أنظمة فحص CCD في خطوط أيون الليثيوم: تحقيق صفر عيوب

المؤلف: داني هوانغ، دكتوراه

الرئيس التنفيذي ورئيس البحث والتطوير، TOB New Energy

تواصل مع الدكتور هوانغ على LinkedIn

الملخص التنفيذي والوجبات السريعة الرئيسية

• لا يتم تحقيق صفر عيوب في تصنيع أيونات الليثيوم من خلال إجراء فحص أفضل في نهاية الخط. يتم تحقيق ذلك من خلال اكتشاف فراغات الطلاء بدقة 0.1 مم، وطيات علامات التبويب عند 0.05 مم، ومسامية اللحام عند 0.01 مم - وتتطلب كل فئة عيب بصريات وإضاءة وخوارزميات مختلفة في محطة مختلفة. نظام التفتيش هو أداة عملية، وليس بوابة الجودة.
• فراغات الطلاء والرقائق العارية: تم اكتشافها بواسطة كاميرات مسح الخطوط بحجم عيب أدنى يبلغ 0.1 مم، وتعمل بسرعة الويب الكاملة مع إضاءة قوية.
• طي علامة التبويب ومحاذاة غير صحيحة: تم اكتشافها بدقة 0.05 مم باستخدام أنظمة مسح المنطقة أو الخط التي يتم تشغيلها بواسطة مستشعر موضع علامة التبويب.
• مسامية اللحام والترشيش: تم اكتشافها بمقياس 0.01 مم عن طريق التصوير المحوري عالي التكبير، لأن مسام واحد بحجم 50 ميكرومتر يمكنه زرع مسار تسرب.
• سلم الدقة: الكاميرات التي تحل كل شيء عند 0.01 ملم وتبطئ الخط؛ تتمثل المهمة الهندسية في مطابقة دقة كل محطة مع أصغر عيب مهم بالفعل هناك.

ثقب صغير في طبقة الكاثود يبلغ عرضه 0.2 مم، ونقطة من الألومنيوم العاري، تصل إلى لفة الهلام دون أن يتم اكتشافها. يمر التشكيل. اجتاز فحص OCV. يمر تصنيف القدرات. يصعد على متن مركبة أو حاوية، وبعد ثمانية عشر شهرًا، تُخرج الخلية التي ولدت بهذا الثقب الحزمة من الخدمة. صفر عيوب يعني التقاط تلك الثقب في محطة الطلاء، بسرعة الويب، على كل متر مربع، دون إيقاف الخط.

إن فحص CCD هو النظام الذي يسد هذه الفجوة. وهو أيضًا النظام الذي يتم تحديده بشكل خاطئ في أغلب الأحيان: يقوم المهندسون بشراء الكاميرا ذات الدقة الأعلى التي يمكنهم تحمل تكلفتها ويفترضون أن المشكلة قد تم حلها. الدقة بدون تباين لا فائدة منها؛ التباين بدون الإضاءة المناسبة لا طائل منه؛ وإما بدون منطق تصنيف معيب ينتج عنه الكثير من حالات الرفض الخاطئة بحيث يعمل الخط بنصف السرعة. المهمة الهندسية ليست "الحصول على أفضل كاميرا". إنها مطابقة فيزياء الكشف لكل فئة خلل في كل محطة.

خريطة العيوب: ما الذي يجب اكتشافه وأين وعلى أي نطاق

تولد عيوب مختلفة في محطات مختلفة، ويتطلب كل منها أسلوب الكشف الخاص به. الجدول أدناه عبارة عن خريطة مرجعية لقطب أيون الليثيوم النموذجي وخط التجميع.

