前言

AGV是实现柔性制造、装配及自动化物流的关键设备之一，近几年来，随着各国智能制造政策的不断实施，促进了AGV产业的快速发展。目前，AGV系统广泛应用于各个行业之中，比如物流行业、新能源行业、汽车行业、制药行业等等。随着几十年的发展，AGV系统在结构、调度、导航方式等方面的发展更加趋近各行各业的需求，在稳定性、灵活性、安全性、智能化方面的优势越加凸显。

截至2020年底，我国光伏发电累计装机约253GW，新增装机48.2GW，连续七年全球领先，其中绝大部分太阳能电池生产车间处于半自动化状态，生产过程中大部分搬运工作由人工完成，具备完整的自动化生产能力的厂家屈指可数。AGV作为人工劳动者最重要的替代品，具备成本低、生产稳定、效率高和便于管理的优势，因此AGV在光伏行业中的应用是必然的趋势。本文以某太阳能电池车间为例，设计一套分离式AGV系统，提升车间整体自动化生产水平。

一、车间介绍

太阳能单晶perc电池生产工艺流程有硅片上料机、制绒、扩散、激光SE、刻蚀、退火、背钝化、正面镀膜、激光开槽、丝网印刷、烧结、分选等，其中激光开槽到分选工艺已经实现自动化生产，无需增加系统。整个电池车间设备布局按照工艺流程从前到后依次布置，如图1所示。

图1 电池车间设备布局图

车间按照花篮流转分为两个循环路线，从制绒上料到刻蚀上料为一个循环；从刻蚀下料到激光开槽为一个循环，两个循环的花篮不可共用。花篮进出方式如下：（1）制绒上料机下层进空花篮；（2）制绒下料机上层出满花篮；（3）扩散上层进满花篮，下层出满花篮；（4）激光SE下进下出满花篮；（5）刻蚀下层进满花篮，上层出空花篮；（6）刻蚀下料上层进空花篮，下层出满花篮；（7）退火下进下出满花篮；（8）玛雅下进下出满花篮；（9）正膜PECVD下进下出满花篮；（10）激光开槽下层进满花篮，上层出空花篮。花篮循环及流转示意图如图2所示。

图2 花篮流转及循环示意图

目前，车间生产靠人工进行硅片上下料和花篮搬运工作，重复性的耗体力工作导致员工工作积极性不高，致使生产过程中存在以下几点影响：（１）各工序之间生产衔接性降低；（２）车间整体产能达不到最佳效果；（３）碎片率增高；（４）产品质量不稳定；（５）增加公司人力成本和管理成本的支出。

二、分离式AGV系统设计

为解决上述问题，结合行业实践的相关经验，设计了一套分离式AGV系统，代替人工上下料，实现从制绒到丝网印刷整线全自动化生产。分离式AGV的设计提高了对AGV的使用效率，减少了AGV运行过程中因花篮传输导致的等待时间，降低了企业的成本投入，具有一定的创新性。分离式AGV系统主要由AGV机身本体、移动货架、电耦合机构三部分组成。

2.1 AGV本体设计

考虑AGV搬运物体的重量、体积和搬运形式，AGV本体设计有顶升装置和旋转装置，方便AGV搬运物体和行驶。由于AGV工作时处于货架的下方，视线受到影响，为避免AGV在行驶过程中发生碰撞，在AGV四周设计有激光传感器，使AGV具备自主避障功能，起到安全保护作用。AGV本体设计如图3所示，AGV参数设计如表1所示。

图3 AGV本体图

表1 AGV基本参数

2.2 AGV导航方式

AGV常用的导航方式有电磁导航、磁条导航、二维码导航、激光导航、视觉导航等。结合车间地面环境、定位精度、技术成熟度等因素，本设计采用激光SLAM导航方式，它定位精确，无需增加定位设施，柔性高，维护简单。

2.3 移动货架

移动货架分上下两层双轨道，单条传输轨道可装载5个花篮，总容量为20个花篮；货架底部预留对接接口；货架轨道中心距326ｍｍ，下层线体皮带离地面高度450ｍｍ，上层线体皮带离地面1160ｍｍ。

