủ mới, hình dạng điện cực hoặc chồng mối hàn. Ngưỡng dựa trên quy tắc yêu cầu xác nhận lại; Các mô hình AI yêu cầu dữ liệu được dán nhãn mới. Quy trình chuyển đổi bao gồm xác nhận kiểm tra sẽ ngăn hệ thống âm thầm bỏ sót các lỗi sau khi thay đổi định dạng.
Tài liệu tham khảo kỹ thuật do nhóm kỹ thuật quy trình TOB New Energy biên soạn từ việc triển khai kiểm tra bằng hình ảnh trên lớp phủ điện cực, hàn tab và dây chuyền lắp ráp tế bào. Để nghiên cứu phát hiện loại khuyết tật trên điện cực cụ thể và hình dạng mối hàn của bạn, hãy kết nối với Tiến sĩ Dany Huang trên LinkedIn hoặc gửi mẫu khuyết tật đến phòng thí nghiệm thị giác Hạ Môn.
