工業(yè)視覺機(jī)器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應(yīng)用

郭晉竹，李大偉，喬 雷，鄭 凱

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

工業(yè)視覺機(jī)器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應(yīng)用

郭晉竹，李大偉，喬 雷，鄭 凱

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

介紹了單晶硅電池片物理氣相沉積（PVD）工序封裝解決方案及工藝流程。通過設(shè)計基于視覺技術(shù)的SCARA工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了封裝流程的自動化，解決了人工封裝過程效率低、成本高、容易污染硅片的問題。并對該系統(tǒng)進(jìn)行了分析優(yōu)化，給出了提高精度、速度的優(yōu)化方案。

單晶硅電池片、PVD工藝、工業(yè)視覺機(jī)器人

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人通過預(yù)先設(shè)定指令動作，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成固定化工作，缺乏對產(chǎn)品和環(huán)境的適應(yīng)性，這極大地限制了機(jī)器人的應(yīng)用[1]。隨著多學(xué)科技術(shù)的交叉發(fā)展，尤其是視覺技術(shù)的融合，使得工業(yè)視覺機(jī)器人在高速高精度搬送作業(yè)中具有人工勞動力不可比擬的優(yōu)勢。論文針對單晶硅PVD工序需求，從機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制、視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成等方面給出整體解決方案，并重點(diǎn)針對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給出提高速度精度的優(yōu)化方案。

1 單晶硅電池片PVD工藝封裝解決方案

HIT異質(zhì)結(jié)單晶硅電池，具有低成本、高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢。HIT電池制備過程中，需要通過濺射法完成PVD（物理氣相沉積）工序，使硅片雙面沉積氧化物透明導(dǎo)電薄膜，以保證電池片的光電特性，提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率[2]。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，需要將單晶硅電池片放置于鋁制托盤（以下簡稱鋁托）上的凹槽中（見圖1所示），再用鋁制蓋板（以下簡稱蓋板）通過銷孔封裝凹槽，保證硅片在PVD濺射過程中不會因氣壓波動脫離凹槽。

鋁托由厚度為3 mm的鋁板加工而成，為了保證整個鋁托平整度，每個鋁托只加工9個157 mm× 157 mm的凹槽，用來放置硅片，凹槽中間部分采用中空設(shè)計以減輕質(zhì)量，每個凹槽四邊設(shè)計1個φ2 mm的圓柱形銷子，與蓋板上的孔形成銷孔配合，起到固定封裝蓋板的作用。

圖1 鋁制托盤示意圖

蓋板是由厚度為3 mm的鋁板加工而成的口字形鋁框，見圖2所示。蓋板上設(shè)計有4個φ2 mm與鋁托銷子對應(yīng)的封裝孔。單晶硅電池片封裝完畢后，進(jìn)行PVD工藝濺射，氧化物透明導(dǎo)電膜通過蓋板方孔，沉積于硅片表面，蓋板能夠保護(hù)硅片四周側(cè)邊不沉積導(dǎo)電膜，保證硅片正反面不導(dǎo)通，避免短路。

HIT單晶硅電池片規(guī)格為：156.75 mm× 156.75 mm±0.25 mm(thickness＞120 μm)，見圖3。

為了保證電池硅片的完整美觀以及高光電轉(zhuǎn)換效率，在實(shí)際封裝過程中，要求比較嚴(yán)苛，應(yīng)避免不必要的人為接觸，導(dǎo)致對硅片表面形成污染，抓取硅片的機(jī)械手需采用伯努利非接觸吸盤；應(yīng)避免硅片水平方向移動，導(dǎo)致硅片劃傷，在抓取、釋放硅片過程中保證硅片垂直運(yùn)動；應(yīng)保證硅片與凹槽、蓋板與鋁托的封裝精度達(dá)到±0.05 mm以下；同時隨著光伏市場競爭日益激烈，消費(fèi)市場對電池硅片價格微小變動非常敏感，生產(chǎn)效率是成本控制的關(guān)鍵性因素。綜上，高速度高精度是封裝工藝的重要因素，單純依靠人工勞動力是難以保證的，工業(yè)視覺機(jī)器人是當(dāng)前解決問題的最優(yōu)選擇。封裝流程及示意圖見圖4、圖5。

