基于數字孿生的機器人硅電池片分揀工作站研究

摘要：光伏發電作為一種清潔可再生能源，其發展備受關注。硅電池片作為光伏發電的重要組成部分，其生產質量和效率直接影響光伏產業的發展。為了提高硅電池片的生產效率，文章開發了一種基于數字孿生技術的機器人硅電池片分揀工作站。該工作站通過數字孿生技術構建了與物理工作站一致的虛擬模型，實現了對硅電池片分揀過程的仿真和優化，為硅電池片生產企業提供了一種可靠的機器人分揀解決方案，有助于提升企業生產效率。

關鍵詞：數字孿生；工業機器人；硅電池片分揀；工作站

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0105-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

能源是世界經濟與社會發展的堅實基礎，是國家未來發展的重要動力[1]，目前各行各業均為“雙碳”目標實現添磚加瓦[2]。光伏發電作為一種清潔高效的能源利用方式，在全球范圍內迅速發展[3]，為加快智能光伏技術進步和行業應用，推動能源技術與現代信息深度融合，工信部頒布《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021—2025 年）》工作部署，提出通過人工智能、數字孿生、物聯網等技術支撐我國智能光伏產業建設與發展[4]。硅電池片作為光伏發電的重要組成部分，其生產質量和效率在較大程度上影響著智能光伏行業的發展。而當前數字孿生技術在智能光伏行業應用仍處于起步階段，相關技術拓展和應用場景研究仍不充分[5]。本文開發了一種基于數字孿生技術的機器人硅電池片分揀工作站，以期為硅電池片生產企業提供一種可靠的機器人硅電池片分揀工作站模型，助力企業提升生產效率。

1 物理工作站的組成與操作

1.1 物理工作站功能及任務要求

該工作站旨在實現對一定數量5cfcbdb9d80ee48a222f84c05383a493b61d21169f1f6dacfac07d4b491778d5硅電池片的自動分揀，工作開始前，將待分揀的硅電池片手動放置于工作臺，工業機器人在視覺系統配合下，將圖1中所示的合格硅電池片分揀至合格品放置區，將有缺陷的硅電池片分揀至殘次品放置區，工作流程如圖2所示。

1.2 物理工作站的結構與組成

本工作站基于江蘇匯博機器人技術股份有限公司的工業機器人應用編程系統進行開發。工作站由6 自由度工業機器人（ABB 公司生產的IRB120型號機器人）、硅電池片放置工作臺、視覺系統（康耐視ISC2000智能相機）、合格品放置區、焊絲偏斜片放置區、缺損片放置區等模塊組成，配有主控計算機和PLC控制器（西門子公司生產的S7-1200型號PLC控制器），如圖3所示。

1.3 物理工作站的編程與操作

1.3.1 視覺系統編程操作

在 In-Sight 軟件中對智能相機進行參數設置和硅電池片樣本學習。將智能相機、主控計算機和 PLC 連接至同一網段，并根據實際光線條件設置相機參數，獲取清晰的硅電池片圖像。在相同光照條件及參數下，對所有類型的硅電池片樣本進行學習。由于硅電池片顏色相同，因此僅需對不同類型硅電池片進行特征圖案學習。

完成樣本學習后，配置智能相機的通信參數，選擇工業以太網觸發、PROFINET協議進行數據傳輸。配置In-Sight軟件的輸出數據格式，包括硅電池片類型、坐標信息、角度等，數據類型為16位無符號整數，用于PLC和機器人的協同控制（見圖4）。

1.3.2 PLC 控制系統編程操作

PLC控制系統程序使用TIA V15軟件編寫。首先配置PLC系統參數，將主控計算機、PLC和智能相機連接至同一網段。創建PLC 通訊數據塊（DB），包括與機器人通訊的數據塊、數據轉換數據塊、相機控制數據塊等。其中，相機IO變量表（圖5）的變量順序需與 In-Sight軟件的輸出數據順序一致（圖4），避免數據錯位。編寫相機拍照程序、PLC數據處理程序以及PLC主程序，并將程序下載至PLC。

PLC數據處理程序：

IF "合格通過" = 1 AND "缺損通過" = 0 THEN;

"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定義數據REAL[0] ：= 1;

"MCD".工件類型 ：= 1;

ELSIF "合格通過" = 0 AND "缺損通過" = 1THEN;

"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定義數據REAL[0] ：= 2;

"MCD".工件類型 ：= 2;

ELSIF "合格通過" = 0 AND "缺損通過" = 0THEN;

"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定義數據REAL[0] ：= 3;

"MCD".工件類型 ：= 3;

ELSE

"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定義數據REAL[0] ：= 0;

