摘要：随着新能源快速发展，光伏产业需求旺盛，在光伏电池串组件的生产过程中使用机器人成为必然选择。为解决光伏产业生产线中技术人员操作困难以及使用示教器上手难度大等问题，研究了基于Visual Studio对RobotStudio进行二次开发在光伏电池组件排版系统中的应用，以实现智能制造的工艺优化和效益提升。通过设计基于RobotStudio的仿真工作站环境，模拟了光伏电池生产线，利用PCSDK二次开发功能，开发了机器人排版上位机系统。该系统可根据生产线实际情况，实时监控机器人状态和生产数据并控制工作流程，可根据不同电池组件规格灵活调整排版布局，并在仿真软件与模拟平台上进行实测验证。通过该系统实现更高效、更精确、更易上手和更可持续的生产过程，为光伏电池组件制造行业发展提供了参考。

　　关键词：光伏电池组件；PC SDK；二次开发；ABB工业机器人

　　0引言

　　根据国际可再生能源机构（IRENA）的数据，自2010年到2019年，中国太阳能光伏发电的成本降低了82%，比风电和太阳能热能成本降低的幅度大得多。然而，近年来硅料成本剧烈上涨，成本压力向下游传导，影响了电池组件制造等环节，再次引起了光伏企业在生产效率方面的密切关注[1]。

　　电池排版是光伏组件制造的关键环节，对电池串的精确摆放要求极高，通常需要控制在±0.3 mm的误差范围内。不论是人工还是机械方式摆放，都容易导致电池破损或开裂，增加次品率，从而增加生产成本。作为光伏产业的核心生产要素，光伏设备在提高整个行业的效率中扮演着举足轻重的角色[2]。在成本上升的刺激下，光伏设备制造业正朝着智能化和生产工艺集成化的方向不断发展，工业机器人迎来了前所未有的应用机遇[3]。工业机器人在装配、码垛、搬运等生产线上得到了广泛应用，这不仅大大提高了生产效率，还降低了生产成本[4]。

　　国外在工业机器人智能化发展方面起步较早，并在生产实践中广泛应用。随着计算机技术、伺服运动控制技术等科技的进步，德国、瑞典、日本和美国等国家在工业机器人领域取得了显著发展，自动化技术也得到了全面提升[5]。德国杜伊斯堡-埃森大学的Bashir Salah等[6]对机器人堆垛机控制系统设计了允许处理小负载的高级控制结构。澳大利亚中央昆士兰大学的Abdul Md Mazid和Pavel Dzitac[7]对码垛机器人进行了高效控制配置研究，设计了更为便利的人机界面以及图形应用程序。西安交通大学张琛团队[8]应用RobotStudio软件中Smart组件模拟传感器信号，完成了系统动作仿真。

　　然而，尽管工业机器人技术取得了巨大的进展，传统工业机器人的示教器界面在数据可视化和数据再处理方面存在一些缺陷，导致了一定的操作难度和安全风险。因此迫切需要一款便捷的上位机操作软件，既能降低工程技术人员使用工业机器人的难度，又能实现数据可视化处理和安全操作。为了解决上述问题，本文借助Visu‐al Studio 2022，基于ABB机器人光伏设备仿真工作站和相关PCSDK二次开发包，开发了一款PC端的光伏电池组件排版上位机软件并进行仿真与实际验证。该软件功能全面，操作便捷，界面友好，易于拓展，并且具有一定的通用性，有望在工业机器人领域的应用中发挥重要作用，为光伏行业的进一步发展提供有力支持。

　　1光伏电池组件排版工作站设计

　　1.1工作站整体布局

　　RobotStudio是ABB机器人公司研发的离线仿真编程软件，适用于所有型号的ABB机器人，该软件具备三维仿真功能，让工程师能在离线状态下对机器人进行编程和模拟操作，有助于更高效地进行机器人应用规划和排版工作[9]。图1所示为参考某工厂光伏组件生产线后，基于RobotStudio平台模拟搭建的光伏电池组件排版工作站仿真模型，由安全围栏、串焊机、传送带、照相机、排版托盘、玻璃面板、排版机器人等部件组成[10]。工作流程如下：串焊机对硅片进行切割焊接后，电池串组件通过传送带运输至机器人工位，到达指定位置后由相机进行拍照定位，计算出电池串组件的几何中心和旋转中心，随后排版机器人进行抓取和放置，在玻璃板上进行6×2的摆放直至排满一整块玻璃面板。摆放时需严格注意电池串之间的间隙以及与玻璃边缘的距离，还要保证相邻两块电池串旋转角度相差180°,使得电池串组件正负极能够正确相连。

