工业视觉机器人在单晶硅电池片PVD工艺中的应用

郭晋竹，李大伟，乔 雷，郑 凯

(中电科风华信息装备股份有限公司，山西太原030024)

工业视觉机器人在单晶硅电池片PVD工艺中的应用

郭晋竹，李大伟，乔 雷，郑 凯

(中电科风华信息装备股份有限公司，山西太原030024)

介绍了单晶硅电池片物理气相沉积（PVD）工序封装解决方案及工艺流程。通过设计基于视觉技术的SCARA工业机器人系统，实现了封装流程的自动化，解决了人工封装过程效率低、成本高、容易污染硅片的问题。并对该系统进行了分析优化，给出了提高精度、速度的优化方案。

单晶硅电池片、PVD工艺、工业视觉机器人

传统的工业机器人通过预先设定指令动作，在结构化环境中完成固定化工作，缺乏对产品和环境的适应性，这极大地限制了机器人的应用[1]。随着多学科技术的交叉发展，尤其是视觉技术的融合，使得工业视觉机器人在高速高精度搬送作业中具有人工劳动力不可比拟的优势。论文针对单晶硅PVD工序需求，从机械手结构设计、电气控制、视觉技术与工业机器人系统集成等方面给出整体解决方案，并重点针对生产效率、产品品质关键环节，给出提高速度精度的优化方案。

1 单晶硅电池片PVD工艺封装解决方案

HIT异质结单晶硅电池，具有低成本、高光电转换效率的优势。HIT电池制备过程中，需要通过溅射法完成PVD（物理气相沉积）工序，使硅片双面沉积氧化物透明导电薄膜，以保证电池片的光电特性，提高电池片的光电转换效率[2]。在实际的生产过程中，需要将单晶硅电池片放置于铝制托盘（以下简称铝托）上的凹槽中（见图1所示），再用铝制盖板（以下简称盖板）通过销孔封装凹槽，保证硅片在PVD溅射过程中不会因气压波动脱离凹槽。

铝托由厚度为3 mm的铝板加工而成，为了保证整个铝托平整度，每个铝托只加工9个157 mm× 157 mm的凹槽，用来放置硅片，凹槽中间部分采用中空设计以减轻质量，每个凹槽四边设计1个φ2 mm的圆柱形销子，与盖板上的孔形成销孔配合，起到固定封装盖板的作用。

图1 铝制托盘示意图

盖板是由厚度为3 mm的铝板加工而成的口字形铝框，见图2所示。盖板上设计有4个φ2 mm与铝托销子对应的封装孔。单晶硅电池片封装完毕后，进行PVD工艺溅射，氧化物透明导电膜通过盖板方孔，沉积于硅片表面，盖板能够保护硅片四周侧边不沉积导电膜，保证硅片正反面不导通，避免短路。

HIT单晶硅电池片规格为：156.75 mm× 156.75 mm±0.25 mm(thickness＞120 μm)，见图3。

为了保证电池硅片的完整美观以及高光电转换效率，在实际封装过程中，要求比较严苛，应避免不必要的人为接触，导致对硅片表面形成污染，抓取硅片的机械手需采用伯努利非接触吸盘；应避免硅片水平方向移动，导致硅片划伤，在抓取、释放硅片过程中保证硅片垂直运动；应保证硅片与凹槽、盖板与铝托的封装精度达到±0.05 mm以下；同时随着光伏市场竞争日益激烈，消费市场对电池硅片价格微小变动非常敏感，生产效率是成本控制的关键性因素。综上，高速度高精度是封装工艺的重要因素，单纯依靠人工劳动力是难以保证的，工业视觉机器人是当前解决问题的最优选择。封装流程及示意图见图4、图5。

图2 盖板示意图

图3 单晶硅电视片示意图

图4 封装示意图

图5 封装工序示意图

2 基于视觉技术的工业机器人系统设计

针对单晶硅电池片PVD工艺封装流程，建立基于视觉技术的工业机器人系统，主要由视觉系统、机器人系统、机械手执行系统三大部分构成（见图6）。视觉系统由两个CCD相机和计算机（包括图像采集卡）组成，负责视觉图像的采集和机器视觉算法。机器人系统由计算机和控制器组成，用来控制机器人末端执行动作。通过CCD相机对目标进行拍摄，计算机通过图像识别方法，提取图像特征，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置误差值，调整机器人的位姿，实现末端执行机构高精度控制[3]。机械手执行系统负责驱动机械手实施对目标的抓取操作。工作人员可以通过计算机查看监控整个系统的工作状态。

