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1　背景

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮脑黾雍图夹g(shù)的進(jìn)步，鋰電池在電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在制造過(guò)程中，通過(guò)賦碼和掃碼實(shí)現(xiàn)流程可追溯，不遺漏讀碼、不讀錯(cuò)碼是確保鋰電池品質(zhì)的重要一環(huán)。然而，某鋰電池企業(yè)經(jīng)常因?yàn)樽x碼設(shè)備常受條碼大小、位置、環(huán)境要求等突發(fā)狀況的影響，例如每個(gè)鋰電池讀碼時(shí)間極短只有500ms、設(shè)備內(nèi)有環(huán)境光干擾會(huì)在鋰電池上出現(xiàn)雜散光、設(shè)備內(nèi)空間有限等因素，從而導(dǎo)致生產(chǎn)線停滯、效率下降、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。為了解決該鋰電池企業(yè)這一痛點(diǎn)，研祥金碼研發(fā)系列智能讀碼器產(chǎn)品，幫助鋰電池制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信息采集和傳輸?shù)淖詣?dòng)化和數(shù)字化，從而提高了制造過(guò)程中質(zhì)量控制和效率，降低了人工成本和錯(cuò)誤率，增強(qiáng)了鋰電池制造的競(jìng)爭(zhēng)力和可靠性，幫助該企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可追溯性、生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確性、產(chǎn)品質(zhì)量控制的有效性等方面的目標(biāo)。

2　案例實(shí)施

某鋰電池廠家對(duì)產(chǎn)品的溯源信息二維碼跟蹤管理，采用的是Data Matrix二維條碼作為載體。由于DataMatrix二維條碼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM碼）只需要讀取資料的20%即可精確辨讀，因此很適合應(yīng)用在條碼容易受損的工業(yè)場(chǎng)所，一般印在暴露于高熱、化學(xué)清潔劑、機(jī)械剝蝕等特殊環(huán)境的零件上，同時(shí)，DM碼的尺寸可任意調(diào)整，最大可到35CM左右，最小可到0.000508CM，DM碼其密度大、尺寸小、信息存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量回溯和產(chǎn)品跟蹤管理等環(huán)節(jié)。目前，智能讀碼器應(yīng)用在鋰電池行業(yè)工作過(guò)程中，場(chǎng)景覆蓋鋰電池制程的中后段工序，包括卷繞、冷壓整形、裸電芯、超聲波焊接、注液、密封釘焊、打包、下倉(cāng)等，能滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景的讀碼需求。如圖2所示，其工作原理是電源模塊給智能讀碼器各個(gè)模塊供電，通過(guò)光源控制電路把光源打開(kāi)，光線照射到目標(biāo)鋰電池檢測(cè)物體上，部分反射光線被鏡頭收集，并在感光芯片上成像，感光芯片則把在自身成像的光信號(hào)轉(zhuǎn)化電信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)采集電路把電信號(hào)做A/D轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)格式輸出給后端的圖像處理單元進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像預(yù)處理，然后加載到智能圖像處理模塊上，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，把預(yù)處理過(guò)的圖像信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到最終目標(biāo)鋰電池檢測(cè)物體的DM讀碼結(jié)果。

圖1 智能讀碼器在自動(dòng)化鋰電檢測(cè)的應(yīng)用

在鋰電池原材料入庫(kù)時(shí)，智能讀碼器可以快速掃描原材料的DM條形碼或二維碼，獲取生產(chǎn)制造流水線上物料的二維碼或條形碼信息。在電池組裝過(guò)程中，智能讀碼器可以對(duì)每個(gè)鋰電池單體進(jìn)行掃描，記錄其電壓、容量、內(nèi)阻等參數(shù)，以及其所屬的模組和包組，實(shí)現(xiàn)鋰電池單體的自動(dòng)化分選和匹配。在電池成品出庫(kù)時(shí)，智能讀碼器可以對(duì)每個(gè)鋰電池包進(jìn)行掃描，獲取其DM條形碼或二維碼中的信息，如生產(chǎn)日期、序列號(hào)、規(guī)格型號(hào)等，實(shí)現(xiàn)鋰電池包的自動(dòng)化標(biāo)識(shí)和追溯。但是由于鋰電池曲面DM碼的形狀是圓柱形的，因此讀取它們的智能讀碼器必須能夠識(shí)別圓柱形的碼，而不是平面的碼，并且在高速運(yùn)動(dòng)、低光或無(wú)光、遠(yuǎn)距離讀碼的特殊應(yīng)用環(huán)境中選取的條碼經(jīng)常存在模糊、分辨率低、褶皺、光照不均、彎曲畸變等問(wèn)題。因此，研祥金碼針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)行如下改進(jìn)：

