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工业视觉机器人在单晶硅电池片PVD工艺中的应用

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先进封装技术与设备 电子工业苣用设备 - 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) 摘 要:介绍了单晶硅电池片物理气相沉积(PVD)X-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。 关键词:单晶硅电池片、PVD工艺、工业视觉机器人 中图分类号:TP242.2 文献标识码:A 文章编号:1004.4507(2017)02.0030.06 Application of Industrial Vision Robot in MonocrystaUine Silicon Solar PVD Process GUO Jinzhu,LI Dawei,QIAO Lei,ZHENG Kai (CETC Fenghua Information Equipment Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China) Abstract:Introduces the packing solution and process flow of Monocrystalline Silicon Solar PVD Process.Design industrial vision robot system,to automatepacking process,improve the eficifency and quality.Analysis and optimize the system,put forward solution of improving precision and speed. Keywords:Monocrystalline silicon solar;PVD process;Industrial vision robot 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 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。 环境的适应性,这极大地了机器人的应用[11。 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 收稿日期:2017—03.02 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 电子工业苣用i殳备 Equipment for Eleetroni! !.0 u an ng先进封装技术与设备 转换效本 l佝优坍。HIT I 池制符过 rI , 通过 溅 法完成PVD(物 i沉积)』 J ,使¨ 舣 际I,f勺 m E 枞 化物透l9 J导}U薄膜,以保 电池 n,J光 电4寺 ,提高}U池』【.f门)匕IU转换效率 。 , :过 t, 要将・、f『'I…, 池片放胃 I :(以卜 称tf 托) l1勺ltfl ( l冬I 1 ,J ),I1f 川t 制. 扳(以卜 陶称 扳)通过销孔封装【】I l, i Jl! ” PVD溅射过 I 不会闪气 波动脱 .嚼 。 托…fi f/i ̄F为3 111111的{f=}饭加 【n 成,为J 个钳 E 卜 度,缚个甜;托 加-I:9个157 111111× l 57 I1"1111的 憎,川t米放 片, i I槠 }l lJJ 分采 ¨川t 汁以减 质 ,俅个凹槽口 边 计1个 d)2 mm的圆j=j=) 销 , 扳I:的孔形成销孔 ,起剑llIlI定上寸装。 板I,I勺f1。¨J。 图1铝制托盘示意图 饭怂… 嫂为3 111111的钒板 成的l 1 :彤 , 2所,J .赢板匕设计仃4个4,2 1111][1 j 1托 r埘 的 装孔。t、ff.品硅电池』 ‘尉装先 匕 ,进{r PVD I 溅射,瓴化物透 持,tz膜jj卫 过 扳 ‘孔,沉秋J 矾" ,盖扳能够保j,J矾 U川 /f [ 电_JJIl,f 硅片lI 反 /1 通, 避免★l 符。 HIT I l{^ }U池』 恪为:156.75 111111× l56.75 1111TI±0.25 11"111"1(thickness>120 m), 【 3。 