基于數(shù)字孿生的機(jī)器人硅電池片分揀工作站研究

摘要：光伏發(fā)電作為一種清潔可再生能源，其發(fā)展備受關(guān)注。硅電池片作為光伏發(fā)電的重要組成部分，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率直接影響光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了提高硅電池片的生產(chǎn)效率，文章開發(fā)了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)器人硅電池片分揀工作站。該工作站通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了與物理工作站一致的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)了對硅電池片分揀過程的仿真和優(yōu)化，為硅電池片生產(chǎn)企業(yè)提供了一種可靠的機(jī)器人分揀解決方案，有助于提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；工業(yè)機(jī)器人；硅電池片分揀；工作站

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0105-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0 引言

能源是世界經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是國家未來發(fā)展的重要動力[1]，目前各行各業(yè)均為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)添磚加瓦[2]。光伏發(fā)電作為一種清潔高效的能源利用方式，在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展[3]，為加快智能光伏技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)應(yīng)用，推動能源技術(shù)與現(xiàn)代信息深度融合，工信部頒布《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計(jì)劃（2021—2025 年）》工作部署，提出通過人工智能、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)支撐我國智能光伏產(chǎn)業(yè)建設(shè)與發(fā)展[4]。硅電池片作為光伏發(fā)電的重要組成部分，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率在較大程度上影響著智能光伏行業(yè)的發(fā)展。而當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在智能光伏行業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段，相關(guān)技術(shù)拓展和應(yīng)用場景研究仍不充分[5]。本文開發(fā)了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)器人硅電池片分揀工作站，以期為硅電池片生產(chǎn)企業(yè)提供一種可靠的機(jī)器人硅電池片分揀工作站模型，助力企業(yè)提升生產(chǎn)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(wù)要求

該工作站旨在實(shí)現(xiàn)對一定數(shù)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(yè)機(jī)器人在視覺系統(tǒng)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(qū)，將有缺陷的硅電池片分揀至殘次品放置區(qū)，工作流程如圖2所示。

1.2 物理工作站的結(jié)構(gòu)與組成

本工作站基于江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。工作站由6 自由度工業(yè)機(jī)器人（ABB 公司生產(chǎn)的IRB120型號機(jī)器人）、硅電池片放置工作臺、視覺系統(tǒng)（康耐視ISC2000智能相機(jī)）、合格品放置區(qū)、焊絲偏斜片放置區(qū)、缺損片放置區(qū)等模塊組成，配有主控計(jì)算機(jī)和PLC控制器（西門子公司生產(chǎn)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(tǒng)編程操作

在 In-Sight 軟件中對智能相機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和硅電池片樣本學(xué)習(xí)。將智能相機(jī)、主控計(jì)算機(jī)和 PLC 連接至同一網(wǎng)段，并根據(jù)實(shí)際光線條件設(shè)置相機(jī)參數(shù)，獲取清晰的硅電池片圖像。在相同光照條件及參數(shù)下，對所有類型的硅電池片樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于硅電池片顏色相同，因此僅需對不同類型硅電池片進(jìn)行特征圖案學(xué)習(xí)。

完成樣本學(xué)習(xí)后，配置智能相機(jī)的通信參數(shù)，選擇工業(yè)以太網(wǎng)觸發(fā)、PROFINET協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。配置In-Sight軟件的輸出數(shù)據(jù)格式，包括硅電池片類型、坐標(biāo)信息、角度等，數(shù)據(jù)類型為16位無符號整數(shù)，用于PLC和機(jī)器人的協(xié)同控制（見圖4）。

1.3.2 PLC 控制系統(tǒng)編程操作

PLC控制系統(tǒng)程序使用TIA V15軟件編寫。首先配置PLC系統(tǒng)參數(shù)，將主控計(jì)算機(jī)、PLC和智能相機(jī)連接至同一網(wǎng)段。創(chuàng)建PLC 通訊數(shù)據(jù)塊（DB），包括與機(jī)器人通訊的數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊、相機(jī)控制數(shù)據(jù)塊等。其中，相機(jī)IO變量表（圖5）的變量順序需與 In-Sight軟件的輸出數(shù)據(jù)順序一致（圖4），避免數(shù)據(jù)錯位。編寫相機(jī)拍照程序、PLC數(shù)據(jù)處理程序以及PLC主程序，并將程序下載至PLC。

PLC數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)REAL[0] ：= 3;

"MCD".工件類型 ：= 3;