النمط: عيوب الطلاء تعمل عند 0.1 مم، والعيوب على مستوى الجدولة عند 0.05 مم، ومسامية اللحام عند 0.01 مم. سلم القرار ليس تعسفيا. ويترتب على ذلك من نتيجة الفشل: بقعة من الرقاقة العارية بقطر 0.1 مم هي ارتفاع كثافة التيار المحلي الذي يسرع عملية طلاء الليثيوم؛ ينمو صدع بقطر 0.05 مم إلى دائرة مفتوحة؛ يصبح مسام 0.01 مم في غطاء اللحام مسار تسرب يسمح بالرطوبة على مر السنين.

المحطة 1: الطلاء والتجفيف - التقاط الفراغات والرقائق العارية

الطلاء هو المكان الذي يتم فيه إجراء الفحص الأعلى قيمة، لأن الشبكة المطلية هي أكبر استثمار في مادة واحدة في المصنع. يحول عيب الطلاء المفقود منطقة القطب بالكامل إلى خردة، أو ما هو أسوأ من ذلك، إلى فشل ميداني.

فيزياء الخلل.الرقائق العارية هي منطقة لم يلتصق فيها الطلاء أو لم يترسب. السطح المعدني براق وعاكس للغاية. الطلاء منتشر. في صورة مسح خطي ذات إضاءة مائلة منخفضة الزاوية، تظهر الرقاقة العارية كنقطة مضيئة مقابل الطبقة الداكنة. وفي ظل الإضاءة المحورية المنتشرة، ينقلب التباين أو يختفي. وبالتالي فإن اختيار الإضاءة هو القرار الأول بشأن المواصفات، وليس دقة الكاميرا.

متطلبات القرار.هدف الكشف العملي هو 0.1 ملم كحد أدنى. يتم طلاء الأقطاب الكهربائية بعرض شبكة يصل إلى 1600 مم وسرعات تصل إلى 80 م / دقيقة. تحتاج كاميرا مسح الخطوط الواحدة بدقة 0.1 ملم عبر 1600 ملم إلى ما يقرب من 16000 بكسل لكل سطر؛ عند 80 م/دقيقة وهو معدل خط يقترب من 13 كيلو هرتز. تعد الكاميرات المتعددة أو أجهزة استشعار تكامل التأخير الزمني (TDI) شائعة عند هذه السرعات. التجارة الهندسية بين عدد الكاميرات، وقوة الإضاءة، وإنتاجية الحوسبة.

إدارة الرفض الكاذب.تنتج خطوط الطلاء خرزات حافة، وخطوط وزن الطبقة، وتباينًا عرضيًا في اللمعان بسبب التجفيف. يجب أن تصنف الخوارزميات هذه على أنها ميزات عملية وليس على أنها عيوب، وإلا سيرفض نظام الفحص نصف كل بكرة. تتم معايرة نموذج التصنيف بناءً على تركيبة الطلاء المحددة وملف التجفيف - وهو نظام تم تدريبه على NMC ولا ينتقل إلى LFP دون إعادة التدريب.

هدف 0.1 ملم ليس متحفظًا.عند 0.1 ملم، يمكن اكتشاف الفراغ عند سرعة الإنتاج. يمكن اكتشاف عيوب أصغر على خط متوقف، ولكن عند 20-80 م/دقيقة، يجب أن تحل السلسلة البصرية والإضاءة والحسابية 2-3 بكسل لكل ميزة عيب لتشغيلها بشكل موثوق. أقل من 0.1 مم، تنخفض الإشارة إلى الضوضاء عن مستوى الكشف العملي عند السرعة. هذا هو المكان الذي يتولى فيه مقياس مساحة الأشعة السينية التحميل المتوسط، بينما يتعامل جهاز CCD مع العيوب المنفصلة.

المحطة 2: التعامل مع علامة التبويب - التقاط الطية والمحاذاة غير الصحيحة

طيات علامة التبويب هي القتلة الصامتة. اللسان المطوي عبارة عن طبقة مزدوجة من المعدن الموصل المضغوط بين الطبقات الفاصلة. قد يتحمل التكديس، والإدخال، وحتى التشكيل، ثم إنشاء نقطة تسخين موضعية أثناء ركوب الدراجات. لا يمكن الاعتماد على جودة اللحام على اللسان المطوي حتى لو كان اللحام نفسه يبدو مقبولاً.

