一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置和方法与流程

本发明涉及计算机视觉精密定位技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置和方法，适用于晶硅太阳能光伏电池片栅线激光转印生产时所需的高精度传送及定位。

背景技术：

晶硅太阳能光伏电池栅线的制备工艺所需的较高精度要求和高效的生产要求，促成了目前正在兴起的激光转印技术。为了更高效、更高精度通过激光把金属浆料转印至在晶硅太阳能电池片上，形成金属栅线，产线上的新的高速高精度的运输和定位系统应运而生。通过标定好的机器视觉系统作为测量装置，标定具有防打滑功能的传送带传送系统，能够满足晶硅太阳能光伏电池栅线激光转印生产方式的效率和精度要求。

对于晶硅太阳能光伏电池栅线激光转印生产方式，由于晶硅太阳能光伏电池片具有轻薄、易碎的特点，一种无碰撞、无打滑的高速高精度传送及定位装置应运而生。通过机器视觉标定的传送系统，结合防止工件在高速运输过程中的打滑设计，可以满足晶硅太阳能光伏电池栅线激光转印生产方式的效率和精度要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置和方法，基于机器视觉实现传送系统的标定，测量出工件初定位位置与目标位置之间的距离，反求出运输该段距离所需要的电机脉冲量，并实时反馈给控制系统并控制电机运转，把工件准确传送到指定的目标位置。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置，该装置包括视觉系统、控制系统、传送系统和真空系统，所述视觉系统用于相机标定和图像处理；所述传送系统用于电池工件传送和位置感应；所述真空系统用于保证电池工件传送平稳；

所述视觉系统包括工业相机、相机架、上位机和标定板；所述工业相机包括安装在相机架上的前工位相机和后工位相机，并与上位机连接；所述标定板用于工业相机；

所述控制系统为与上位机相连的下位机，用于控制工业相机拍照和传送系统的传送机制以及真空系统的发生；

所述传送系统包括机架、两个同步轮、同步带、穿孔皮带、以及与下位机相连的电机、两个初定位传感器；所述视觉系统的相机架安装在机架的一侧，所述机架安装于工业相机的垂直下方，所述穿孔皮带包括左右两个皮带，安装在机架两侧，并随着安装在机架两端的两个同步轮转动而传动，其中一个同步轮由同步带和电机带动；所述两个初定位传感器分别安装在机架上的前、后工位，其上正对前、后工位相机，当电池工件随穿孔皮带到达初定位传感器位置，初定位传感器感应到工件并发送信号给下位机，控制电机使工件运动至前工位相机视野内；

所述真空系统包括机架上两侧的空腔、两侧的若干气管、以及与下位机相连的电磁阀和真空发生器；所述空腔位于机架内部两侧；所述若干气管的一端接通空腔，另一端连接真空发生器、电磁阀。

作为优选的技术方案，所述传送系统还包括两个张紧轮，安装在机架下面且位于两端，用于调整穿孔皮带的左右皮带的张紧程度并使其一致。

作为优选的技术方案，所述真空系统包括机架上两侧的空腔、两侧的若干气管、电磁阀和真空发生器；

所述机架上两侧的空腔通过气管与真空发生器相连，当电磁阀门开启时，空腔内将形成一个低压腔体；低压腔体内的气压低于外界气压时，穿孔皮带作为空腔体的表面之一，受到外界空气的压力作用，同时，外界空气可通过穿孔皮带上的小孔流向腔体，使腔体内外的气压差不至于过大而影响穿孔皮带的正常运转；当工件随穿孔皮带运动至有空腔的行程中时，由于穿孔皮带上小孔的存在，覆盖在小孔上的工件表面亦变为低压腔体的一部分，同样受到外界空气的压力作用，受到压力作用的工件紧紧贴住皮带，使皮带在较高速的起停和运输过程中，工件与穿孔皮带之间不发生打滑现象。