移动货架设计如图４所示，货架每层都设计有花篮防倾倒装置，防止货架运输过程中遇到紧急情况导致摔篮；皮带输送线上带有电机，当与耦合机构对接时，电极接触，给货架供电；货架底部装有定位销和二维码，AGV与托盘上的销孔配合，起到固定货架的作用，通过识别二维码记录当前货架编号；货架底部设计有滚轮，方便二次定位和异常情况处理。

图4 移动货架

2.4 电耦合机构

电耦合机构设计如图５所示，主要由机架、电柜、拉紧装置、定位装置、耦合电极等部分组成，它安装在自动化设备的上下料口处，起到桥梁作用，为移动货架传输线提供动力，实现花篮的传输。它的工作流程为：带有移动货架的AGV行驶到下料位，AGV放下货架后驶离，此时，拉紧气缸工作，通过单向挂钩将货架拉至与Ｖ型定位槽契合，耦合电极接触，给货架供电带动皮带转动，开始花篮的传输。相对齿轮啮合机构来说，电耦合机构有以下几个特点：加工、安装、调试简单；运行稳定无噪音；使用寿命更长。

图5 电耦合机构

2.5 AGV对接流程

AGV收到任务后，通过内部程序计算找到最近的空货架，运行到货架下方，通过举升旋转等动作，把货架搬运到自动化上下料处的二维码上方，放下货架，AGV驶离，接驳机构上的拉紧气缸动作，将货架拉至对接，并给货架供电，货架上的输送线开始动作，花篮传输至货架上，花篮传输完成后，接驳机构上的拉紧气缸工作，释放拉紧装置，AGV将装满花篮的货架搬运至下一个工艺进行上料。AGV系统对接示意图如图6所示。

图6 AGV对接示意图

2.6 AGV路径规划

AGV系统可独立运行，具备与MES系统对接功能，可由MES端直接调度AGV。为提高AGV使用率和调度系统的稳定性，并结合车间生产花篮流转规则，将AGV分两个循环区域进行单独调度，从制绒上料机到刻蚀上料机为一个循环；从刻蚀下料机到激光开槽为一个循环。AGV循环路径示意图如图7所示。

图7 AGV循环路径示意图

2.7 AGV数量计算

引入的最终目的是为了企业降本增效，AGV数量的多少决定了项目的成败，数量多了会增加成本投入，数量少了会导致车间生产产能不匹配进而影响生产效率。目前AGV数量计算没有统一的标准化计算软件，主要依靠实际项目经验，综合考虑车间产能、配置、路径规划、缓存需求、车间空间大小、定位方式、对接方式等因素。

车间按照每小时最大产能18000片（180个花篮）计算。AGV理论数量计算公式：

式中,t1：AGV行驶时间；t2：对接时间；t3：交通管制时间。

已知AGV对接一次的时间45s，行驶速度0.5m/s，路径循环1需要对接12次，路径循环2需要对接14次，计算方法及结果如表２所示。由表中结果可知，AGV理论需求数量为19台，考虑到AGV工作中需要充电及其他因素，循环１增加充电备用AGV2台，循环２增加充电备用AGV２台，因此，整个车间一共需要AGV数量为23台。

表2 AGV理论需求数量计算表

三、改造后车间配置

结合上述AGV系统设计方案，增加分离式后AGV的电池车间新增配置如表３所示。其中，电耦合机构数量是根据各工艺上下料口数量得到；货架数量按照耦合机构的1.5倍配用，其中部分货架可作为缓存使用；机器人分别用于扩散自动化、激光SE、退火自动化、激光开槽出上下料；固定架的目的是对接AGV和机器人上下料；目前制绒下料无法匹配AGV直接对接，因此需要增加两台制绒下料自动化设备；为匹配分离式AGV系统，车间自动化设备需要做细微调整，以满足对接需求和信号交互。

表3 改造后车间新增配置表

四、总结

随着光伏行业的迅速发展，自动化程度需求不断提高，AGV系统的应用势在必行。本文在某太阳能电池生产车间基础上，设计了一套分离式AGV系统，在AGV本体设计、电耦合机构设计、移动货架设计、导航方式、AGV数量计算、路径规划、配置需求等方面做了简要阐述，分析了分离式AGV系统应用的优势。此设计可为企业减少人力成本投入、提高自动化生产水平和产品质量提供参考，提升企业的市场竞争力。

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作者:湖南红太阳光电科技有限公司廖源泉/谢振勇

来源:<<现代机械>>

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