光伏太陽能硅片自動對準方法的探索

張 文，劉玉倩，靳衛國，王慧

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京 101601)

全自動太陽能印刷系統（下稱：印刷系統）是一種使用直線電機驅動，對太陽能硅片進行全自動的上料、對準、印刷、烘干、下料的印刷系統，能夠在滿足工藝要求的前提下，進行精確、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行定位并自動調整網框的位置，以保證硅片印刷精度的要求。硅片的對準精度要求是100μm，即硅片中心與印刷圖形中心的距離不超過100μm，印刷線上預對準工位可以達到1mm的精度，因此需要設計一套光學系統來滿足剩余的精度要求。

1 硅片自動對準原理

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

印刷系統設計了一臺1394數字相機(1#）來檢測硅片位置，使用兩臺模擬相機(3#、4#)來檢測絲網位置，并以絲網中心為原點建立了一個二維坐標系以確定對準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機構，因此，需要對硅片坐標進行轉換才能供網框調整電機使用。

圖1 自動對準結構

1.1 坐標系建立

由于所有的坐標值最終都需要轉換成為校正電機的運動值，以電機運動方向作為坐標軸可以最大程度的減小坐標轉換產生的誤差。

因此，以x向校準電機正向為坐標系x軸正向，以y向校準電機正向為坐標系y軸正向，以標準網框中心點為坐標系原點，建立一個自動調整坐標系。

1.2 相機空間位置的確定

將標準網框安裝在印刷機構上，并將校正電機回零，根據標準網框上標志點的坐標值（（-12000，0）、（12000，0）），及其在相機中的位置，換算出絲網檢測相機（3#、4#）在坐標系中的位置，通過檢測標準網框圖形在工作臺上的映像，換算出硅片檢測相機（1#）在坐標系中的位置。如圖2。

圖2 相機校準原理

1.3 硅片及印刷網框坐標的確定

根據絲網檢測相機在坐標系中的坐標，及印刷網框標志點在相機中的位置，得到印刷網框左右標志點的坐標，并換算出網框圖形中心坐標，同理，根據硅片檢測相機在坐標系中的坐標，及硅片在相機中的位置，換算出硅片中心坐標。

由于標準網框及標準網框映像在轉動90°后是完全重合的，因此可以分別計算印刷網框和標準網框中心坐標差、角度差及硅片和標準網框映像中心坐標差、角度差，將二者相加，來得到校準電機運動的絕對值。如圖3所示。

圖3 硅片對準

2 計算公式

對準原理的各要素坐標表示如圖3所示，根據對準原理，可以得到校準電機運動值的計算公式為：

(1)絲網相對位置計算：

Δx絲網差=[(x標準絲網左側-x印刷絲網左側)+(x標準絲網右側-x印刷絲網右側)]/2

Δy絲網差=[(y標準絲網左側-y印刷絲網左側)+(y標準絲網右側-y印刷絲網右側)]/2

θ印刷絲網=arcsin［（y印刷絲網右側-y印刷絲網左側）／網間距］

θ標準絲網=arcsin［(y標準絲網右側-y標準絲網左側)／網間距］

Δθ絲網差=(θ標準絲網-θ印刷絲網)

(2)硅片相對位置計算：

Δx硅片差=x硅片-x標準網框映像

Δy硅片差=y硅片-y標準網框映像

Δθ硅片差=θ硅片-θ標準網框映像

(3)電機運行絕對值計算：

3 誤差分析

這種自動調整機構的定位誤差主要是由相機安裝的偏差產生的，主要有三個方面。

3.1 網框相機角度安裝誤差

在網框相機安裝過程中，無法保證網框相機安裝方向與電機運動方向絕對平行，使用網框相機定位值進行計算時會產生偏差，如圖4所示。

圖4 相機角度誤差校正

網框相機與調整電機之間的角度可以通過電機運動測量出來，將網框相機的定位值加上角度補償，可以消除這種誤差對定位帶來的影響。

補償計算公式為：

3.2 網框相機x向安裝誤差

網框相機x向安裝誤差是指在3#、4#網框相機中心連線與x向校正電機 (坐標系x向)不平行。

由計算絲網相對位置公式1可知，在計算絲網的位置偏移時，印刷網框與標準網框坐標中所包含的網框相機x向安裝誤差相互抵消，網框相機x向安裝誤差對網框位置偏移的計算無影響。

圖5 相機安裝誤差校正

在自動對準計算中，假設兩個絲網相機中心連線與x向校正電機(坐標系x向)的夾角為0，即相機在y向安裝無誤差，在計算網框旋轉角度時，公式如下：

θ=arcsin((y2-y1)/網間距)

當兩個絲網相機在y向安裝有誤差時，正確的計算值為：

θ1=arcsin((y2+相機水平誤差-y1)/網間距)

在計算兩個網框之間的角度差時：

Δθ=arcsin((y2+相機水平誤差-y1)/網間距)-asin((y2'+相機水平誤差-y1')/網間距)相機X向安裝誤差不會超出相機視場范圍，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+相機水平誤差-y1)/網間距-((y2’+相機水平誤差-y1')/網間距)

=(y2-y1)/網間距-((y2'-y1')/網間距)

=arcsin((y2-y1)/網間距)-arcsin((y2'-y1')/網間距)

有上述計算可知，在相機的視場范圍內，印刷網框與標準網框角度差內所包含的網框相機x向安裝誤差可以相互抵消，網框相機x向安裝誤差對網框位置偏移的影響可以忽略。

3.3 硅片檢測相機角度安裝誤差

在硅片檢測相機安裝過程中，無法保證硅片檢測相機安裝方向與電機運動方向絕對平行，使用硅片檢測相機定位值進行計算時會產生偏差。

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

3 結論

太陽能電池印刷產業是一個講究效率的產業，通過對本文所講述的對準算法的研究與分析，證明其是一種簡單、易行，可能產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償方案，可以完全滿足全自動太陽能印刷系統對工藝及效率的要求，是一種較好的對準算法。

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

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