工業視覺機器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應用

郭晉竹，李大偉，喬 雷，鄭 凱

(中電科風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

工業視覺機器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應用

郭晉竹，李大偉，喬 雷，鄭 凱

(中電科風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。通過設計基于視覺技術的SCARA工業機器人系統，實現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。并對該系統進行了分析優化，給出了提高精度、速度的優化方案。

單晶硅電池片、PVD工藝、工業視覺機器人

傳統的工業機器人通過預先設定指令動作，在結構化環境中完成固定化工作，缺乏對產品和環境的適應性，這極大地限制了機器人的應用[1]。隨著多學科技術的交叉發展，尤其是視覺技術的融合，使得工業視覺機器人在高速高精度搬送作業中具有人工勞動力不可比擬的優勢。論文針對單晶硅PVD工序需求，從機械手結構設計、電氣控制、視覺技術與工業機器人系統集成等方面給出整體解決方案，并重點針對生產效率、產品品質關鍵環節，給出提高速度精度的優化方案。

1 單晶硅電池片PVD工藝封裝解決方案

HIT異質結單晶硅電池，具有低成本、高光電轉換效率的優勢。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電薄膜，以保證電池片的光電特性，提高電池片的光電轉換效率[2]。在實際的生產過程中，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計以減輕質量，每個凹槽四邊設計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。蓋板上設計有4個φ2 mm與鋁托銷子對應的封裝孔。單晶硅電池片封裝完畢后，進行PVD工藝濺射，氧化物透明導電膜通過蓋板方孔，沉積于硅片表面，蓋板能夠保護硅片四周側邊不沉積導電膜，保證硅片正反面不導通，避免短路。

HIT單晶硅電池片規格為：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換效率，在實際封裝過程中，要求比較嚴苛，應避免不必要的人為接觸，導致對硅片表面形成污染，抓取硅片的機械手需采用伯努利非接觸吸盤；應避免硅片水平方向移動，導致硅片劃傷，在抓取、釋放硅片過程中保證硅片垂直運動；應保證硅片與凹槽、蓋板與鋁托的封裝精度達到±0.05 mm以下；同時隨著光伏市場競爭日益激烈，消費市場對電池硅片價格微小變動非常敏感，生產效率是成本控制的關鍵性因素。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，工業視覺機器人是當前解決問題的最優選擇。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 基于視覺技術的工業機器人系統設計

針對單晶硅電池片PVD工藝封裝流程，建立基于視覺技術的工業機器人系統，主要由視覺系統、機器人系統、機械手執行系統三大部分構成（見圖6）。視覺系統由兩個CCD相機和計算機（包括圖像采集卡）組成，負責視覺圖像的采集和機器視覺算法。機器人系統由計算機和控制器組成，用來控制機器人末端執行動作。通過CCD相機對目標進行拍攝，計算機通過圖像識別方法，提取圖像特征，進行數據識別和計算，通過逆運動學求解得到機器人各關節位置誤差值，調整機器人的位姿，實現末端執行機構高精度控制[3]。機械手執行系統負責驅動機械手實施對目標的抓取操作。工作人員可以通過計算機查看監控整個系統的工作狀態。

圖6 工業視覺機器人系統

2.1 機器人系統設計

機器人系統主要由機器人本體、控制器構成[4]。本文中機器人系統主要執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，抓取二者的機械手結構也不同，一個工位需要兩套機器人分別執行。當前市場上，SCARA機器人在重復精度、響應速度、產品成本具有優勢，本文選用EPSON LS6系列SCARA機器人，控制器選用EPSON RC90。

LS6-SCARA機器人的主要選取參數包括：臂長、負載、標準循環時間、重復精度。SCARA機器人臂長的選取由目標位置決定，本文根據取料目標位置A以及鋁托封裝目標位置1-9選取臂長為700 mm的機器人，其中第一關節臂長400 mm，第二關節臂長300 mm。機器人的安裝位置及運動軌跡應提前做出規劃，保證機器人運動范圍無干涉碰撞，盡量減小第一關節旋轉角度，保證響應速度（見圖7）。負載的選取由機器人末端安裝的機械手及相機的質量及轉動慣量決定。本文選取的機器人產品特性見表1。