作为优选的技术方案，所述上位机用于通过软件算法实现前、后工位相机的标定，并将两个相机视野工作平面统一至同一坐标系中。

基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置的实现方法，包括下述步骤：

s1、安装好整机，并设置相机参数，使机架工作平面在相机成视野内成像清晰，不过曝；

s2、标定视觉系统：将定制的标定板放置于穿孔皮带上，触发相机拍照，并通过上位机内部标定模块实现视觉系统的标定，使前后工位相机视野统一到同一个坐标系内，视觉系统标定完成后，取走标定板；

s3、标定传送系统：将携带标记物的工件放置于穿孔皮带上，并处于前工位相机视野内，同时开启真空系统；触发前工位相机拍照，识别标记物，计算当前标记物在视觉系统内统一坐标系中的位置；下位机发送若干脉冲给电机，驱动穿孔皮带将工件传送到后工位相机视野内；触发后工位相机拍照，识别标记物，计算当前标记物在视觉系统内统一坐标系中的位置，同时记录此次传送所用的电机脉冲数，然后取走工件；重复该步骤若干次，然后计算出电机脉冲数与穿孔皮带传送距离的函数关系；

s4、调整穿孔皮带：若穿孔皮带的左右皮带打滑情况不一致时，视觉系统将其检测出来，然后反复调整紧张轮，使穿孔皮带的左右皮带打滑情况一致，再重复步骤s3和步骤s4的标定工作；

s5、经过步骤s4的调整及标定工作完成后，装置正常工作时，工件首先进入前工位相机视野内拍照，检测出工件位置，并根据传送系统标定时所获得的函数关系，计算工件运动到指定位置时所需的电机脉冲数或脉冲补偿量，然后发送给下位机并驱动电机，使工件准确地运动到指定位置。

作为优选的技术方案，步骤s1的具体过程如下：

调整电机的安装位置，使同步带在运动过程中不松驰；调整张紧轮，使穿孔皮带在运转过程中两边皮带张紧程度、转速大致相同；安装前工位相机与后工位相机的高度相同，前工位相机安装在前工位正上方，后工位相机安装在后工位正上方；设置前工位相机和后工位相机的曝光值、镜头焦距、以及光圈值，使机架的工作平面在相机成视野内成像清晰，不过曝。

作为优选的技术方案，步骤s2中，针对视觉系统标定，标定板放置于穿孔皮带后，能同时被前后工位相机拍摄到其表面上定制的图案，且该图案有明确的距离及方向信息，根据上位机内部标定模块标定出两个工业相机工作视野内的像素当量及相对位置信息，并将两个工业相机视野工作平面统一至同一坐标系中。

作为优选的技术方案，步骤s3中，工件所携带的标志物的设计是具有方向信息的两个、三个或四个颜色与背景相差大的圆点；

通过前后工位相机在同一次传送过程中所拍摄的两张图片，得出工件表面上标志物的在视觉系统统一坐标系下的位移，将标志物的位移距离除以所发送的脉冲数量，得到单位脉冲对应的穿孔皮带运输距离。

作为优选的技术方案，步骤s4中，视觉系统检测穿孔皮带的左右皮带打滑情况是否一致的方法，具体为：

比较前后两次拍照所得到的图片中标志物整体的偏转角度，若计算得该偏转角度大于设定的阈值，则判定此次的传送过程中，左右皮带打滑情况不一致；同时，根据偏转角度的大小和正负，计算出左右皮带打滑情况的不一致程度；若偏转角度小于设定的阈值，则判定在此次传送过程中，左右皮带打滑情况一致。

作为优选的技术方案，步骤s5，具体包括下述步骤：

(1)视觉系统和传送系统的标定工作完成后，正常生产时，工件到达初定位传感器时，初定位传感器感应到工件并发送信号给下位机，下位机通过设定的固定的延时，适时暂停电机运转，使工件运动至前工位相机视野内；

(2)开启真空系统，使工件相对于皮带不打滑；

(3)触发前工位相机拍照，所获得的图片传送至上位机，通过上位机内部定位模块检测出工件的位置信息；

(4)根据当前工件的位置信息以及工件所要达到的指定的目标位置信息，计算出皮带所需要的传送距离；

(5)根据传送系统标定时所获得的函数关系，反算出工件从当前位置运动至指定的目标位置所需要的脉冲数量或脉冲补偿量，并将该值发送给下位机；

(6)下位机收到信号后，调整脉冲量，驱动电机带动皮带运动，准确地把工件运送至指定的目标位置。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本发明的视觉系统标定方法简单，使用方便，使用标定板标定相机，得到前工位相机和后工位相机的基准关联关系，避免操作复杂的标定方法，具有简便、实用、快速、准确的优点。

