Technologie de positionnement visuel des batteries : l'« œil de lynx » de l'ère de l'industrie intelligente

Dans le secteur en plein essor des véhicules à énergies nouvelles et du stockage d'énergie, les batteries, en tant que source d'énergie essentielle, déterminent directement les performances, la sécurité et la durée de vie des produits grâce à leur précision de fabrication. Face à des exigences de qualité toujours plus strictes et aux impératifs de la production à grande échelle, les méthodes traditionnelles d'inspection manuelle et de positionnement mécanique ne suffisent plus à garantir une précision de fabrication au micron près. La technologie de positionnement par vision industrielle, grâce à sa haute précision, son fonctionnement sans contact et son efficacité élevée, s'impose comme un outil indispensable dans la fabrication des batteries, révolutionnant la précision de production de l'ensemble du processus, de la cellule au module, jusqu'au pack de batteries.

I. Aperçu et valeur fondamentale de la technologie de positionnement visuel

La technologie de positionnement visuel utilise, par essence, des caméras industrielles, des systèmes optiques, des algorithmes de traitement d'images et des systèmes de contrôle pour simuler et surpasser les capacités visuelles de l'œil humain, permettant ainsi une identification rapide, un positionnement précis et une mesure d'orientation des objets cibles. Dans la fabrication de batteries, sa principale valeur se manifeste sous trois aspects :

1. Révolution de précision : amélioration de la précision de positionnement du niveau millimétrique des méthodes mécaniques traditionnelles au niveau submillimétrique ou même micrométrique (par exemple ±0,05 mm), éliminant ainsi la dégradation des performances et les risques de sécurité causés par les écarts d'assemblage à la source.

2. Gain d'efficacité : Réaliser une inspection à grande vitesse ininterrompue 24h/24 et 7j/7, réduire le temps de positionnement unique à moins de 80 millisecondes, s'adapter parfaitement au cycle de la ligne de production à grande vitesse de dizaines, voire de centaines de cellules par minute, améliorant considérablement l'efficacité de la production.

3. Boucle de qualité fermée : Réaliser une inspection complète en ligne à 100 % grâce à un contrôle en boucle fermée de « détection-analyse-exécution-rétroaction », empêchant efficacement les erreurs humaines telles que les vis manquantes, les séquences incorrectes et les polarités inversées, interceptant les défauts avant les processus à valeur ajoutée et faisant passer la qualité de fabrication d'une pièce par million (PPM) à une pièce par milliard (PPB) – l'objectif ultime de la fabrication.

II. Scénarios d'application du positionnement visuel dans l'ensemble du processus de fabrication des batteries

La technologie de positionnement visuel a profondément pénétré l'ensemble du processus de fabrication des batteries, « en amont, au milieu et en aval », couvrant les quatre principales étapes de fabrication : feuille d'électrode, cellule, module et bloc-batterie.

1. Étapes de fabrication des feuilles d'électrodes et des cellules (partie avant)

• Positionnement et correction de la feuille d'électrode : après le revêtement, le laminage et la fente, le système de vision positionne avec précision les bords de la feuille d'électrode et les zones de revêtement, guidant le nettoyage laser et le soudage des barres omnibus ultérieurs pour garantir l'alignement du revêtement et empêcher le désalignement du matériau actif.

• Alignement d'enroulement/couche : pendant le processus d'enroulement ou de superposition, le système de vision surveille les positions relatives du séparateur et des électrodes positives et négatives en temps réel, garantissant la précision de l'alignement intercouche (nécessitant généralement <50 μm) et empêchant les courts-circuits internes.

• Positionnement pour le soudage par languette : Guide le pistolet de soudage laser ou la tête de soudage ultrasonique pour le positionner avec précision au point de soudage par languette et permet une inspection en ligne de la qualité de la soudure (telle que les soudures froides, les soudures manquantes et le désalignement de la soudure) après le soudage.

2. Assemblage du module et du pack back-end

• Chargement et positionnement des cellules : Une fois les cellules acheminées vers le poste de travail par des chariots AGV ou des convoyeurs, la reconnaissance visuelle 2D/3D identifie leur position et orientation précises (X, Y, Z, θ) dans le plateau, guidant ainsi le robot pour une préhension et un agencement précis. Ce système est compatible avec des cellules de tailles et de modèles variés, et résout le problème des positions irrégulières des matériaux entrants.

