工業(yè)視覺機(jī)器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應(yīng)用

工業(yè)視覺機(jī)器人在單晶硅電池片PVD工藝中的應(yīng)用郭晉竹;李大偉;喬雷;鄭凱【摘要】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(shè)計(jì)基于視覺技術(shù)的SCARA工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了封裝流程的自動(dòng)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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分析優(yōu)化，給出了提高精度、速度的優(yōu)化方案.【期刊名稱】《電子工業(yè)專用設(shè)備》【年(卷)，期】2017(046)002【總頁數(shù)】6頁(P30-35)【關(guān)鍵詞】單晶硅電池片;PVDT藝;工業(yè)視覺機(jī)器人【作者】郭晉竹;李大偉;喬雷;鄭凱【作者單位】中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司,山西太原030024;中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司,山西太原030024;中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司,山西太原030024;中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司,山西太原030024【正文語種】中文【中圖分類】TP242.2傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人通過預(yù)先設(shè)定指令動(dòng)作，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成固定化工作，缺乏對(duì)產(chǎn)品和環(huán)境的適應(yīng)性，這極大地限制了機(jī)器人的應(yīng)用［1］。隨著多學(xué)科技術(shù)的交叉發(fā)展，尤其是視覺技術(shù)的融合，使得工業(yè)視覺機(jī)器人在高速高精度搬送作業(yè)中具有人工勞動(dòng)力不可比擬的優(yōu)勢。論文針對(duì)單晶硅PVD工序需求，從機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制、視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成等方面給出整體解決方案，并重點(diǎn)針對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給出提高速度精度的優(yōu)化方案。HIT異質(zhì)結(jié)單晶硅電池，具有低成本、高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)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(dǎo)電薄膜，以保證電池片的光電特性，提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率［2］。在實(shí)際的生產(chǎn)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(huì)因氣壓波動(dòng)脫離凹槽。鋁托由厚度為3mm的鋁板加工而成，為了保證整個(gè)鋁托平整度，每個(gè)鋁托只加工9個(gè)157mmx157mm的凹槽，用來放置硅片，凹槽中間部分采用中空設(shè)計(jì)以減輕質(zhì)量，每個(gè)凹槽四邊設(shè)計(jì)1個(gè)中2mm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。蓋板是由厚度為3mm的鋁板加工而成的口字形鋁框，見圖2所示。蓋板上設(shè)計(jì)有4個(gè)中2mm與鋁托銷子對(duì)應(yīng)的封裝孔。單晶硅電池片封裝完畢后，進(jìn)行PVD工藝濺射，氧化物透明導(dǎo)電膜通過蓋板方孔，沉積于硅片表面，蓋板能夠保護(hù)硅片四周側(cè)邊不沉積導(dǎo)電膜，保證硅片正反面不導(dǎo)通，避免短路。HIT單晶硅電池片規(guī)格為：156.75mmx156.75mm±0.25mm（thickness>120pm）,見圖3。