基于图像传感器的太阳能电池片定位系统

电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 233 期 ）Jul． 2014收稿日期 ： 2014-04-28基于图像传感器的太阳能电池片定位系统吴振锋 １，２(1. 太原理工大学 ， 山西 太原 ， 030024；2. 中国电子科技集团公司第二研究所 ， 山西 太原 ， 030024)摘 要 ： 在 太阳 能电 池片串 焊机中 ， 电 池片 的 纠 偏 定 位 是控制的 关 键 ， 针 对其 提出了 一种 基 于 图像传感 器的 主栅 线定 位 方 式 ， 以很 低 的 成本 和 简单 的控制 算 法 解 决了 传 统 以 电 池片 边缘作为 定位 基 准 的机 械 定 位 方 式 无 法 解 决的 露白虚 焊现 象 。 其 结果 符 合 生 产 工艺 ， 达到 了 设 计 要 求 。关键词 ： 太阳能电池 ； 视觉定位系统 ； 图像传感器 ； 串焊机中图分类号 ： TM914.4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1004-4507(2014)07-0009-04Positioning System for Solar Cells BasedOn Image SensorWU Zhenfeng1,2(1. Taiyuan University of Technology ， Taiyuan 030024， China；2. The Second Research Institute of CETC， Taiyuan 030024， China)Abstract: The corrective positioning technology in the solar cell strings welder is one of the keycontrol technologies. This paper presents a corrective positioning method on the main gate line basedon image sensor， It has resolved the unstable weld phenomenon which universal existing inmechanical positioning dependent on edges with a low cost and simple control algorithms. It has metthe needs of the production process and the initial design aims come true.Keywords: Solar cells； Visual alignment system； Image Sensor； String welder太阳能电池片串焊机是太阳能电池生产中用于在检测完好的太阳能电池片的正电极主栅线与另一片电池片负电极栅线之间通过互联焊带焊接成串， 实现电池组的串联 。在太阳能电池片串焊机中，电池片的纠偏定位是关键技术之一 。 理想状态下， 太阳能电池片被传送过来时主栅线与焊带宽度方向重合，这样能保证焊接后电池片焊接最牢固，避免出现虚焊露先进封装技术与设备9（ 总第 233 期 ） Jul． 2014电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE白现象， 电极导电性达到最佳状态 。 但在实际生产中由于电池片在丝印过程中各种不可控因素导致了电极主栅线与电池片边缘的距离很难保证在理想值范围内，甚至会有电极主栅线与电池片边缘不平行现象 [1] 。 由于这样的电池片并不影响光电转换率等重要的光电性能参数，几乎所有生产厂家会按正常产品对待而流入下道生产工序 。 这就给作为后工序的串焊机增加了难度，传统的以电池片边缘作为定位基准的机械定位方式经常会出现电极主栅线不能完全重合现象， 即漏白现象 [2] 。针对以电池片边缘作为定位基准的机械定位方式无法解决的这一难题，本文提出了一种基于图像传感器的太阳能电池片定位系统，即采用主栅线定位方式 。 本定位系统中 x 轴和 y 轴运动方向均由伺服系统控制，电池片搬运由 x 轴伺服控制机械手完成，在搬运过程中完成电池片的预定位 。 根据图像传感器实时检测电池片主栅线与图像传感器光轴的平行度，根据实时反馈的数值， θ角旋转平台自动调整电池片的方向，最终实现电极主栅线与焊带的完全重合，确保主栅线和焊带重合精度， 提高整个电池串的优质率 。