　　1.2机器人选型

　　根据目前市场供需情况，当前用于光伏电站的主流单晶硅光伏组件主要采用166 mm电池组件和182 mm电池组件两种型号进行组装，由于光伏组件技术升级快，产品更新换代快，在排版机器人选型的时候需要重点考虑电池组件的尺寸大小与质量[11]。表1所示为当前市场主要电池组件经串焊机加工后的常规规格，其中TYPE-1为本工作站设计中使用的长形电池组件型号。

　　IRB 1300工业机器人是一款装卸六轴机器人，在负载承载能力、工作范围和路径精度等方面表现卓越，同时还具备更高的速度和更为紧凑的体型，能够显著提升生产效率和生产灵活性，如图2（a）所示。基于本设计中产品的质量选择IRB 1300机器人，其最大有效负载范围为7 kg和最大臂距为1.4 m足以满足本次设计的需求，IRB 1300机器人的工作区域如图2（b）所示。

　　2二次开发与软件设计

　　2.1程序语言选择

　　ABB机器人的二次开发包仅支持C#和Visual Basic（VB）这两种开发语言[12]。C#是由*软公司发布的一种高级程序设计语言，运行于.NET Framework之上，综合了VB的可视化编程和C++可面向对象编程的灵活特性。与RAPID语言相比，C#特别适用于桌面和Web应用程序的开发。因此本文采用Visual Studio 2022进行C#语言程序编写和调试。

　　2.2上位机系统设计

　　在光伏电池组件排版系统中，使用PC SDK工具包进行二次开发，光伏电池串组件机器人系统应用软件功能主要包括：（1）启动与监控：确认机器人手/自动状态，机器人当前位置是否符合启动标准；（2）排版调整：对电池串整体布局具有统一调整的功能以及对电池串的每个单串也都具有X，Y，Z，RX，RY，RZ方向的调整功能；（3）生产数据监控：监控系统的开机工作时间、运行速度、生产目标、产量统计、排版良率等数据；（4）预防维护：机器人日常点检项目维护、定期点检项目维护；（5）事件日志：查看机器人状态以及事件日志显示。

　　利用Visual Studio软件设计排版上位机操作软件，其结构如图3所示，整体设计界面和主要功能选项如图4所示。该款上位机控制软件可以直观有效地简化工作人员对机器人的操作。

　　2.3连接启动

　　PC SDK的类库包含多个功能模块，以DLL（动态链接库）形式存在。在C#Winform项目中，通过Visual Studio引用这些DLL，可建立网络连接和扫描，界面可展示网络上所有机器人信息，包括IP、系统名、虚拟控制器名等。通过这种方式可与机器人进行交互，实现各种控制和监测功能[13]。程序的运行界面如图5所示。

　　在与ABB Virtual Controller建立通信后，通过Visual Studio程序获取ABB机器人端的变量，可实现机器人电机的启动停止、手/自动模式切换、指针复位、速度调节、程序加载、程序运行调整等功能。

　　2.4电池串排版调整

　　1个光伏组件一般由6组电池串联而成，为确保光伏组件的可靠性和长寿命，无论在何种环境条件下都能保持良好的耐受性。因此电池串与电池串之间的错位需控制在小于或等于1 mm范围内，且排版过程中严禁正负极混淆的情况发生。本文通过Visual Studio开发的上位机软件可实现对电池串整体布局统一调整的功能，以及对电池串每个单串也都具有调整功能，排版调整软件界面如图6所示。系统还可根据电池串组件产品型号尺寸不同来调整排版整体布局，适用于多种不同场景，具有一定的可扩展性，产品选择界面如图7所示。

