基于圖像處理的太陽能電池底板點膠質量檢測系統設計

譚若瑤，陸明月，戚欣妍，黃 睿，孫逸豪，湯 欣

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引 言

隨著社會的發展，各類膠水的需求量與日俱增。但迄今為止，封裝點膠機大多通過人工裝夾點膠件以及手動控制按鈕實現啟停。這種方法費時費力，同時人工高頻率勞動易疲勞且效率不高。故現在急需一種可以脫離人工勞動，能自動實現裝夾點膠件的裝置[1-6]。

針對上述迫切需求，本方案設計出一種基于圖像處理的太陽能電池底板點膠質量檢測系統。此系統包含能實現自動上料的機械手臂裝夾裝置和帶有高速相機的點膠頭。高速相機可以采集點膠頭的運動軌跡和圖像并將這些數據實時傳輸給終端，進而實現無人工作時的實時監控[7-8]。

1 裝置機械結構設計

1.1 裝置主體結構介紹

如圖1所示，裝置包括點膠機工作臺和觸摸屏、點膠機點膠裝置（包括夾具組）、實時檢測裝置、機械臂上下料裝置（包括傳輸帶）。首先，機械臂通過前端吸盤（爪手）夾取點膠件，并將其送入點膠機中的夾具上。點膠完成后會對點膠結果進行檢測，機械手臂則會根據其檢測結果再將太陽能電池組底板成品夾起放入廢品箱或者傳輸帶上進入下一個工序。該裝置采用PC作為上位機、PLC[9-11]作為下位機進行自動控制，大大降低了勞動成本，并且安裝和檢測速度快，能極大程度地提高產量。同時因其夾具可以進行更換替代，故本裝置可對多種類型產品進行點膠，互換性高、使用范圍廣。

1.2 機械臂上下料裝置介紹

如圖2所示，機械臂上下料裝置由機械臂、套筒、吸盤（爪手）、電控箱、半成品箱、廢品箱、輸送帶、伺服電機組成。半成品箱中存放需要加工的點膠件，機械臂利用吸盤（爪手）將半成品箱里的太陽能電池底板夾出放置在夾具上，夾具夾緊膠件進行點膠。同時高速相機會記錄點膠的工作軌跡及圖像，即時傳輸給終端。在點膠完成后裝置會對其點膠結果進行檢測；并根據其檢測結果，控制機械手臂將其夾起放入廢品箱或放置在傳輸帶上進入下一個工序。

圖2 機械臂上下料裝置

1.3 點膠裝置（包括夾具組）介紹

如圖3所示，點膠裝置（包括夾具組）由氣缸夾具、點膠件、X軸模組、Z軸模組、膠件托板、松緊條紋把手、Y軸模組、絲杠、點膠閥等組成。機械臂將點膠件放入托板上之后，氣缸夾具夾緊，點膠頭開始點膠。此裝置可以實現X、Y、Z三個方向移動，多方位靈活點膠。

圖3 點膠裝置（包括夾具組）

1.4 實時檢測裝置介紹

如圖4所示，實時檢測裝置由相機模組組成，包括相機、相機支架、鏡頭。相機模組安裝在Z軸模組上，點膠頭點膠的同時，相機會實時采集圖像進行比對，檢測點膠質量是否合格。

圖4 實時監測裝置

2 圖像處理流程

由于本設計的檢測與點膠是同時進行的，采集到的圖像質量和信噪較差，故加入圖像處理流程。圖像處理流程是去除噪聲、特征缺陷以及圖像提取、識別的過程。當高速相機在收到點膠機開始點膠的信號時，相機會拍照將圖像傳輸到計算機中。此時計算機先進行目標提取，把需要點膠的位置與背景圖像分離，從而提高圖像處理效率；再進行感興趣區域 （ROI）檢測，它是一種數據降維方法，從采集到的太陽能電池組底板圖像數據中提取疑似目標區域，去除背景的復雜干擾，提高后續圖像處理速度；之后對ROI 檢測數據進行圖像預處理和圖像增強，使圖像轉化為更適合人眼觀察和機器分析、識別的形式，改善圖像的視覺效果，以便從圖像中獲取更有用的信息。