1 理论依据调整并固定图像传感器使其纵向光轴与对应焊带方向平行， 将此方向设为 y 轴， 电池片定位位置到焊带焊接位置移动方向为 x 轴，这时光轴原点到电池片目标位置的距离 L 为一定值 。假如太阳能电池片到达定位台后的位置如图1 所示，通过图像传感器可以读出主栅线偏离图像传感器光轴的夹角 θ （主栅线相对 y 轴顺时针偏移时 θ 为正值， 逆时针偏移时 θ 为负值， 下同 ） 。图像传感器实时将 θ 角度值传输到 PLC 控制系统进行处理， 若 θ ＞ 0 说明主栅线向顺时针方向有偏移，定位台需要逆时针方向旋转一定角度予以纠正； 反之， 若 θ ＜ 0 说明主栅线向逆时针方向有偏移，定位台需要顺时针方向旋转一定角度予以纠正； 当 θ 角度值小于允许值 （用户设定的最大允许偏差值 ） 时可以认为主栅线与坐标 y 轴平行， 亦即与目标位置焊带方向平行， θ 角旋转步进电机停止运转 [3] ， 如图 2 所示 。这时坐标原点到电池片目标位置的距离 L 与主栅线偏离图像传感器光轴的距离 詛 （主栅线在光轴右侧时 詛 为正值， 在光轴左侧时 詛 为负值， 下同 ） 的差值 L－ 詛 即为电池片从定位台到目标位置需要移动的距离 。2 电池片定位系统结构设计电池片上料采用传输带方式上料，伺服系统实现电池片 x 方向搬运和 y 方向输送，电池片首先由花篮上料传送带传送至取料位置，然后由 x方向搬运系统送至 θ 角旋转定位台进行预定位，并由图像传感器 FQ2 对电极主栅线的平行度进行检测，根据检测结果 θ 角旋转定位台进行相应的调整 。 直至主栅线与焊带方向平行， 即当 θ 的值小于允许值 （ θ ≈ 0） 时 θ 角旋转步进电机停止运转 。 之后根据坐标原点与主栅线的距离 詛 计算出图 1 电 池片 在定 位台位置示意 图太阳能电池片 主栅线目标位置θ 角图像传感器视场θ 角旋转平台yL x0图 2 电 池片 在定 位台 θ 角 调 整后位置示意 图yL x图像传感器视场目标位置詛0先进封装技术与设备10电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 233 期 ）Jul． 2014电池片从定位位置 B 到目标位置需要移动的距离为 L － 詛 。 电池片在目标位置下放到 y 方向输送系统，电池片在 y 方向定位由 y 方向定位检测光纤传感器辅助实现，定位好的电池片下放到目标位置后， y 方向输送系统开始带动电池片实现该方向的位置补偿，当 y 方向定位检测光纤传感器出现上升沿信号时认为定位完成 。 最后由热压焊接机构实现电池片与焊带的焊接 。3 控制系统设计3.1 电池片定位控制系统设计图 像传感器采 用 OMRON 公 司 的 FQ2 系 列智能图像传感器，配备被全世界工厂通信系统广泛采用的 EtherNet/IP 通信功能 。 FQ2 完成对主栅线与光轴夹角 θ 的测量并通过以太网络实时传送到 PLC 进行处理， 由 PLC 控制系统依据特定算法完成太阳能电池片的纠偏定位， 如图 3 所示 。3.2 图像传感器的选型系 统要求焊带 与 主栅 线 重 合 精 度 误 差 ≤ ±0.1 mm，经综合误差分解视觉对位精度为 ± 0.03mm 能够满足要求 。 本系统中视野设置应小于相邻两条主栅线的距离 26 mm，在此范围内越大越好 。 安装空间距离允许值为 25~150 mm。 基于以上分 析 ， 我 们 选 择 中 视 野 黑 白 型 图 像 传 感 器FQ2-S40， 像素选择为 1280× 1024 像素 。 通过实际调试设置检测距离为 100 mm， 这时视场范围约为24 mm× 22 mm， 分辨率为 0.021 mm/ 像素， 采用EtherNet/IP 高速数据传输， 速率可达 100 Mb/s ， 满足运行需求 。FQ2 系列智能图像传感器拥有参考角度和参考位置坐标的测量功能，并可同时进行多项测量输出， 这些测量数据可以通过以太网向外部输出，或通过运算设置进行运算 。3.3 图像传感器的调试与测量输出 [4]（ 1） 焦距的调整 。 调节 FQ2 上的焦距调节旋钮使图像显示达到最佳状态 。（ 2） 长度测量的校准 。 FQ2 对长度测量的结果直接表示为像素值，即某一段测量结果是多少像素 。 若要输出结果为长度值， 使用前需要对每一像素值对应的长度值进行设置， 具体方法为： 在测量平面上沿 x 光轴方向放置一段钢板尺，在视野范围内设置需要测量的两刻度线间距离 （比如选取15 mm 作为测量长度 ） ， 测量编辑界面显示该段占用 720 像素，系统后台自动计算出这一比例关系为 0.02083 mm/ 像素， 点 “ 保存 ” 按钮完成设置， 以后长度测量结果将按此比例关系自动换算成毫米单位输出数值 。（ 3） 在 θ 角旋转定位平台上放置好电池片， 使电池片的主栅线与焊带方向平行，并以此片作为图像传感器测量的注册模型 。 