الفيزياء.تعرض علامة التبويب المطوية سطحين معدنيين في كومة مع خط تجعد مرئي. يعتمد الاكتشاف على إشارتين: هندسية (تبدو علامة التبويب أقصر من المتوقع، أو يظهر ملف التعريف الخاص بها خطوة) ومرئية (يظهر التجعيد كخط عالي التباين تحت إضاءة اتجاهية). يلتقط التصوير بمسح المنطقة بالضوء المنظم أو عالي الدقة التغيير ثلاثي الأبعاد؛ يلتقط نظام مسح الخط التجعد ثنائي الأبعاد.

متطلبات القرار.الهدف هو 0.05 ملم. تكون علامات التبويب صغيرة (يبلغ عرضها عادةً 10-40 مم) لذا يمكن أن يكون مجال رؤية الكاميرا ضيقًا ودقة عالية دون زيادة عدد الكاميرات. يأتي المشغل من مستشعر موضع علامة التبويب بالمحطة. تلتقط الكاميرا فقط عند وجود علامة التبويب. دقة الزناد مهمة: إذا أطلقت الكاميرا 2 مم مبكرًا أو متأخرًا، فقد لا تكون علامة التبويب موجودة في الإطار على الإطلاق.

وضع الفشل المشترك.أنظمة الرؤية التي تم تحديدها بشكل صحيح ولكن تم تشغيلها بشكل غير صحيح. يجب التحقق من مشغلات علامة التبويب عند كل تغيير للمنتج، مع تسجيل الصورة الفعلية من المقالة الأولى ومراجعتها. يمكن للنظام الذي "عمل الشهر الماضي" أن يفوت علامات التبويب بصمت بعد انحراف التركيب بمقدار بضعة أعشار المليمتر.

المحطة 3:اللحام بالليزر- التقاط مسامية 0.01 ملم عند التماس

يتطلب فحص اللحام أعلى دقة في الخط بأكمله، لأن نتيجة الخلل المفقود هي خلية غير محكمة الإغلاق. يبلغ طول الغطاء الملحوم على خلية موشورية حوالي 760 مم من التماس المستمر؛ على خلية أسطوانية، يتم لحام العشرات من علامات التبويب لكل خلية. يجب فحص كل منها دون استثناء.

الفيزياء.تظهر مسامية اللحام على شكل حفر صغيرة داكنة في مجال معدني عاكس. يظهر التناثر كجسيمات مرتفعة أو ملتصقة بالقرب من خط التماس. كلاهما منخفض التباين في الضوء المنتشر وعالي التباين في المجال المظلم أو الإضاءة المحورية. تجمع أفضل أنظمة فحص اللحام بين التصوير المحوري لحوض اللحام وتصوير المجال المظلم بعد اللحام للدرز النهائي.

متطلبات القرار.الهدف هو 0.01 مم -10 ميكرومتر للكشف عن المسامية. يعد هذا أدق بمقدار 10 مرات من فحص القطب الكهربائي ويتطلب إما بصريات عالية التكبير مع مجال رؤية ضيق أو مراقبة محورية من داخل رأس اللحام. عند 0.01 مم، يقوم النظام بفحص مساحة أصغر بكثير لكل إطار، ولهذا السبب يتم إجراء فحص اللحام أثناء تحرك اللحام ويتم تشغيله بواسطة مسار اللحام - وليس بواسطة مؤشر ناقل منفصل.

قيود الكشفلا يوجد نظام رؤية يكتشف بشكل موثوق المسامية تحت السطح. يمكن لدرزة اللحام المغلقة تمامًا إخفاء الفراغات الداخلية التي لا يمكن رؤيتها إلا بالأشعة السينية أو الأشعة المقطعية. يعتبر فحص CCD هو الفلتر الأول، الذي يلتقط العيوب التي تخترق السطح والعيوب القريبة من السطح بسرعة: ويختبر اختبار الأشعة السينية أو الموجات فوق الصوتية الباقي. تجمع إستراتيجية الخلو من العيوب بين كل من CCD المضمّن عند الفحص بنسبة 100%، والأشعة السينية أو الأشعة المقطعية على أساس العينات للتحقق من العملية.