表1 LS6 SCARA機器人產品特性

圖7 機器人軌跡規劃

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

圖8 機器人實際安裝

2.2 視覺系統設計

根據CCD相機與工業機器人的位置關系不同，相機與工業機器人的執行末端構成手眼系統可以分為Eye-in-Hand系統和Eye-to-Hand系統[5]。Eye-in-Hand系統中的CCD相機一般安裝在機器人執行末端，在機器人工作過程中隨機器人手部的運動而一起運動，而Eye-to-Hand系統中的攝像機則是安裝在機器人本體外的固定位置，在機器人運動過程中攝像機的位置和姿態一直保持改變。

本文采用的機器人視覺系統為基于單目視覺的Eye-in-Hand系統。為了提高整個系統的工作精度，硅片采用兩個500 W相機，視野范圍是44 mm× 33 mm，像素當量約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行定位（見圖9）。蓋板采用兩個130 W相機，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行定位。為了避免工作環境對CCD相機圖像采集的影響，每套相機安裝白色環形點光源。整個視覺系統采用，一拖2平臺對位系統控制器，完成圖像的采集、識別、計算。

圖9 硅片的圖像識別

2.3 機械手執行系統設計

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生接觸污染或壓力損壞，否則會影響電池片的光電轉換效率，拾取硅片的機械手采用伯努利非接觸吸盤，拾取蓋板的機械手采用φ8 mm的真空緩沖吸筆（見圖10）。通過電磁閥控制氣路的通斷，與機器人及視覺系統配合完成二者的拾取封裝。

圖10 機械手執行系統

2.4 系統工作流程

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

3 系統優化

根據本系統實際生產線應用過程，圍繞生產效率、生產品質進行了多方面的改進，對系統運行的速度、精度進行了分析優化。

3.1 速度優化

影響系統運行速度的因素主要有：機械手氣路系統；機器人速度、加速度；機器人位姿；CCD相機視野。

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

機器人速度、加速度：EPSON SCARA機器人的速度、加速度通過設置百分比來控制，最高設置參數為100%，可以根據系統的執行動作分別設置每一步的參數。為了保證速度，機器人z軸升降速度、水平移動速度設置為100%，但z軸升降加速度設置為50%，否則在拾取蓋板的工位，會因為升降太猛烈，導致蓋板掉落，水平移動加速度設置為80%，否則在拾取電池片的工位，會因為起停猛烈，導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。

機器人位姿：機器人大臂旋轉、z軸升降是執行速度最慢的動作。合理規劃機器人的動作，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，機器人起停是影響系統速度的主要因素，采用正確的指令，減少機器人不必要的起停。

CCD相機視野：縮小CCD相機采集視野，去掉對算法無用的視野，可以提高視覺系統的處理效率，提升系統運行速度。

3.2 精度優化

整個系統的安裝精度、剛度是影響系統運行精度的關鍵，主要包括：機器人的安裝；機械手結構與安裝；CCD相機的安裝。

機器人的安裝：采用具有高剛性的鑄件結構作為機器人安裝底座，保證安裝表面精度，固定螺釘必須鎖緊，避免機器人在高速運動、急停急起的情況下，底座發生晃動，影響系統工作精度。

機械手結構與安裝：機械手采用輕量化、小型化設計，結構設計要合理，保證質量、慣量低于機器人的額定要求，避免機械手過重，慣量過大，在高速運動、急停急起的工況下，機器人z軸發生晃動，甚至在長期運動的情況下，z軸發生形變。

CCD相機的安裝與調試：CCD相機安裝x、y、z三個方向可調，保證相機垂直采集圖像，環形光源盡可能貼近電池片或蓋板采集圖像區域，保證圖像的清晰度以及與環境的辨識度，減少圖像的信號干擾。

4 結束語

本文為單晶硅電池片PVD工序提供了工業視覺機器人封裝自動化解決方案，目前已投入生產，實踐證明，該系統提高了生產效率、產品質量，降低了勞動成本，對提高電池片光電轉換效率有益。同時，工業視覺機器人在各行各業的自動化、智能化轉型過程中具有優勢，具有廣泛的市場前景和發展空間。

[1] 王修巖，程婷婷.基于單目視覺的工業機器人目標識別技術研究[J].機械設計與制造，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電膜的研究[D].天津：河北工業大學，2007.

[3] 董文輝.基于機器視覺的工業機器人抓取技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

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

[5] 李星云，李眾立，廖曉波.基于單目視覺的工業機器人定位系統的設計[J].機床與液壓，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，畢業于武漢理工大學，主要從事電子專用設備的研發工作。

2017-03-02