在 FQ2 设置界面将电池片第一条主栅线中心线设置为测量线模型，点 “ 保存 ” 按钮完成设置 。（ 4） 在输出上选择 “ 参考角度 TH0 ” 和 “ 参考位置坐标 RX ” 的测量功能， 测量数据通过以太网传输到 PLC 控制器， 由 PLC 进行定位控制 。4 电池片定位首先，图像传感器读出被测主栅线偏离图像传感器光轴的参考角度 TH0 为 θ ，并实时将 θ 值传输到 PLC 控制系统进行处理， 系统根据 θ 值对电池片旋转定位， 若 θ ＞ 0， 定位台需要逆时针方图 3 电 池片 定 位台 控制系统 示意 图图像传感器以太网交换机以太网以太网PLC 控制器定位信号OK测量触发信号x方向伺服系统y方向伺服系统θ角旋转步进电机y方向定位检测光纤先进封装技术与设备11（ 总第 233 期 ） Jul． 2014电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE向客户提供不同的 TSV 制程所需的 PECVD 介质层薄膜沉积技术， 并能使之达到量产要求 。（ 2） 面 对 客 户 特 殊 的 制 程 需 求 ， 拓 荆 公 司能 够 提 供 更 低 温 度 的 ( <180 ℃ ) PECVD 介 质 层工 艺 。（ 3） 拓 荆 公 司 的 PECVD 设 备 及 工 艺 已 在TSV 领域得到其稳定性能验证 。（ 4） PECVD 设备陆续开发的新技术将能应对未来的挑战 。作 者 简 介 ：李晶 （ 1987 年生 ） ， 女， 沈阳， 中级工程师， 2010 年毕业于哈尔滨工业大学材料加工专业 。 现在沈阳拓荆科技有限公司从事 PECVD 工艺研发工作 。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!向旋转一定角度予以纠正； 反之， 若 θ ＜ 0， 定位台需要顺时针方向旋转一定角度予以纠正；当 θ 角度值小于允许值 （ θ ≈ 0） 时 θ 角旋转步进电机停止运转 。其次， θ 角定位完成后 PLC 控制系统根据光轴与主栅线的距离 詛 计算出电池片从定位位置 B到目标位置 C 点的距离为 L－ 詛 ， 并以此数值将电池片传送到焊接位置 。最后， 电池片在 y 方向定位由 y 方向定位检测光纤传感器辅助实现， 定位好的电池片下放到目标位置 C 点后， 电池片 y 方向输送系统开始带动电池片实现 y 方向的位置补偿， 当 y 方向定位检测光纤传感器出现上升沿信号时认为定位完成 。电池片定位台控制流程如图 4 所示 。5 结 论本文提出的基于图像传感器的主栅线定位方式，不仅以简单的控制算法解决了传统以电池片边缘作为定位基准的机械定位方式无法解决的露白现象，而且相对目前市场普遍使用的基于机器视觉系统的算法来说成本要低得多， 并且使用 、 设置更为简单易懂， 更加方便最终用户使用 。本文中设计的定位方式结构紧凑 、 易于维护 、成本低 、 并且具有一定的移植性 。 该系统在太阳能电池片串焊机中运行稳定可靠，达到了设计要求，满足了生产工艺需求， 得到了很好的应用 。参考文献 ：[1] 杨青， 裴仁清 . 精密对位系统中共平面 UVW 工作平台的研究 [J]. 机械制造， 2007， 4 (7) ： 39-41.[2] 魏海滨， 朱跃红 . 太阳能硅片丝印机视觉定位系统 [J].电子工艺技术， 2012， 33(2) ：[3] Li Junlan， zhangDawei， wang Yizhong， et a1. Microvisionpositioning systems for IC packing [J]. Optics and Preci-sion Engineering， 2010， 18(4) ： 965-972(in China).[4] OMRON. Smart CameraFQ2-S4 User s Manual[Z]. Cat.No. Z330-E1-01 ， 2012-12.作 者 简 介 ：吴振锋 （ 1979-） ， 男， 工程师， 太原理工大学工程硕士，主要从事电子专用设备电气自动化控制方面的研发工作 。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!图 4 电 池片 定 位台 控制流程图电池片预定位主栅线与光轴 y 的偏差角 θ 测量θ ＞ 0？ θ ≈ 0？ θ ＞ 0？逆时针旋转纠偏 θ 旋转定位台停止 顺时针旋转纠偏测量光轴 y 与主栅线的距离 詛x 方向移动 L－ 詛x 方向定位完成y 方向移动定位y 方向定位完成光纤检测到上升沿信号？ 否是是是是（ 上接 第 8 页 ）先进封装技术与设备12