鄧 君，劉路明，丁玉祥

(中國(guó)建材國(guó)際工程有限公司，蚌埠 233010)

在節(jié)能減排的社會(huì)發(fā)展需求下，新能源發(fā)展前景廣闊。而光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源的一種，與之相關(guān)的加工技術(shù)的需求也越來(lái)越多、越來(lái)越高。其中光伏玻璃打孔技術(shù)大量應(yīng)用于光伏玻璃深加工行業(yè)。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏玻璃深加工精度越來(lái)越高，基于視覺(jué)引導(dǎo)的高精度玻璃激光打孔控制系統(tǒng)軟件以配套光伏玻璃深加工生產(chǎn)線而設(shè)計(jì)，以高精打孔為目的，同時(shí)兼顧穩(wěn)定運(yùn)行、接口豐富等特性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 激光打孔機(jī)概述

1.1.1 設(shè)備概述

傳統(tǒng)的玻璃鉆孔采用機(jī)械為主，也有少量采用水射流和固體激光鉆孔。機(jī)械和水射流加工玻璃時(shí)成品率低，崩邊大，加工過(guò)程還存在環(huán)境污染。

激光打孔依靠高穩(wěn)定性的設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)加工效果的硬件基礎(chǔ)。整條生產(chǎn)線采用串聯(lián)式布局，在生產(chǎn)線上完成玻璃的輸送、定位、正位、CCD視覺(jué)識(shí)別、激光鉆孔、收塵、探孔、復(fù)位等工藝過(guò)程，整條生產(chǎn)線采用全自動(dòng)智能化控制。激光打孔機(jī)打孔速度快，崩邊小，能耗低，適合于自動(dòng)化流水線24 h不間斷工作，可提高30%以上的效率[1]。

1.1.2 激光概述

1)效率高 采用美國(guó)進(jìn)口激光器和德國(guó)進(jìn)口的高速振鏡，使用先進(jìn)的超快綠光光纖激光器和光纖激光加工模組。超快激光具備獨(dú)特的超短脈沖、超高的重復(fù)頻率、超強(qiáng)特性，以及能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2)精度高 采用激光脈寬極短的高峰值功率和低能量的激光脈沖，以達(dá)到極精細(xì)的激光加工點(diǎn)，這樣可以使被加工材料的崩邊小，小的崩邊可以使材料有更高的強(qiáng)度，高強(qiáng)度可以提高玻璃的使用壽命。

3)良率高 綠光光纖激光器重復(fù)頻率是固體紅外激光器的3倍，每秒產(chǎn)生的脈沖點(diǎn)數(shù)更多，高的重復(fù)頻率可實(shí)現(xiàn)更快的加工速度、更光潔的加工面，加工一致性好[2]。

1.1.3 視覺(jué)概述

1)易用性 清晰簡(jiǎn)明的視覺(jué)操作界面，具備用戶權(quán)限管理、產(chǎn)品型號(hào)設(shè)定、標(biāo)定等操作界面。適用于產(chǎn)線人員的分級(jí)管理，產(chǎn)品型號(hào)存儲(chǔ)可以記錄歷史型號(hào)規(guī)格的參數(shù)設(shè)定便于快速切換產(chǎn)品規(guī)格。開(kāi)放式標(biāo)定界面便于用戶自行完成標(biāo)定工作便于更換部件后的恢復(fù)工作。

2)準(zhǔn)確性 相機(jī)移動(dòng)與激光器移動(dòng)采用高精度伺服，視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定環(huán)節(jié)通過(guò)計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的偏轉(zhuǎn)矢量，最大限度提高系統(tǒng)絕對(duì)精度。

3)高性能 使用高性能并行計(jì)算，總處理時(shí)間可達(dá)0.3～0.7 ms；整套系統(tǒng)采用西門子PLC，系統(tǒng)伺服控制、邏輯控制均使用通用開(kāi)放硬件，便于維保；視覺(jué)系統(tǒng)采用Profinet通訊卡，作為實(shí)時(shí)IO從站與主控PLC進(jìn)行通訊，具有低延時(shí)高可靠性的優(yōu)點(diǎn)[3]。

4)可靠性 系統(tǒng)軟件已在多套系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，無(wú)死機(jī)、閃退、內(nèi)存溢出等故障。視覺(jué)定位成功率99.99%，系統(tǒng)打孔定位成功率99.7%。