END_IF;

1.3.3 工業機器人編程操作

工業機器人程序根據工作流程編寫，其與PLC 的數據傳輸通道如表1所示。

工業機器人main主程序：

PROC main（）

FOR i FROM 1 TO n DO //程序循環次數，“n”為實際要分揀的硅電池片數量

dataout.data1 ：= 0; //data1數據清零

WaitTime 1;

dataout.data1 ：= 1; //相機準備拍照

WaitTime 1;

dataout.data1 ：= 3; //相機拍照

WaitTime 1;

MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0;//機器人工作原點

IF datain.data17=1 THEN //當前是合格品

hege; //調用合格品分揀子程序

ELSIF datain. data17=2 THEN //當前是焊絲偏斜片

pianxie; //調用焊絲偏斜片分揀子程序

ELSIF datain.data17=3 THEN //當前是缺損片

quesun; //調用缺損片分揀子程序

ENDIF

MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0; //機器人回原點

ENDFOR

END

2 數字工作站的搭建與操作

2.1 數字工作站的搭建及功能要求

在NX MCD軟件中，按照物理工作站的結構和尺寸，創建數字工作站的三維模型。要注意：

1）安裝吸盤手爪時，選擇“同心圓”作為運動約束，將電磁閥上的圓孔與機器人法蘭上的對應圓孔進行匹配安裝。固定吸盤手爪時，在“基本運動副”中選擇“剛體”連接，連接件選擇吸盤工具，基本件選擇“快換主盤”，運動類型可選“動力學”或“運動學”。

2）將硅電池片、合格品放置區、硅電池片放置工作臺三者的上表面設為碰撞體，硅電池片設置為剛體和碰撞體，硅電池片堆疊在一起放置于硅電池片放置工作臺。硅電池片放置工作臺要做固定副，固定在大地坐標上。

3）設置吸盤傳感器基本運動副時，固定副的連接件不選，基本件選擇整個吸盤工具（包括電磁閥和吸盤法蘭）。

2.2 數字工作站與物理工作站的連接與信號映射

2.2.1 數字工作站與物理工作站的連接

將數字工作站與物理工作站連接至同一網段，并將主控計算機的網口與機器人控制柜的WAN口相連。使用ABB機器人6軸數據采集軟件獲取物理工作站機器人數據。在NX MCD軟件中，添加“機器人控制器”和“外部軸”，選擇與物理工作站一致的機器人型號，并設置正確的 IP 地址和端口號，建立數字工作站與物理工作站的連接。

數字工作站和物理工作站的通訊鏈接要通過KEPServer軟件進行。在軟件中新建“OPC UA Client”鏈接通道，然后在NX MCD軟件中進行數字工作站和物理工作站的信號連接，“外部信號配置”選擇“OPCUA”[6]，添加新服務器，設置好IP 地址，更改URL 為opc.tcp：//127.0.0.1：4545（此處IP為軟件中自動生成）。此時“外部信號配置”界面中OPC UA服務器信息端點URL狀態為“相連”，則表示數字工作站和物理工作站信號連接成功。接下來則要進行數字工作站與物理工作站的“信號映射”，“外部信號類型”選擇OPC UA，將工業機器人從1軸到6軸分別進行映射信號。

2.2.2 數字工作站中工業機器人吸盤工具信號的添加

先添加吸盤握爪，然后調整吸盤檢測區域，將檢測區域的圓心設為吸盤圓心，檢測區域豎直向下。后續也可根據具體工作情況繼續調整檢測區域高度來抓取工件。然后建立吸盤信號，在“信號適配器”中，將吸盤信號命名為與工業機器人示教器中控制吸盤的信號相同，“輸入/輸出類型”改為“輸入”。之后將吸盤放工件添加進序列編輯器，將“運行時參數”選為“抓握”“釋放”，“抓握”值為false，“釋放”值為true，再將吸盤取工件添加進序列編輯器，“抓握”值為true，“釋放”值為false，如圖6所示。

還要對吸盤信號進行映射，“外部信號類型”選擇OPC UA，端點URL狀態為相連才可進行后續操作，然后對吸盤信號YV5 進行驗證，最后添加吸盤仿真序列。

2.2.3 驗證數字工作站和物理工作站信號連接是否成功

在NX MCD軟件中點擊“播放”，然后手動操作物理工作站機器人示教器，看數字工作站和物理工作站中機器人是否同步運行，如若同步，運行示教器中已寫好的程序，可看到數字工作站和物理工作站中機器人同步運行，此時數字工作站和物理工作站信號連接成功，可繼續后續調試工作。

