基于圖像傳感器的太陽能電池片定位系統(tǒng)

吳振鋒

（1.太原理工大學(xué)，山西太原，030024；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原， 030024）

基于圖像傳感器的太陽能電池片定位系統(tǒng)

吳振鋒1,2

（1.太原理工大學(xué)，山西太原，030024；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原， 030024）

在太陽能電池片串焊機(jī)中，電池片的糾偏定位是控制的關(guān)鍵，針對其提出了一種基于圖像傳感器的主柵線定位方式，以很低的成本和簡單的控制算法解決了傳統(tǒng)以電池片邊緣作為定位基準(zhǔn)的機(jī)械定位方式無法解決的露白虛焊現(xiàn)象。其結(jié)果符合生產(chǎn)工藝，達(dá)到了設(shè)計要求。

太陽能電池；視覺定位系統(tǒng)；圖像傳感器；串焊機(jī)

太陽能電池片串焊機(jī)是太陽能電池生產(chǎn)中用于在檢測完好的太陽能電池片的正電極主柵線與另一片電池片負(fù)電極柵線之間通過互聯(lián)焊帶焊接成串，實現(xiàn)電池組的串聯(lián)。

在太陽能電池片串焊機(jī)中，電池片的糾偏定位是關(guān)鍵技術(shù)之一。理想狀態(tài)下，太陽能電池片被傳送過來時主柵線與焊帶寬度方向重合，這樣能保證焊接后電池片焊接最牢固，避免出現(xiàn)虛焊露白現(xiàn)象，電極導(dǎo)電性達(dá)到最佳狀態(tài)。但在實際生產(chǎn)中由于電池片在絲印過程中各種不可控因素導(dǎo)致了電極主柵線與電池片邊緣的距離很難保證在理想值范圍內(nèi)，甚至?xí)须姌O主柵線與電池片邊緣不平行現(xiàn)象[1]。由于這樣的電池片并不影響光電轉(zhuǎn)換率等重要的光電性能參數(shù)，幾乎所有生產(chǎn)廠家會按正常產(chǎn)品對待而流入下道生產(chǎn)工序。這就給作為后工序的串焊機(jī)增加了難度，傳統(tǒng)的以電池片邊緣作為定位基準(zhǔn)的機(jī)械定位方式經(jīng)常會出現(xiàn)電極主柵線不能完全重合現(xiàn)象，即漏白現(xiàn)象[2]。

針對以電池片邊緣作為定位基準(zhǔn)的機(jī)械定位方式無法解決的這一難題，本文提出了一種基于圖像傳感器的太陽能電池片定位系統(tǒng)，即采用主柵線定位方式。本定位系統(tǒng)中x軸和y軸運(yùn)動方向均由伺服系統(tǒng)控制，電池片搬運(yùn)由x軸伺服控制機(jī)械手完成，在搬運(yùn)過程中完成電池片的預(yù)定位。根據(jù)圖像傳感器實時檢測電池片主柵線與圖像傳感器光軸的平行度，根據(jù)實時反饋的數(shù)值，θ角旋轉(zhuǎn)平臺自動調(diào)整電池片的方向，最終實現(xiàn)電極主柵線與焊帶的完全重合，確保主柵線和焊帶重合精度，提高整個電池串的優(yōu)質(zhì)率。

1 理論依據(jù)

圖1 電池片在定位臺位置示意圖

調(diào)整并固定圖像傳感器使其縱向光軸與對應(yīng)焊帶方向平行，將此方向設(shè)為y軸，電池片定位位置到焊帶焊接位置移動方向為x軸，這時光軸原點到電池片目標(biāo)位置的距離L為一定值。

假如太陽能電池片到達(dá)定位臺后的位置如圖1所示，通過圖像傳感器可以讀出主柵線偏離圖像傳感器光軸的夾角θ（主柵線相對y軸順時針偏移時θ為正值，逆時針偏移時θ為負(fù)值，下同）。圖像傳感器實時將θ角度值傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，若θ＞0說明主柵線向順時針方向有偏移，定位臺需要逆時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度予以糾正；反之，若θ＜0說明主柵線向逆時針方向有偏移，定位臺需要順時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度予以糾正；當(dāng)θ角度值小于允許值（用戶設(shè)定的最大允許偏差值）時可以認(rèn)為主柵線與坐標(biāo)y軸平行，亦即與目標(biāo)位置焊帶方向平行，θ角旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)[3]，如圖2所示。