1.2 激光打孔機(jī)的總體布局

此裝置及系統(tǒng)用在國(guó)內(nèi)光伏玻璃深加工生產(chǎn)線上，光伏玻璃深加工生產(chǎn)線的特點(diǎn)是速度快、尺寸規(guī)格多、打孔數(shù)量在1～3個(gè)范圍內(nèi)等特點(diǎn)，所以為了滿足如此的生產(chǎn)方式，此線采用了一臺(tái)打孔機(jī)配置三臺(tái)激光器的組成方式，通過(guò)選擇不同的激光器來(lái)完成對(duì)不同規(guī)格的玻璃的生產(chǎn)。

如圖1所示，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易維護(hù)性，在系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)，將整個(gè)系統(tǒng)分成旋轉(zhuǎn)定位段、激光鉆孔段和復(fù)位探孔段三部分。其中旋轉(zhuǎn)定位段由皮帶輸送機(jī)、升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)、升降托輪、定位裝置等零部件組成，可滿足玻璃板進(jìn)行 90°旋轉(zhuǎn)的需要，并在本設(shè)備處，完成玻璃板的預(yù)定位，為玻璃激光鉆孔機(jī)的玻璃鉆孔做準(zhǔn)備；激光鉆孔段主要由底部基座與橫梁、激光頭位置調(diào)整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、玻璃板的傳送系統(tǒng)、激光頭組件、玻璃板的定位夾持系統(tǒng)、玻璃板的定位測(cè)量 CCD 視覺(jué)系統(tǒng)、集塵回收系統(tǒng)等零部件組成，完成在精確的位置對(duì)玻璃板進(jìn)行鉆孔作業(yè)。復(fù)位探孔段由皮帶輸送機(jī)、升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)、通孔檢測(cè)裝置等部件組成，具有檢測(cè)報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)的工藝流程及具體的實(shí)施方法

2.1 系統(tǒng)的工藝流程

激光打孔機(jī)的工藝流程如圖2所示，根據(jù)生產(chǎn)玻璃的規(guī)格、打孔位置、要求誤差等信息，在觸摸屏操作工界面輸入相應(yīng)加工參數(shù)。玻璃進(jìn)入旋轉(zhuǎn)定位段，由正位裝置，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，萬(wàn)向輪平臺(tái)不同功能的三個(gè)單元進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)玻璃在同一工位完成旋轉(zhuǎn)、正位以及輸送的功能。當(dāng)玻璃板經(jīng)過(guò)皮帶輸送，輸送至準(zhǔn)確的位置停止時(shí)，玻璃位置CCD視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)檢測(cè)，計(jì)算并把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至激光器控制系統(tǒng)。精確控制激光鉆孔的位置，對(duì)玻璃進(jìn)行鉆孔工作。打孔完畢后，玻璃板通過(guò)輸送皮帶進(jìn)入探孔工段，精準(zhǔn)定位后，探孔裝置落下，檢測(cè)玻璃孔是否掉落，若未掉落，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由人工干預(yù)處理。玻璃離開(kāi)設(shè)備，進(jìn)入下一加工工序。

2.2 激光打孔機(jī)的實(shí)施方法

2.2.1 旋轉(zhuǎn)定位輸送機(jī)

該輸送機(jī)位于玻璃激光鉆孔機(jī)的前端，用于玻璃板的預(yù)定位和玻璃板的旋轉(zhuǎn)(當(dāng)玻璃板需要進(jìn)行長(zhǎng)邊鉆孔時(shí))。玻璃板到達(dá)升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)后，升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)和升降托輪升起，升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)將玻璃板旋轉(zhuǎn)90°，然后升降旋轉(zhuǎn)臺(tái)落下，玻璃板下落到升降托輪處，進(jìn)行玻璃板的預(yù)定位。當(dāng)玻璃板預(yù)定位完成后，升降托輪落下，玻璃板則落到輸送皮帶上，通過(guò)輸送皮帶將玻璃板繼續(xù)向激光鉆孔機(jī)輸送。該設(shè)備具有“旋轉(zhuǎn)功能啟用”和“旋轉(zhuǎn)功能停用”的選擇按鈕。

2.2.2 玻璃激光鉆孔機(jī)