为J 『乜池引 ‘的 天观以及一 光Ill转 换效 , 实际封装过 I t1,要求比较 , 避 免 必 的人为接触, 敛对碎片农 形成污染, 抓 ”的机械丁 采川们努利 接触l搜Im:J 避免 ”水、 力‘ 移动, 敛 片划伤, 抓取、 图2盖扳示意图 旧3单晶硅、乜视片示.迓图 释放仃 』【.过 中保 髓”l 运动: 保 " 引II J 、 扳与钳托的 狄 I 』 达到±0.05 11111"1 以卜: ¨ ‘随? 光伏『 场竞 I I 激烈,消 f1 场 对电池 ”价格微小变动 敏感,,1 效 址 成小控制的父键性 素。综l ,-  ’速度高柑艘址封 装 艺的 禁, 纯依 -。 人】 劳动 足雉以 保 的, 觉机器人址 ,』解决川题n,J最优 选择。封 流 及示意 4、图5。 图5封装工序 意阌 匝圆圆(总第263_![JJ)l3l 先进封装技术与设备 电子工业专用设备 - 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 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 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 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 700 m/n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 SCAllA机器人产品特性 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,包括沿扎Y、 方向平移、绕z轴旋转角度 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。 LS6一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 项目名称 臂长/mm 负载/kg 标准循环时间/s 数值 700 额定2/最大6 0.42 4-002 .重复精度鬻 ±0.01 图7机器人轨迹规划 电子工业专用设备EquiectronicProducts Manufpment forElacturing 4.8 ITIITI×3。6 1TI1TI.像 兀堪到衣仅小_先进封装技术与设备 ]汉菌 为0.003 75 ITIIT},I:作 为J 人I 作 域, 行忖的安 成, SCARA机 人的J:作效 、J:作精 f 时 I1, t缩机器 个 .化的 食机 人 川芹臂+ 个机器人采川铸仆底座安装 8)。 台机器人采川这样的安 通过技术手段 度,减小机器人执 动作所 ‘ , 离为65 ITIlTI,通过 采 的影响,何食十II机 1. 扳干l l[= 个十IJ村销 孔进行定化。为’r避免l 作』1、境刈CCD 机 像 I 1 1 ; 一_光源。恪个 机 人 “述运动状态卜,/1 发牛冕 视觉系统采川J, 拖2、l 俞刈化系统 制 ,完成 像的采集、 {刖、 I 。 动,影响粘艘( 装 ‘ ,会仃 徘 I 涉 域, 避免发,1 。通过十Il拟 俞机 人川_l、f 1 作的 轨迹,怀定机器人的碰摧 域,砹 捕临界点作 为机 人的 f0^,改 台机 人的优允级,保 训 机器人/f l- II,J’进入们6j I 域。 2.2视觉系统设计 {lc CCD 4叶{}J【 j l|、【l {Il 人f f ‘ 天系 ,村l机 j II、I 机 人的j乱}J:术』 构成r}I 系统可 以分为Eye—in.Hand系统 Eye.to.Hand系统 。 Eye—in—Hand系统_lJ的CCD干II机’股,奠装 机器 人执 术端, 机 人I 作过 ・}-随机器人 郜的运动 ‘起运动,J『『J_Eye—to—Hand系统中的 搬像机则址t爻 机 人小休外的lll1 化置, 机 人造动过 I『f r摄像机l,『勺f、’,= 姿念一 持改变。 小爻 川h,J机器人 觉系统为 J 一 lf}见觉的 Eye—in—Hand系统。为J 捉『 ’ 个系统1'I4 I 作精度, f 』 ‘采J1J l 个500 W十l】lIl,} !r _I;J址44 mm× 33 lTlnl,像采 约0.0l 7 11111"1,I 作 离1 55 mlTl, 通过 J ;托 :"I 个埘ffJ边线进}J:定付(见 9)。1 11 1扳采川 个l30 w十¨机,…J 定化孔 2 111_ln/- 所以选川1 f 定 镜 ,}见场为 图9硅片的 像识别 2.3机械手执行系统设计 【 I“ I 池 … 刈 7 J 求『 ’ ,对J1i j 敏感, 此避免 装过 ・f , ‘ 接珩』{} 染或 坝坏, 则会影响lU池”的光I 转换效半,拾取 ”的机械 采』l J f『J 利 接触 ,拾取盖扳 的机械下采川d)8 mm 1,』(J ’ 缓71{J  I( 『冬I 10)。