為了保證電池硅片的完整美觀以及高光電轉(zhuǎn)換效率，在實(shí)際封裝過程中，要求比較嚴(yán)苛，應(yīng)避免不必要的人為接觸，導(dǎo)致對(duì)硅片表面形成污染，抓取硅片的機(jī)械手需采用伯努利非接觸吸盤；應(yīng)避免硅片水平方向移動(dòng)，導(dǎo)致硅片劃傷，在抓取、釋放硅片過程中保證硅片垂直運(yùn)動(dòng)；應(yīng)保證硅片與凹槽、蓋板與鋁托的封裝精度達(dá)到±0.05mm以下；同時(shí)隨著光伏市場競爭日益激烈，消費(fèi)市場對(duì)電池硅片價(jià)格微小變動(dòng)非常敏感，生產(chǎn)效率是成本控制的關(guān)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(dòng)力是難以保證的，工業(yè)視覺機(jī)器人是當(dāng)前解決問題的最優(yōu)選擇。封裝流程及示意圖見圖4、圖5。針對(duì)單晶硅電池片PVD工藝封裝流程，建立基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，主要由視覺系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)三大部分構(gòu)成（見圖6）。視覺系統(tǒng)由兩個(gè)CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)（包括圖像采集卡）組成，負(fù)責(zé)視覺圖像的采集和機(jī)器視覺算法。機(jī)器人系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和控制器組成，用來控制機(jī)器人末端執(zhí)行動(dòng)作。通過CCD相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，計(jì)算機(jī)通過圖像識(shí)別方法，提取圖像特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置誤差值，調(diào)整機(jī)器人的位姿，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)高精度控制［3］。機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手實(shí)施對(duì)目標(biāo)的抓取操作。工作人員可以通過計(jì)算機(jī)查看監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2.1機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、控制器構(gòu)成［4］。本文中機(jī)器人系統(tǒng)主要執(zhí)行硅片與蓋板的封裝動(dòng)作，包括沿x、y、z方向平移、繞z軸旋轉(zhuǎn)角度。四個(gè)自由度，同時(shí)硅片與蓋板來料方向不同，抓取二者的機(jī)械手結(jié)構(gòu)也不同，一個(gè)工位需要兩套機(jī)器人分別執(zhí)行。當(dāng)前市場上，SCARA機(jī)器人在重復(fù)精度、響應(yīng)速度、產(chǎn)品成本具有優(yōu)勢，本文選用EPSONLS6系列SCARA機(jī)器人，控制器選用EPSONRC90。LS6-SCARA機(jī)器人的主要選取參數(shù)包括：臂長、負(fù)載、標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)時(shí)間、重復(fù)精度。SCARA機(jī)器人臂長的選取由目標(biāo)位置決定，本文根據(jù)取料目標(biāo)位置A以及鋁托封裝目標(biāo)位置1-9選取臂長為700mm的機(jī)器人，其中第一關(guān)節(jié)臂長400mm，第二關(guān)節(jié)臂長300mm。機(jī)器人的安裝位置及運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)提前做出規(guī)劃，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍無干涉碰撞，盡量減小第一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，保證響應(yīng)速度（見圖7）。負(fù)載的選取由機(jī)器人末端安裝的機(jī)械手及相機(jī)的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定。本文選取的機(jī)器人產(chǎn)品特性見表1。為了保證SCARA機(jī)器人的工作效率、工作精度，減小機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作所需要的時(shí)間，壓縮機(jī)器人工作區(qū)域，每個(gè)工位的兩套機(jī)器人采用左臂+右臂的安裝方式，每個(gè)機(jī)器人采用鑄件底座安裝完成，保證機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，不發(fā)生晃動(dòng)，影響精度（見圖8）。兩臺(tái)機(jī)器人采用這樣的安裝方式，會(huì)存在碰撞干涉區(qū)域，需要通過技術(shù)手段避免發(fā)生事故。