分離式AGV系統在太陽能電池車間的設計應用

廖源泉，謝振勇

(湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

AGV是實現柔性制造、裝配及自動化物流的關鍵設備之一，近幾年來，隨著各國智能制造政策的不斷實施，促進了AGV產業的快速發展。目前，AGV系統廣泛應用于各個行業之中，比如物流行業、新能源行業、汽車行業、制藥行業等等。隨著幾十年的發展，AGV系統在結構、調度、導航方式等方面的發展更加趨近各行各業的需求，在穩定性、靈活性、安全性、智能化方面的優勢越加凸顯[1]。

截至2020 年底，我國光伏發電累計裝機約253 GW，新增裝機48.2 GW，連續七年全球領先[2]，其中絕大部分太陽能電池生產車間處于半自動化狀態，生產過程中大部分搬運工作由人工完成，具備完整的自動化生產能力的廠家屈指可數[3]。AGV作為人工勞動者最重要的替代品，具備成本低、生產穩定、效率高和便于管理的優勢，因此AGV在光伏行業中的應用是必然的趨勢。本文以某太陽能電池車間為例，設計一套分離式AGV系統，提升車間整體自動化生產水平。

1 車間介紹

太陽能單晶perc電池生產工藝流程有硅片上料機、制絨、擴散、激光SE、刻蝕、退火、背鈍化、正面鍍膜、激光開槽、絲網印刷、燒結、分選等，其中激光開槽到分選工藝已經實現自動化生產，無需增加AGV系統。整個電池車間設備布局按照工藝流程從前到后依次布置，如圖1所示。

圖1 電池車間設備布局圖

車間按照花籃流轉分為兩個循環路線，從制絨上料到刻蝕上料為一個循環；從刻蝕下料到激光開槽為一個循環，兩個循環的花籃不可共用。花籃進出方式如下：(1)制絨上料機下層進空花籃；(2)制絨下料機上層出滿花籃；(3)擴散上層進滿花籃，下層出滿花籃；(4)激光SE下進下出滿花籃；(5)刻蝕下層進滿花籃，上層出空花籃；(6)刻蝕下料上層進空花籃，下層出滿花籃；(7)退火下進下出滿花籃；(8)瑪雅下進下出滿花籃；(9)正膜PECVD下進下出滿花籃；(10)激光開槽下層進滿花籃，上層出空花籃。花籃循環及流轉示意圖如圖2所示。

圖2 花籃流轉及循環示意圖

目前，車間生產靠人工進行硅片上下料和花籃搬運工作，重復性的耗體力工作導致員工工作積極性不高，致使生產過程中存在以下幾點影響：(1)各工序之間生產銜接性降低；(2)車間整體產能達不到最佳效果；(3)碎片率增高；(4)產品質量不穩定；(5)增加公司人力成本和管理成本的支出。

2 分離式AGV系統設計

為解決上述問題，結合行業實踐的相關經驗，設計了一套分離式AGV系統，代替人工上下料，實現從制絨到絲網印刷整線全自動化生產。分離式AGV的設計提高了對AGV的使用效率，減少了AGV運行過程中因花籃傳輸導致的等待時間，降低了企業的成本投入，具有一定的創新性。分離式AGV系統主要由AGV機身本體、移動貨架、電耦合機構三部分組成。

2.1 AGV本體設計

考慮AGV搬運物體的重量、體積和搬運形式，AGV本體設計有頂升裝置和旋轉裝置，方便AGV搬運物體和行駛。由于AGV工作時處于貨架的下方，視線受到影響，為避免AGV在行駛過程中發生碰撞，在AGV四周設計有激光傳感器，使AGV具備自主避障功能，起到安全保護作用。AGV本體設計如圖3所示，AGV參數設計如表1所示。

圖3 AGV本體圖

表1 AGV基本參數

2.2 AGV導航方式

AGV常用的導航方式有電磁導航、磁條導航、二維碼導航、激光導航、視覺導航等[4-7]。結合車間地面環境、定位精度、技術成熟度等因素，本設計采用激光SLAM導航方式，它定位精確，無需增加定位設施，柔性高，維護簡單。

2.3 移動貨架

移動貨架分上下兩層雙軌道，單條傳輸軌道可裝載5個花籃，總容量為20個花籃；貨架底部預留AGV對接接口；貨架軌道中心距326 mm，下層線體皮帶離地面高度450 mm，上層線體皮帶離地面1160 mm。

