LNG船用聚氨酯絕緣箱箱體裝配精度及質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)

張 悅，周春立，孔 諒，馮煒杰，金 鑫，華學(xué)明

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.上海寶業(yè)機(jī)電科技有限公司，上海 201900）

0 引言

增強(qiáng)型聚氨脂絕緣箱是大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船薄膜型NO.96-L03 ＋型液貨圍護(hù)系統(tǒng)中的核心部件，一艘17.4萬m的配備有NO.96圍護(hù)系統(tǒng)的薄膜型LNG船需要約20000只NO.96-L03 ＋系列的增強(qiáng)型聚氨脂標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱。增強(qiáng)型聚氨脂標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱具有高度標(biāo)準(zhǔn)化、高度車間預(yù)制化、工序復(fù)雜和制造精度高等特點(diǎn)，提高其生產(chǎn)效率和制造精度是建造LNG船的關(guān)鍵。

聚氨脂絕緣箱由多塊層數(shù)不同的膠合板與聚氨酯膠接裝配而成，經(jīng)過一定壓力和時(shí)間的壓合、無壓力條件下的時(shí)效固化和數(shù)控加工等過程。目前，韓國(guó)Hankuk Carbon、Dongsung Finetec、Kangrim Insulation 和英國(guó)Cannon Viking等公司制造增強(qiáng)型聚氨脂標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱采用的工藝方法是：膠合板或聚氨酯泡沫板經(jīng)自動(dòng)涂膠之后，通過人工或半自動(dòng)吊具逐層疊加碼放到相應(yīng)的裝配臺(tái)上裝配，裝配之后大多采用手工校正的方式對(duì)箱體的外形和尺寸進(jìn)行控制。人工裝配和校正的制造方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大和生產(chǎn)效率低等問題，同時(shí)易出現(xiàn)各層之間錯(cuò)邊等現(xiàn)象，且一旦出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象，大多依靠手工或借助簡(jiǎn)單模具進(jìn)行修正，制造精度難以得到有效保證。

本文針對(duì)國(guó)外已有技術(shù)存在的不足，結(jié)合聚氨酯絕緣箱的特點(diǎn)和技術(shù)要求，提出使聚氨酯絕緣箱箱體裝配的生產(chǎn)過程穩(wěn)定、裝配精度可控的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

1 聚氨酯絕緣箱箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配流程改進(jìn)

增強(qiáng)型聚氨酯絕緣箱由聚氨酯板、膠合板和木質(zhì)夾板等多個(gè)部件經(jīng)涂膠裝配組成，典型的箱型包括K1、K2 和K5，其結(jié)構(gòu)見圖1。聚氨酯絕緣箱特有的4 塊木質(zhì)夾板（Cleat）處于1 號(hào)板與3 號(hào)板之間，其與1 ～3 號(hào)板都需進(jìn)行膠接連接。若按常規(guī)的直通式涂膠、裝配工藝流程，以K1 箱型為例，需分別進(jìn)行1 ～4 號(hào)板的涂膠，并按1 號(hào)板、2 號(hào)板、4 塊木質(zhì)夾板、3 號(hào)板、4 號(hào)板和5 號(hào)板的順序疊加裝配。由于4 塊木質(zhì)夾板在涂膠、裝配之后還需進(jìn)行張緊固定，造成整個(gè)箱體的裝配過程受4 塊木質(zhì)夾板的裝配的制約，節(jié)拍約為420 s／件，嚴(yán)重影響整個(gè)箱體的裝配效率。

圖1 增強(qiáng)型聚氨酯絕緣箱結(jié)構(gòu)示意

本文提出多工位分段裝配的聚氨酯絕緣箱裝配工藝路線，該方法的工藝流程見圖2。對(duì)箱型各部件進(jìn)行重新定義，對(duì)聚氨酯絕緣箱中各板材（膠合板和聚氨酯板）的4 個(gè)涂膠面進(jìn)行重新劃分，結(jié)果見圖3。根據(jù)裝配位置將各板材劃分為下層部件（1 號(hào)板和2 號(hào)板）和上層部件（3 號(hào)、4 號(hào)和5 號(hào)板），與常規(guī)方法的區(qū)別是：

圖2 聚氨酯絕緣箱的裝配工藝流程

圖3 K1箱型各部件涂膠面示意

1）所有箱型的2號(hào)板不涂膠，對(duì)K1箱型的上層蓋板（5號(hào)板）或K2箱型和K5箱型的上層蓋板（3號(hào)板）進(jìn)行涂膠之后再裝配；

2）所有上層部件在涂膠之后均在裝配時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，隨后再進(jìn)行裝配。

