光伏太陽能硅片自動對準(zhǔn)方法的探索

張 文，劉玉倩，靳衛(wèi)國，王慧

(中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京 101601)

全自動太陽能印刷系統(tǒng)（下稱：印刷系統(tǒng)）是一種使用直線電機(jī)驅(qū)動，對太陽能硅片進(jìn)行全自動的上料、對準(zhǔn)、印刷、烘干、下料的印刷系統(tǒng)，能夠在滿足工藝要求的前提下，進(jìn)行精確、高效的光伏太陽能電池片制作。

在自動印刷硅片的過程中，需要對位于工作臺不同位置的硅片進(jìn)行定位并自動調(diào)整網(wǎng)框的位置，以保證硅片印刷精度的要求。硅片的對準(zhǔn)精度要求是100μm，即硅片中心與印刷圖形中心的距離不超過100μm，印刷線上預(yù)對準(zhǔn)工位可以達(dá)到1mm的精度，因此需要設(shè)計一套光學(xué)系統(tǒng)來滿足剩余的精度要求。

1 硅片自動對準(zhǔn)原理

印刷系統(tǒng)自動對準(zhǔn)原理為：建立一個空間二維坐標(biāo)系并確定相機(jī)在坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，通過將定位點在相機(jī)的位置換算成空間坐標(biāo)值，得到硅片中心與印刷圖形中心的坐標(biāo)差，并將差值換算成校正電機(jī)的運動值，通過校正電機(jī)的運動，完成自動對準(zhǔn)過程。

印刷系統(tǒng)設(shè)計了一臺1394數(shù)字相機(jī)(1#）來檢測硅片位置，使用兩臺模擬相機(jī)(3#、4#)來檢測絲網(wǎng)位置，并以絲網(wǎng)中心為原點建立了一個二維坐標(biāo)系以確定對準(zhǔn)的各個要素的相對位置，如圖1所示，由于自動印刷線上所用的工作臺是一個旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此，需要對硅片坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能供網(wǎng)框調(diào)整電機(jī)使用。

圖1 自動對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

1.1 坐標(biāo)系建立

由于所有的坐標(biāo)值最終都需要轉(zhuǎn)換成為校正電機(jī)的運動值，以電機(jī)運動方向作為坐標(biāo)軸可以最大程度的減小坐標(biāo)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差。

因此，以x向校準(zhǔn)電機(jī)正向為坐標(biāo)系x軸正向，以y向校準(zhǔn)電機(jī)正向為坐標(biāo)系y軸正向，以標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框中心點為坐標(biāo)系原點，建立一個自動調(diào)整坐標(biāo)系。

1.2 相機(jī)空間位置的確定

將標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框安裝在印刷機(jī)構(gòu)上，并將校正電機(jī)回零，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框上標(biāo)志點的坐標(biāo)值（（-12000，0）、（12000，0）），及其在相機(jī)中的位置，換算出絲網(wǎng)檢測相機(jī)（3#、4#）在坐標(biāo)系中的位置，通過檢測標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框圖形在工作臺上的映像，換算出硅片檢測相機(jī)（1#）在坐標(biāo)系中的位置。如圖2。

圖2 相機(jī)校準(zhǔn)原理

1.3 硅片及印刷網(wǎng)框坐標(biāo)的確定

根據(jù)絲網(wǎng)檢測相機(jī)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，及印刷網(wǎng)框標(biāo)志點在相機(jī)中的位置，得到印刷網(wǎng)框左右標(biāo)志點的坐標(biāo)，并換算出網(wǎng)框圖形中心坐標(biāo)，同理，根據(jù)硅片檢測相機(jī)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，及硅片在相機(jī)中的位置，換算出硅片中心坐標(biāo)。

由于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框映像在轉(zhuǎn)動90°后是完全重合的，因此可以分別計算印刷網(wǎng)框和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框中心坐標(biāo)差、角度差及硅片和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框映像中心坐標(biāo)差、角度差，將二者相加，來得到校準(zhǔn)電機(jī)運動的絕對值。如圖3所示。

圖3 硅片對準(zhǔn)

2 計算公式

對準(zhǔn)原理的各要素坐標(biāo)表示如圖3所示，根據(jù)對準(zhǔn)原理，可以得到校準(zhǔn)電機(jī)運動值的計算公式為：

(1)絲網(wǎng)相對位置計算：

Δx絲網(wǎng)差=[(x標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)左側(cè)-x印刷絲網(wǎng)左側(cè))+(x標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)右側(cè)-x印刷絲網(wǎng)右側(cè))]/2

Δy絲網(wǎng)差=[(y標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)左側(cè)-y印刷絲網(wǎng)左側(cè))+(y標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)右側(cè)-y印刷絲網(wǎng)右側(cè))]/2

θ印刷絲網(wǎng)=arcsin［（y印刷絲網(wǎng)右側(cè)-y印刷絲網(wǎng)左側(cè)）／網(wǎng)間距］

θ標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)=arcsin［(y標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)右側(cè)-y標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)左側(cè))／網(wǎng)間距］