• Prévention des erreurs de serrage : Lors de l’assemblage des blocs-batteries, un système de positionnement par vision infrarouge tel que Nexonar est utilisé. Grâce au suivi des étiquettes infrarouges sur l’outil, le système identifie en temps réel la position de la tête de serrage par rapport aux trous de boulons. Le système déverrouille l’outil pour permettre le serrage uniquement lorsque la tête de serrage est alignée avec le boulon correspondant et que la séquence est correcte, évitant ainsi tout serrage incorrect ou manqué.

• Guidage du soudage des barres omnibus et du nettoyage laser : Le système de vision identifie d’abord avec précision la position des bornes des cellules, puis guide la tête laser pour le nettoyage de surface (élimination de la couche d’oxyde), et enfin guide la machine de soudage laser pour souder la barre omnibus aux bornes, garantissant un positionnement précis et une connexion fiable de chaque point de soudure.

• Inspection de l'aspect et des dimensions du bloc-batterie : Une inspection visuelle complète est effectuée sur le boîtier du bloc-batterie afin de vérifier l'absence d'espaces, de défauts de planéité, de rayures, de renflements, etc., garantissant ainsi la cohérence de l'aspect du produit et la qualité de l'assemblage pour répondre aux normes rigoureuses des constructeurs automobiles.

III. Composants technologiques clés du système de positionnement visuel

Un système complet de positionnement visuel par batterie est le fruit d'une intégration poussée de l'optique, de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique et des logiciels.

1. Unité d'imagerie :

Caméra industrielle : en fonction des exigences de précision et de vitesse, une caméra de balayage matriciel haute résolution ou une caméra de balayage linéaire à fréquence d’images élevée est sélectionnée, et un obturateur global est utilisé pour éviter le flou de mouvement.

Objectif optique : Des objectifs présentant une distance focale et une profondeur de champ appropriées sont sélectionnés pour garantir une image nette.

Système d'éclairage : élément crucial pour la réussite. Les systèmes d'éclairage (anneau lumineux, éclairage coaxial, ruban lumineux ou lumière structurée) doivent être adaptés aux caractéristiques de réflexion du matériau de surface de la batterie (coque en aluminium, bornes en cuivre, film bleu, etc.), et un contrôle programmable de la luminosité doit être mis en œuvre pour mettre en évidence les éléments de positionnement.

2. Unité de traitement et de contrôle :

PC industriel/Contrôleur de vision : Équipé d’un système d’exploitation en temps réel, exécutant un logiciel de vision industrielle professionnel (tel que Halcon, VisionPro) ou des plateformes d’algorithmes d’apprentissage profond.

Algorithmes principaux : Incluent le prétraitement d’image (débruitage, amélioration), l’extraction de caractéristiques (analyse des contours, des coins et des blobs), la correspondance de modèles, la transformation des coordonnées, etc. Les algorithmes de positionnement au niveau du sous-pixel peuvent améliorer la précision de la reconnaissance à moins d’un dixième du pixel.

3. Unité d'exécution et de retour d'information :

Mécanisme robot/servo : Reçoit les coordonnées compensées envoyées par le système de vision et effectue des actions telles que la préhension, le placement et le soudage.

Réseau PLC et de communication : assure une communication stable et à haut débit entre le système de vision, le robot et le PLC de la ligne de production via des bus industriels tels que EtherCAT et PROFINET, formant ainsi un contrôle en boucle fermée en temps réel.

4. Évolution technologique : de la 2D à la 3D, des algorithmes traditionnels à l’intégration de l’IA

• Vision 2D : Convient au positionnement planaire avec des caractéristiques distinctes, telles que les bords des électrodes et la lecture des codes QR.

• Vision 3D : Utilisant la lumière structurée, des profilomètres laser ou la vision stéréoscopique binoculaire, elle acquiert directement les informations de profondeur des objets, offrant des avantages irremplaçables pour la détection des caractéristiques 3D des boîtiers de batterie telles que les piqûres, les saillies, la hauteur des soudures et la planéité des joints, avec une précision de détection atteignant 0,1 mm, voire plus.

• IA et apprentissage profond : relever les défis posés par la diversité des types, des formes et des contextes complexes des défauts de surface des batteries. Grâce à l’entraînement de modèles d’apprentissage profond (tels que les CNN), le système apprend automatiquement les caractéristiques des défauts, ce qui permet une identification et une classification très précises des petites cibles et des défauts irréguliers, réduisant ainsi considérablement les taux de surdétection et de sous-détection. La « Bibliothèque de modèles d’IA pour batteries lithium-ion » de CATL fait évoluer le développement des processus, passant d’une approche empirique par essais et erreurs à une approche prédictive basée sur les données.