图6 工业视觉机器人系统

2.1 机器人系统设计

机器人系统主要由机器人本体、控制器构成[4]。本文中机器人系统主要执行硅片与盖板的封装动作，包括沿x、y、z方向平移、绕z轴旋转角度θ四个自由度，同时硅片与盖板来料方向不同，抓取二者的机械手结构也不同，一个工位需要两套机器人分别执行。当前市场上，SCARA机器人在重复精度、响应速度、产品成本具有优势，本文选用EPSON LS6系列SCARA机器人，控制器选用EPSON RC90。

LS6-SCARA机器人的主要选取参数包括：臂长、负载、标准循环时间、重复精度。SCARA机器人臂长的选取由目标位置决定，本文根据取料目标位置A以及铝托封装目标位置1-9选取臂长为700 mm的机器人，其中第一关节臂长400 mm，第二关节臂长300 mm。机器人的安装位置及运动轨迹应提前做出规划，保证机器人运动范围无干涉碰撞，尽量减小第一关节旋转角度，保证响应速度（见图7）。负载的选取由机器人末端安装的机械手及相机的质量及转动惯量决定。本文选取的机器人产品特性见表1。

表1 LS6 SCARA机器人产品特性

图7 机器人轨迹规划

为了保证SCARA机器人的工作效率、工作精度，减小机器人执行动作所需要的时间，压缩机器人工作区域，每个工位的两套机器人采用左臂+右臂的安装方式，每个机器人采用铸件底座安装完成，保证机器人在高速运动状态下，不发生晃动，影响精度（见图8）。两台机器人采用这样的安装方式，会存在碰撞干涉区域，需要通过技术手段避免发生事故。通过模拟两台机器人同时工作的轨迹，标定机器人的碰撞区域，设置碰撞临界点作为机器人的等待点，设置两台机器人的优先级，保证机器人不同时进入碰撞区域。

图8 机器人实际安装

2.2 视觉系统设计

根据CCD相机与工业机器人的位置关系不同，相机与工业机器人的执行末端构成手眼系统可以分为Eye-in-Hand系统和Eye-to-Hand系统[5]。Eye-in-Hand系统中的CCD相机一般安装在机器人执行末端，在机器人工作过程中随机器人手部的运动而一起运动，而Eye-to-Hand系统中的摄像机则是安装在机器人本体外的固定位置，在机器人运动过程中摄像机的位置和姿态一直保持改变。

本文采用的机器人视觉系统为基于单目视觉的Eye-in-Hand系统。为了提高整个系统的工作精度，硅片采用两个500 W相机，视野范围是44 mm× 33 mm，像素当量约0.017 mm，工作距离155 mm，通过识别铝托和硅片两个对角边线进行定位（见图9）。盖板采用两个130 W相机，由于定位孔直径在2 mm左右，所以选用1倍定倍镜头，视场为4.8 mm×3.6 mm.像素当量为0.003 75 mm，工作距离为65 mm，通过识别盖板和铝托两个相对销孔进行定位。为了避免工作环境对CCD相机图像采集的影响，每套相机安装白色环形点光源。整个视觉系统采用，一拖2平台对位系统控制器，完成图像的采集、识别、计算。

图9 硅片的图像识别

2.3 机械手执行系统设计

单晶硅电池片表面对洁净度要求高，对压力敏感，因此避免在封装过程中产生接触污染或压力损坏，否则会影响电池片的光电转换效率，拾取硅片的机械手采用伯努利非接触吸盘，拾取盖板的机械手采用φ8 mm的真空缓冲吸笔（见图10）。通过电磁阀控制气路的通断，与机器人及视觉系统配合完成二者的拾取封装。

图10 机械手执行系统

2.4 系统工作流程

铝托流到封装工位，通过传感器发送给两个机器人铝托到位信号，抓取硅片的机器人（以下称其“机器人A”）进入封装区域，CCD相机对第1个凹槽对角进行图像采集识别，硅片流到拾取位，通过传感器发送机器人A硅片到位信号，机器人A执行硅片拾取动作，CCD相机对硅片两个对角进行图像采集识别，计算硅片与凹槽的位置偏差；机器人A拾取硅片离开封装区域间隙，抓取盖板的机器人（以下称其为“机器人B”），进入封装区域，CCD相机对第一个凹槽相对的两个销子进行图像采集识别，盖板流到拾取位，通过传感器发送机器人B盖板到位信号，机器人B执行盖板拾取动作，CCD相机对盖板两个销孔进行图像采集识别，计算盖板销孔与铝托销子的位置偏差；机器人B拾取盖板离开封装区域间隙，机器人A通过视觉引导将硅片装入第1个凹槽，然后跳至第2个凹槽位置，CCD对第2个凹槽对角进行图像采集识别，然后离开封装区域，同时，机器人B通过视觉引导将盖板封装于铝托第一凹槽，然后跳至第2个凹槽位置，CCD相机对第一个凹槽相对的两个销子进行图像采集识别，进行第2个凹槽的封装。依次循环执行封装动作，直至将1个铝托的9个凹槽全部封装完毕，铝托流走。