圖2 智能讀碼器工作原理

（1）增強(qiáng)缺陷條碼與弱成像條碼的解碼功能

由于鋰電池曲面DM碼的特殊性，它們的編碼方式和普通的二維碼編碼有很大的不同，因此讀取它們的讀碼器必須具有能夠識(shí)別特殊編碼的功能，金碼智能讀碼器采用全卷積自編碼（FCAE）的方式減少冗余計(jì)算，加速算法。同時(shí)在FCAE特征上引入特征聚類(lèi)模塊，增強(qiáng)特征的判別性，以此抑制缺陷生成，提升紋理背景重構(gòu)精度。并且融合多個(gè)尺度檢測(cè)結(jié)果，對(duì)不同大小的缺陷都穩(wěn)健。最后，設(shè)計(jì)了結(jié)果融合模塊，融合不同尺度的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)保證算法的召回率和準(zhǔn)度?；诙喑叨忍卣骶垲?lèi)的全卷積缺陷條碼識(shí)別結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于多尺度特征聚類(lèi)的全巻積缺陷條碼識(shí)別結(jié)構(gòu)

該方法能夠同時(shí)檢測(cè)多種類(lèi)型的紋理表面缺陷，只需要少量無(wú)缺陷紋理樣本進(jìn)行訓(xùn)練。所提出的方法利用不同尺度級(jí)別的全卷積自編碼（FCAE）子網(wǎng)重構(gòu)紋理背景圖像。通過(guò)從輸入圖像中減去紋理背景圖像，獲得殘差圖像，最后被融合成一個(gè)缺陷圖像。為了實(shí)現(xiàn)高效率，避免滑窗操作，每個(gè)FCAE子網(wǎng)利用全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接從輸入圖像中提取特征。此外，每個(gè)FCAE子網(wǎng)使用特征聚類(lèi)模塊改善編碼特征的判別性，提升紋理背景重構(gòu)精度。該方法已高效率實(shí)現(xiàn)了最高的檢測(cè)精度，滿足了鋰電池在特殊DM碼檢測(cè)的要求。

（2）增加光照不均條件下條碼精準(zhǔn)識(shí)別

由于鋰電池曲面DM碼的形狀是圓柱形的，讀取它們的工業(yè)讀碼器必須能夠識(shí)別圓柱形的碼，而不是平面的碼并且高速運(yùn)動(dòng)、低光或無(wú)光、遠(yuǎn)距離讀碼等特殊應(yīng)用環(huán)境中選取的條碼經(jīng)常存在模糊、分辨率低、褶皺、光照不均、彎曲畸變等問(wèn)題，提出基于全局優(yōu)化與深度學(xué)習(xí)的弱成像條碼識(shí)別。如圖4所示，該方法可以分為4個(gè)主要部分：①空間變換網(wǎng)絡(luò)（Spatial Transformer Network，STN），主要用于對(duì)輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理；②卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于從經(jīng)過(guò)STN矯正后的圖像中提取出空間特征；③循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于在前述空間特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行序列處理，初步建模各字元之間的上下文相關(guān)性，得出對(duì)字元分類(lèi)的概率結(jié)果；④全局優(yōu)化算法用于在各字元獨(dú)立概率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步獲取字符與串的全概率，并以損失函數(shù)的形式強(qiáng)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出概率的約束。

圖4 基于全局優(yōu)化與深度學(xué)習(xí)的弱成像條碼識(shí)別結(jié)構(gòu)

通過(guò)將深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型引入到條碼識(shí)別任務(wù)中，它更能依據(jù)上下文的DM條碼信息來(lái)進(jìn)行識(shí)別，而不單單只將條碼看作是獨(dú)立的個(gè)體，并且根據(jù)條碼編碼設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步提出在網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合全局優(yōu)化的算法，能夠有效提高弱成像條碼識(shí)別的接收率與準(zhǔn)確度。