圖像處理流程如圖5所示，具體如下：圖像處理模塊中的圖像預處理單元采用加權平均法對太陽能電池組底板圖像進行灰度處理，并將處理后的灰度圖像傳遞到圖像濾波單元中。圖像濾波單元采用中值濾波法對灰度圖像進行降噪以及平滑處理，保留點膠件檢測區域圖像，也就是ROI 區域圖像，將太陽能電池組底板圖像傳遞給圖像二值化處理單元。圖像二值化處理單元采用閾值法將點膠區域與非點膠區域及夾具圖像分割開，提取點膠區域圖像。最后與廠家給定標準點膠位置圖像進行比較，分析所檢測區域是否符合要求。

圖5 圖像處理流程

3 動作過程

裝置的具體動作過程如下：

步驟1：開啟設備，設備會進行自檢，所有執行元件完成復位，一切正常方可工作。若發生故障，則三色燈會顯示紅色，提示工作人員設備存在問題；若正常，則為綠色。

步驟2：工作人員按下按鈕，機械手臂通過前端吸盤（爪手）夾取放在半成品箱中的點膠件，半成品箱底部有彈簧隔板，彈簧壓縮量會隨箱內點膠件的數量變化而改變，讓剩余點膠件始終位于頂部，方便機械臂夾取。

步驟3：機械手臂將點膠件放到夾具組1 上，氣缸夾具收到信號，氣缸動作夾緊點膠件。動作完成后點膠閥開始點膠，由工作臺上的X軸模組負責左右方向移動，Y軸模組負責前后方向移動。點膠閥對夾具組1 中的點膠件點膠的同時，機械手臂重新回到初始位置夾取新的膠件放入夾具組2 中，重復上述步驟。待夾具組1 中膠件整體點膠完成后，相機模組對其進行拍照，再對圖像按照之前處理流程分析檢測點膠閥點膠是否完整；同時點膠閥移動到夾具組2 處對新的膠件點膠。之后機械手臂會對夾具組1 上的膠件根據檢測結果進行判斷，若為良品，則將其夾起放入傳輸帶繼續完成后續的加工工序；若為廢品則放入廢品箱，機械手臂重新返回半成品箱夾取膠件加工，繼續完成夾具組2 的加工成品收集工作。順序如下：①夾取膠件放入夾具組1 中加工并分析（同時機械臂夾取膠件放入夾具組2）；②機械臂根據分析結果處理夾具組1 的成品（同時完成點膠閥加工夾具組2 的膠件分析）；③機械臂重新夾取膠件放入夾具組1 并重復①的動作，按此順序循環。

步驟4：半成品箱下安裝有壓力傳感器，根據要求設定好數值，當壓力傳感器檢測到壓力值降低到設定值時，三色燈中紅燈會亮起，表示膠件已全部加工完畢需要重新放入膠件。在成品箱的頂部也分布有提示料滿的傳感器。當廢品箱料滿后，傳感器反饋，蜂鳴器會提示工人需清理。

步驟5：一系列膠件點膠及檢測工作流程如上，循環進行。點膠機工作臺中觸摸屏可以隨時顯示良品率和加工數量等信息，并且員工可以根據加工膠件種類直接選擇編輯好的程序。同時點膠機也可直接跟外部網絡通信，實現遠程操控與遠程查看，完全掌握當前機器的相應信息以及機器的動作軌跡和實時加工環境。

4 結 語

本文設計的裝置擺脫了傳統機器需要人工裝夾和檢測的缺陷，能更加方便高效地實現自動化加工。本裝置移植性較強，可用于各種同類產品，通用性較高，針對多種類的膠件只需要更換夾具組和膠水類型；擁有雙工位，可以更好地利用時間進而提高加工效率，同時也可以根據實際情況選擇單工位或者雙工位；全程自動化加工，還可通過傳輸帶與后期加工連接起來。

注：本文通訊作者為陸明月。