基于光學測量技術的車身表面質(zhì)量評價

趙吉琛，趙曉龍 Zhao Jichen， Zhao Xiaolong

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基于光學測量技術的車身表面質(zhì)量評價

趙吉琛1，趙曉龍2Zhao Jichen1， Zhao Xiaolong2

（1. 上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2. 上汽大眾（新疆）汽車有限公司，新疆 烏魯木齊 830006）

汽車制造的競爭激烈，科技的發(fā)展及用戶挑剔的眼光使得各大車企需要精益求精、不斷創(chuàng)新才能贏得市場。車身表面質(zhì)量的控制與優(yōu)化，作為汽車制造的難點，一直在被探索和研究，尤其是在實際生產(chǎn)中如何量化表面缺陷，并有針對性地優(yōu)化控制。光學測量作為現(xiàn)代制造業(yè)的主要技術，已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)制造過程質(zhì)量的監(jiān)控。利用白光測量技術的特點，監(jiān)控車頂表面質(zhì)量狀態(tài)，將其量化并與表面質(zhì)量工程師評價作對比，探索光學測量量化車頂表面鈑金波浪的可行性。

車輛制造；表面質(zhì)量；白光測量；量化

0 引 言

車身是汽車的重要組成部分，由板殼類工件和梁類工件構成，其中板殼類工件基本是通過沖壓工序?qū)崿F(xiàn)。由于車身覆蓋件具有形狀復雜，尺寸結構相對較大，表面質(zhì)量等級要求高的特點，在生產(chǎn)過程中難免會出現(xiàn)偏差缺陷[1]。若這些偏差缺陷不能夠被及時地檢測出來，經(jīng)過涂裝之后，會被明顯看出，對車身表面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。鈑金波浪作為車身覆蓋沖壓件的主要缺陷形式，是汽車覆蓋件表面質(zhì)量的世界性難題，其涉及到?jīng)_壓件形狀、模具結構、模具制造工藝及模具制造質(zhì)量等多方面問題,并且對其檢測也是所有汽車制造行業(yè)面臨的一大難題。因此，通過白光測量機測量鈑金波浪試驗來驗證光學測量量化表面缺陷的可行性對車身表面質(zhì)量評價很有意義。

1 車身覆蓋件表面檢查現(xiàn)狀分析

目前，各汽車制造廠商為獲得競爭優(yōu)勢，針對車身覆蓋件制造質(zhì)量提出更為嚴格的要求與檢測標準。覆蓋件表面偏差的量化與優(yōu)化仍處于瓶頸，其難點主要在于傳統(tǒng)的檢測方法過度依賴檢測人員的主觀評價與技術水平，檢測結果存在一定的誤差，沒有能夠?qū)ζ溥M行量化評價的標準。首先，現(xiàn)有的檢測方法無法實現(xiàn)偏差的量化檢測，不能對模具的開發(fā)形成指導作用；其次，在焊接過程中，工裝夾具、人工操作也會對表面質(zhì)量產(chǎn)生影響；如果這些潛在的表面質(zhì)量問題未被及時地檢測出來，會在涂裝工序形成更為明顯的表面缺陷，造成不必要的損失。因此，如果能夠有效準確地量化偏差，實時檢測監(jiān)控，產(chǎn)品的合格率會有很大的提升，同時也能降低生產(chǎn)制造的成本。

1.1 手感評價

手感評價是比較直觀和快捷的檢查方式，對于明顯的表面缺陷，專業(yè)技術人員可以很快判斷出來，但是這種方法不能將缺陷偏差量化，不能進行客觀檢測，其準確性主要取決于質(zhì)檢操作人員的專業(yè)技術能力，具有較強的主觀性。

1.2 油石打磨

油石打磨檢測原理是用油石在被檢測的覆蓋件表面橫向或縱向輕輕滑擦，覆蓋件表面的凹凸特征會變得較為明顯，凸起區(qū)域較亮，凹陷區(qū)域則較暗，用這樣的特征判定表面質(zhì)量。但這種方法也是人為打磨，結果會因檢查人員操作的力度、方法及打磨方向的差異而不同，并且也無法得到具體的偏差量。

