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★杭州?？禉C(jī)器人股份有限公司呼志剛，皮富濤

1　背景

能源是現(xiàn)代工業(yè)文明的基礎(chǔ)之一，也是人類賴以生存和發(fā)展的重要保障。隨著人與自然和諧共處的生態(tài)保護(hù)理念日益成為全球共識(shí)，各國均加快了對可再生能源的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣步伐。中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。新能源中的太陽能資源取之不盡用之不竭，是目前最廉價(jià)、最環(huán)保、最清潔的能源。

光伏技術(shù)作為太陽能應(yīng)用的最高效、最直接轉(zhuǎn)換方式，承載著人類使用太陽能的重任，要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化率的提升和生產(chǎn)效率的提高，就需要在光伏硅片、電池片、組件、輔料等多個(gè)環(huán)節(jié)不斷提升和創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)。作為一個(gè)高產(chǎn)能、高精度的制造業(yè)產(chǎn)品，光伏產(chǎn)品的每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要更高效的生產(chǎn)技術(shù)和先進(jìn)的管理流程。多晶硅料需要經(jīng)過硅片、電池片以及組件3個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，幾十道工序才能變?yōu)樽詈蟮慕M件。如圖1所示。

圖1 光伏制造環(huán)節(jié)示意圖

其中電池片工藝發(fā)展比較復(fù)雜，主流從P型單晶電池——PERC電池片，轉(zhuǎn)向了N型單晶電池，N型單晶電池主要有2個(gè)工藝方向：TOPCon和HJT。無論是哪種工藝，絲網(wǎng)印刷均為必要工藝環(huán)節(jié)，也是最為重要的一道工序。絲網(wǎng)印刷過程是指通過特殊的絲網(wǎng)印刷設(shè)備，將印刷漿料均勻地涂布在電池片表面。絲網(wǎng)印刷一般分為4道，1道印刷背面主柵，2道印刷背面細(xì)柵，3道印刷正面主柵，4道印刷正面細(xì)柵，再通過燒結(jié)工藝將印刷的漿料形成電阻膜結(jié)構(gòu)固定地粘附于硅片上。正背面主柵漿料主要起連接細(xì)柵、匯聚電流、輔助焊接作用；背面細(xì)柵漿料在燒結(jié)過程中燒穿SiNx層，與poly硅層接觸；正面細(xì)柵漿料在燒結(jié)過程中燒穿SiNx和AlOx層，與硼發(fā)射極接觸，通過以上各環(huán)節(jié)讓電池片形成所需要的電極圖案。最后對電池片的正背面自動(dòng)進(jìn)行顏色等級與外觀缺陷的分選，設(shè)備的下料單元再根據(jù)測試結(jié)果將電池片放入對應(yīng)等級的下料盒中，整體過程如圖2所示。

圖2 絲印過程示意圖

絲網(wǎng)印刷技術(shù)的精度和穩(wěn)定性對電池片的電性能和壽命有著非常重要的作用，在每一道印刷過后，需要對印刷圖案、電池片外觀等缺陷進(jìn)行報(bào)警或停機(jī)處理，減少不良品流入后面道次造成的浪費(fèi)；終檢分選則是對電池片進(jìn)行等級劃分，利于電池片的包裝，防止不良片流出；不論是絲印初版檢測還是絲印終檢分選，都具有CT快、檢測內(nèi)容多、檢測精度高、檢測結(jié)果一致性高的要求，因此，絲印初版檢測以及絲印終檢分選可以大幅度提升自動(dòng)化程度的同時(shí)，保證檢測準(zhǔn)確度。

2　案例實(shí)施與應(yīng)用

?？禉C(jī)器人基于對光伏行業(yè)多年的深耕理解，結(jié)合品類豐富、性能優(yōu)異的軟硬件產(chǎn)品和出色的解決方案能力，與合作伙伴一起推出了針對絲網(wǎng)印刷環(huán)節(jié)的視覺檢測方案，并在多個(gè)終端得到廣泛應(yīng)用，大幅度提升了光伏電池片生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

絲網(wǎng)印刷檢測方案分為絲印初版檢測方案和絲印終檢分選檢測方案兩部分，其中絲印初版檢測方案包含4道工序，每道均采用開孔面光，相機(jī)采用2500W黑白面陣U口相機(jī)。每道的印刷完成之后，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)至絲印初檢工位，PLC給視覺發(fā)送信號，相機(jī)采集圖像并傳輸給工控機(jī)，VM算法對圖像進(jìn)行處理，然后將電池片的處理結(jié)果返回給PLC，PLC根據(jù)視覺的檢測結(jié)果進(jìn)行剔除和排廢，如圖3所示。