(2)本发明的传送系统标定方法简单，操作简单，把携带标志物的工件从前工位运送至后工位，视觉测量方法测量出标志物的位移并结合运行所用的脉冲量，计算出电机脉冲与皮带位移的关系的方法，简单、新颖、有效。

(3)本发明检测左右皮带打滑情况一致程度的方法简单，操作简单，把携带标志物的工件从前工位运送至后工位，视觉测量方法测量出标志物的位移及偏转量，计算出单位距离长度内，一边皮带比另一边皮带多走(或者少走)多少距离的方法，简单、新颖、有效。

(4)本发明防止工件在皮带上的打滑设计，运用气压差使得工件在较高速的起停和运输过程中紧紧贴住皮带，不发生相对滑动，可靠性强。

附图说明

图1是本发明基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位及方法流程图；

图2是本发明基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置整体结构示意图；

图3(a)、图3(b)分别是本发明基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置的整体主视图、俯视图；图3(c)为装置的a-a侧面剖视图及其防打滑机构设计局部b的放大示意图；

图4是本发明的视觉系统标定示意图；

图5是本发明的传送系统标定时工件置于前工位示意图；

图6是本发明的传送系统标定时工件置于后工位示意图；

图2～图6中示出：1—相机架；2—后工位相机；3—机架；4—气管；5—电机；6—穿孔皮带；7—同步轮；8—同步带；9—初定位传感器；10—前工位相机；11—低压腔体；12—张紧轮；13—标定板；14—携带标记物的工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。

实施例

如图2和图3(a)～图3(c)所示，本发明具体设计的一个传送及定位装置，包括：相机架1、后工位相机2、机架3、气管4、电机5、穿孔皮带6、同步轮7、同步带8、初定位传感器9、前工位相机10、上位机和下位机；其中，所述下位机控制电机启停来触发前、后工位相机拍照，所述前、后工位相机连接上位机，所述上位机接收拍照图片并进行图像处理；气管4的一端接通低压腔体11，另一端连接真空发生器与电磁阀，它们受下位机控制。

以下详细说明本发明的传送及定位装置

一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置，包括视觉系统、控制系统、传送系统和真空系统，所述视觉系统用于相机标定和图像处理；所述传送系统用于电池工件传送和位置感应；所述真空系统用于保证电池工件传送平稳。

所述视觉系统包括工业相机、相机架1、上位机和标定板13；所述工业相机包括位于前工位相机10和后工位相机2，所述前工位相机10和后工位相机2安装在相机架1上，并与上位机连接；所述标定板用于标定视觉系统的相机；所述上位机用于通过标定算法实现前、后工位相机的标定，并将两个相机视野工作平面统一至同一坐标系中。

所述控制系统为与上位机相连的下位机，用于控制工业相机拍照和传送系统的传送机制以及真空系统的发生。

所述传送系统包括机架3、穿孔皮带6、同步轮7、同步带8、张紧轮12、以及与下位机相连的电机5、两个初定位传感器9；所述视觉系统的相机架安装在机架的一侧，所述机架安装于工业相机的垂直下方，所述穿孔皮带包括左右两个皮带，安装在机架两侧，并随着安装在机架两端的两个同步轮转动而传动，其中一个同步轮由同步带和电机带动；所述两个初定位传感器分别安装在机架上的前、后工位，其上正对前、后工位相机，当电池工件随穿孔皮带到达初定位传感器位置，初定位传感器感应到工件并发送信号给下位机，控制电机使工件运动至前工位相机视野内；所述张紧轮有两个，分别安装在机架下面且位于两端，用于调整穿孔皮带的左右皮带的张紧程度并使其一致。

所述真空系统包括机架上两侧的空腔11、两侧的若干气管4、以及与下位机相连的电磁阀和真空发生器；所述空腔11位于机架内部两侧；所述若干气管4的一端接通空腔11，另一端连接真空发生器与电磁阀；

