LNG船用聚氨酯绝缘箱箱体装配精度及质量控制关键技术

张 悦，周春立，孔 谅，冯炜杰，金 鑫，华学明

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240；2.上海宝业机电科技有限公司，上海 201900）

0 引言

增强型聚氨脂绝缘箱是大型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船薄膜型NO.96-L03 ＋型液货围护系统中的核心部件，一艘17.4万m的配备有NO.96围护系统的薄膜型LNG船需要约20000只NO.96-L03 ＋系列的增强型聚氨脂标准绝缘箱。增强型聚氨脂标准绝缘箱具有高度标准化、高度车间预制化、工序复杂和制造精度高等特点，提高其生产效率和制造精度是建造LNG船的关键。

聚氨脂绝缘箱由多块层数不同的胶合板与聚氨酯胶接装配而成，经过一定压力和时间的压合、无压力条件下的时效固化和数控加工等过程。目前，韩国Hankuk Carbon、Dongsung Finetec、Kangrim Insulation 和英国Cannon Viking等公司制造增强型聚氨脂标准绝缘箱采用的工艺方法是：胶合板或聚氨酯泡沫板经自动涂胶之后，通过人工或半自动吊具逐层叠加码放到相应的装配台上装配，装配之后大多采用手工校正的方式对箱体的外形和尺寸进行控制。人工装配和校正的制造方法存在劳动强度大和生产效率低等问题，同时易出现各层之间错边等现象，且一旦出现错边现象，大多依靠手工或借助简单模具进行修正，制造精度难以得到有效保证。

本文针对国外已有技术存在的不足，结合聚氨酯绝缘箱的特点和技术要求，提出使聚氨酯绝缘箱箱体装配的生产过程稳定、装配精度可控的关键技术和方法。

1 聚氨酯绝缘箱箱体的结构特点和装配流程改进

增强型聚氨酯绝缘箱由聚氨酯板、胶合板和木质夹板等多个部件经涂胶装配组成，典型的箱型包括K1、K2 和K5，其结构见图1。聚氨酯绝缘箱特有的4 块木质夹板（Cleat）处于1 号板与3 号板之间，其与1 ～3 号板都需进行胶接连接。若按常规的直通式涂胶、装配工艺流程，以K1 箱型为例，需分别进行1 ～4 号板的涂胶，并按1 号板、2 号板、4 块木质夹板、3 号板、4 号板和5 号板的顺序叠加装配。由于4 块木质夹板在涂胶、装配之后还需进行张紧固定，造成整个箱体的装配过程受4 块木质夹板的装配的制约，节拍约为420 s／件，严重影响整个箱体的装配效率。

图1 增强型聚氨酯绝缘箱结构示意

本文提出多工位分段装配的聚氨酯绝缘箱装配工艺路线，该方法的工艺流程见图2。对箱型各部件进行重新定义，对聚氨酯绝缘箱中各板材（胶合板和聚氨酯板）的4 个涂胶面进行重新划分，结果见图3。根据装配位置将各板材划分为下层部件（1 号板和2 号板）和上层部件（3 号、4 号和5 号板），与常规方法的区别是：

图2 聚氨酯绝缘箱的装配工艺流程

图3 K1箱型各部件涂胶面示意

1）所有箱型的2号板不涂胶，对K1箱型的上层盖板（5号板）或K2箱型和K5箱型的上层盖板（3号板）进行涂胶之后再装配；

2）所有上层部件在涂胶之后均在装配时进行翻转，随后再进行装配。

对于各板材的4 个涂胶面，其在各部件的分布及装配时各板的过程状态如下：

1）1 号板涂胶之后，涂胶面向上；

2）2 号板不涂胶；

3）3 号板涂胶之后，装配时涂胶面翻转为涂胶面向下，与2 号板贴合；

4）4 号板涂胶之后，装配时涂胶面翻转为涂胶面向下，与3 号板贴合；

5）5 号板涂胶之后，装配时涂胶面翻转为涂胶面向下，与4 号板贴合。

结合图2，本文提出的聚氨酯绝缘箱各部件在涂胶之后的装配顺序如下：

1）按1 号板和2 号板的顺序装配底层部件。

2）将涂胶之后的4 件木质夹板装配到底层部件的相应位置处（2 号板），进行木质夹板的装配。

3）将上层部件按顺序装配到底层部件上，进行上层部件的装配。

（1）对于K1 箱型，按上层胶合板（3 号板）、上层聚氨酯板（4 号板）和顶层胶合板（5 号板）的顺序装配；

（2）对于K2 箱型和K5 箱型，进行上层胶合板（3 号板）的装配。

2 聚氨酯绝缘箱的分流和集流交互式装配系统

聚氨酯绝缘箱的分流和集流交互式装配方法根据绝缘箱零部件的下层部件、上层部件的分类和涂胶面划分，设置2 条并行的自动输送线，并在每条输送线上分别设置多个工位，使各工位能并行同步进行多项装配工作，有效平衡各工序的作业时间，极大地提高装配效率，并降低采用单一直线式布置时因设备发生故障而对整个装配过程的影响。

