Góc nhìn của ngành công nghiệp: Thị giác máy tính đang cách mạng hóa việc kiểm tra chất lượng nắp pin như thế nào?

Kiểm tra 400 sản phẩm mỗi phút với độ chính xác vượt quá 99%, đó là cách mà người bảo vệ chất lượng sản xuất pin hoạt động.

Trong ngành công nghiệp năng lượng mới đang phát triển nhanh chóng hiện nay, pin, với vai trò là nguồn năng lượng cốt lõi, đòi hỏi sự kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Nắp pin – một bộ phận tưởng chừng nhỏ bé – thực chất lại là “người gác cổng” của bao bì pin, và chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ an toàn của pin.

Các phương pháp kiểm tra thủ công truyền thống không còn đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cao và hiệu quả cao của sản xuất hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ thị giác máy tính, việc kiểm tra chất lượng nắp pin đang trải qua một sự chuyển đổi mang tính cách mạng.

1. Những hạn chế của phương pháp kiểm tra truyền thống: Những bất cập của kiểm tra thủ công

Trước đây, việc kiểm tra nắp pin chủ yếu dựa vào lao động thủ công. Các chuyên viên kiểm định chất lượng phải kiểm tra bằng mắt thường hình thức, kích thước và mối hàn của từng nắp pin. Quá trình này không chỉ tốn nhiều công sức mà còn rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chủ quan.

Dưới áp lực công việc kéo dài, sự mỏi mắt ở các nhân viên kiểm tra chất lượng dẫn đến việc thường xuyên bỏ sót và sai sót trong quá trình kiểm tra. Thống kê cho thấy tỷ lệ sai sót của việc kiểm tra thủ công lên tới 5%-10%, điều này là không thể chấp nhận được đối với ngành công nghiệp sản xuất pin đang hướng tới chất lượng tối ưu. Đồng thời, tốc độ kiểm tra thủ công bị hạn chế, chỉ vài chục sản phẩm mỗi phút, làm giảm nghiêm trọng hiệu quả sản xuất và tăng chi phí sản xuất.

2. Sự trỗi dậy của thị giác máy tính: Cơ sở công nghệ và những ưu điểm

Hệ thống thị giác máy tính đề cập đến các công nghệ sử dụng máy móc để thay thế mắt người trong việc thực hiện các phép đo và đánh giá khác nhau. Đây là một lĩnh vực toàn diện bao gồm nhiều lĩnh vực như quang học, cơ khí, máy tính, nhận dạng mẫu, xử lý ảnh, trí tuệ nhân tạo, xử lý tín hiệu và tích hợp quang điện tử.

Một hệ thống kiểm tra bằng thị giác máy hoàn chỉnh chủ yếu bao gồm bốn thành phần: mô-đun thu thập hình ảnh, mô-đun xử lý hình ảnh, mô-đun phân tích hình ảnh và mô-đun quản lý dữ liệu.

Mô-đun thu nhận hình ảnh bao gồm một camera công nghiệp, thấu kính quang học, nguồn sáng và thiết bị kẹp. Chức năng của nó là thu thập hình ảnh bề mặt sản phẩm. Dưới ánh sáng của nguồn sáng, bề mặt sản phẩm được chiếu lên cảm biến camera thông qua thấu kính quang học. Tín hiệu quang học trước tiên được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó thành tín hiệu số để máy tính có thể xử lý. So với kiểm tra thủ công, kiểm tra bằng thị giác máy mang lại những lợi thế đáng kể: nó không chỉ cải thiện tính linh hoạt và tự động hóa sản xuất mà còn cho phép kiểm tra hiệu quả và chính xác trong môi trường làm việc không phù hợp với thao tác của con người hoặc nơi thị giác con người không đáp ứng được yêu cầu, từ đó nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất và tự động hóa.

3. Triển khai kỹ thuật: Kiến trúc hệ thống để kiểm tra nắp pin

Hệ thống kiểm tra bằng thị giác máy tính dành cho nắp pin thường bao gồm khay cấp liệu, băng chuyền, trạm kiểm tra, cơ cấu định vị, máy phân loại và thùng chứa vật liệu, tạo thành một dây chuyền kiểm tra hoàn chỉnh.

Lấy một hệ thống kiểm tra điển hình làm ví dụ, quy trình làm việc của nó như sau: Khay cấp liệu, thông qua rung động liên tục, sắp xếp các nắp pin theo trình tự và hướng yêu cầu và chuyển chúng lên băng tải; băng tải vận chuyển các nắp pin với tốc độ đã định, đi qua nhiều trạm kiểm tra theo trình tự.

Trạm kiểm tra số 1 thường được trang bị một camera phía trên, ba camera bên và một nguồn sáng. Camera phía trên được đặt phía trên nắp pin, chụp ảnh bề mặt hàn điểm của nắp pin. Ba camera bên được phân bố đều xung quanh nắp pin ở góc 120°, cho phép chụp ảnh các cạnh của nắp pin.

