基于数字孪生的机器人硅电池片分拣工作站研究
作者： 王志鑫 袁承家
摘要：光伏发电作为一种清洁可再生能源，其发展备受关注。硅电池片作为光伏发电的重要组成部分，其生产质量和效率直接影响光伏产业的发展。为了提高硅电池片的生产效率，文章开发了一种基于数字孪生技术的机器人硅电池片分拣工作站。该工作站通过数字孪生技术构建了与物理工作站一致的虚拟模型，实现了对硅电池片分拣过程的仿真和优化，为硅电池片生产企业提供了一种可靠的机器人分拣解决方案，有助于提升企业生产效率。
关键词：数字孪生；工业机器人；硅电池片分拣；工作站
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2024）31-0105-04
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
0 引言
能源是世界经济与社会发展的坚实基础，是国家未来发展的重要动力[1]，目前各行各业均为“双碳”目标实现添砖加瓦[2]。光伏发电作为一种清洁高效的能源利用方式，在全球范围内迅速发展[3]，为加快智能光伏技术进步和行业应用，推动能源技术与现代信息深度融合，工信部颁布《智能光伏产业创新发展行动计划（2021—2025 年）》工作部署，提出通过人工智能、数字孪生、物联网等技术支撑我国智能光伏产业建设与发展[4]。硅电池片作为光伏发电的重要组成部分，其生产质量和效率在较大程度上影响着智能光伏行业的发展。而当前数字孪生技术在智能光伏行业应用仍处于起步阶段，相关技术拓展和应用场景研究仍不充分[5]。本文开发了一种基于数字孪生技术的机器人硅电池片分拣工作站，以期为硅电池片生产企业提供一种可靠的机器人硅电池片分拣工作站模型，助力企业提升生产效率。
1 物理工作站的组成与操作
1.1 物理工作站功能及任务要求
该工作站旨在实现对一定数量硅电池片的自动分拣，工作开始前，将待分拣的硅电池片手动放置于工作台，工业机器人在视觉系统配合下，将图1中所示的合格硅电池片分拣至合格品放置区，将有缺陷的硅电池片分拣至残次品放置区，工作流程如图2所示。
1.2 物理工作站的结构与组成
本工作站基于江苏汇博机器人技术股份有限公司的工业机器人应用编程系统进行开发。工作站由6 自由度工业机器人（ABB 公司生产的IRB120型号机器人）、硅电池片放置工作台、视觉系统（康耐视ISC2000智能相机）、合格品放置区、焊丝偏斜片放置区、缺损片放置区等模块组成，配有主控计算机和PLC控制器（西门子公司生产的S7-1200型号PLC控制器），如图3所示。
1.3 物理工作站的编程与操作
1.3.1 视觉系统编程操作
在 In-Sight 软件中对智能相机进行参数设置和硅电池片样本学习。将智能相机、主控计算机和 PLC 连接至同一网段，并根据实际光线条件设置相机参数，获取清晰的硅电池片图像。在相同光照条件及参数下，对所有类型的硅电池片样本进行学习。由于硅电池片颜色相同，因此仅需对不同类型硅电池片进行特征图案学习。
完成样本学习后，配置智能相机的通信参数，选择工业以太网触发、PROFINET协议进行数据传输。配置In-Sight软件的输出数据格式，包括硅电池片类型、坐标信息、角度等，数据类型为16位无符号整数，用于PLC和机器人的协同控制（见图4）。
1.3.2 PLC 控制系统编程操作
PLC控制系统程序使用TIA V15软件编写。首先配置PLC系统参数，将主控计算机、PLC和智能相机连接至同一网段。创建PLC 通讯数据块（DB），包括与机器人通讯的数据块、数据转换数据块、相机控制数据块等。其中，相机IO变量表（图5）的变量顺序需与 In-Sight软件的输出数据顺序一致（图4），避免数据错位。编写相机拍照程序、PLC数据处理程序以及PLC主程序，并将程序下载至PLC。
PLC数据处理程序：
IF "合格通过" = 1 AND "缺损通过" = 0 THEN;
"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定义数据REAL[0] ：= 1;
"MCD".工件类型 ：= 1;
ELSIF "合格通过" = 0 AND "缺损通过" = 1THEN;
"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定义数据REAL[0] ：= 2;
"MCD".工件类型 ：= 2;
ELSIF "合格通过" = 0 AND "缺损通过" = 0THEN;
"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定义数据REAL[0] ：= 3;
"MCD".工件类型 ：= 3;
ELSE
"DB_PLC_STATUS".PLC_Status.PLC自定义数据REAL[0] ：= 0;
END_IF;
1.3.3 工业机器人编程操作
工业机器人程序根据工作流程编写，其与PLC 的数据传输通道如表1所示。
工业机器人main主程序：
PROC main（）
FOR i FROM 1 TO n DO //程序循环次数，“n”为实际要分拣的硅电池片数量
dataout.data1 ：= 0; //data1数据清零
WaitTime 1;
dataout.data1 ：= 1; //相机准备拍照
WaitTime 1;
dataout.data1 ：= 3; //相机拍照
WaitTime 1;
MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0;//机器人工作原点
IF datain.data17=1 THEN //当前是合格品
hege; //调用合格品分拣子程序
ELSIF datain. data17=2 THEN //当前是焊丝偏斜片
pianxie; //调用焊丝偏斜片分拣子程序
ELSIF datain.data17=3 THEN //当前是缺损片
quesun; //调用缺损片分拣子程序
ENDIF
MoveAbsJ jpos10＼NoEOffs， v100， fine， tool0; //机器人回原点
ENDFOR
END
2 数字工作站的搭建与操作
2.1 数字工作站的搭建及功能要求
在NX MCD软件中，按照物理工作站的结构和尺寸，创建数字工作站的三维模型。要注意：
1）安装吸盘手爪时，选择“同心圆”作为运动约束，将电磁阀上的圆孔与机器人法兰上的对应圆孔进行匹配安装。固定吸盘手爪时，在“基本运动副”中选择“刚体”连接，连接件选择吸盘工具，基本件选择“快换主盘”，运动类型可选“动力学”或“运动学”。
2）将硅电池片、合格品放置区、硅电池片放置工作台三者的上表面设为碰撞体，硅电池片设置为刚体和碰撞体，硅电池片堆叠在一起放置于硅电池片放置工作台。硅电池片放置工作台要做固定副，固定在大地坐标上。
3）设置吸盘传感器基本运动副时，固定副的连接件不选，基本件选择整个吸盘工具（包括电磁阀和吸盘法兰）。
2.2 数字工作站与物理工作站的连接与信号映射
2.2.1 数字工作站与物理工作站的连接
将数字工作站与物理工作站连接至同一网段，并将主控计算机的网口与机器人控制柜的WAN口相连。使用ABB机器人6轴数据采集软件获取物理工作站机器人数据。在NX MCD软件中，添加“机器人控制器”和“外部轴”，选择与物理工作站一致的机器人型号，并设置正确的 IP 地址和端口号，建立数字工作站与物理工作站的连接。
数字工作站和物理工作站的通讯链接要通过KEPServer软件进行。在软件中新建“OPC UA Client”链接通道，然后在NX MCD软件中进行数字工作站和物理工作站的信号连接，“外部信号配置”选择“OPCUA”[6]，添加新服务器，设置好IP 地址，更改URL 为opc.tcp：//127.0.0.1：4545（此处IP为软件中自动生成）。此时“外部信号配置”界面中OPC UA服务器信息端点URL状态为“相连”，则表示数字工作站和物理工作站信号连接成功。接下来则要进行数字工作站与物理工作站的“信号映射”，“外部信号类型”选择OPC UA，将工业机器人从1轴到6轴分别进行映射信号。
2.2.2 数字工作站中工业机器人吸盘工具信号的添加
先添加吸盘握爪，然后调整吸盘检测区域，将检测区域的圆心设为吸盘圆心，检测区域竖直向下。后续也可根据具体工作情况继续调整检测区域高度来抓取工件。然后建立吸盘信号，在“信号适配器”中，将吸盘信号命名为与工业机器人示教器中控制吸盘的信号相同，“输入/输出类型”改为“输入”。之后将吸盘放工件添加进序列编辑器，将“运行时参数”选为“抓握”“释放”，“抓握”值为false，“释放”值为true，再将吸盘取工件添加进序列编辑器，“抓握”值为true，“释放”值为false，如图6所示。
还要对吸盘信号进行映射，“外部信号类型”选择OPC UA，端点URL状态为相连才可进行后续操作，然后对吸盘信号YV5 进行验证，最后添加吸盘仿真序列。
2.2.3 验证数字工作站和物理工作站信号连接是否成功
在NX MCD软件中点击“播放”，然后手动操作物理工作站机器人示教器，看数字工作站和物理工作站中机器人是否同步运行，如若同步，运行示教器中已写好的程序，可看到数字工作站和物理工作站中机器人同步运行，此时数字工作站和物理工作站信号连接成功，可继续后续调试工作。
2.3 数字工作站中智能相机的信号创建与映射
由于NX MCD中没有real型数据，所以要将智能相机PLC 程序中real 型转换为int 型。然后在KEP⁃Server 中添加智能相机数据通道，类型为“SiemensTCP/IP Ethernet”，“网络适配器”与主控计算机IP一致，设备型号为S7-1200（与物理工作站PLC型号一致），“ID”设置为物理工作站PLC的IP。智能相机数据通道建立完成后，要添加设备静态标记，在“属性编辑器”中“ 名称”填写为“工件类型”，数据类型为短整型，扫描速率不要太大，否则可能导致机器人还未接收到数据，扫描已结束。
之后在NX MCD中对智能相机信号进行添加与映射，信号 IO类型为输入，数据类型为int，命名为“工件类型”，“外部信号配置”选择“OPC DA”，服务器选择名称为“Kepware.KEPServerEX.V6”的服务器。最后，完成智能相机在物理工作站和数字工作站之间的信号映射。
3 物理工作站与数字工作站的虚实联调
3.1 物理工作站与数字工作站虚实联调的注意事项
在虚实联调过程中，应注意检查数字工作站各模块尺寸与物理工作站是否一致，如有偏差，须进行微调。虚实联调过程中，要保持ABB机器人6轴数据采集软件打开且连接，NX MCD软件中机器人6轴和吸盘信号始终处于“相连”状态。
如果在虚实联调过程中出现机器人吸盘无法吸取工件的情况，应检查 NX MCD中吸盘坐标原点是否设置正确，并调整握爪高度至合适位置，避免吸取失败或误吸取其他物体。如果出现机器人抓取硅电池片时发生穿模现象，应检查放置模块的碰撞体高度，降低高度或将放置模块表面设置为碰撞体可以解决该问题。