移動貨架設計如圖4所示，貨架每層都設計有花籃防傾倒裝置，防止貨架運輸過程中遇到緊急情況導致摔籃；皮帶輸送線上帶有電機，當與耦合機構對接時，電極接觸，給貨架供電；貨架底部裝有定位銷和二維碼，與AGV托盤上的銷孔配合，起到固定貨架的作用，通過識別二維碼記錄當前貨架編號；貨架底部設計有滾輪，方便二次定位和異常情況處理。

圖4 移動貨架

2.4 電耦合機構

電耦合機構設計如圖5所示，主要由機架、電柜、拉緊裝置、定位裝置、耦合電極等部分組成，它安裝在自動化設備的上下料口處，起到橋梁作用，為移動貨架傳輸線提供動力，實現花籃的傳輸。它的工作流程為：帶有移動貨架的AGV行駛到下料位，AGV放下貨架后駛離，此時，拉緊氣缸工作，通過單向掛鉤將貨架拉至與V型定位槽契合，耦合電極接觸，給貨架供電帶動皮帶轉動，開始花籃的傳輸。相對齒輪嚙合機構來說，電耦合機構有以下幾個特點：加工、安裝、調試簡單；運行穩定無噪音；使用壽命更長。

圖5 電耦合機構

2.5 AGV對接流程

AGV收到任務后，通過內部程序計算找到最近的空貨架，運行到貨架下方，通過舉升旋轉等動作，把貨架搬運到自動化上下料處的二維碼上方，放下貨架，AGV駛離，接駁機構上的拉緊氣缸動作，將貨架拉至對接，并給貨架供電，貨架上的輸送線開始動作，花籃傳輸至貨架上，花籃傳輸完成后，接駁機構上的拉緊氣缸工作，釋放拉緊裝置，AGV將裝滿花籃的貨架搬運至下一個工藝進行上料。AGV系統對接示意圖如圖6所示。

圖6 AGV對接示意圖

2.6 AGV路徑規劃

AGV系統可獨立運行，具備與MES系統對接功能，可由MES端直接調度AGV。為提高AGV使用率和調度系統的穩定性，并結合車間生產花籃流轉規則，將AGV分兩個循環區域進行單獨調度，從制絨上料機到刻蝕上料機為一個循環；從刻蝕下料機到激光開槽為一個循環。AGV循環路徑示意圖如圖7所示。

圖7 AGV循環路徑示意圖

2.7 AGV數量計算

引入AGV的最終目的是為了企業降本增效，AGV數量的多少決定了項目的成敗，數量多了會增加成本投入，數量少了會導致車間生產產能不匹配進而影響生產效率。目前AGV數量計算沒有統一的標準化計算軟件，主要依靠實際項目經驗，綜合考慮車間產能、配置、路徑規劃、緩存需求、車間空間大小、定位方式、對接方式等因素。

車間按照每小時最大產能18000片(180個花籃)計算。AGV理論數量計算公式：

式中，t1：AGV行駛時間；t2：對接時間；t3：交通管制時間。

已知AGV對接一次的時間45 s，行駛速度0.5 m/s，路徑循環1需要對接12次，路徑循環2需要對接14次，計算方法及結果如表2所示。由表中結果可知，AGV理論需求數量為19臺，考慮到AGV工作中需要充電及其他因素，循環1增加充電備用AGV2臺，循環2增加充電備用AGV2臺，因此，整個車間一共需要AGV數量為23臺。

表2 AGV理論需求數量計算表

3 改造后車間配置

結合上述AGV系統設計方案，增加分離式AGV后的電池車間新增配置如表3所示。其中，電耦合機構數量是根據各工藝上下料口數量得到；貨架數量按照耦合機構的1.5倍配用，其中部分貨架可作為緩存使用；機器人分別用于擴散自動化、激光SE、退火自動化、激光開槽出上下料；固定架的目的是對接AGV和機器人上下料；目前制絨下料無法匹配AGV直接對接，因此需要增加兩臺制絨下料自動化設備；為匹配分離式AGV系統，車間自動化設備需要做細微調整，以滿足對接需求和信號交互。

表3 改造后車間新增配置表

4 總結

隨著光伏行業的迅速發展，自動化程度需求不斷提高，AGV系統的應用勢在必行。本文在某太陽能電池生產車間基礎上，設計了一套分離式AGV系統，在AGV本體設計、電耦合機構設計、移動貨架設計、導航方式、AGV數量計算、路徑規劃、配置需求等方面做了簡要闡述，分析了分離式AGV系統應用的優勢。此設計可為企業減少人力成本投入、提高自動化生產水平和產品質量提供參考，提升企業的市場競爭力。