圖2 電池片在定位臺θ角調(diào)整后位置示意圖

這時坐標(biāo)原點到電池片目標(biāo)位置的距離L與主柵線偏離圖像傳感器光軸的距離詛（主柵線在光軸右側(cè)時詛為正值，在光軸左側(cè)時詛為負(fù)值，下同）的差值L－詛即為電池片從定位臺到目標(biāo)位置需要移動的距離。

2 電池片定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池片上料采用傳輸帶方式上料，伺服系統(tǒng)實現(xiàn)電池片x方向搬運(yùn)和y方向輸送，電池片首先由花籃上料傳送帶傳送至取料位置，然后由x方向搬運(yùn)系統(tǒng)送至θ角旋轉(zhuǎn)定位臺進(jìn)行預(yù)定位，并由圖像傳感器FQ2對電極主柵線的平行度進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果θ角旋轉(zhuǎn)定位臺進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。直至主柵線與焊帶方向平行，即當(dāng)θ的值小于允許值（θ≈ 0）時θ角旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。之后根據(jù)坐標(biāo)原點與主柵線的距離詛計算出電池片從定位位置B到目標(biāo)位置需要移動的距離為L－詛。電池片在目標(biāo)位置下放到y(tǒng)方向輸送系統(tǒng)，電池片在y方向定位由y方向定位檢測光纖傳感器輔助實現(xiàn)，定位好的電池片下放到目標(biāo)位置后，y方向輸送系統(tǒng)開始帶動電池片實現(xiàn)該方向的位置補(bǔ)償，當(dāng)y方向定位檢測光纖傳感器出現(xiàn)上升沿信號時認(rèn)為定位完成。最后由熱壓焊接機(jī)構(gòu)實現(xiàn)電池片與焊帶的焊接。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電池片定位控制系統(tǒng)設(shè)計

圖像傳感器采用OMRON公司的FQ2系列智能圖像傳感器，配備被全世界工廠通信系統(tǒng)廣泛采用的EtherNet/IP通信功能。FQ2完成對主柵線與光軸夾角θ的測量并通過以太網(wǎng)絡(luò)實時傳送到PLC進(jìn)行處理，由PLC控制系統(tǒng)依據(jù)特定算法完成太陽能電池片的糾偏定位，如圖3所示。

圖3 電池片定位臺控制系統(tǒng)示意圖

3.2 圖像傳感器的選型

系統(tǒng)要求焊帶與主柵線重合精度誤差≤±0.1 mm，經(jīng)綜合誤差分解視覺對位精度為±0.03 mm能夠滿足要求。本系統(tǒng)中視野設(shè)置應(yīng)小于相鄰兩條主柵線的距離26 mm，在此范圍內(nèi)越大越好。安裝空間距離允許值為25～150 mm。基于以上分析，我們選擇中視野黑白型圖像傳感器FQ2-S40，像素選擇為1280×1024像素。通過實際調(diào)試設(shè)置檢測距離為100 mm，這時視場范圍約為24 mm×22 mm，分辨率為0.021 mm/像素，采用EtherNet/IP高速數(shù)據(jù)傳輸，速率可達(dá)100 Mb/s，滿足運(yùn)行需求。

FQ2系列智能圖像傳感器擁有參考角度和參考位置坐標(biāo)的測量功能，并可同時進(jìn)行多項測量輸出，這些測量數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)向外部輸出，或通過運(yùn)算設(shè)置進(jìn)行運(yùn)算。

3.3 圖像傳感器的調(diào)試與測量輸出[4]

（1）焦距的調(diào)整。調(diào)節(jié)FQ2上的焦距調(diào)節(jié)旋鈕使圖像顯示達(dá)到最佳狀態(tài)。

（2）長度測量的校準(zhǔn)。FQ2對長度測量的結(jié)果直接表示為像素值，即某一段測量結(jié)果是多少像素。若要輸出結(jié)果為長度值，使用前需要對每一像素值對應(yīng)的長度值進(jìn)行設(shè)置，具體方法為：在測量平面上沿x光軸方向放置一段鋼板尺，在視野范圍內(nèi)設(shè)置需要測量的兩刻度線間距離（比如選取15 mm作為測量長度），測量編輯界面顯示該段占用720像素，系統(tǒng)后臺自動計算出這一比例關(guān)系為0.02083 mm/像素，點“保存”按鈕完成設(shè)置，以后長度測量結(jié)果將按此比例關(guān)系自動換算成毫米單位輸出數(shù)值。

