太陽能電池分選設(shè)備視覺定位系統(tǒng)

尹 昊，傅子霞，沈 建

(長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410217)

組件制作是將多個(gè)電池片串聯(lián)起來，工作時(shí)，回路的電流由串聯(lián)回路上短路電流最小的電池片決定，參數(shù)不匹配的電池片制作的組件，組件的輸出功率小于組件上所有電池片輸出功率之和。電池片的電阻不匹配會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)回路上電阻越大的電池片發(fā)熱越嚴(yán)重，造成內(nèi)部損耗，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致火災(zāi)。根據(jù)電池片本身的轉(zhuǎn)換效率、短路電流、開路電壓、填充因子等參數(shù)將電池片進(jìn)行分類，將同一等級(jí)的電池片制作成組件，是組件制作的必備步驟。

太陽能晶體硅電池片測試分選設(shè)備用于電池片的分類，可用于電池片制作廠家后道工序，也可用于組件制作廠的首道工序。光伏行業(yè)一般以電池片制作廠家后道工序檢測為主，而組件廠只做來料抽檢。太陽能晶體硅電池片測試分選由上料部分、風(fēng)冷部分、測試部分、分揀部分組成，其各部分通過傳送帶進(jìn)行連續(xù)流水作業(yè)。測試部分是分選系統(tǒng)的核心部分，一般需要將電池片位置進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整后，傳送到夾持機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)上下探針排，將探針與電池片的主柵線（如圖1電池上的白色柵線）接觸，測試機(jī)采集探針上的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。將單一電池片分別動(dòng)態(tài)和靜態(tài)重復(fù)測試5次，分析測試數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證分選機(jī)的重復(fù)性。如何將探針與電池片主柵對準(zhǔn)是測試分選機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 電池片夾持機(jī)構(gòu)

1 視覺定位測試平臺(tái)

傳統(tǒng)的視覺定位系統(tǒng)采用機(jī)械的夾持機(jī)構(gòu)定位，存在定位精度不高，因其接觸式的定位方式，容易損傷電池片。后續(xù)發(fā)展的視覺定位系統(tǒng)，視覺軟件拍照以后，計(jì)算出偏移數(shù)據(jù)發(fā)送給定位系統(tǒng)，之后將電池片用氣缸頂起，XYθ平臺(tái)進(jìn)行定位，然后將氣缸降下，傳送帶將電池片傳送到測試工位進(jìn)行測試[1]。這種定位系統(tǒng)在氣缸升降過程中會(huì)導(dǎo)致電池片發(fā)生細(xì)微的移動(dòng)，降低定位精度。同時(shí)氣缸升降動(dòng)作和XYθ移動(dòng)動(dòng)作過程會(huì)降低測試系統(tǒng)的產(chǎn)能。目前這種系統(tǒng)的分選機(jī)產(chǎn)能一般低于2 400片/h。為了滿足產(chǎn)能要求，設(shè)計(jì)了一種基于XXY平臺(tái)的視覺定位測試平臺(tái)。如圖2所示。

圖2 XYθ測試平臺(tái)

視覺定位測試平臺(tái)由視覺系統(tǒng)和XXY對位平臺(tái)組成，如圖3所示。

圖3 視覺定位平臺(tái)

視覺定位系統(tǒng)由相機(jī)、鏡頭、背光板組成，其中相機(jī)是400萬像素的CCD相機(jī)。

XXY對位平臺(tái)包括X1、X2和Y三個(gè)方向的高精度伺服電機(jī)連接絲桿組成的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺桿支撐座、交叉滾子導(dǎo)軌、微型導(dǎo)軌、KK模組、鎖固螺母、滾珠絲桿等零件組成[2]。探針臺(tái)通過螺絲安裝在XXY對位臺(tái)上，如圖4所示。

圖4 XXY對位平臺(tái)

定位工作流程如下：視覺系統(tǒng)正式工作之前，需要校準(zhǔn)參考位置。首先，將標(biāo)準(zhǔn)的電池片放置于探針臺(tái)位置，通過工控軟件操作上探針機(jī)構(gòu)下降，通過人工不斷調(diào)整，將探針與電池片的主柵線精準(zhǔn)對位。然后松開上探針，通過工控軟件操作傳送帶反向移動(dòng)一個(gè)工位的步進(jìn)距離，操作計(jì)算機(jī)的視覺軟件計(jì)算當(dāng)前的X、Y和θ的值作為原點(diǎn)參考坐標(biāo)。

電池片在傳送帶上流水線傳送，首先使用氣缸驅(qū)動(dòng)的夾持機(jī)構(gòu)對電池片Y方向進(jìn)行粗定位；然后電池片傳送到視覺拍照工位，計(jì)算機(jī)的視覺軟件采集圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理后的坐標(biāo)值與原點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出X偏移值、Y偏移值和θ偏移值，轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)的脈沖值后寫入下位機(jī)系統(tǒng)，在電池片傳送到測試工位的同時(shí)控制XXY對位平臺(tái)移動(dòng)探針臺(tái)，在電池片傳送到測試工位后探針動(dòng)作，并啟動(dòng)IV（太陽能模擬器）測試。測試完成后，探針排松開，傳送帶將電池片繼續(xù)往后道工位傳送，從而完成一個(gè)電池片視覺定位的測試周期[3]。

采用基于XXY平臺(tái)的視覺定位測試平臺(tái)有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

(1)對位動(dòng)作與傳送帶的工位傳送動(dòng)作重疊進(jìn)行，大大提升效率，分選機(jī)產(chǎn)能可以達(dá)到4 000片/h。

(2)定位的行程更大，能適用電池片大偏差的工況。

(3)精度更高，重復(fù)精度可達(dá)2μm。

2 視覺系統(tǒng)開發(fā)