（3）遠(yuǎn)距離大視野多重碼融合識(shí)別

針對(duì)之前傳統(tǒng)讀碼器需要人工在產(chǎn)線上手動(dòng)多次調(diào)節(jié)鏡頭焦距、設(shè)備內(nèi)空間有限，讀碼器需要離鋰電池60mm以上，DM碼距焦點(diǎn)發(fā)生變化還需重新手動(dòng)調(diào)整等問(wèn)題，從而提出液態(tài)鏡頭自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)。以彈性聚合物薄膜密封光學(xué)流體，通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)施壓，改變曲率，實(shí)現(xiàn)讀碼器快速對(duì)焦，響應(yīng)速度達(dá)毫秒級(jí)。同時(shí)還能解決因不同工作距離造成的讀碼難題，減少讀碼器移動(dòng)和調(diào)試的時(shí)間，能快速且準(zhǔn)確地采集到清晰的圖像，如圖5所示。

圖5 液態(tài)鏡頭自動(dòng)對(duì)焦設(shè)計(jì)

通過(guò)采用電控方式來(lái)改變曲率半徑，從而改變焦距，實(shí)現(xiàn)讀碼器毫秒級(jí)高速靈活自動(dòng)對(duì)焦，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械對(duì)焦技術(shù)，采樣速度得到百倍提升，滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離、超廣視野、自適應(yīng)大景深、超高速快讀碼、高精度解小碼等多項(xiàng)需求。研祥金碼智能讀碼器內(nèi)嵌AI芯片，算力高達(dá)6Tops。在此基礎(chǔ)上，搭載自研的深度學(xué)習(xí)算法，能快速實(shí)現(xiàn)圖形矯正，支持識(shí)別各種污損碼、曲面碼、彩色碼、漸變碼等。內(nèi)置智能視頻分析引擎，性能比CPU提升5倍以上，效率更高，同時(shí)支持硬化20種以上的常用OpenCV算子，如圖像二值化、邊緣檢測(cè)、均值濾波、閾值分割等；采用多級(jí)功耗控制手段，芯片功耗更低，快速啟動(dòng)時(shí)間比市面上主流方案快30%以上。研祥金碼智能讀碼器如圖6所示。

圖6 研祥金碼智能讀碼器

3　項(xiàng)目效益

經(jīng)過(guò)智能讀碼器在鋰電池的物流過(guò)程中的改進(jìn)和應(yīng)用，幫助該企業(yè)實(shí)現(xiàn)了貨物的實(shí)時(shí)追蹤和管理，通過(guò)掃描鋰電池上的二維碼或條形碼，可以實(shí)時(shí)獲取貨物的位置和狀態(tài)信息，使解碼正確率高達(dá)98%以上，提高生產(chǎn)物流效率和準(zhǔn)確性。讀碼器離鋰電池60mm以上，DM碼距焦點(diǎn)發(fā)生變化不需重新手動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化讀碼和數(shù)據(jù)采集。這不僅可以減少人工干預(yù)和錯(cuò)誤率，而且提高了生產(chǎn)效率。在鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)電池都會(huì)被打上獨(dú)特的標(biāo)識(shí)符，通過(guò)這些標(biāo)識(shí)符可以追蹤到每個(gè)電池的生產(chǎn)批次、生產(chǎn)日期等信息，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)追溯迅速找到問(wèn)題根源，避免問(wèn)題擴(kuò)大化，減少20%維護(hù)成本，同時(shí)，可以在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)原材料、半成品和成品等進(jìn)行有效跟蹤和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)原材料庫(kù)存的精準(zhǔn)控制，降低了庫(kù)存成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少?gòu)U品率降低生產(chǎn)成本。通過(guò)獲取的二維碼或條形碼信息用于數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，可以與自動(dòng)化生產(chǎn)線相結(jié)合，根據(jù)采集信息為客戶(hù)制定更加科學(xué)合理的決策提供數(shù)據(jù)支持，提升了該企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和客戶(hù)滿意度。

未來(lái)，鋰電池作為一種對(duì)環(huán)境友好的新型綠色能源，在電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能光伏、智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力、化工等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用，因此，鋰電池的質(zhì)量控制和溯源等涉及行業(yè)安全問(wèn)題不容忽視。研祥金碼智能讀碼器獲取鋰電池上的二維碼或條形碼信息，從而對(duì)產(chǎn)品的身份標(biāo)識(shí)、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批次號(hào)等信息進(jìn)行核實(shí)，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)追溯迅速找到問(wèn)題根源，避免問(wèn)題擴(kuò)大化。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，深入了解產(chǎn)品的生產(chǎn)情況、銷(xiāo)售情況等，為企業(yè)制定更加科學(xué)合理的決策提供數(shù)據(jù)支持，從而減少人工操作失誤，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品線各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)降本增效，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年11月刊