Tiếp theo, cơ cấu định vị xoay nắp pin 180° sao cho bề mặt hàn hồ quang hướng lên trên. Trạm kiểm tra 2 được trang bị một hệ thống hình ảnh khác, bao gồm một camera phía trên và một nguồn sáng, để chụp ảnh bề mặt hàn hồ quang của nắp pin.

Trong toàn bộ hệ thống kiểm tra, camera công nghiệp đóng vai trò là "mắt" của hệ thống thị giác máy và cần có độ phân giải cao cùng tốc độ khung hình cao. Độ phân giải cao đảm bảo có thể phát hiện những khuyết tật nhỏ đến 0,01mm trên nắp pin, chẳng hạn như vết xước nhỏ và lỗ kim; tốc độ khung hình cao đáp ứng nhu cầu kiểm tra của các dây chuyền sản xuất tốc độ cao.

Việc lựa chọn thấu kính quang học cũng rất quan trọng; cần lựa chọn các loại thấu kính có tiêu cự và độ sâu trường ảnh khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu kiểm tra. Hệ thống chiếu sáng phù hợp cũng là yếu tố then chốt để thu được hình ảnh chất lượng cao.

4. Xử lý ảnh và nhận diện khuyết tật: Cơ chế hoạt động của thuật toán

Các hình ảnh được camera thu lại trải qua một loạt các bước xử lý phức tạp, chủ yếu bao gồm tiền xử lý hình ảnh, nhận dạng đặc điểm, kết quả nhận dạng và phân loại.

Trong giai đoạn tiền xử lý ảnh, hệ thống thực hiện các thao tác như chuyển đổi sang ảnh xám, lọc, phát hiện cạnh và nhị phân hóa trên các ảnh thu được để cải thiện chất lượng ảnh và giảm nhiễu. Thông qua các thuật toán như lọc Gaussian, nhiễu được loại bỏ khỏi ảnh, cải thiện độ rõ nét của ảnh và cung cấp dữ liệu ảnh chất lượng cao cho các phân tích tiếp theo.

Trong giai đoạn trích xuất đặc trưng, ​​hệ thống trích xuất thông tin đặc trưng của nắp pin từ hình ảnh, chẳng hạn như đường viền, màu sắc và kết cấu, để phục vụ cho quá trình phân loại và nhận dạng tiếp theo.

Các thuật toán phát hiện khác nhau được yêu cầu cho các loại khuyết tật khác nhau trên nắp pin: Đối với các khuyết tật hàn hồ quang (như hàn không hoàn chỉnh, hàn kém, thiếu mối hàn, lệch tâm và bắn tóe), thuật toán phát hiện cạnh Canny có thể được sử dụng để trích xuất các cạnh và xác định xem các cạnh có đáp ứng các yêu cầu hay không.

Đối với các khuyết tật hàn điểm (như thiếu mối hàn, mối hàn lệch tâm và độ xuyên thấu của mối hàn), phương pháp phát hiện vòng tròn Hough có thể được sử dụng để xác định và trích xuất vòng tròn nhỏ nhất có thể bao quanh các điểm hàn, và thuật toán phân vùng (watershed algorithm) có thể được sử dụng để xác định số lượng và vị trí của các điểm hàn nhằm xác định xem chúng có bình thường hay không.

Đối với các vấn đề về kích thước, sau khi trích xuất các cạnh thông qua phân đoạn ngưỡng, mức độ trùng khớp giữa cạnh vòng tròn bên ngoài và vòng tròn chuẩn có thể được sử dụng để xác định sự phù hợp của kích thước nắp.

Các hệ thống phát hiện hiện đại ngày càng áp dụng các thuật toán học sâu. Thông qua quá trình huấn luyện chuyên sâu trên các tập dữ liệu được chú thích quy mô lớn, chúng có thể xác định và phân loại các loại khuyết tật cụ thể thông qua nhận dạng hình ảnh, cho phép tối ưu hóa liên tục quy trình sản xuất.

5. Ứng dụng thực tiễn và kết quả: Giá trị của việc kiểm tra bằng thị giác máy tính

Trong các ứng dụng thực tế, hệ thống kiểm tra bằng thị giác máy đã chứng minh giá trị đáng kể của chúng. Một nhà sản xuất pin nổi tiếng toàn cầu, sau khi áp dụng giải pháp kiểm tra bằng thị giác máy cho việc kiểm tra nắp pin, không chỉ giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi từ 8% xuống dưới 1%, mà còn tăng hiệu quả sản xuất lên gấp sáu lần, tiết kiệm cho công ty hàng triệu đô la mỗi năm.