聚氨酯绝缘箱的分流和集流交互式自动装配系统布置图见图4。自动装配系统由自动涂胶工位、下层部件预装工位、下层部件自动输送及缓存单元、木质夹板及张紧器装配工位、上层部件自动输送及缓存单元、上层部件翻板前预定位工位和上层部件装配及整体校正工位等组成，由上料机器人（R1）、预装机器人（R2）、木质夹板装配机器人（R3）、张紧器装配机器人（R4）和翻板机器人（R5）等多个机器人与各工位之间的协同控制，实现对聚氨酯绝缘箱的高效装配。

图4 聚氨酯绝缘箱的分流和集流交互式装配系统布置图

下面以K1 箱型为例，说明聚氨酯绝缘箱的分流和集流交互式装配过程。

2.1 多工位分段装配的分流方法

聚氨酯绝缘箱的“分流”是指在各板材涂胶之后，由系统按对应的板号自动进行分流控制。

聚氨酯绝缘箱的每个板材由R1 依次按1 号板、3 号板、4 号板和5 号板的顺序分别涂胶之后，由控制系统按对应的板号，由R2 在“预装工位”依次对下层部件的1 号板和2 号板进行叠加预装配，由下层部件自动输送设备到“木质夹板及张紧器装配工位”；木质夹板由R3 自动完成装配之后，由R4 进行张紧器的自动装配；下层部件连同木质夹板和张紧器一同流入“整体装配和校正工位”。

在装配木质夹板和张紧器的同时，3 ～5 号板经上层部件自动输送和缓存单元，依次到达“翻板前预定位工位”。

2.2 整体装配的集流控制

聚氨酯绝缘箱的“集流”是指装配木质夹板之后，在整体装配工位对各部件进行整体装配、精度校正和胶接质量控制。

在“整体装配和校正工位”对下层部件（连同木质夹板和张紧器）进行定位，然后由R5 在“翻板前预定位工位”依次抓取3 ～5 号板，逐块进行翻转，使涂胶面向下，在“整体装配和校正工位”逐层叠加，实现整体装配。

箱体部件全部装配完成之后，“整体装配和校正工位”的校正机构分别对各板材和木质夹板进行整体校正，确保装配精度和胶接质量满足要求。

3 聚氨酯绝缘箱木质夹板的自动装配和精度控制

木质夹板是L03 ＋型聚氨酯绝缘箱特有的部件。每个箱型四角的木质夹板的连接强度和装配精度都有严格要求。木质夹板的张紧工艺为木质夹板与绝缘箱体的板材（胶合板和聚氨酯板）在胶合之后的固化阶段提供胶接固化压力。目前，国外厂商采用的常规方法是：人工装配木质夹板，人工套装由橡胶带制成的张紧器。这种方法极易造成木质夹板与板材（聚氨酯板或胶合板）之间发生错位，对错边的修正也仅通过手工或借助简单的模具完成，制造精度难以得到有效保证。

为弥补常规木质夹板和张紧器在装配和使用上的不足，本文根据木质夹板的结构特点，研发聚氨酯绝缘箱木质夹板的自动装配、张紧装置和张紧工艺。木质夹板经涂胶之后，由R3 上的真空吸盘吸附木质夹板的非涂胶面，在“木质夹板及张紧器装配工位”自动装配到箱体底层部件中2 号板的4 个凹槽位置，见图5。箱体底层2 号板为聚氨酯材质，4 个凹槽由精密数控机床加工而成，每个凹槽的尺寸公差和形位公差的精度控制都符合并优于图纸标注的精度要求。

图5 木质夹板的装配和张紧器的装配

张紧器由4 条弹簧通过金属角架连接而成，弹簧提供木质夹板固化时的压力。经计算和实际应用验证，每条弹簧的预设拉力为200 ～300 N。利用图3b中的木质夹板未涂胶面作为定位基准，在各木质夹板的对应位置处采用浮动式圆柱机构（见图5c），使张紧器的4 个圆柱面与木质夹板准确贴合，木质夹板由R3 自动装配，其装配精度由箱体2 号板的凹槽加工精度和张紧器的4 个圆柱面与木质夹板对应位置的贴合情况及弹簧施加的拉力保证，弹簧施加的拉力也为木质夹板提供可靠的固化压力。