對(duì)于各板材的4 個(gè)涂膠面，其在各部件的分布及裝配時(shí)各板的過程狀態(tài)如下：

1）1 號(hào)板涂膠之后，涂膠面向上；

2）2 號(hào)板不涂膠；

3）3 號(hào)板涂膠之后，裝配時(shí)涂膠面翻轉(zhuǎn)為涂膠面向下，與2 號(hào)板貼合；

4）4 號(hào)板涂膠之后，裝配時(shí)涂膠面翻轉(zhuǎn)為涂膠面向下，與3 號(hào)板貼合；

5）5 號(hào)板涂膠之后，裝配時(shí)涂膠面翻轉(zhuǎn)為涂膠面向下，與4 號(hào)板貼合。

結(jié)合圖2，本文提出的聚氨酯絕緣箱各部件在涂膠之后的裝配順序如下：

1）按1 號(hào)板和2 號(hào)板的順序裝配底層部件。

2）將涂膠之后的4 件木質(zhì)夾板裝配到底層部件的相應(yīng)位置處（2 號(hào)板），進(jìn)行木質(zhì)夾板的裝配。

3）將上層部件按順序裝配到底層部件上，進(jìn)行上層部件的裝配。

（1）對(duì)于K1 箱型，按上層膠合板（3 號(hào)板）、上層聚氨酯板（4 號(hào)板）和頂層膠合板（5 號(hào)板）的順序裝配；

（2）對(duì)于K2 箱型和K5 箱型，進(jìn)行上層膠合板（3 號(hào)板）的裝配。

2 聚氨酯絕緣箱的分流和集流交互式裝配系統(tǒng)

聚氨酯絕緣箱的分流和集流交互式裝配方法根據(jù)絕緣箱零部件的下層部件、上層部件的分類和涂膠面劃分，設(shè)置2 條并行的自動(dòng)輸送線，并在每條輸送線上分別設(shè)置多個(gè)工位，使各工位能并行同步進(jìn)行多項(xiàng)裝配工作，有效平衡各工序的作業(yè)時(shí)間，極大地提高裝配效率，并降低采用單一直線式布置時(shí)因設(shè)備發(fā)生故障而對(duì)整個(gè)裝配過程的影響。

聚氨酯絕緣箱的分流和集流交互式自動(dòng)裝配系統(tǒng)布置圖見圖4。自動(dòng)裝配系統(tǒng)由自動(dòng)涂膠工位、下層部件預(yù)裝工位、下層部件自動(dòng)輸送及緩存單元、木質(zhì)夾板及張緊器裝配工位、上層部件自動(dòng)輸送及緩存單元、上層部件翻板前預(yù)定位工位和上層部件裝配及整體校正工位等組成，由上料機(jī)器人（R1）、預(yù)裝機(jī)器人（R2）、木質(zhì)夾板裝配機(jī)器人（R3）、張緊器裝配機(jī)器人（R4）和翻板機(jī)器人（R5）等多個(gè)機(jī)器人與各工位之間的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚氨酯絕緣箱的高效裝配。

圖4 聚氨酯絕緣箱的分流和集流交互式裝配系統(tǒng)布置圖

下面以K1 箱型為例，說明聚氨酯絕緣箱的分流和集流交互式裝配過程。

2.1 多工位分段裝配的分流方法

聚氨酯絕緣箱的“分流”是指在各板材涂膠之后，由系統(tǒng)按對(duì)應(yīng)的板號(hào)自動(dòng)進(jìn)行分流控制。

聚氨酯絕緣箱的每個(gè)板材由R1 依次按1 號(hào)板、3 號(hào)板、4 號(hào)板和5 號(hào)板的順序分別涂膠之后，由控制系統(tǒng)按對(duì)應(yīng)的板號(hào)，由R2 在“預(yù)裝工位”依次對(duì)下層部件的1 號(hào)板和2 號(hào)板進(jìn)行疊加預(yù)裝配，由下層部件自動(dòng)輸送設(shè)備到“木質(zhì)夾板及張緊器裝配工位”；木質(zhì)夾板由R3 自動(dòng)完成裝配之后，由R4 進(jìn)行張緊器的自動(dòng)裝配；下層部件連同木質(zhì)夾板和張緊器一同流入“整體裝配和校正工位”。

在裝配木質(zhì)夾板和張緊器的同時(shí)，3 ～5 號(hào)板經(jīng)上層部件自動(dòng)輸送和緩存單元，依次到達(dá)“翻板前預(yù)定位工位”。