Về khả năng phát hiện, hệ thống thị giác máy có thể đạt được khả năng kiểm tra tự động tốc độ cao, với tốc độ phát hiện hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn sản phẩm mỗi phút, vượt xa tốc độ kiểm tra thủ công. Điều này giúp tăng đáng kể năng lực của dây chuyền sản xuất pin, đáp ứng hiệu quả nhu cầu ngày càng tăng của thị trường về pin.

Về chất lượng, giải pháp kiểm tra bằng thị giác máy tính có thể xác định chính xác nhiều khuyết tật nhỏ và sai lệch kích thước trên nắp pin, giúp tránh bỏ sót trong quá trình kiểm tra thủ công. Khả năng phát hiện độ chính xác cao giúp cải thiện đáng kể độ ổn định chất lượng của nắp pin, hỗ trợ mạnh mẽ cho pin hiệu suất cao và tuổi thọ dài.

Đặc tính phát hiện không tiếp xúc của hệ thống thị giác máy cũng đảm bảo quá trình phát hiện không làm hư hại sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sai sót của con người, giúp kết quả phát hiện khách quan và đáng tin cậy hơn.

Hệ thống có thể tự động ghi lại hình ảnh và dữ liệu của mỗi lần kiểm tra, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tra cứu và truy xuất nguồn gốc sau này. Thông qua phân tích thống kê lượng lớn dữ liệu kiểm tra, các công ty có thể hiểu sâu hơn về sự biến động chất lượng trong quá trình sản xuất, nhanh chóng xác định các vấn đề tiềm ẩn trong quy trình sản xuất và hỗ trợ mạnh mẽ cho việc tối ưu hóa quy trình.

6. Triển vọng tương lai: Lộ trình phát triển của các nâng cấp thông minh

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trí tuệ nhân tạo, việc kiểm tra nắp pin bằng thị giác máy tính đang hướng tới sự thông minh hơn. Sự tích hợp giữa phần cứng cảm biến 3D và phần mềm trí tuệ nhân tạo đã mang lại những đột phá mới cho các hệ thống kiểm tra.

Ví dụ, cảm biến 3D có thể thu thập hàng ngàn điểm dữ liệu và chuyển đổi các điểm dữ liệu này thành đám mây điểm và bản đồ độ sâu rất chi tiết, cho phép phần mềm AI phát hiện các khuyết tật. Công nghệ này đã giúp các nhà sản xuất ô tô giảm tỷ lệ lỗi của các bộ phận phức tạp từ 10% đến 15%.

Việc kết hợp dữ liệu 2D và 3D sẽ trở thành một xu hướng quan trọng trong tương lai. Các chuyên gia về thị giác máy tính đang sử dụng thế hệ camera và cảm biến thông minh mới để xây dựng các giải pháp thị giác tự động: thu thập dữ liệu 2D/3D chất lượng cao với tốc độ cao để huấn luyện và kiểm thử mô hình học sâu.

Khi các nhà sản xuất ô tô bắt đầu chuyển đổi sang sản xuất xe điện, công nghệ thị giác máy tính, quét 3D và trí tuệ nhân tạo sẽ đóng vai trò lớn hơn trong các quy trình vận hành tuyến đầu. Ví dụ, việc phát hiện các khuyết tật trong các cell pin, và đánh giá kích thước và độ bền của các đầu nối và chân cắm—những công việc kiểm tra này rất khó khăn do vấn đề phản chiếu thường gặp trên bề mặt kim loại.

Việc sử dụng cảm biến 3D có thể giải quyết hiệu quả vấn đề độ tương phản không đủ bằng cách quét bề mặt chính xác để phát hiện các khuyết tật.

Các hệ thống kiểm tra trong tương lai sẽ tập trung nhiều hơn vào khả năng tự học và tự điều chỉnh, liên tục cải thiện độ chính xác và hiệu quả phát hiện thông qua việc tích lũy dữ liệu liên tục và tối ưu hóa thuật toán, hướng tới mục tiêu cải tiến liên tục "ngày càng tốt hơn".

Với sự phát triển sâu rộng của sản xuất thông minh trong các nhà máy kỹ thuật số, ngày càng nhiều công ty áp dụng hệ thống kiểm tra bằng thị giác máy tính. Sau khi một nhà sản xuất pin nổi tiếng toàn cầu giới thiệu giải pháp kiểm tra bằng thị giác máy tính, tỷ lệ sản phẩm lỗi đã giảm từ 8% xuống dưới 1%, hiệu quả sản xuất tăng gấp sáu lần và tiết kiệm được hàng triệu nhân dân tệ chi phí mỗi năm.

Công nghệ thị giác máy tính đang định hình lại lĩnh vực kiểm tra nắp pin, mang lại chất lượng cao hơn, hiệu quả cao hơn và chi phí thấp hơn cho các nhà sản xuất pin. Với những tiến bộ công nghệ liên tục, công nghệ này chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng hơn nữa trong lĩnh vực pin, tạo nền tảng vững chắc cho sự tăng trưởng bền vững của ngành công nghiệp năng lượng mới.