圖3 絲印初版檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絲印終檢分選方案包含正面終檢和背面終檢2道工序，每道均采用燈箱光，相機(jī)采用2500W黑白面陣U口相機(jī)。此時(shí)，印刷任務(wù)完成，且銀漿已經(jīng)燒結(jié)到了電池片上，電池片先做背面工位的檢測然后再做正面工作的檢測。有別于初版檢測，終檢分選需要拍攝四張圖，對應(yīng)燈箱光的R通道、G通道、B通道、DR通道，VM先用R通道做定位，再用RGB合成的圖做顏色相關(guān)的檢測，最后使用DR做邊緣藥物殘留等檢測，所有檢測完成后視覺將結(jié)果整合后發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)視覺結(jié)果進(jìn)行電池片的等級分選。如圖4所示。

圖4 絲印終檢分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

絲印初版檢測的內(nèi)容主要包含尺寸測量類、破片檢測類、臟污檢測類、柵數(shù)檢測類、柵線檢測類、電極檢測類六大檢測項(xiàng)；絲印終檢分選除了絲印初版檢測，還包含了電池片的顏色分級、色差檢測、色斑檢測三大類檢測項(xiàng)；基于VM拖拽式編程、Group組合模塊等強(qiáng)大的功能，使得方案的設(shè)計(jì)與開發(fā)大大加快，檢測效果如圖5所示。

圖5 VM方案及檢測效果示意圖

截至2023年11月，?？禉C(jī)器人絲網(wǎng)檢測方案被華南、華東多個(gè)合作伙伴集成在光伏檢測系統(tǒng)和設(shè)備中，先后在浙江晶科、江蘇龍恒、安徽中潤、安徽億晶等終端落地實(shí)施。同時(shí)，根據(jù)各基地客戶需求，指導(dǎo)和協(xié)助合作伙伴開發(fā)了更便捷、高效、簡潔的人機(jī)交互軟件，完成缺陷在線報(bào)警、顯示查詢、歷史追溯、工藝改善預(yù)警等關(guān)鍵功能，同時(shí)完成數(shù)據(jù)集控管理、MES上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控等功能。軟件主界面如圖6所示。

圖6 絲印軟件主界面示意圖

3　應(yīng)用創(chuàng)新性

作為電池片生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵工序，絲網(wǎng)印刷與燒結(jié)后外觀等級分選對于視覺缺陷檢測系統(tǒng)有著如下技術(shù)要求：

（1）檢測節(jié)拍快：絲網(wǎng)印刷和測試分選設(shè)備的節(jié)拍直接影響著整條電池片產(chǎn)線的產(chǎn)能，因此，視覺檢測系統(tǒng)的節(jié)拍也必須與之匹配；

（2）檢測內(nèi)容多：檢測系統(tǒng)不僅需要對印刷和燒結(jié)過程中產(chǎn)生的破損、斷柵、虛印、印刷偏移等多達(dá)55類表面缺陷進(jìn)行檢測，還需要靈活適配多種印刷版型；

（3）檢測精度高：柵線的印刷質(zhì)量直接決定著電池片的發(fā)電效率與使用壽命，因此，視覺檢測硬件系統(tǒng)需要對0.1mm左右的細(xì)微缺陷進(jìn)行清晰穩(wěn)定的成像，同時(shí)軟件系統(tǒng)也需要對每個(gè)缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)地分類檢出；

（4）用戶需求雜：各個(gè)生產(chǎn)終端的缺陷檢出和分級標(biāo)準(zhǔn)、檢測配方和軟件功能要求都各不相同，因此對檢測系統(tǒng)多機(jī)臺(tái)、多現(xiàn)場的實(shí)施交付帶來了較大的壓力。

針對上述難點(diǎn)，?？禉C(jī)器人與合作伙伴通力合作，充分溝通，同時(shí)深入車間收集匯總產(chǎn)線員工反饋的問題與訴求，從硬件、算法、方案、軟件四個(gè)層面對檢測系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)測試與升級迭代，保質(zhì)保量地按期完成了整套檢測系統(tǒng)的開發(fā)與現(xiàn)場產(chǎn)品實(shí)施與交付：

（1）硬件層面

對檢測系統(tǒng)的相機(jī)、鏡頭和光源進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析與優(yōu)化改進(jìn)。大幅提升了2500萬像素的黑白USB口相機(jī)的幀率，保留了單USB口相機(jī)成本優(yōu)勢的同時(shí)解決某些電池版型的Pad點(diǎn)裂痕在單次曝光下成像質(zhì)量欠佳的客戶痛點(diǎn)和在外觀終檢AOI完成四次曝光的耗時(shí)問題。此外，對相機(jī)的校正精度進(jìn)行了深度優(yōu)化，保證同一電池片區(qū)域視野范圍內(nèi)移動(dòng)至任意位置，在成像中的平均灰度差異值都可控制在0.5以內(nèi)，從而保證了外觀終檢AOI中電池片顏色檢測的精準(zhǔn)度與一致性。在鏡頭選型方面，經(jīng)過大量的成像對比分析，最終確定了16mm和25mm焦距的2款超高分辨率、超低畸變的抗振動(dòng)鏡頭，讓視野范圍內(nèi)每一根柵線、每一條邊緣都能呈現(xiàn)極其清晰銳利的成像。