Δθ絲網(wǎng)差=(θ標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)-θ印刷絲網(wǎng))

(2)硅片相對位置計算：

Δx硅片差=x硅片-x標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框映像

Δy硅片差=y硅片-y標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框映像

Δθ硅片差=θ硅片-θ標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框映像

(3)電機(jī)運行絕對值計算：

3 誤差分析

這種自動調(diào)整機(jī)構(gòu)的定位誤差主要是由相機(jī)安裝的偏差產(chǎn)生的，主要有三個方面。

3.1 網(wǎng)框相機(jī)角度安裝誤差

在網(wǎng)框相機(jī)安裝過程中，無法保證網(wǎng)框相機(jī)安裝方向與電機(jī)運動方向絕對平行，使用網(wǎng)框相機(jī)定位值進(jìn)行計算時會產(chǎn)生偏差，如圖4所示。

圖4 相機(jī)角度誤差校正

網(wǎng)框相機(jī)與調(diào)整電機(jī)之間的角度可以通過電機(jī)運動測量出來，將網(wǎng)框相機(jī)的定位值加上角度補(bǔ)償，可以消除這種誤差對定位帶來的影響。

補(bǔ)償計算公式為：

3.2 網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差

網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差是指在3#、4#網(wǎng)框相機(jī)中心連線與x向校正電機(jī) (坐標(biāo)系x向)不平行。

由計算絲網(wǎng)相對位置公式1可知，在計算絲網(wǎng)的位置偏移時，印刷網(wǎng)框與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框坐標(biāo)中所包含的網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差相互抵消，網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差對網(wǎng)框位置偏移的計算無影響。

圖5 相機(jī)安裝誤差校正

在自動對準(zhǔn)計算中，假設(shè)兩個絲網(wǎng)相機(jī)中心連線與x向校正電機(jī)(坐標(biāo)系x向)的夾角為0，即相機(jī)在y向安裝無誤差，在計算網(wǎng)框旋轉(zhuǎn)角度時，公式如下：

θ=arcsin((y2-y1)/網(wǎng)間距)

當(dāng)兩個絲網(wǎng)相機(jī)在y向安裝有誤差時，正確的計算值為：

θ1=arcsin((y2+相機(jī)水平誤差-y1)/網(wǎng)間距)

在計算兩個網(wǎng)框之間的角度差時：

Δθ=arcsin((y2+相機(jī)水平誤差-y1)/網(wǎng)間距)-asin((y2'+相機(jī)水平誤差-y1')/網(wǎng)間距)相機(jī)X向安裝誤差不會超出相機(jī)視場范圍，因此角度誤差最大范圍為:

arctan(10/240)=2.39°，而θ值在±2.5°變化時，arcsin(θ)≈θ；

因此：Δθ=(y2+相機(jī)水平誤差-y1)/網(wǎng)間距-((y2’+相機(jī)水平誤差-y1')/網(wǎng)間距)

=(y2-y1)/網(wǎng)間距-((y2'-y1')/網(wǎng)間距)

=arcsin((y2-y1)/網(wǎng)間距)-arcsin((y2'-y1')/網(wǎng)間距)

有上述計算可知，在相機(jī)的視場范圍內(nèi)，印刷網(wǎng)框與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)框角度差內(nèi)所包含的網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差可以相互抵消，網(wǎng)框相機(jī)x向安裝誤差對網(wǎng)框位置偏移的影響可以忽略。

3.3 硅片檢測相機(jī)角度安裝誤差

在硅片檢測相機(jī)安裝過程中，無法保證硅片檢測相機(jī)安裝方向與電機(jī)運動方向絕對平行，使用硅片檢測相機(jī)定位值進(jìn)行計算時會產(chǎn)生偏差。

由于無法準(zhǔn)確測定硅片檢測相機(jī)角度安裝誤差值，只能計算出在精度允許的前提下，硅片檢測相機(jī)的安裝角度范圍，由于預(yù)對準(zhǔn)可以保證1mm的精度范圍，因此，為保證100μm的精度，硅片檢測相機(jī)的安裝角度最大允許誤差為：Δθ=arccos[(1000-100)/1000]=25.8°。機(jī)械安裝精度就可以滿足其誤差要求。

3 結(jié)論

太陽能電池印刷產(chǎn)業(yè)是一個講究效率的產(chǎn)業(yè)，通過對本文所講述的對準(zhǔn)算法的研究與分析，證明其是一種簡單、易行，可能產(chǎn)生的潛在誤差因素較小的算法，并且對已知的的誤差有較好的補(bǔ)償方案，可以完全滿足全自動太陽能印刷系統(tǒng)對工藝及效率的要求，是一種較好的對準(zhǔn)算法。

[1]于靜.太陽能發(fā)電綜述[J].世界科技研究與發(fā)展，2009,30(1):15-18.

[2]魯華永.太陽能印刷技術(shù)探討[J].江蘇電機(jī)工程，2009,2(1):17-20.