通過模擬兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)工作的軌跡，標(biāo)定機(jī)器人的碰撞區(qū)域，設(shè)置碰撞臨界點(diǎn)作為機(jī)器人的等待點(diǎn)，設(shè)置兩臺(tái)機(jī)器人的優(yōu)先級(jí)，保證機(jī)器人不同時(shí)進(jìn)入碰撞區(qū)域。2.2視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)CCD相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的位置關(guān)系不同，相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行末端構(gòu)成手眼系統(tǒng)可以分為Eye-in-Hand系統(tǒng)和Eye-to-Hand系統(tǒng)［5］。Eye-in-Hand系統(tǒng)中的CCD相機(jī)一般安裝在機(jī)器人執(zhí)行末端，在機(jī)器人工作過程中隨機(jī)器人手部的運(yùn)動(dòng)而一起運(yùn)動(dòng)，而Eye-to-Hand系統(tǒng)中的攝像機(jī)則是安裝在機(jī)器人本體外的固定位置，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中攝像機(jī)的位置和姿態(tài)一直保持改變。本文采用的機(jī)器人視覺系統(tǒng)為基于單目視覺的Eye-in-Hand系統(tǒng)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的工作精度，硅片采用兩個(gè)500W相機(jī)，視野范圍是44mmx33mm,像素當(dāng)量約0.017mm,工作距離155mm，通過識(shí)別鋁托和硅片兩個(gè)對(duì)角邊線進(jìn)行定位（見圖9）。蓋板采用兩個(gè)130W相機(jī)，由于定位孔直徑在2mm左右，所以選用1倍定倍鏡頭，視場為4.8mmx3.6mm.像素當(dāng)量為0.00375mm，工作距離為65mm，通過識(shí)別蓋板和鋁托兩個(gè)相對(duì)銷孔進(jìn)行定位。為了避免工作環(huán)境對(duì)CCD相機(jī)圖像采集的影響，每套相機(jī)安裝白色環(huán)形點(diǎn)光源。整個(gè)視覺系統(tǒng)采用，一拖2平臺(tái)對(duì)位系統(tǒng)控制器，完成圖像的采集、識(shí)別、計(jì)算。2.3機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)單晶硅電池片表面對(duì)潔凈度要求高，對(duì)壓力敏感，因此避免在封裝過程中產(chǎn)生接觸污染或壓力損壞，否則會(huì)影響電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，拾取硅片的機(jī)械手采用伯努利非接觸吸盤，拾取蓋板的機(jī)械手采用中8mm的真空緩沖吸筆（見圖10）。通過電磁閥控制氣路的通斷，與機(jī)器人及視覺系統(tǒng)配合完成二者的拾取封裝。2.4系統(tǒng)工作流程鋁托流到封裝工位，通過傳感器發(fā)送給兩個(gè)機(jī)器人鋁托到位信號(hào)，抓取硅片的機(jī)器人（以下稱其〃機(jī)器人A”）進(jìn)入封裝區(qū)域，CCD相機(jī)對(duì)第1個(gè)凹槽對(duì)角進(jìn)行圖像采集識(shí)別，硅片流到拾取位，通過傳感器發(fā)送機(jī)器人A硅片到位信號(hào)，機(jī)器人A執(zhí)行硅片拾取動(dòng)作，CCD相機(jī)對(duì)硅片兩個(gè)對(duì)角進(jìn)行圖像采集識(shí)別，計(jì)算硅片與凹槽的位置偏差；機(jī)器人A拾取硅片離開封裝區(qū)域間隙，抓取蓋板的機(jī)器人（以下稱其為〃機(jī)器人B”），進(jìn)入封裝區(qū)域，CCD相機(jī)對(duì)第一個(gè)凹槽相對(duì)的兩個(gè)銷子進(jìn)行圖像采集識(shí)別，蓋板流到拾取位，通過傳感器發(fā)送機(jī)器人B蓋板到位信號(hào)，機(jī)器人B執(zhí)行蓋板拾取動(dòng)作，CCD相機(jī)對(duì)蓋板兩個(gè)銷孔進(jìn)行圖像采集識(shí)別，計(jì)算蓋板銷孔與鋁托銷子的位置偏差；機(jī)器人B拾取蓋板離開封裝區(qū)域間隙，機(jī)器人A通過視覺引導(dǎo)將硅片裝入第1個(gè)凹槽，然后跳至第2個(gè)凹槽位置，CCD對(duì)第2個(gè)凹槽對(duì)角進(jìn)行圖像采集識(shí)別，然后離開封裝區(qū)域，同時(shí)，機(jī)器人B通過視覺引導(dǎo)將蓋板封裝于鋁托第一凹槽，然后跳至第2個(gè)凹槽位置，CCD相機(jī)對(duì)第一個(gè)凹槽相對(duì)的兩個(gè)銷子進(jìn)行圖像采集識(shí)別，進(jìn)行第2個(gè)凹槽的封裝。依次循環(huán)執(zhí)行封裝動(dòng)作，直至將1個(gè)鋁托的9個(gè)凹槽全部封裝完畢，鋁托流走。