通过IU磁 制 路l佝通断, j机 人及视 觉系统 合完成 I,f勺拾取H 。 2.4系统工作流程 托流刮封装 ,通过f0感 发送给 个 l器人斜I托 0f、',_f 、 Ij‘,j』n f 】J l,14十Jl 人(以卜 : 其“机器人A”)进入H装 域,CCD十ll机刈‘讹1 个 悄刈‘『『j进ij: 像采 }J{刖, ”流剑拾取位, 通过化感器发送机器人A 剑 lj,机 人 A执行 :”拾收幼作,CCD十11机埘 ”} 个埘『『J 进i J 像采集 0,汁 ”” jli l1'14f ’ 偏 ; 机器人A拾收 片.岛 H装 域fIIJ隙,抓取 扳 先进封装技术与设备 电子工业毫用设备 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 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” 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#fi ̄L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 轴升降速 度、水平移动速度设置为100%,但z轴升降加速 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相机安装扒Y、 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、 电子工业毫用设蚤 tsManufacturing EquipmentforElectronicProduc先进封装技术与设备 究【D] c汉: ・ }科{支人 ,201l llf JJJj=J K颖I9 J, 枫. ‘种j.L j‘ 觉的移 机 人 系统[J1 …… 缘 形 报,2000,(l8):68—72. “第 } 能化转 过 cI『j 订优势,J J‘广泛的I1 场 利发 。 IlJ。 :f页 参考文献: 『1] 1.仔 , 婶婶J.L J‘- f 觉n0 机器人l i 圳坎术 究….机械砹汁t 制造,20l1,(4):1 55—1 57. :i 『2] 刘晓、 I  ’效HIT ^ /・ 『 仆爪 { 池--透lJl_ :f l拿jl ÷, 众、 , 晓波. J - t I M觉的1 、ll,机器 人定 系统的没汁【J】.机床 液Jl、.,20l5,(9):35—38 作者简介: 甘I I】 n {・j1 [D]. ;I :i可北【、Il,人。上,2007. 郭 竹(1989一),l』j,II 汾…人,帧II.,助 I. 帅,  I31 t’ 迁 .j^r机 觉的I一'lk机 人抓墩披小=的叭 、 j 。℃汉 I 人 ,1 。 从。…U r 0川改 的{】J}投1. :f :i :: ・t 进fj 牖蚀, 艺濉嫂为52℃,l 梢材质逃川 :: /1 锈铡材顺,/1 l1 r j 他 蚀l 的足此 艺 l:f :f l循 九溢流,JJ口热乃‘』 采取 腆』J【j热,泵仆n勺选 :f 择为 - , 水叫 。闰其 条什要求 ’1休 嘤密埘砹汁。 。… 5址 , }… 蚀的循环竹路,J:患 。 三i 儿 图6非真空铝腐蚀的循环管路示意图 3结束语 近儿 米,伴随符硅 的人“ 化, 构l,门趟微小化、r 、 成化,时 什结 的沽净 J延、表 面f门化 、 念、微 糙嫂、氧化 jlJ】=艘等表【 状念n勺 要求越水越南, 骂5真空铝腐蚀的循环管路示意图 ”的 种J 蚀拽术郇 /1 断的 发 ,川州 刈 n”的腐蚀效 及均匀 捉…j 舟的 求, 件l,f勺选择 参考文献 例l,址十J{埘J 真 潞』延 股为60¨C, 还需梭入 ;腐蚀 。’_.c】 此刈J l 惜休竹路的研究以及 : 的意义。 楷材质选用PVDF材 质,』Jll热,j‘』 采取投入j. 』Jl1热。除此之外,僻路 fI 米 供约液的fJ 动//J。1人_此药 、循环似、阀 、管什等纰 约液的循环过滤,均 流 液n勺撕 过滤:m - 成药液n,J 环系统。 场。f 6址 Michael Quirk,Julian Serda、 :I r】 、 … ,2009 休圳造j支术【M1,IL  fl 药液ilIII¨IH义 ̄i:祠J浓』业l佝均 J性。 钳{J街蚀n勺循 1 路/' :盘 。 ・ i, , 枘¨. lI, :腐蚀消洗i2 ,2016,(1):43—46. JI J[J]Ill r I一、 0 JI J 匝圆圆(总 263 

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