3 系统优化

根据本系统实际生产线应用过程，围绕生产效率、生产品质进行了多方面的改进，对系统运行的速度、精度进行了分析优化。

3.1 速度优化

影响系统运行速度的因素主要有：机械手气路系统；机器人速度、加速度；机器人位姿；CCD相机视野。

机械手气路系统：机械手采用伯努利吸盘，由电磁阀控制吸盘通断执行吸盘的吸取与释放。电磁阀安装位置距离吸盘的远近会大大影响吸盘执行动作的响应时间，机器人需要设置等待时间(大约100～300 ms)来保证吸盘充分拾取与释放，否则会出现电池片没有完全拾取或释放，机器人已经离开的现象。电磁阀的安装离吸盘越近，二者之间的气管路越短，响应时间越短，系统执行速度越快。

机器人速度、加速度：EPSON SCARA机器人的速度、加速度通过设置百分比来控制，最高设置参数为100%，可以根据系统的执行动作分别设置每一步的参数。为了保证速度，机器人z轴升降速度、水平移动速度设置为100%，但z轴升降加速度设置为50%，否则在拾取盖板的工位，会因为升降太猛烈，导致盖板掉落，水平移动加速度设置为80%，否则在拾取电池片的工位，会因为起停猛烈，导致硅片与吸盘相对位置变动，对位失败，这与吸盘吸附能力相关。

机器人位姿：机器人大臂旋转、z轴升降是执行速度最慢的动作。合理规划机器人的动作，尽量缩短拾取动作z轴升降的距离，避免“左臂”与“右臂”姿势的切换，机器人起停是影响系统速度的主要因素，采用正确的指令，减少机器人不必要的起停。

CCD相机视野：缩小CCD相机采集视野，去掉对算法无用的视野，可以提高视觉系统的处理效率，提升系统运行速度。

3.2 精度优化

整个系统的安装精度、刚度是影响系统运行精度的关键，主要包括：机器人的安装；机械手结构与安装；CCD相机的安装。

机器人的安装：采用具有高刚性的铸件结构作为机器人安装底座，保证安装表面精度，固定螺钉必须锁紧，避免机器人在高速运动、急停急起的情况下，底座发生晃动，影响系统工作精度。

机械手结构与安装：机械手采用轻量化、小型化设计，结构设计要合理，保证质量、惯量低于机器人的额定要求，避免机械手过重，惯量过大，在高速运动、急停急起的工况下，机器人z轴发生晃动，甚至在长期运动的情况下，z轴发生形变。

CCD相机的安装与调试：CCD相机安装x、y、z三个方向可调，保证相机垂直采集图像，环形光源尽可能贴近电池片或盖板采集图像区域，保证图像的清晰度以及与环境的辨识度，减少图像的信号干扰。

4 结束语

本文为单晶硅电池片PVD工序提供了工业视觉机器人封装自动化解决方案，目前已投入生产，实践证明，该系统提高了生产效率、产品质量，降低了劳动成本，对提高电池片光电转换效率有益。同时，工业视觉机器人在各行各业的自动化、智能化转型过程中具有优势，具有广泛的市场前景和发展空间。

[1] 王修岩，程婷婷.基于单目视觉的工业机器人目标识别技术研究[J].机械设计与制造，2011，(4)：155-157. [2] 刘晓平.高效HIT非晶硅/单晶硅太阳电池中透明导电膜的研究[D].天津：河北工业大学，2007.

[3] 董文辉.基于机器视觉的工业机器人抓取技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4] 董再励，郝颖明，朱枫.一种基于视觉的移动机器人定位系统[J].中国图象图形学报，2000，(8)：68-72.

[5] 李星云，李众立，廖晓波.基于单目视觉的工业机器人定位系统的设计[J].机床与液压，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

郭晋竹（1989-），男，山西汾阳人，硕士，助理工程师，毕业于武汉理工大学，主要从事电子专用设备的研发工作。

2017-03-02