根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)線應(yīng)用過程，圍繞生產(chǎn)效率、生產(chǎn)品質(zhì)進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的速度、精度進(jìn)行了分析優(yōu)化。3.1速度優(yōu)化影響系統(tǒng)運(yùn)行速度的因素主要有：機(jī)械手氣路系統(tǒng)；機(jī)器人速度、加速度；機(jī)器人位姿；CCD相機(jī)視野。機(jī)械手氣路系統(tǒng)：機(jī)械手采用伯努利吸盤，由電磁閥控制吸盤通斷執(zhí)行吸盤的吸取與釋放。電磁閥安裝位置距離吸盤的遠(yuǎn)近會(huì)大大影響吸盤執(zhí)行動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間，機(jī)器人需要設(shè)置等待時(shí)間（大約100~300ms）來保證吸盤充分拾取與釋放，否則會(huì)出現(xiàn)電池片沒有完全拾取或釋放，機(jī)器人已經(jīng)離開的現(xiàn)象。電磁閥的安裝離吸盤越近，二者之間的氣管路越短，響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)執(zhí)行速度越快。機(jī)器人速度、加速度：EPSONSCARA機(jī)器人的速度、加速度通過設(shè)置百分比來控制，最高設(shè)置參數(shù)為100%，可以根據(jù)系統(tǒng)的執(zhí)行動(dòng)作分別設(shè)置每一步的參數(shù)。為了保證速度，機(jī)器人z軸升降速度、水平移動(dòng)速度設(shè)置為100%，但z軸升降加速度設(shè)置為50%，否則在拾取蓋板的工位，會(huì)因?yàn)樯堤土?，?dǎo)致蓋板掉落，水平移動(dòng)加速度設(shè)置為80%，否則在拾取電池片的工位，會(huì)因?yàn)槠鹜Ｃ土?，?dǎo)致硅片與吸盤相對(duì)位置變動(dòng)，對(duì)位失敗，這與吸盤吸附能力相關(guān)。機(jī)器人位姿：機(jī)器人大臂旋轉(zhuǎn)、z軸升降是執(zhí)行速度最慢的動(dòng)作。合理規(guī)劃機(jī)器人的動(dòng)作，盡量縮短拾取動(dòng)作z軸升降的距離，避免〃左臂”與〃右臂”姿勢的切換，機(jī)器人起停是影響系統(tǒng)速度的主要因素，采用正確的指令，減少機(jī)器人不必要的起停。CCD相機(jī)視野：縮小CCD相機(jī)采集視野，去掉對(duì)算法無用的視野，可以提高視覺系統(tǒng)的處理效率，提升系統(tǒng)運(yùn)行速度。3.2精度優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的安裝精度、剛度是影響系統(tǒng)運(yùn)行精度的關(guān)鍵，主要包括：機(jī)器人的安裝;機(jī)械手結(jié)構(gòu)與安裝；CCD相機(jī)的安裝。機(jī)器人的安裝：采用具有高剛性的鑄件結(jié)構(gòu)作為機(jī)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(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)、急停急起的情況下，底座發(fā)生晃動(dòng)，影響系統(tǒng)工作精度。機(jī)械手結(jié)構(gòu)與安裝：機(jī)械手采用輕量化、小型化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，保證質(zhì)量、慣量低于機(jī)器人的額定要求，避免機(jī)械手過重，慣量過大，在高速運(yùn)動(dòng)、急停急起的工況下，機(jī)器人z軸發(fā)生晃動(dòng)，甚至在長期運(yùn)動(dòng)的情況下，z軸發(fā)生形變。CCD相機(jī)的安裝與調(diào)試：CCD相機(jī)安裝x、y、z三個(gè)方向可調(diào)，保證相機(jī)垂直采集圖像，環(huán)形光源盡可能貼近電池片或蓋板采集圖像區(qū)域，保證圖像的清晰度以及與環(huán)境的辨識(shí)度，減少圖像的信號(hào)干擾。本文為單晶硅電池片PVD工序提供了工業(yè)視覺機(jī)器人封裝自動(dòng)化解決方案，目前已投入生產(chǎn)，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動(dòng)成本，對(duì)提高電池片光電轉(zhuǎn)換效率有益。同時(shí)，工業(yè)視覺機(jī)器人在各行各業(yè)的自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型過程中具有優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景和發(fā)展空間。郭晉竹(1989-)，男，山西汾陽人，碩士，助理工程師，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]王修巖，程婷婷.基于