　　2.5 I/O设置与变量点位修改

　　在工业机器人的操作中，记录最为重要的数据主要是各种I/O信号和工作点位[14]。因此在光伏电池组件排版系统的上位机开发过程中，需实现对系统I/O信号以及关键点位/点数组的空间姿态数据进行读写和修改功能。在后续的调试过程中，操作人员能够通过上位机软件进行简单直观的远程操作和修改，以实现对点位的精密调整，而省去了使用示教器等工具的麻烦。图8所示为系统I/O信号读取和设置界面。

　　在ABB机器人中，负责记录点位数据的结构体是robtarget，除了运动点位robtarget之外，ABB工业机器人还记录了bool、num、ExtJoint等多种类型的变量数据，这些数据也需要被操作人员读取和分析。普通操作工人在日常工作中使用点位数据读写界面能够满足工作需求，但对于程序调试和后期维护而言，需要更多辅助操作的数据。因此在设计界面时实现了多类数据读取功能，包括pose、CCDdate、string、tooldata、ExtJoint等，图9所示为系统变量修改界面，图10所示为点位数值修改界面。

　　3仿真与实测验证

　　3.1虚拟仿真验证

　　对于上文中设计的机器人光伏电池组件排版工作站，为了验证机器人程序的可用性及正确性，需要通过虚拟仿真来实现检验[15]。将研究设计的排版机器人工作程序输入到RobotStudio虚拟控制器中进行虚拟仿真，一可以通过虚拟仿真检验所开发程序的正确性；二可以避免真实机器人工作时错误的发生；三可以减少实际机器人进行现场编程时占用生产现场、影响机器人现场工作效率。图11所示为虚拟工作站中排版机器人的运行过程。

　　图12所示为通过示教器调整点位数据与通过本文开发的上位机系统操作对比图，可以看到传统示教器需要多步操作以及多次进入更底层子界面才能实现调整，而通过上位机系统只需点击界面后输入即可完成操作。并且示教器无法在同一界面中同时显示机器人的各种数据，例如点位数据、I/O设置、电机状态及运行日志，这些都可以在上位机系统中更为直观地展现出来，有利于操作人员进行监控与操作。

　　3.2实测验证

　　利用基于IRB 1300型号的ABB机器人平台对上述工作站运行与上位机系统调试进行实测仿真。由于光伏电池板极易碎且实际操作需要在严格的无尘环境下进行，使用直径为3 cm的圆形工件代替光伏电池组件进行排版操作，运用上文所开发的上位机系统对ABB机器人进行连接控制，检验程序可行后方可投入实际生产，运行过程如图13所示。

　　经实测上位机系统可通过网络线连接实现对机器人的控制，利用工件模拟执行了光伏电池组件排版全流程。比起传统示教器，该系统不仅可以更为直观地监控和修改机器人的数据及状态，其操控界面对于操作人员来说更加容易上手。通过这种简化的指令输入方式，操作人员可根据具体的任务需求在上位机系统进行定制化操作。如在实际操作中发现需要调整，可通过上位机系统中直观简化过的模块进行调整，无需通过示教器操作，更无需深入了解底层系统逻辑，并且在实际生产中还可根据产品的不同尺寸灵活调整排版布局。

　　4结束语

　　本文以光伏电池组件排版作业为研究重点，利用ABB公司的RobotStudio软件构建了光伏电池组件排版机器人工作站虚拟仿真。采用Visual Studio 2022作为开发环境，借助ABB机器人和PCSDK二次开发工具包设计了功能全面、操作简便的上位机系统，仿真与实测验证了系统可行性与可扩展性。

　　本文研究的光伏电池组件排版工作站为实际生产中排版机器人的轨迹规划、调试和优化提供了理论和方法支持。开发的光伏电池组件智能排版系统不仅可以针对不同电池组件型号自由调整排版布局，支持适配多种型号机器人，在各种生产线实际应用中具备可扩展性。相比于传统示教器操作，还降低了工程技术人员操作机器人的难度，实现了数据可视化处理和安全操作。

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