سلم الدقة: مطابقة القرار للعيب الذي يهم

الخطأ الأكثر شيوعًا في المواصفات هو اختيار دقة واحدة للخط بأكمله. يعمل نظام 0.01 مم المطبق على فحص القطب الكهربائي على مضاعفة عدد الكاميرات وحمل الحوسبة بمقدار أربعة أضعاف وخفض سرعة الخط إلى النصف. نظام 0.1 مم المطبق لفحص اللحام يتجاهل كل العيوب المهمة.

النهج الصحيح هو سلم الدقة:

يتم تطبيق السلم كميزانية هندسية. يستخدم النظام الذي يحلل 0.01 مم عند خط اللحام ولكن 0.1 مم في محطة الطلاء الكاميرا المناسبة في المكان المناسب بالسعر المناسب. كما أنه يحافظ على حمل الحوسبة ضمن حدود واقعية - حيث أن نظام 0.01 مم بعرض الويب الكامل وبأقصى سرعة سيولد البيانات بشكل أسرع مما يمكن لأي خط معالجة عملي أن يستهلكها.

أ مقابل ب: الرؤية القائمة على القواعد مقابل تصنيف الذكاء الاصطناعي

تهيمن فلسفتان خوارزميتان على فحص البطارية.

التفتيش القائم على القواعديستخدم عتبات ثابتة، وتحليل النقطة، والقياس الهندسي. إنها حتمية وسريعة وسهلة التحقق من صحتها. إنه يتفوق عندما تكون العيوب محددة جيدًا ويكون توقيع العيب مستقرًا: الثقب عبارة عن منطقة مظلمة في منطقة معينة؛ الطية هي خط عالي التباين فوق طول معين. يفشل عندما يكون الاختلاف الطبيعي في نسيج طلاء المنتج، وتقلبات الإضاءة، وشكل الحافة يشبه العيوب.

تصنيف الذكاء الاصطناعييستخدم نماذج التعلم العميق المدربة على صور مصنفة للمناطق الجيدة والمعيبة. إنه يتعامل مع الاختلاف بأمان ويتكيف مع توقيعات العيوب المعقدة. فهي تتطلب بيانات تدريب، وتظل بحاجة إلى إعادة تدريب عندما تتغير العملية، وتكون أقل شفافية عندما يتم الاعتراض على الرفض.

الإجابة العملية هي هجينة: الذكاء الاصطناعي للكشف والتصنيف حيث يكون توقيع الخلل متغيرا؛ قواعد القياس والرفض حيث يجب أن يكون القرار قابلاً للتدقيق. كلاهما يعمل على نفس منصة مسح الخطوط.

إن انعدام العيوب هو خاصية للنظام، وليس خاصية للكاميرا

نظام CCD وحده لا يقدم أي عيوب أبدًا. تتكون السلسلة الكاملة من أربعة أجزاء:

1. كشفبالدقة والتباين المناسبين لكل فئة عيب.
2. تصنيفيفصل العيوب الحقيقية عن تباين العملية لإبقاء حالات الرفض الزائفة منخفضة.
3. فعلالذي يرفض الخلية المصابة أو قسم القطب الكهربائي من الخط داخل نفس الدورة.
4. تعليقالذي يربط اتجاهات العيوب بمعلمات العملية الأولية على مخطط التحكم.

يؤدي فقدان أي جزء إلى ترك الخط مع الكاميرات التي تولد بيانات لا يستخدمها أحد. يتم دفع الاستثمار فقط عندما تقوم بيانات الفحص بإغلاق الحلقة مرة أخرى إلى العملية.