IV. Cas d'application typiques et résultats

Cas n° 1 : Serrage intelligent et prévention des erreurs de boulonnage sur les lignes d’assemblage de batteries. Un grand fabricant de batteries a déployé le système de prévention des erreurs de positionnement par vision 3D ILS de TuYang Technology sur sa ligne d’assemblage de batteries. Ce système utilise une caméra 3D pour suivre la plaque de marquage du pistolet de soudage à l’arc électrique et comparer en temps réel la position de la tête du pistolet avec des centaines de trous de boulons. Après sa mise en œuvre, il a permis de réduire à zéro le risque d’erreurs de serrage ou de non-serrage des boulons dues à l’intervention humaine, d’améliorer significativement le rendement de première passe du soudage et de l’assemblage, et d’accroître sensiblement l’efficacité globale des équipements (OEE) de la ligne de production.

Étude de cas 2 : Tri et chargement entièrement automatisés de cellules de batterie cylindriques

Sur la ligne de test et de tri de la tension en circuit ouvert (OCV), Vision Dragon Technology a utilisé le système VD200 pour résoudre le problème du chargement de cellules mixtes de différents modèles. Une caméra située à la station 1 scanne le plateau, identifiant la présence et la position de chaque cellule, optimisant ainsi la trajectoire de prélèvement et de placement du robot et évitant le prélèvement d'éléments dans les espaces vides. Une caméra située à la station 2 corrige l'alignement des cellules sur les ventouses, assurant un placement extrêmement précis dans la station de test et garantissant ainsi la précision des tests de tension et de résistance interne.

Étude de cas 3 : Inspection de la qualité par IA de l’aspect du film bleu dans les batteries à coque carrée

Pour pallier la difficulté rencontrée par l'industrie pour détecter les défauts d'aspect (bulles, rayures, plis) sur les batteries après leur revêtement de film bleu, des entreprises comme Yihong Intelligent ont lancé un dispositif d'inspection hexaédrique intégrant la vision 3D et des algorithmes d'intelligence artificielle. Une caméra 3D acquiert des cartes de profondeur de surface, et un modèle d'IA distingue avec précision les défauts réels de la texture inhérente du film, permettant ainsi une détection fiable des bulles de plus de 2 mm de diamètre et des rayures de plus de 2 mm de largeur, et garantissant la qualité d'aspect des batteries en sortie d'usine.

V. Tendances et perspectives de développement

À l'avenir, la technologie de positionnement visuel pour les produits à batteries évoluera dans les directions suivantes :

1. Précision et vitesse accrues : grâce aux progrès réalisés dans la technologie des capteurs d’appareil photo et des puces de traitement, la précision du positionnement atteindra le niveau nanométrique, tout en répondant aux exigences de cycle de production plus élevées des lignes de production de batteries de nouvelle génération.

2. Intelligence et adaptabilité accrues : l’IA ne se limitera plus à la classification des défauts, mais sera utilisée pour l’optimisation des paramètres de processus, la maintenance prédictive et le réglage en temps réel des lignes de production. Le système est capable d’apprendre de manière autonome, de s’adapter rapidement aux évolutions des nouveaux produits et d’atteindre une véritable flexibilité de production.

3. Intégration multitechnologique et jumeaux numériques : Les systèmes de vision s’intégreront à davantage de technologies de détection, telles que les capteurs de force et l’imagerie thermique infrarouge, afin de fournir des données de qualité plus complètes. Associée à la technologie des jumeaux numériques, l’ensemble du processus de positionnement et de soudage pourra être simulé et optimisé dans un environnement virtuel, puis transposé sur la ligne de production physique, réduisant ainsi considérablement le cycle de mise au point.

4. Normalisation et plateformisation : Les principaux fabricants et alliances s'engagent à promouvoir la normalisation des interfaces d'inspection visuelle et des formats de données, et à construire une plateforme unifiée d'inspection de la qualité de l'IA industrielle pour réduire la complexité et le coût de l'intégration.

Conclusion

De l'alignement au micron des électrodes au serrage précis de centaines de boulons lors de l'assemblage des batteries, la technologie de positionnement visuel est omniprésente dans la fabrication intelligente des batteries. Elle constitue non seulement un outil d'amélioration de la précision et de l'efficacité, mais aussi le pilier d'une chaîne de production de qualité et d'une prise de décision basée sur les données. Avec l'avènement de la production à l'échelle du térawattheure, le positionnement visuel, technologie clé permettant à l'industrie des batteries d'atteindre des niveaux de production extrêmes, continuera sans aucun doute à étendre son application, garantissant la fabrication de batteries plus sûres, plus efficaces et plus fiables, et contribuant à la transition énergétique mondiale.