为使木质夹板的固化压力更加均匀，并便于上层部件的装配，采用上下双层张紧的工艺方法（见图5b），即下层张紧器在木质夹板装配完成之后装配，上层张紧器在上层部件装配完成之后装配。本文的双层张紧器由R4 分别在“木质夹板及张紧器装配工位”与“整体装配和校正工位”之间自动切换，实现对上层张紧器和下层张紧器的自动装配。

在双层张紧工艺中，各层张紧器的4 个圆柱面还对各板材起限位作用，防止不同层的胶合板或聚氨酯板之间产生相对位移。对于K1箱型，下层张紧器对1号板（胶合板）与2号板（聚氨酯板）之间的相对位置进行限制，上层张紧器对3 号板（胶合板）、4 号板（聚氨酯板）和5 号板（胶合板）之间的相对位置进行限制，从而进一步保证木质夹板与各板材之间的相对位置精度满足要求，为绝缘箱整体装配的精度控制提供工艺基础。

张紧器的存储和输送工装示意见图6，采用多层错排的形式，每个绝缘箱采用的2 套张紧器为1 组，各张紧器组之间采用错排的形式，既便于机器人装配时抓取，避免干涉，又能有效减小整体张紧器储存的空间。

图6 张紧器的存储和输送工装示意

相较于目前国外普遍采用的依靠手工装配和简单模具进行修边的方法，本文所述自动装配的双层张紧器的工艺方法能有效避免错边的产生，保证制造精度可控。

4 聚氨酯绝缘箱整体装配的精度控制

箱体装配的精度控制是指所有部件装配完成之后，对各部件的装配精度进行整体校正。在“整体装配和校正工位”的X向定位校正机构、Y向定位校正机构和夹板校正机构等，对装配之后的绝缘箱的板材和木质夹板进行整体校正。图7 为装配精度整体校正原理示意，沿物流输送方向的X 向定位校正机构和垂直于物流输送方向的Y向定位校正机构同时夹持装配之后的所有板材，各机构上的定位压头形成的轮廓面与箱体的外形尺寸一致，保证X向和Y向的最终装配精度满足要求。在X向和Y向夹持定位的同时，4 套独立的夹板校正机构上的校正压头分别压紧在4 个木质夹板外露表面，并采取多次冲击的压紧动作，进一步确保木质夹板与2 号板可靠贴合，保证该部件胶水的均匀性。

图7 装配精度整体校正原理示意

由于双层张紧器上的圆柱面对各板材起到限位的作用，加上张紧器弹簧的作用力，使得整体校正之后绝缘箱箱体的精度能得到有效控制。表1 为胶水固化之后从200 只箱体中随机抽取20 只进行尺寸精度检测所得结果，最大尺寸偏差为＋0.31 mm（小于0.5 mm），最大错边偏差为0.12 mm（小于0.20 mm），表明通过本文所述张紧器工艺和整体装配精度控制方法，产品装配精度达标率在95.5%以上。相对而言，引进的英国聚氨酯绝缘箱生产线同类产品装配精度的达标率仅为78%。由此可知，本文采用的装配精度控制方法优于引进的方法。

表1 随机抽查样品的尺寸误差

表2 为采用分流和集流交互式装配系统时，各工位节拍分配和总体节拍。对于比较复杂的K1 箱型，整个装配系统出口处的平均生产节拍为195 s／件，极大地提高了聚氨酯绝缘箱的生产效率。

表2 分流和集流交互式装配系统中各工位节拍分配和总体节拍

5 结语

1）本文针对聚氨酯绝缘箱的结构特点，提出了多工位分段装配的聚氨酯绝缘箱装配工艺路线，通过多机器人与各工位专用装备之间的协同控制，实现了对聚氨酯绝缘箱的高效装配；

2）研发了聚氨酯绝缘箱木质夹板的自动张紧装置和张紧工艺，结合箱体装配的整体精度控制方法，不仅保证了产品装配的外形精度，而且提高了聚氨酯绝缘箱木质夹板的胶接强度可靠性；

3）本文提出的聚氨酯绝缘箱的装配精度及质量控制关键技术已在实际生产中得到应用，在生产效率和产品精度方面优于国内外其他常规方法。