2.2 整體裝配的集流控制

聚氨酯絕緣箱的“集流”是指裝配木質(zhì)夾板之后，在整體裝配工位對(duì)各部件進(jìn)行整體裝配、精度校正和膠接質(zhì)量控制。

在“整體裝配和校正工位”對(duì)下層部件（連同木質(zhì)夾板和張緊器）進(jìn)行定位，然后由R5 在“翻板前預(yù)定位工位”依次抓取3 ～5 號(hào)板，逐塊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使涂膠面向下，在“整體裝配和校正工位”逐層疊加，實(shí)現(xiàn)整體裝配。

箱體部件全部裝配完成之后，“整體裝配和校正工位”的校正機(jī)構(gòu)分別對(duì)各板材和木質(zhì)夾板進(jìn)行整體校正，確保裝配精度和膠接質(zhì)量滿足要求。

3 聚氨酯絕緣箱木質(zhì)夾板的自動(dòng)裝配和精度控制

木質(zhì)夾板是L03 ＋型聚氨酯絕緣箱特有的部件。每個(gè)箱型四角的木質(zhì)夾板的連接強(qiáng)度和裝配精度都有嚴(yán)格要求。木質(zhì)夾板的張緊工藝為木質(zhì)夾板與絕緣箱體的板材（膠合板和聚氨酯板）在膠合之后的固化階段提供膠接固化壓力。目前，國(guó)外廠商采用的常規(guī)方法是：人工裝配木質(zhì)夾板，人工套裝由橡膠帶制成的張緊器。這種方法極易造成木質(zhì)夾板與板材（聚氨酯板或膠合板）之間發(fā)生錯(cuò)位，對(duì)錯(cuò)邊的修正也僅通過手工或借助簡(jiǎn)單的模具完成，制造精度難以得到有效保證。

為彌補(bǔ)常規(guī)木質(zhì)夾板和張緊器在裝配和使用上的不足，本文根據(jù)木質(zhì)夾板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)聚氨酯絕緣箱木質(zhì)夾板的自動(dòng)裝配、張緊裝置和張緊工藝。木質(zhì)夾板經(jīng)涂膠之后，由R3 上的真空吸盤吸附木質(zhì)夾板的非涂膠面，在“木質(zhì)夾板及張緊器裝配工位”自動(dòng)裝配到箱體底層部件中2 號(hào)板的4 個(gè)凹槽位置，見圖5。箱體底層2 號(hào)板為聚氨酯材質(zhì)，4 個(gè)凹槽由精密數(shù)控機(jī)床加工而成，每個(gè)凹槽的尺寸公差和形位公差的精度控制都符合并優(yōu)于圖紙標(biāo)注的精度要求。

圖5 木質(zhì)夾板的裝配和張緊器的裝配

張緊器由4 條彈簧通過金屬角架連接而成，彈簧提供木質(zhì)夾板固化時(shí)的壓力。經(jīng)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，每條彈簧的預(yù)設(shè)拉力為200 ～300 N。利用圖3b中的木質(zhì)夾板未涂膠面作為定位基準(zhǔn)，在各木質(zhì)夾板的對(duì)應(yīng)位置處采用浮動(dòng)式圓柱機(jī)構(gòu)（見圖5c），使張緊器的4 個(gè)圓柱面與木質(zhì)夾板準(zhǔn)確貼合，木質(zhì)夾板由R3 自動(dòng)裝配，其裝配精度由箱體2 號(hào)板的凹槽加工精度和張緊器的4 個(gè)圓柱面與木質(zhì)夾板對(duì)應(yīng)位置的貼合情況及彈簧施加的拉力保證，彈簧施加的拉力也為木質(zhì)夾板提供可靠的固化壓力。

為使木質(zhì)夾板的固化壓力更加均勻，并便于上層部件的裝配，采用上下雙層張緊的工藝方法（見圖5b），即下層張緊器在木質(zhì)夾板裝配完成之后裝配，上層張緊器在上層部件裝配完成之后裝配。本文的雙層張緊器由R4 分別在“木質(zhì)夾板及張緊器裝配工位”與“整體裝配和校正工位”之間自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)上層張緊器和下層張緊器的自動(dòng)裝配。

在雙層張緊工藝中，各層張緊器的4 個(gè)圓柱面還對(duì)各板材起限位作用，防止不同層的膠合板或聚氨酯板之間產(chǎn)生相對(duì)位移。對(duì)于K1箱型，下層張緊器對(duì)1號(hào)板（膠合板）與2號(hào)板（聚氨酯板）之間的相對(duì)位置進(jìn)行限制，上層張緊器對(duì)3 號(hào)板（膠合板）、4 號(hào)板（聚氨酯板）和5 號(hào)板（膠合板）之間的相對(duì)位置進(jìn)行限制，從而進(jìn)一步保證木質(zhì)夾板與各板材之間的相對(duì)位置精度滿足要求，為絕緣箱整體裝配的精度控制提供工藝基礎(chǔ)。