在本实施例中，所述上位机为计算机，所述下位机为可编程控制器；

所述两个初定位传感器为非接触式无损测量的霍尔传感器、光电传感器或电容传感器等。

在本实施例中，为防止电池工件在皮带上打滑，真空系统的设计如下：所述机架上两侧的空腔11通过气管4与真空发生器相连，当电磁阀门开启时，空腔内将形成一个低压腔体；低压腔体内的气压低于外界气压时，穿孔皮带作为空腔体的表面之一，受到外界空气的压力作用，同时，外界空气可通过穿孔皮带上的小孔流向腔体，使腔体内外的气压差不至于过大而影响穿孔皮带的正常运转；当工件随穿孔皮带运动至有空腔的行程中时，由于穿孔皮带上小孔的存在，覆盖在小孔上的工件表面亦变为低压腔体的一部分，同样受到外界空气的压力作用；受到压力作用的工件紧紧贴住皮带，使皮带在较高速的起停和运输过程中，工件与穿孔皮带之间不发生打滑现象。

本实施例中，如图1所示，一种基于机器视觉的晶硅光伏太阳能电池传送及定位装置的实现方法，包括下述步骤：

步骤1，合理安装完整整机，并设置相机参数，具体如下：

通过调整电机5安装位置，使同步带在运动过程中不松驰；通过调整张紧机构，使穿孔皮带6在运转过程中两边皮带张紧程度、转速大致相同；安装前工位相机10与后工位相机2的高度相同，前工位相机安装在前工位正上方，后工位相机安装在后工位正上方；设置前工位相机10和后工位相机2的曝光值、镜头焦距、光圈值等，使机架的工作平面在相机成视野内成像清晰，不过曝。

步骤2，标定视觉系统；

在本发明实施实例中，将定制的标定板13放置于穿孔皮带上，放置的位置使前、后工位相机均能拍摄到相机板上的标记图案，如图4所示；标定板13合理放置后，触发前、后工位相机拍照，分别获取一张图片，传输至上位机；通过上位机内部标定模块实现前、后工位相机的标定；并将前、后工位相机视野工作平面统一至统一坐标系中；视觉系统标定完成后，取走标定板13。

步骤3，标定传送带传送系统；

在本发明实施实例中，将携带标记物的电池工件14放置于前工位上，如图5所示；同时真空系统开启，使工件紧贴于穿孔皮带6的表面；触发前工位相机10拍照，识别标记物，计算当前标记物在视觉系统内统一坐标系中的位置及方向；保持真空吸处于开启状态，下位机发送等量的若干脉冲控制电机5转动，带动穿孔皮带6转动，把工件14运送至后工位处，如图6所示；触发后工位相机10拍照，识别标记物，计算当前标记物在视觉系统内统一坐标系中的位置及方向；关闭真空吸系统，取出携带标记物的工件14，再重复以上操作若干次。

若在以上若干次重复操作中，每次操作中的工件标记物在前后工位处的方向变化均小于一个拟定的阈值，例如，所测得的每条边在方向上的变化均小于0.5度，则判定该装置左右皮带张紧程度一致，运输速度一致；此时计算标记物的位移平均值，再除以本过程中的等量脉冲数，得到单位脉冲数对应的传送带运输的位移。接着执行步骤5。

若在以上若干次重复操作中，判定该装置左右皮带张紧程度不一致，运输速度不一致，则执行步骤4。

步骤4，调整张紧轮12的位置，使左右皮带打滑情况基本一致；

在本发明实施实例中，根据工件标记物方向的变化，得出穿孔皮带的左右皮带中是左皮带或者右皮带转得更快或更慢；以左皮带转得更快为例，则调整右侧皮带的张紧轮的位置，使右侧皮带张紧程度更紧；固定张紧轮后，再执行步骤3。

步骤5，计算实际生产过程中所需的脉冲数或脉冲补偿量；

在本发明实施实例中，由上一段皮带发送信号、控制及运输工件至本发明的前工位上；本段皮带的初定位传感器感应到工件进入前工位的信号，发送信号至下位机；下位机通过延时若干时间或不延时后控制电机5停止运转，使工件大致运行至前工位相机10视野内，再开启真空系统，使工件紧贴于穿孔皮带6上；触发前工位相机10拍照，并计算当前工件位置；在统一坐标系内计算工件从当前位置到目标位置所需的位移，再除以由步骤3计算得到的单位脉冲数对应的传送带运输的位移，得到的电机脉冲数并反馈给下位机；下位机控制电机运转该脉冲量即可将工件运送至目标位置。

工件运送至目标位置后即可执行后续对工件的加工或操作。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。