ELSE

"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定義數(shù)據(jù)REAL[0] ：= 0;

END_IF;

1.3.3 工業(yè)機(jī)器人編程操作

工業(yè)機(jī)器人程序根據(jù)工作流程編寫，其與PLC 的數(shù)據(jù)傳輸通道如表1所示。

工業(yè)機(jī)器人main主程序：

PROC main（）

FOR i FROM 1 TO n DO //程序循環(huán)次數(shù)，“n”為實(shí)際要分揀的硅電池片數(shù)量

dataout.data1 ：= 0; //data1數(shù)據(jù)清零

WaitTime 1;

dataout.data1 ：= 1; //相機(jī)準(zhǔn)備拍照

WaitTime 1;

dataout.data1 ：= 3; //相機(jī)拍照

WaitTime 1;

MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0;//機(jī)器人工作原點(diǎn)

IF datain.data17=1 THEN //當(dāng)前是合格品

hege; //調(diào)用合格品分揀子程序

ELSIF datain. data17=2 THEN //當(dāng)前是焊絲偏斜片

pianxie; //調(diào)用焊絲偏斜片分揀子程序

ELSIF datain.data17=3 THEN //當(dāng)前是缺損片

quesun; //調(diào)用缺損片分揀子程序

ENDIF

MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0; //機(jī)器人回原點(diǎn)

ENDFOR

END

2 數(shù)字工作站的搭建與操作

2.1 數(shù)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(jié)構(gòu)和尺寸，創(chuàng)建數(shù)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(yùn)動約束，將電磁閥上的圓孔與機(jī)器人法蘭上的對應(yīng)圓孔進(jìn)行匹配安裝。固定吸盤手爪時，在“基本運(yùn)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(yùn)動類型可選“動力學(xué)”或“運(yùn)動學(xué)”。

2）將硅電池片、合格品放置區(qū)、硅電池片放置工作臺三者的上表面設(shè)為碰撞體，硅電池片設(shè)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(biāo)上。

3）設(shè)置吸盤傳感器基本運(yùn)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(shù)字工作站與物理工作站的連接與信號映射

2.2.1 數(shù)字工作站與物理工作站的連接

將數(shù)字工作站與物理工作站連接至同一網(wǎng)段，并將主控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)口與機(jī)器人控制柜的WAN口相連。使用ABB機(jī)器人6軸數(shù)據(jù)采集軟件獲取物理工作站機(jī)器人數(shù)據(jù)。在NX MCD軟件中，添加“機(jī)器人控制器”和“外部軸”，選擇與物理工作站一致的機(jī)器人型號，并設(shè)置正確的 IP 地址和端口號，建立數(shù)字工作站與物理工作站的連接。

數(shù)字工作站和物理工作站的通訊鏈接要通過KEPServer軟件進(jìn)行。在軟件中新建“OPC UA Client”鏈接通道，然后在NX MCD軟件中進(jìn)行數(shù)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(wù)器，設(shè)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(wù)器信息端點(diǎn)URL狀態(tài)為“相連”，則表示數(shù)字工作站和物理工作站信號連接成功。接下來則要進(jìn)行數(shù)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(yè)機(jī)器人從1軸到6軸分別進(jìn)行映射信號。

2.2.2 數(shù)字工作站中工業(yè)機(jī)器人吸盤工具信號的添加

先添加吸盤握爪，然后調(diào)整吸盤檢測區(qū)域，將檢測區(qū)域的圓心設(shè)為吸盤圓心，檢測區(qū)域豎直向下。后續(xù)也可根據(jù)具體工作情況繼續(xù)調(diào)整檢測區(qū)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(yè)機(jī)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(jìn)序列編輯器，將“運(yùn)行時參數(shù)”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(jìn)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(jìn)行映射，“外部信號類型”選擇OPC UA，端點(diǎn)URL狀態(tài)為相連才可進(jìn)行后續(xù)操作，然后對吸盤信號YV5 進(jìn)行驗(yàn)證，最后添加吸盤仿真序列。

2.2.3 驗(yàn)證數(shù)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(diǎn)擊“播放”，然后手動操作物理工作站機(jī)器人示教器，看數(shù)字工作站和物理工作站中機(jī)器人是否同步運(yùn)行，如若同步，運(yùn)行示教器中已寫好的程序，可看到數(shù)字工作站和物理工作站中機(jī)器人同步運(yùn)行，此時數(shù)字工作站和物理工作站信號連接成功，可繼續(xù)后續(xù)調(diào)試工作。