1.3 利用光的反射

反射光具有敏感性，即針對表面形狀波動，可以判斷出表面質(zhì)量，但是此種方法局限性較大，首先要有足夠強度的光源；其次對檢測人員的判斷要求較高，且此方式只適用于涂裝后的車身評價，因為涂裝后車身表面光亮，在強光下較易辨別明顯缺陷，但此時發(fā)現(xiàn)缺陷已經(jīng)太晚，且需要大量投資場地和設備；再次，這種方法依舊靠人的主觀因素來評價，不能將缺陷量化從而為監(jiān)控和改善提供可靠的依據(jù)。

對此，國內(nèi)外研究機構也在不斷地進行探索，也發(fā)明出了能夠?qū)ｉT檢測車身表面鈑金波浪的設備，但是由于造價昂貴，場地及環(huán)境投資成本較高，所以暫時無法被廣泛應用在汽車制造行業(yè)；因此，隨著光學測量技術的不斷成熟和廣泛應用，提出使用白光測量機來檢測車身覆蓋件表面質(zhì)量的建議。

2 白光測量技術的特點[2]

光學測量是非接觸式測量中應用最廣泛的方法，根據(jù)測量原理的不同，可以分為結構光照法、光學三角形法、激光測距法、干涉測量法和圖像分析法。白光測量的原理就是結構光照法的原理，使用德國GOM公司的ATOS三維光學測量系統(tǒng)[3]。它采用結構光源，發(fā)出一定結構光，利用矩形格柵投影來實現(xiàn)對物體的測量，原理如圖1所示。

2.1 適用性廣泛

對于白光測量的適用性，主要體現(xiàn)在：對設備所在的環(huán)境要求低，白光測量機可在車間現(xiàn)場環(huán)境中應用，工作溫度要求5～40 ℃，對周邊環(huán)境的溫度梯度無特殊要求；測量范圍廣，可測零件的曲面偏差，特征線與邊緣位置及截面等。

2.2 測量效率高

通過與三坐標測量的試驗對比，在測量剛性較好的小零件時，白光所用的時間要明顯少于三坐標測量的時間。對于被測工件表面的數(shù)值獲取，白光測量機在拍照之后就可以獲取面上任意點的數(shù)據(jù)，而三坐標測量則需要無數(shù)次的打點接觸才能獲得數(shù)據(jù)。

2.3 測量結果簡潔易懂

白光測量偏差輸出結果以顏色的梯度顯示和數(shù)值輸出構成，如圖2所示，后蓋鉸鏈連接加強板（圈出區(qū)域）。無論是對于報告制作者還是閱讀者，都一目了然，對于生產(chǎn)過程中常規(guī)監(jiān)測的零件，不但能夠提高測量效率，而且能夠促進質(zhì)量分析工作的快速進行。

3 白光測量車頂天窗試驗

車頂作為車身覆蓋的大件，影響其表面質(zhì)量的因素有沖壓過程、焊接過程以及涂裝過程，在日常生產(chǎn)中，車頂表面質(zhì)量的缺陷頻次比較高；因此，選擇車頂天窗作為試驗的對象。

3.1 試驗目的

在實際生產(chǎn)過程中，車頂表面質(zhì)量的偏差來自于各個環(huán)節(jié)，為了盡早發(fā)現(xiàn)問題，避免缺陷產(chǎn)品流入下道程序，選擇涂裝前的車頂天窗總成進行測量，將測量結果與質(zhì)檢工程師的檢測結果比較。充分發(fā)揮白光測量的作用，將缺陷量化，對車頂表面質(zhì)量起到實時有效的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題，提前預警，并且通過后期定期監(jiān)控測量積累數(shù)據(jù)，對表面質(zhì)量問題評判及優(yōu)化改善起到指導作用。