圖2 蓋板示意圖

圖3 單晶硅電視片示意圖

圖4 封裝示意圖

圖5 封裝工序示意圖

2 基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

針對單晶硅電池片PVD工藝封裝流程，建立基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，主要由視覺系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)三大部分構(gòu)成（見圖6）。視覺系統(tǒng)由兩個CCD相機(jī)和計算機(jī)（包括圖像采集卡）組成，負(fù)責(zé)視覺圖像的采集和機(jī)器視覺算法。機(jī)器人系統(tǒng)由計算機(jī)和控制器組成，用來控制機(jī)器人末端執(zhí)行動作。通過CCD相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行拍攝，計算機(jī)通過圖像識別方法，提取圖像特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)識別和計算，通過逆運(yùn)動學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置誤差值，調(diào)整機(jī)器人的位姿，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)高精度控制[3]。機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)械手實(shí)施對目標(biāo)的抓取操作。工作人員可以通過計算機(jī)查看監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖6 工業(yè)視覺機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、控制器構(gòu)成[4]。本文中機(jī)器人系統(tǒng)主要執(zhí)行硅片與蓋板的封裝動作，包括沿x、y、z方向平移、繞z軸旋轉(zhuǎn)角度θ四個自由度，同時硅片與蓋板來料方向不同，抓取二者的機(jī)械手結(jié)構(gòu)也不同，一個工位需要兩套機(jī)器人分別執(zhí)行。當(dāng)前市場上，SCARA機(jī)器人在重復(fù)精度、響應(yīng)速度、產(chǎn)品成本具有優(yōu)勢，本文選用EPSON LS6系列SCARA機(jī)器人，控制器選用EPSON RC90。

LS6-SCARA機(jī)器人的主要選取參數(shù)包括：臂長、負(fù)載、標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時間、重復(fù)精度。SCARA機(jī)器人臂長的選取由目標(biāo)位置決定，本文根據(jù)取料目標(biāo)位置A以及鋁托封裝目標(biāo)位置1-9選取臂長為700 mm的機(jī)器人，其中第一關(guān)節(jié)臂長400 mm，第二關(guān)節(jié)臂長300 mm。機(jī)器人的安裝位置及運(yùn)動軌跡應(yīng)提前做出規(guī)劃，保證機(jī)器人運(yùn)動范圍無干涉碰撞，盡量減小第一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，保證響應(yīng)速度（見圖7）。負(fù)載的選取由機(jī)器人末端安裝的機(jī)械手及相機(jī)的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量決定。本文選取的機(jī)器人產(chǎn)品特性見表1。

表1 LS6 SCARA機(jī)器人產(chǎn)品特性

圖7 機(jī)器人軌跡規(guī)劃

為了保證SCARA機(jī)器人的工作效率、工作精度，減小機(jī)器人執(zhí)行動作所需要的時間，壓縮機(jī)器人工作區(qū)域，每個工位的兩套機(jī)器人采用左臂+右臂的安裝方式，每個機(jī)器人采用鑄件底座安裝完成，保證機(jī)器人在高速運(yùn)動狀態(tài)下，不發(fā)生晃動，影響精度（見圖8）。兩臺機(jī)器人采用這樣的安裝方式，會存在碰撞干涉區(qū)域，需要通過技術(shù)手段避免發(fā)生事故。通過模擬兩臺機(jī)器人同時工作的軌跡，標(biāo)定機(jī)器人的碰撞區(qū)域，設(shè)置碰撞臨界點(diǎn)作為機(jī)器人的等待點(diǎn)，設(shè)置兩臺機(jī)器人的優(yōu)先級，保證機(jī)器人不同時進(jìn)入碰撞區(qū)域。

圖8 機(jī)器人實(shí)際安裝

2.2 視覺系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)CCD相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的位置關(guān)系不同，相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行末端構(gòu)成手眼系統(tǒng)可以分為Eye-in-Hand系統(tǒng)和Eye-to-Hand系統(tǒng)[5]。Eye-in-Hand系統(tǒng)中的CCD相機(jī)一般安裝在機(jī)器人執(zhí)行末端，在機(jī)器人工作過程中隨機(jī)器人手部的運(yùn)動而一起運(yùn)動，而Eye-to-Hand系統(tǒng)中的攝像機(jī)則是安裝在機(jī)器人本體外的固定位置，在機(jī)器人運(yùn)動過程中攝像機(jī)的位置和姿態(tài)一直保持改變。