激光頭位置調(diào)整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在橫梁上，直線電機(jī)模組帶動(dòng)激光頭組件在橫梁上移動(dòng)，以適應(yīng)鉆孔間距的變化。玻璃板輸送到位后，玻璃板的定位夾持系統(tǒng)動(dòng)作，固定玻璃板，準(zhǔn)備激光鉆孔。玻璃板的定位測(cè)量CCD視覺(jué)系統(tǒng)精確檢測(cè)玻璃板的前端及兩側(cè)邊相對(duì)于激光鉆孔的距離，指導(dǎo)激光鉆頭在準(zhǔn)確的位置上對(duì)玻璃板進(jìn)行鉆孔。在激光鉆孔的位置、玻璃板的下方，設(shè)置多個(gè)集塵收塵口，通過(guò)集塵回收系統(tǒng)，回收玻璃碎料和鉆孔時(shí)產(chǎn)生的玻璃碎屑。每個(gè)收塵口設(shè)有密封裝置，激光鉆孔時(shí)，需要工作的收塵口處的密封裝置打開(kāi)，不需要工作的收塵口處的密封裝置將關(guān)閉。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)探孔輸送機(jī)

位于激光鉆孔機(jī)的出口處，可滿足對(duì)玻璃板進(jìn)行 90°旋轉(zhuǎn)回位后的輸送，并具有通孔檢測(cè)報(bào)警功能。

3 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 PLC控制系統(tǒng)特點(diǎn)

玻璃激光鉆孔機(jī)組控制系統(tǒng)主要控制玻璃的輸送、轉(zhuǎn)向、對(duì)準(zhǔn)、定位、鉆孔、回位等，以及協(xié)調(diào) CCD 視覺(jué)定位系統(tǒng)和激光頭控制系統(tǒng)，同時(shí)具備與前工段及后工段數(shù)據(jù)交互和聯(lián)動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)由 PLC 作為主控制器，按照工藝流程控制輸送輥道、激光頭位置(孔距及孔位置)、轉(zhuǎn)向動(dòng)作、玻璃對(duì)準(zhǔn)等。PLC通過(guò)高精度輸入模塊Time-based IO采集外部信號(hào)，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)快捷的做出響應(yīng)，避免了PLC掃描周期對(duì)控制精度的影響，使玻璃能夠達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。在玻璃定位完成后，發(fā)出視覺(jué)定位檢測(cè)信號(hào)，視覺(jué)定位檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)完成后，給出信號(hào)是否可以打孔及坐標(biāo)，激光頭控制系統(tǒng)收到可以打孔信號(hào)和位置坐標(biāo)后，根據(jù)設(shè)定的孔徑進(jìn)行打孔，打孔完畢后發(fā)送打孔完成信號(hào)給PLC。

PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，除了擔(dān)任運(yùn)動(dòng)控制的大腦以外，還需要與前后段輥道連線，激光器軟件以及視覺(jué)系統(tǒng)軟件采用PROFINET和TCP/IP的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，可以根據(jù)用戶的要求定制不同的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)多元化的控制軟件。

3.2 CCD視覺(jué)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的三相機(jī)定位：三相機(jī)只能拍照兩個(gè)角一條邊，通過(guò)擬合計(jì)算出邊緣位置，會(huì)和實(shí)際形狀有偏差，同時(shí)由于依靠固定邊距離打孔，磨邊及孔位誤差會(huì)積累導(dǎo)致孔位不準(zhǔn)確[4]。

該系統(tǒng)采用四相機(jī)定位：四相機(jī)定位可準(zhǔn)確找出中心線，消除磨邊機(jī)產(chǎn)生的玻璃長(zhǎng)寬尺寸誤差，確保中心距尺寸穩(wěn)定。CCD3與CCD4能準(zhǔn)確的找出玻璃板的中心線，如圖3所示，定位中心線尺寸；與后序的絲印工序的加工工藝的貼合性更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

玻璃激光打孔裝置及控制系統(tǒng)在某新能源材料有限公司太陽(yáng)能薄膜電池基板深加工玻璃生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中實(shí)施應(yīng)用。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，全伺服控制，激光模組、噴水裝置、相機(jī)系統(tǒng)、光源等自動(dòng)根據(jù)玻璃規(guī)格切換到對(duì)應(yīng)位置，無(wú)需手動(dòng)干預(yù)，大大節(jié)省換機(jī)時(shí)間，操作更加簡(jiǎn)便；加工孔位置精準(zhǔn)，位置誤差在±0.3 mm，且速度快、崩邊小，成品率滿足99.5%以上。