圖7 電池片成像原圖

（2）算法層面

面對電池片形態(tài)各異、種類繁多的缺陷，?？禉C(jī)器人開發(fā)了3類高效且高兼容性的算法：電池片定位算法、邊緣缺陷檢測算法與色差檢測算法。電池片定位算法結(jié)合了高精度邊緣點(diǎn)提取算法，可精準(zhǔn)定位圖像中的每一根主柵、細(xì)柵和段柵，在各類印刷版型下均有著出色的定位性能；邊緣缺陷檢測算法可對寬度、亮度、位置缺陷進(jìn)行逐像素的掃描，在保證識(shí)別精度的同時(shí)又有著豐富的檢測功能；色差檢測算法支持不同尺度的分塊顏色缺陷檢測，在實(shí)現(xiàn)高精度顏色檢測的同時(shí)又完美解決了電池片不同區(qū)域本身顏色不均導(dǎo)致的誤檢難題。

圖8 電池片定位算法出色的定位性能

（3）方案層面

在視覺方案流程設(shè)計(jì)上，海康機(jī)器人采取了“先建模學(xué)習(xí)再檢測”的檢測邏輯，先通過建模學(xué)習(xí)電池片的定位信息，避免了缺陷的重復(fù)定位，極大地提升了流程的整體效率，讓檢測節(jié)拍得以進(jìn)一步地壓縮。

（4）軟件層面

絲印檢測軟件采用VM算法平臺(tái)+視覺應(yīng)用框架的結(jié)構(gòu)，其中VM算法平臺(tái)內(nèi)置了?？禉C(jī)器人自主研發(fā)的140多種視覺算法工具，并采用圖形化交互和流程式搭建方式，靈活開放、簡單易用，能快速響應(yīng)客戶多變的視覺需求。視覺應(yīng)用框架能實(shí)現(xiàn)靈活的工藝流程、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示等配置，能滿足用戶提出的各類軟件功能需求。此外，為了降低方案模塊繁多導(dǎo)致難以調(diào)試的風(fēng)險(xiǎn)，?？禉C(jī)器人與合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了“一鍵建?！惫δ埽浖鶕?jù)歷史印刷版型模板，在新機(jī)臺(tái)上經(jīng)過微調(diào)即可自動(dòng)識(shí)別印刷圖案并運(yùn)行檢測，現(xiàn)場人員只要有基礎(chǔ)的視覺調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)即可快速地對軟件進(jìn)行上手操作。

4　效益分析

（1）自動(dòng)質(zhì)量檢測系統(tǒng)可以輔助產(chǎn)線改進(jìn)工藝，配合工藝機(jī)臺(tái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題減少損失，將產(chǎn)品合格率提升至98%以上，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量及品牌競爭力，減少客訴；

（2）自動(dòng)質(zhì)量檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性更高，且具備快速上線和平鋪的能力，可節(jié)省大規(guī)模安裝檢測的時(shí)間成本，降低企業(yè)成本；

（3）一套檢測系統(tǒng)可兼容同一工藝段的多種工藝產(chǎn)品，當(dāng)產(chǎn)品升級改造時(shí)也可以快速配置兼容，提供超高性價(jià)比的視覺解決方案；

（4）提供可靈活配置的缺陷管控功能，支持客戶在線編輯缺陷定義，可根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整缺陷優(yōu)先級、缺陷管控維度，實(shí)現(xiàn)工藝質(zhì)量等的定向檢測；

（5）可以將獲得的產(chǎn)品圖片清晰顯示，對缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理分析來確定缺陷工藝來源產(chǎn)生原因，幫助工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)能；

（6）實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新，優(yōu)化人員結(jié)構(gòu)，有效緩解人工成本上升帶來的生產(chǎn)成本壓力問題。降低下游應(yīng)用市場在工業(yè)機(jī)器視覺解決方案中的使用成本，幫助工業(yè)企業(yè)增加使用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工業(yè)智能化改造的動(dòng)力。可由原4人/線降至0.25人/線，生產(chǎn)成本降低90%。

5　案例意義

絲網(wǎng)印刷和外觀分選工序作為光伏電池片生產(chǎn)制造中的核心工序，其檢測內(nèi)容的高精度與復(fù)雜性決定了配套視覺檢測系統(tǒng)對軟硬件有著極高的技術(shù)要求。海康機(jī)器人不斷攻克應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)，聯(lián)合合作伙伴一起推出了包含光伏絲網(wǎng)印刷初版與外觀終檢分選在內(nèi)的多個(gè)光伏行業(yè)解決方案，并在多個(gè)光伏生產(chǎn)基地大量落地使用，取得了各大頭部光伏設(shè)備商與終端的大力認(rèn)可。這些解決方案在顯著降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，可為用戶帶來人工肉眼檢測難以達(dá)到的高檢測節(jié)拍、高檢測精度、高靈活度缺陷管控的生產(chǎn)管理優(yōu)勢，助力各大光伏制造終端降本增效和數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