張緊器的存儲(chǔ)和輸送工裝示意見圖6，采用多層錯(cuò)排的形式，每個(gè)絕緣箱采用的2 套張緊器為1 組，各張緊器組之間采用錯(cuò)排的形式，既便于機(jī)器人裝配時(shí)抓取，避免干涉，又能有效減小整體張緊器儲(chǔ)存的空間。

圖6 張緊器的存儲(chǔ)和輸送工裝示意

相較于目前國(guó)外普遍采用的依靠手工裝配和簡(jiǎn)單模具進(jìn)行修邊的方法，本文所述自動(dòng)裝配的雙層張緊器的工藝方法能有效避免錯(cuò)邊的產(chǎn)生，保證制造精度可控。

4 聚氨酯絕緣箱整體裝配的精度控制

箱體裝配的精度控制是指所有部件裝配完成之后，對(duì)各部件的裝配精度進(jìn)行整體校正。在“整體裝配和校正工位”的X向定位校正機(jī)構(gòu)、Y向定位校正機(jī)構(gòu)和夾板校正機(jī)構(gòu)等，對(duì)裝配之后的絕緣箱的板材和木質(zhì)夾板進(jìn)行整體校正。圖7 為裝配精度整體校正原理示意，沿物流輸送方向的X 向定位校正機(jī)構(gòu)和垂直于物流輸送方向的Y向定位校正機(jī)構(gòu)同時(shí)夾持裝配之后的所有板材，各機(jī)構(gòu)上的定位壓頭形成的輪廓面與箱體的外形尺寸一致，保證X向和Y向的最終裝配精度滿足要求。在X向和Y向夾持定位的同時(shí)，4 套獨(dú)立的夾板校正機(jī)構(gòu)上的校正壓頭分別壓緊在4 個(gè)木質(zhì)夾板外露表面，并采取多次沖擊的壓緊動(dòng)作，進(jìn)一步確保木質(zhì)夾板與2 號(hào)板可靠貼合，保證該部件膠水的均勻性。

圖7 裝配精度整體校正原理示意

由于雙層張緊器上的圓柱面對(duì)各板材起到限位的作用，加上張緊器彈簧的作用力，使得整體校正之后絕緣箱箱體的精度能得到有效控制。表1 為膠水固化之后從200 只箱體中隨機(jī)抽取20 只進(jìn)行尺寸精度檢測(cè)所得結(jié)果，最大尺寸偏差為＋0.31 mm（小于0.5 mm），最大錯(cuò)邊偏差為0.12 mm（小于0.20 mm），表明通過本文所述張緊器工藝和整體裝配精度控制方法，產(chǎn)品裝配精度達(dá)標(biāo)率在95.5%以上。相對(duì)而言，引進(jìn)的英國(guó)聚氨酯絕緣箱生產(chǎn)線同類產(chǎn)品裝配精度的達(dá)標(biāo)率僅為78%。由此可知，本文采用的裝配精度控制方法優(yōu)于引進(jìn)的方法。

表1 隨機(jī)抽查樣品的尺寸誤差

表2 為采用分流和集流交互式裝配系統(tǒng)時(shí)，各工位節(jié)拍分配和總體節(jié)拍。對(duì)于比較復(fù)雜的K1 箱型，整個(gè)裝配系統(tǒng)出口處的平均生產(chǎn)節(jié)拍為195 s／件，極大地提高了聚氨酯絕緣箱的生產(chǎn)效率。

表2 分流和集流交互式裝配系統(tǒng)中各工位節(jié)拍分配和總體節(jié)拍

5 結(jié)語

1）本文針對(duì)聚氨酯絕緣箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多工位分段裝配的聚氨酯絕緣箱裝配工藝路線，通過多機(jī)器人與各工位專用裝備之間的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚氨酯絕緣箱的高效裝配；

2）研發(fā)了聚氨酯絕緣箱木質(zhì)夾板的自動(dòng)張緊裝置和張緊工藝，結(jié)合箱體裝配的整體精度控制方法，不僅保證了產(chǎn)品裝配的外形精度，而且提高了聚氨酯絕緣箱木質(zhì)夾板的膠接強(qiáng)度可靠性；

3）本文提出的聚氨酯絕緣箱的裝配精度及質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，在生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度方面優(yōu)于國(guó)內(nèi)外其他常規(guī)方法。