本文采用的機(jī)器人視覺系統(tǒng)為基于單目視覺的Eye-in-Hand系統(tǒng)。為了提高整個系統(tǒng)的工作精度，硅片采用兩個500 W相機(jī)，視野范圍是44 mm× 33 mm，像素當(dāng)量約0.017 mm，工作距離155 mm，通過識別鋁托和硅片兩個對角邊線進(jìn)行定位（見圖9）。蓋板采用兩個130 W相機(jī)，由于定位孔直徑在2 mm左右，所以選用1倍定倍鏡頭，視場為4.8 mm×3.6 mm.像素當(dāng)量為0.003 75 mm，工作距離為65 mm，通過識別蓋板和鋁托兩個相對銷孔進(jìn)行定位。為了避免工作環(huán)境對CCD相機(jī)圖像采集的影響，每套相機(jī)安裝白色環(huán)形點(diǎn)光源。整個視覺系統(tǒng)采用，一拖2平臺對位系統(tǒng)控制器，完成圖像的采集、識別、計算。

圖9 硅片的圖像識別

2.3 機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

單晶硅電池片表面對潔凈度要求高，對壓力敏感，因此避免在封裝過程中產(chǎn)生接觸污染或壓力損壞，否則會影響電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，拾取硅片的機(jī)械手采用伯努利非接觸吸盤，拾取蓋板的機(jī)械手采用φ8 mm的真空緩沖吸筆（見圖10）。通過電磁閥控制氣路的通斷，與機(jī)器人及視覺系統(tǒng)配合完成二者的拾取封裝。

圖10 機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)

2.4 系統(tǒng)工作流程

鋁托流到封裝工位，通過傳感器發(fā)送給兩個機(jī)器人鋁托到位信號，抓取硅片的機(jī)器人（以下稱其“機(jī)器人A”）進(jìn)入封裝區(qū)域，CCD相機(jī)對第1個凹槽對角進(jìn)行圖像采集識別，硅片流到拾取位，通過傳感器發(fā)送機(jī)器人A硅片到位信號，機(jī)器人A執(zhí)行硅片拾取動作，CCD相機(jī)對硅片兩個對角進(jìn)行圖像采集識別，計算硅片與凹槽的位置偏差；機(jī)器人A拾取硅片離開封裝區(qū)域間隙，抓取蓋板的機(jī)器人（以下稱其為“機(jī)器人B”），進(jìn)入封裝區(qū)域，CCD相機(jī)對第一個凹槽相對的兩個銷子進(jìn)行圖像采集識別，蓋板流到拾取位，通過傳感器發(fā)送機(jī)器人B蓋板到位信號，機(jī)器人B執(zhí)行蓋板拾取動作，CCD相機(jī)對蓋板兩個銷孔進(jìn)行圖像采集識別，計算蓋板銷孔與鋁托銷子的位置偏差；機(jī)器人B拾取蓋板離開封裝區(qū)域間隙，機(jī)器人A通過視覺引導(dǎo)將硅片裝入第1個凹槽，然后跳至第2個凹槽位置，CCD對第2個凹槽對角進(jìn)行圖像采集識別，然后離開封裝區(qū)域，同時，機(jī)器人B通過視覺引導(dǎo)將蓋板封裝于鋁托第一凹槽，然后跳至第2個凹槽位置，CCD相機(jī)對第一個凹槽相對的兩個銷子進(jìn)行圖像采集識別，進(jìn)行第2個凹槽的封裝。依次循環(huán)執(zhí)行封裝動作，直至將1個鋁托的9個凹槽全部封裝完畢，鋁托流走。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)線應(yīng)用過程，圍繞生產(chǎn)效率、生產(chǎn)品質(zhì)進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，對系統(tǒng)運(yùn)行的速度、精度進(jìn)行了分析優(yōu)化。

3.1 速度優(yōu)化

影響系統(tǒng)運(yùn)行速度的因素主要有：機(jī)械手氣路系統(tǒng)；機(jī)器人速度、加速度；機(jī)器人位姿；CCD相機(jī)視野。

機(jī)械手氣路系統(tǒng)：機(jī)械手采用伯努利吸盤，由電磁閥控制吸盤通斷執(zhí)行吸盤的吸取與釋放。電磁閥安裝位置距離吸盤的遠(yuǎn)近會大大影響吸盤執(zhí)行動作的響應(yīng)時間，機(jī)器人需要設(shè)置等待時間(大約100～300 ms)來保證吸盤充分拾取與釋放，否則會出現(xiàn)電池片沒有完全拾取或釋放，機(jī)器人已經(jīng)離開的現(xiàn)象。電磁閥的安裝離吸盤越近，二者之間的氣管路越短，響應(yīng)時間越短，系統(tǒng)執(zhí)行速度越快。

