激光打孔裝置及控制系統在光伏玻璃深加工產線的運用

鄧 君，劉路明，丁玉祥

(中國建材國際工程有限公司，蚌埠 233010)

在節能減排的社會發展需求下，新能源發展前景廣闊。而光伏產業作為新能源的一種，與之相關的加工技術的需求也越來越多、越來越高。其中光伏玻璃打孔技術大量應用于光伏玻璃深加工行業。

隨著光伏產業的發展，光伏玻璃深加工精度越來越高，基于視覺引導的高精度玻璃激光打孔控制系統軟件以配套光伏玻璃深加工生產線而設計，以高精打孔為目的，同時兼顧穩定運行、接口豐富等特性。

1 系統方案設計

1.1 激光打孔機概述

1.1.1 設備概述

傳統的玻璃鉆孔采用機械為主，也有少量采用水射流和固體激光鉆孔。機械和水射流加工玻璃時成品率低，崩邊大，加工過程還存在環境污染。

激光打孔依靠高穩定性的設備，是實現加工效果的硬件基礎。整條生產線采用串聯式布局，在生產線上完成玻璃的輸送、定位、正位、CCD視覺識別、激光鉆孔、收塵、探孔、復位等工藝過程，整條生產線采用全自動智能化控制。激光打孔機打孔速度快，崩邊小，能耗低，適合于自動化流水線24 h不間斷工作，可提高30%以上的效率[1]。

1.1.2 激光概述

1)效率高 采用美國進口激光器和德國進口的高速振鏡，使用先進的超快綠光光纖激光器和光纖激光加工模組。超快激光具備獨特的超短脈沖、超高的重復頻率、超強特性，以及能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強等獨特優勢。

2)精度高 采用激光脈寬極短的高峰值功率和低能量的激光脈沖，以達到極精細的激光加工點，這樣可以使被加工材料的崩邊小，小的崩邊可以使材料有更高的強度，高強度可以提高玻璃的使用壽命。

3)良率高 綠光光纖激光器重復頻率是固體紅外激光器的3倍，每秒產生的脈沖點數更多，高的重復頻率可實現更快的加工速度、更光潔的加工面，加工一致性好[2]。

1.1.3 視覺概述

1)易用性 清晰簡明的視覺操作界面，具備用戶權限管理、產品型號設定、標定等操作界面。適用于產線人員的分級管理，產品型號存儲可以記錄歷史型號規格的參數設定便于快速切換產品規格。開放式標定界面便于用戶自行完成標定工作便于更換部件后的恢復工作。

2)準確性 相機移動與激光器移動采用高精度伺服，視覺系統標定環節通過計算各個運動軸的偏轉矢量，最大限度提高系統絕對精度。

3)高性能 使用高性能并行計算，總處理時間可達0.3～0.7 ms；整套系統采用西門子PLC，系統伺服控制、邏輯控制均使用通用開放硬件，便于維保；視覺系統采用Profinet通訊卡，作為實時IO從站與主控PLC進行通訊，具有低延時高可靠性的優點[3]。

4)可靠性 系統軟件已在多套系統穩定連續運行，無死機、閃退、內存溢出等故障。視覺定位成功率99.99%，系統打孔定位成功率99.7%。

1.2 激光打孔機的總體布局

此裝置及系統用在國內光伏玻璃深加工生產線上，光伏玻璃深加工生產線的特點是速度快、尺寸規格多、打孔數量在1～3個范圍內等特點，所以為了滿足如此的生產方式，此線采用了一臺打孔機配置三臺激光器的組成方式，通過選擇不同的激光器來完成對不同規格的玻璃的生產。

如圖1所示，考慮到整個系統的穩定性和易維護性，在系統初始設計時，將整個系統分成旋轉定位段、激光鉆孔段和復位探孔段三部分。其中旋轉定位段由皮帶輸送機、升降旋轉臺、升降托輪、定位裝置等零部件組成，可滿足玻璃板進行 90°旋轉的需要，并在本設備處，完成玻璃板的預定位，為玻璃激光鉆孔機的玻璃鉆孔做準備；激光鉆孔段主要由底部基座與橫梁、激光頭位置調整的驅動系統、玻璃板的傳送系統、激光頭組件、玻璃板的定位夾持系統、玻璃板的定位測量 CCD 視覺系統、集塵回收系統等零部件組成，完成在精確的位置對玻璃板進行鉆孔作業。復位探孔段由皮帶輸送機、升降旋轉臺、通孔檢測裝置等部件組成，具有檢測報警功能。