ملاحظة أخيرة بشأن اختبار القبول. دقة الكاميرا ومعدل الإطارات ضروريان ولكنهما غير كافيين للشراء. يجب أن تتطلب المواصفات تجربة القدرة: العيوب المعروفة لكل بقع رقائق عارية من الفئة عند 0.1 مم، وطيات علامات التبويب عند 0.05 مم، ومسام اللحام عند 0.01 مم مزروعة في مواضع معروفة ومعدلات اكتشاف تقاس بسرعة الإنتاج. النظام الذي يجتاز التجربة هو نظام وليس ورقة بيانات. يتم توفير محطات الطلاء واللحام ونطاق الفحص الكامل هذه على منصة واحدة مع بنية بيانات مشتركة من خلال أنظمة فحص CCD للبطارية لاكتشاف عيوب القطب الكهربائي واللحام المصممة جنبًا إلى جنب مع محطات الطلاء واللحام التي تحميها.

الأسئلة الشائعة: فحص CCD في خطوط Li-ion

ما الدقة المطلوبة لفحص قطب البطارية؟
الحد الأدنى لحجم العيب هو 0.1 مم لطلاء الفراغات والرقائق العارية على شبكة كاملة العرض وبسرعة الإنتاج. يمكن حل الميزات الأصغر على شبكة متوقفة، لكن الاكتشاف الموثوق به بسرعة 20-80 م/دقيقة يتطلب 0.1 مم كهدف عملي.

لماذا يحتاج فحص اللحام إلى دقة 0.01 مم؟
لأن المسام التي يقل سمكها عن 0.1 مم في الغطاء أو اللحام تصبح مسارات تسرب على مدى عمر الخلية. المسام التي يبلغ حجمها 50 ميكرون ليست عيبًا تجميليًا؛ إنه خطر محكم. يؤدي ذلك إلى دفع فحص اللحام إلى مستوى أدق من فحص القطب الكهربائي.

هل يمكن لفحص CCD أن يحل محل اختبار تسرب الهيليوم؟
لا، تعمل CCD على التقاط المسامية والبقع وعيوب التماس التي تخترق السطح بسرعة. الفراغات تحت السطح المغلقة بالكامل تكون غير مرئية للفحص البصري. وهما متكاملان: CCD لفحص اللحام المضمن بنسبة 100%، واختبار تسرب الهيليوم للتحقق من الإحكام بنسبة 100%، وأخذ عينات بالأشعة السينية للتحكم في العمليات تحت السطح.

ما الذي يسبب حالات الرفض الخاطئة في أنظمة رؤية البطارية؟
عدم استقرار الإضاءة وتغيير لمعان العملية بشكل غير متحكم فيه، وتحولات منطقة التجفيف، ورفرفة الويب. يؤدي إصلاح بنية الإضاءة وتثبيت العملية إلى تقليل حالات الرفض الزائفة بشكل أكثر فعالية من زيادة دقة الكاميرا.

كم مرة يجب إعادة تدريب نماذج التفتيش؟
كلما تغير المنتج: تركيبة طلاء جديدة، أو هندسة القطب الكهربائي، أو كومة اللحام. تتطلب الحدود المستندة إلى القواعد إعادة التحقق؛ تتطلب نماذج الذكاء الاصطناعي بيانات مصنفة جديدة. يؤدي إجراء التغيير الذي يتضمن التحقق من صحة الفحص إلى منع النظام من فقدان العيوب بصمت بعد تغيير التنسيق.

تم تجميع المرجع الفني بواسطة مجموعة هندسة العمليات TOB New Energy من عمليات نشر فحص الرؤية على طلاء الأقطاب الكهربائية واللحام وخطوط تجميع الخلايا. لإجراء دراسة للكشف عن فئة العيوب في القطب الكهربائي وهندسة اللحام الخاصة بك، تواصل مع الدكتور داني هوانغ على LinkedIn أو أرسل عينة من العيوب إلى مختبر الرؤية في Xiamen.