如圖5所示，假設(shè)電池片校準(zhǔn)時(shí)，XXY平臺(tái)絕對位置為P1點(diǎn)，視覺計(jì)算偏移值分別為(Δx、Δy、θ)也就是移動(dòng)到P2點(diǎn)。

圖5 移動(dòng)示意圖

假設(shè)旋轉(zhuǎn)θ角度，各軸所需的相對移動(dòng)量（單位：mm）為：

假設(shè)，ratio表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)1 mm距離所需要的脈沖數(shù)，那么XXY從P1移動(dòng)P2各軸脈沖數(shù)為：

3 視覺定位步驟

將相機(jī)固定在支架上，調(diào)節(jié)好相機(jī)參數(shù)、鏡頭的焦距和曝光強(qiáng)度等。如圖7所示，在電池片成像實(shí)物圖中，從相機(jī)讀取2048×2048的二維數(shù)據(jù)的灰階值（0～255），全黑為0，越白值越大，一般發(fā)光板沒被遮擋部分灰階值調(diào)整到100～120比較合適。在視覺定位前需要建立相機(jī)與電池片在發(fā)光板上的坐標(biāo)系，同時(shí)由于每個(gè)鏡頭的畸變程度各不相同，必須先矯正畸變，才能獲得精準(zhǔn)的坐標(biāo)值。因此視覺定位的第一步就是進(jìn)行標(biāo)定。視覺標(biāo)定過程不作為本文敘述重點(diǎn)。

整個(gè)視覺定位的步驟為：

(1)根據(jù)灰階值的突變，從上往下和從下往上找到傳送帶10點(diǎn)坐標(biāo)值，并計(jì)算對應(yīng)的平均值即 ：LeftBelt_X1、LeftBelt_X2、Center、RightBelt_X1和RightBelt_X2。

(2)將整面黑色區(qū)域的灰階值相加，與標(biāo)準(zhǔn)片的灰階值對比，判斷電池片是否有損壞，如有損壞則報(bào)破片，不進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

(3)在電池片上下左右的4個(gè)邊，每個(gè)邊尋找n個(gè)點(diǎn)，存入對應(yīng)數(shù)組xy；經(jīng)過畸變矩陣計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值。

(4)采用最小二乘法計(jì)算每個(gè)數(shù)組直線方程y=ax+b中a和b，各點(diǎn)與擬合直線的差值的平方和最?。?/p>

(5)計(jì)算4條直線的相交點(diǎn)坐標(biāo)：

圖6 電池片成像實(shí)物圖

假設(shè)電池片左邊的直線為：

上邊的直線為：

左邊和上邊的相交點(diǎn)為：

依次計(jì)算出上邊和右邊相交點(diǎn)TR、右邊和下邊相交點(diǎn)BR、下邊和左邊相交點(diǎn)TB。

(6)根據(jù)電池片TL點(diǎn)與BR點(diǎn)、TR點(diǎn)與BL點(diǎn)生成兩條直線：

(7)計(jì)算L1和L2相交點(diǎn)為電池片的中心坐標(biāo)：

本文采用Visual Studio2019，使用C#編程語言。

///＜param name="xy"＞采集的直線上的點(diǎn)＜/param＞

///＜returns＞ 直線方程 ＜/returns＞

Public Line2D CalLine(Point[]xy)

{

double num1=num2=num3=num4=num5=0.0；

for(int i=0;i＜xy.Count;i++)

{

num1+=xy[i].X；

num2+=xy[i].Y；

num3+=xy[i].X*xy[i].X；

num4+=xy[i].X*xy[i].Y；

num5+=xy[i].Y*xy[i].Y；

}

double num6= (xy.Count*num3)-(num3*num3)；

line=new Line2D((float)(((xy.Count*num4)-(num1*num2))/num6)，(float)(((xy.Count*num4*num1)-(num1*num1*num2))/num6)/(xy.Count*num6)))；

return line

}

視覺圖像處理后得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成XXY平臺(tái)的脈沖的原型函數(shù)代碼如下：

//注：this.rate代表XXY平臺(tái)移動(dòng)1mm需要的脈沖數(shù)。

///＜param name="x"＞電池片x方向偏移量＜/param＞

///＜param name="y"＞電池片y方向偏移量＜/param＞

///＜param name="z"＞ 電池片偏移角度＜/param＞

///＜returns＞＜/returns＞

Public void CalLine(double x，double y，double z1)

{

θX1=((double)((double)315/180))*Math.PI；

θX2=((double)((double)225/180))*Math.PI；

θY=((double)((double)45/180))*Math.PI；

X1_offset=this.rate*r*(Math.Sin(z1+θX1)-Math.Sin(θX1))；

X2_offset=this.rate*r*(Math.Sin(z1+θX2)-Math.Sin(θX2))；

Y_offset=this.rate*r*(Math.Cos(z1+θY)-Math.Cos(θY))；

X1_Pulse=(long)(x*this.rate-X1_offset)；

X2_Pulse=(long)(x*this.rate-X2_offset)；

Y_Pulse=(long)(y*this.rate-Y_offset)；

}

4 結(jié)束語

在太陽能晶體硅電池片測試分選設(shè)備中，用基于視覺定位的XXY高速測試臺(tái)取代XYθ定位測試臺(tái)，將平臺(tái)定位的時(shí)間與電池片工位傳送的時(shí)間進(jìn)行重疊，有效地提高了設(shè)備的產(chǎn)能。同時(shí)XXY視覺定位測試臺(tái)還具有定位精度高、可調(diào)整范圍大的特點(diǎn)，在生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。