2 系統的工藝流程及具體的實施方法

2.1 系統的工藝流程

激光打孔機的工藝流程如圖2所示，根據生產玻璃的規格、打孔位置、要求誤差等信息，在觸摸屏操作工界面輸入相應加工參數。玻璃進入旋轉定位段，由正位裝置，旋轉平臺，萬向輪平臺不同功能的三個單元進行組合，從而實現玻璃在同一工位完成旋轉、正位以及輸送的功能。當玻璃板經過皮帶輸送，輸送至準確的位置停止時，玻璃位置CCD視覺系統經過檢測，計算并把相關數據傳送至激光器控制系統。精確控制激光鉆孔的位置，對玻璃進行鉆孔工作。打孔完畢后，玻璃板通過輸送皮帶進入探孔工段，精準定位后，探孔裝置落下，檢測玻璃孔是否掉落，若未掉落，則發出報警信號，由人工干預處理。玻璃離開設備，進入下一加工工序。

2.2 激光打孔機的實施方法

2.2.1 旋轉定位輸送機

該輸送機位于玻璃激光鉆孔機的前端，用于玻璃板的預定位和玻璃板的旋轉(當玻璃板需要進行長邊鉆孔時)。玻璃板到達升降旋轉臺后，升降旋轉臺和升降托輪升起，升降旋轉臺將玻璃板旋轉90°，然后升降旋轉臺落下，玻璃板下落到升降托輪處，進行玻璃板的預定位。當玻璃板預定位完成后，升降托輪落下，玻璃板則落到輸送皮帶上，通過輸送皮帶將玻璃板繼續向激光鉆孔機輸送。該設備具有“旋轉功能啟用”和“旋轉功能停用”的選擇按鈕。

2.2.2 玻璃激光鉆孔機

激光頭位置調整的驅動系統安裝在橫梁上，直線電機模組帶動激光頭組件在橫梁上移動，以適應鉆孔間距的變化。玻璃板輸送到位后，玻璃板的定位夾持系統動作，固定玻璃板，準備激光鉆孔。玻璃板的定位測量CCD視覺系統精確檢測玻璃板的前端及兩側邊相對于激光鉆孔的距離，指導激光鉆頭在準確的位置上對玻璃板進行鉆孔。在激光鉆孔的位置、玻璃板的下方，設置多個集塵收塵口，通過集塵回收系統，回收玻璃碎料和鉆孔時產生的玻璃碎屑。每個收塵口設有密封裝置，激光鉆孔時，需要工作的收塵口處的密封裝置打開，不需要工作的收塵口處的密封裝置將關閉。

2.2.3 旋轉探孔輸送機

位于激光鉆孔機的出口處，可滿足對玻璃板進行 90°旋轉回位后的輸送，并具有通孔檢測報警功能。

3 控制系統的特點

3.1 PLC控制系統特點

玻璃激光鉆孔機組控制系統主要控制玻璃的輸送、轉向、對準、定位、鉆孔、回位等，以及協調 CCD 視覺定位系統和激光頭控制系統，同時具備與前工段及后工段數據交互和聯動控制。控制系統由 PLC 作為主控制器，按照工藝流程控制輸送輥道、激光頭位置(孔距及孔位置)、轉向動作、玻璃對準等。PLC通過高精度輸入模塊Time-based IO采集外部信號，使系統能夠實時快捷的做出響應，避免了PLC掃描周期對控制精度的影響，使玻璃能夠達到較高的重復定位精度。在玻璃定位完成后，發出視覺定位檢測信號，視覺定位檢測系統檢測完成后，給出信號是否可以打孔及坐標，激光頭控制系統收到可以打孔信號和位置坐標后，根據設定的孔徑進行打孔，打孔完畢后發送打孔完成信號給PLC。

PLC作為整個系統的控制核心，除了擔任運動控制的大腦以外，還需要與前后段輥道連線，激光器軟件以及視覺系統軟件采用PROFINET和TCP/IP的通信協議進行數據的交換，可以根據用戶的要求定制不同的數據交換內容，實現多元化的控制軟件。

3.2 CCD視覺控制系統特點

傳統的三相機定位：三相機只能拍照兩個角一條邊，通過擬合計算出邊緣位置，會和實際形狀有偏差，同時由于依靠固定邊距離打孔，磨邊及孔位誤差會積累導致孔位不準確[4]。

該系統采用四相機定位：四相機定位可準確找出中心線，消除磨邊機產生的玻璃長寬尺寸誤差，確保中心距尺寸穩定。CCD3與CCD4能準確的找出玻璃板的中心線，如圖3所示，定位中心線尺寸；與后序的絲印工序的加工工藝的貼合性更好。

4 結 語

玻璃激光打孔裝置及控制系統在某新能源材料有限公司太陽能薄膜電池基板深加工玻璃生產線的控制系統中實施應用。系統運行穩定，全伺服控制，激光模組、噴水裝置、相機系統、光源等自動根據玻璃規格切換到對應位置，無需手動干預，大大節省換機時間，操作更加簡便；加工孔位置精準，位置誤差在±0.3 mm，且速度快、崩邊小，成品率滿足99.5%以上。