（3）在θ角旋轉(zhuǎn)定位平臺上放置好電池片，使電池片的主柵線與焊帶方向平行，并以此片作為圖像傳感器測量的注冊模型。在FQ2設(shè)置界面將電池片第一條主柵線中心線設(shè)置為測量線模型，點“保存”按鈕完成設(shè)置。

（4）在輸出上選擇“參考角度TH0”和“參考位置坐標(biāo)RX”的測量功能，測量數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇LC控制器，由PLC進(jìn)行定位控制。

4 電池片定位

首先，圖像傳感器讀出被測主柵線偏離圖像傳感器光軸的參考角度TH0為θ，并實時將θ值傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，系統(tǒng)根據(jù)θ值對電池片旋轉(zhuǎn)定位，若θ＞0，定位臺需要逆時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度予以糾正；反之，若θ＜0，定位臺需要順時針方向旋轉(zhuǎn)一定角度予以糾正；當(dāng)θ角度值小于允許值（θ≈ 0）時θ角旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

其次，θ角定位完成后PLC控制系統(tǒng)根據(jù)光軸與主柵線的距離詛計算出電池片從定位位置B到目標(biāo)位置C點的距離為L－詛，并以此數(shù)值將電池片傳送到焊接位置。

圖4 電池片定位臺控制流程圖

最后，電池片在y方向定位由y方向定位檢測光纖傳感器輔助實現(xiàn)，定位好的電池片下放到目標(biāo)位置C點后，電池片y方向輸送系統(tǒng)開始帶動電池片實現(xiàn)y方向的位置補(bǔ)償，當(dāng)y方向定位檢測光纖傳感器出現(xiàn)上升沿信號時認(rèn)為定位完成。

電池片定位臺控制流程如圖4所示。

5 結(jié) 論

本文提出的基于圖像傳感器的主柵線定位方式，不僅以簡單的控制算法解決了傳統(tǒng)以電池片邊緣作為定位基準(zhǔn)的機(jī)械定位方式無法解決的露白現(xiàn)象，而且相對目前市場普遍使用的基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的算法來說成本要低得多，并且使用、設(shè)置更為簡單易懂，更加方便最終用戶使用。

本文中設(shè)計的定位方式結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)、成本低、并且具有一定的移植性。該系統(tǒng)在太陽能電池片串焊機(jī)中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計要求，滿足了生產(chǎn)工藝需求，得到了很好的應(yīng)用。

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[1]楊青，裴仁清.精密對位系統(tǒng)中共平面UVW工作平臺的研究[J].機(jī)械制造，2007，4（7）：39-41.

[2]魏海濱，朱躍紅.太陽能硅片絲印機(jī)視覺定位系統(tǒng)[J].電子工藝技術(shù)，2012，33（2）：

[3]Li Junlan，zhang Dawei，wang Yizhong，eta1.Microvision positioning systems for IC packing[J].Optics and Precision Engineering，2010，18（4）：965-972（in China）.

[4]OMRON.Smart Camera FQ2-S4 User's Manual[Z].Cat.No.Z330-E1-01，2012-12.

Positioning System for Solar Cells Based On Image Sensor

WU Zhenfeng1,2
（1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.The Second Research Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract:The corrective positioning technology in the solar cell strings welder is one of the key control technologies.This paper presents a corrective positioning method on the main gate line based on image sensor，It has resolved the unstable weld phenomenon which universal existing in mechanical positioning dependent on edges with a low cost and simple control algorithms.It has met the needs of the production process and the initial design aims come true.

Keywords:Solar cells；Visual alignment system；Image Sensor；String welder

TM914.4

A

1004-4507（2014）07-0009-04

2014-04-28

吳振鋒（1979-），男，工程師，太原理工大學(xué)工程碩士，主要從事電子專用設(shè)備電氣自動化控制方面的研發(fā)工作。