2.3 數字工作站中智能相機的信號創建與映射

由于NX MCD中沒有real型數據，所以要將智能相機PLC 程序中real 型轉換為int 型。然后在KEP?Server 中添加智能相機數據通道，類型為“SiemensTCP/IP Ethernet”，“網絡適配器”與主控計算機IP一致，設備型號為S7-1200（與物理工作站PLC型號一致），“ID”設置為物理工作站PLC的IP。智能相機數據通道建立完成后，要添加設備靜態標記，在“屬性編輯器”中“ 名稱”填寫為“工件類型”，數據類型為短整型，掃描速率不要太大，否則可能導致機器人還未接收到數據，掃描已結束。

之后在NX MCD中對智能相機信號進行添加與映射，信號 IO類型為輸入，數據類型為int，命名為“工件類型”，“外部信號配置”選擇“OPC DA”，服務器選擇名稱為“Kepware.KEPServerEX.V6”的服務器。最后，完成智能相機在物理工作站和數字工作站之間的信號映射。

3 物理工作站與數字工作站的虛實聯調

3.1 物理工作站與數字工作站虛實聯調的注意事項

在虛實聯調過程中，應注意檢查數字工作站各模塊尺寸與物理工作站是否一致，如有偏差，須進行微調。虛實聯調過程中，要保持ABB機器人6軸數據采集軟件打開且連接，NX MCD軟件中機器人6軸和吸盤信號始終處于“相連”狀態。

如果在虛實聯調過程中出現機器人吸盤無法吸取工件的情況，應檢查 NX MCD中吸盤坐標原點是否設置正確，并調整握爪高度至合適位置，避免吸取失敗或誤吸取其他物體。如果出現機器人抓取硅電池片時發生穿模現象，應檢查放置模塊的碰撞體高度，降低高度或將放置模塊表面設置為碰撞體可以解決該問題。

物理工作站與數字工作站的虛實聯調目標是：數字工作站能夠實時同步物理工作站的所有動作，并實時監測機器人6軸轉角、硅電池片類型（合格品、焊絲偏斜片、缺損片）以及機器人吸盤工作狀態（ 吸盤開、吸盤關）。

3.2 工作站運行測試結果分析

對工作站進行200次分揀測試[7]，測試方法為：手動將合格品、焊絲偏斜片、缺損片各1片疊放在硅電池片放置工作臺上，由工業機器人在視覺系統的配合下完成分揀。測試結果如表2所示，工作站對硅電池片的分揀準確率≥99%。數字工作站能夠與物理工作站同步工作，并能夠對物理工作站的機器人6軸轉角、吸盤狀態、硅電池片分揀情況等進行監測，尤其是對物理工作站中機器人分揀硅電池片的監測準確率達100%。分析發現，焊絲偏斜片分揀失敗的主要原因是外部光線較暗時，視覺系統可能會將焊絲偏斜片誤識別為合格品，導致機器人分揀錯誤。因此，建議為工作站視覺系統添加背光，以減少外部光線干擾，提高視覺識別準確率。

4 結束語

本文介紹了一種基于數字孿生技術的機器人硅電池片分揀工作站，詳細闡述了工作站的功能、組成、操作流程以及虛實聯調方法。該工作站結構簡單，操作方便，分揀準確率高，可為硅電池片生產企業提供一種可靠的機器人分揀解決方案，有助于提升企業生產效率。

參考文獻：

[1] 李承周，王寧玲，竇瀟瀟，等.多能源互補分布式能源系統集成研究綜述及展望[J].中國電機工程學報，2023，43（18）：7127-7150.

[2] 楊志成.高比例新能源接入電力系統的數字孿生優化調度研究[D].北京：北方工業大學，2024.

[3] 王康民，李彥榮，張蝶，等.基于數字孿生的光伏發電功率超短期預測研究[J].電氣技術與經濟，2024（6）：16-18，21.

[4] 裴樹鵬，靳睿，張鐵馬.一種基于數字孿生的管控平臺[J].軟件，2024，45（2）：174-178.

[5] 唐文虎，陳星宇，錢瞳，等.面向智慧能源系統的數字孿生技術及其應用[J].中國工程科學，2020，22（4）：74-85.

[6] 郭俊梅，李喬才，趙文銅.基于NX MCD與TIA的光伏電池組件追逐光源的虛擬調試研究[J].南方農機，2024，55（14）：35-39.

[7] 王洋洋，李國利，張曌.基于機器視覺的工業機器人分揀系統設計[J].電子設計工程，2023，31（8）：138-142.

【通聯編輯：代影】

基金項目：寧夏工商職業技術學院校級科研項目所資助“職教本科多能多效工業機器人實訓基地帶動專業建設探索”（項目編號：NXGS2023JY13）