2.3 數(shù)字工作站中智能相機(jī)的信號創(chuàng)建與映射

由于NX MCD中沒有real型數(shù)據(jù)，所以要將智能相機(jī)PLC 程序中real 型轉(zhuǎn)換為int 型。然后在KEP?Server 中添加智能相機(jī)數(shù)據(jù)通道，類型為“SiemensTCP/IP Ethernet”，“網(wǎng)絡(luò)適配器”與主控計(jì)算機(jī)IP一致，設(shè)備型號為S7-1200（與物理工作站PLC型號一致），“ID”設(shè)置為物理工作站PLC的IP。智能相機(jī)數(shù)據(jù)通道建立完成后，要添加設(shè)備靜態(tài)標(biāo)記，在“屬性編輯器”中“ 名稱”填寫為“工件類型”，數(shù)據(jù)類型為短整型，掃描速率不要太大，否則可能導(dǎo)致機(jī)器人還未接收到數(shù)據(jù)，掃描已結(jié)束。

之后在NX MCD中對智能相機(jī)信號進(jìn)行添加與映射，信號 IO類型為輸入，數(shù)據(jù)類型為int，命名為“工件類型”，“外部信號配置”選擇“OPC DA”，服務(wù)器選擇名稱為“Kepware.KEPServerEX.V6”的服務(wù)器。最后，完成智能相機(jī)在物理工作站和數(shù)字工作站之間的信號映射。

3 物理工作站與數(shù)字工作站的虛實(shí)聯(lián)調(diào)

3.1 物理工作站與數(shù)字工作站虛實(shí)聯(lián)調(diào)的注意事項(xiàng)

在虛實(shí)聯(lián)調(diào)過程中，應(yīng)注意檢查數(shù)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(jìn)行微調(diào)。虛實(shí)聯(lián)調(diào)過程中，要保持ABB機(jī)器人6軸數(shù)據(jù)采集軟件打開且連接，NX MCD軟件中機(jī)器人6軸和吸盤信號始終處于“相連”狀態(tài)。

如果在虛實(shí)聯(lián)調(diào)過程中出現(xiàn)機(jī)器人吸盤無法吸取工件的情況，應(yīng)檢查 NX MCD中吸盤坐標(biāo)原點(diǎn)是否設(shè)置正確，并調(diào)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(xiàn)機(jī)器人抓取硅電池片時發(fā)生穿?，F(xiàn)象，應(yīng)檢查放置模塊的碰撞體高度，降低高度或?qū)⒎胖媚K表面設(shè)置為碰撞體可以解決該問題。

物理工作站與數(shù)字工作站的虛實(shí)聯(lián)調(diào)目標(biāo)是：數(shù)字工作站能夠?qū)崟r同步物理工作站的所有動作，并實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人6軸轉(zhuǎn)角、硅電池片類型（合格品、焊絲偏斜片、缺損片）以及機(jī)器人吸盤工作狀態(tài)（ 吸盤開、吸盤關(guān)）。

3.2 工作站運(yùn)行測試結(jié)果分析

對工作站進(jìn)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(yè)機(jī)器人在視覺系統(tǒng)的配合下完成分揀。測試結(jié)果如表2所示，工作站對硅電池片的分揀準(zhǔn)確率≥99%。數(shù)字工作站能夠與物理工作站同步工作，并能夠?qū)ξ锢砉ぷ髡镜臋C(jī)器人6軸轉(zhuǎn)角、吸盤狀態(tài)、硅電池片分揀情況等進(jìn)行監(jiān)測，尤其是對物理工作站中機(jī)器人分揀硅電池片的監(jiān)測準(zhǔn)確率達(dá)100%。分析發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)可能會將焊絲偏斜片誤識別為合格品，導(dǎo)致機(jī)器人分揀錯誤。因此，建議為工作站視覺系統(tǒng)添加背光，以減少外部光線干擾，提高視覺識別準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)器人硅電池片分揀工作站，詳細(xì)闡述了工作站的功能、組成、操作流程以及虛實(shí)聯(lián)調(diào)方法。該工作站結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，分揀準(zhǔn)確率高，可為硅電池片生產(chǎn)企業(yè)提供一種可靠的機(jī)器人分揀解決方案，有助于提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

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【通聯(lián)編輯：代影】

基金項(xiàng)目：寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研項(xiàng)目所資助“職教本科多能多效工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地帶動專業(yè)建設(shè)探索”（項(xiàng)目編號：NXGS2023JY13）