機(jī)器人速度、加速度：EPSON SCARA機(jī)器人的速度、加速度通過設(shè)置百分比來控制，最高設(shè)置參數(shù)為100%，可以根據(jù)系統(tǒng)的執(zhí)行動作分別設(shè)置每一步的參數(shù)。為了保證速度，機(jī)器人z軸升降速度、水平移動速度設(shè)置為100%，但z軸升降加速度設(shè)置為50%，否則在拾取蓋板的工位，會因?yàn)樯堤土?，?dǎo)致蓋板掉落，水平移動加速度設(shè)置為80%，否則在拾取電池片的工位，會因?yàn)槠鹜Ｃ土遥瑢?dǎo)致硅片與吸盤相對位置變動，對位失敗，這與吸盤吸附能力相關(guān)。

機(jī)器人位姿：機(jī)器人大臂旋轉(zhuǎn)、z軸升降是執(zhí)行速度最慢的動作。合理規(guī)劃機(jī)器人的動作，盡量縮短拾取動作z軸升降的距離，避免“左臂”與“右臂”姿勢的切換，機(jī)器人起停是影響系統(tǒng)速度的主要因素，采用正確的指令，減少機(jī)器人不必要的起停。

CCD相機(jī)視野：縮小CCD相機(jī)采集視野，去掉對算法無用的視野，可以提高視覺系統(tǒng)的處理效率，提升系統(tǒng)運(yùn)行速度。

3.2 精度優(yōu)化

整個系統(tǒng)的安裝精度、剛度是影響系統(tǒng)運(yùn)行精度的關(guān)鍵，主要包括：機(jī)器人的安裝；機(jī)械手結(jié)構(gòu)與安裝；CCD相機(jī)的安裝。

機(jī)器人的安裝：采用具有高剛性的鑄件結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人安裝底座，保證安裝表面精度，固定螺釘必須鎖緊，避免機(jī)器人在高速運(yùn)動、急停急起的情況下，底座發(fā)生晃動，影響系統(tǒng)工作精度。

機(jī)械手結(jié)構(gòu)與安裝：機(jī)械手采用輕量化、小型化設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，保證質(zhì)量、慣量低于機(jī)器人的額定要求，避免機(jī)械手過重，慣量過大，在高速運(yùn)動、急停急起的工況下，機(jī)器人z軸發(fā)生晃動，甚至在長期運(yùn)動的情況下，z軸發(fā)生形變。

CCD相機(jī)的安裝與調(diào)試：CCD相機(jī)安裝x、y、z三個方向可調(diào)，保證相機(jī)垂直采集圖像，環(huán)形光源盡可能貼近電池片或蓋板采集圖像區(qū)域，保證圖像的清晰度以及與環(huán)境的辨識度，減少圖像的信號干擾。

4 結(jié)束語

本文為單晶硅電池片PVD工序提供了工業(yè)視覺機(jī)器人封裝自動化解決方案，目前已投入生產(chǎn)，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動成本，對提高電池片光電轉(zhuǎn)換效率有益。同時，工業(yè)視覺機(jī)器人在各行各業(yè)的自動化、智能化轉(zhuǎn)型過程中具有優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景和發(fā)展空間。

[1] 王修巖，程婷婷.基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)識別技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2011，(4)：155-157. [2] 劉曉平.高效HIT非晶硅/單晶硅太陽電池中透明導(dǎo)電膜的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 董文輝.基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人抓取技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[4] 董再勵，郝穎明，朱楓.一種基于視覺的移動機(jī)器人定位系統(tǒng)[J].中國圖象圖形學(xué)報，2000，(8)：68-72.

[5] 李星云，李眾立，廖曉波.基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2015，(9)：35-38.

Application of Industrial Vision Robot in Monocrystalline Silicon Solar PVD Process

GUO Jinzhu，LI Dawei，QIAO Lei，ZHENG Kai
(CETC Fenghua Information Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China)

Introduces the packing solution and process flow of Monocrystalline Silicon Solar PVD Process.Design industrial vision robot system，to automatepacking process，improve the efficiency and quality.Analysis and optimize the system，put forward solution of improving precision and speed.

Monocrystalline silicon solar；PVD process；Industrial vision robot

TP242.2

A

1004-4507(2017)02-0030-06

郭晉竹（1989-），男，山西汾陽人，碩士，助理工程師，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作。

2017-03-02