3.2 試驗方法

在生產(chǎn)線上隨機挑選5套車頂天窗總成，讓質(zhì)檢工程師通過手感和油石打磨的形式去檢查車頂表面質(zhì)量并做好標識。

白光測量師對其進行白光測量。在實際生產(chǎn)過程中，車頂表面質(zhì)量的缺陷主要出現(xiàn)在天窗區(qū)域附近，在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)測量車頂天窗總成使用的是定制的支架，而在整車上測量時無法共用同樣的RPS（Reference Point System，定位點系統(tǒng)）點擬合，這樣會導致評價標準不統(tǒng)一。為保證測量的準確性與一致性，選擇在車頂天窗附近構建RPS點，擬合并評價[4]即只在缺陷范圍內(nèi)構建RPS來擬合評價，如圖3所示，這樣不僅減少了軟件在擬合計算時的誤差，而且使得任何人在測量與評價時都能共用同樣的標準和數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結論

試驗隨機選取5個車頂總成進行質(zhì)量工程師的手感評價、油石打磨檢查及白光測量。結果表明：在實際生產(chǎn)線上，手感評價是最快速的檢查方式，但其敏感度差，個人主觀能力較強，只能檢查出較為明顯的表面質(zhì)量缺陷；而油石打磨檢查，由于生產(chǎn)量大，考慮到時間和員工的工作量，每個零件的油石打磨時間約為20 min，在實際生產(chǎn)中無法保證每個表面零件都經(jīng)過油石打磨檢查，且打磨手法不同也會影響評價結果的準確性，但其敏感性較好；白光測量，在RPS確定及統(tǒng)一的前提下，每個車頂?shù)臏y量時間是15 min。

通過油石打磨檢查與白光測量發(fā)現(xiàn)，白光測量車頂表面質(zhì)量的方法是可行的，如圖4和圖5所示。

1）白光測量與油石打磨所呈現(xiàn)出來的基本一致，但是更客觀實際地反映出缺陷狀態(tài)，不受人為因素的影響；

2）不但可以直觀看出缺陷的位置，還能獲取缺陷位置所在區(qū)域的數(shù)值；

3）測量時間更短，敏感度更佳；

4）能客觀地去量化和評價缺陷。但設備價格較為昂貴，無法實現(xiàn)生產(chǎn)線的全覆蓋和自動在線測量。

由于試驗選擇的是同一批次的零件，所以5個車頂?shù)挠褪蚰ソY果基本一致，而白光測量的結果與涂裝之后呈現(xiàn)出來的天窗附近的表面缺陷情況對比，發(fā)現(xiàn)不但能檢測出油石打磨區(qū)域的缺陷，也能檢測出油石未能檢測到的微小缺陷及相同缺陷位置的微弱變化，如圖6所示，5組數(shù)據(jù)分別對應的是天窗區(qū)域相同位置的測量值，圖5所示的測量數(shù)據(jù)中，顏色最深區(qū)域的測量值為-0.6 mm左右，與圖4中油石打磨所示的缺陷一致。

4 結論及展望

1）在手感評價與油石打磨檢查車身表面質(zhì)量的基礎上進一步探索光學測量車頂表面質(zhì)量的方法是可行的，能夠客觀地去量化和評價缺陷，為沖壓模具的優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2）較油石打磨檢查，白光測量對于缺陷的檢測更加敏感，能精確的監(jiān)控缺陷產(chǎn)品，防止流入下道程序。

3）目前，對于中、低端汽車制造廠，白光自動在線測量監(jiān)控車身表面質(zhì)量雖暫時無法實現(xiàn)，但是隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展與科技的不斷創(chuàng)新，其必然會成為汽車制造過程的重要工具。

[1]王志勇. 車門外板表面偏差檢測方法研究[D]. 長春：吉林大學，2015.

[2]黃萃蔚. 白光測量技術在車身批量測量中的應用[J].上海汽車，2009（12）：32-34.

[3]蘇發(fā). 提高ATOS系統(tǒng)在反求設計中測量精度的研究[D]. 阜新：遼寧工程技術大學，2007.

[4]趙吉琛，陳昌明. 轎車車身沖壓件RPS點分布合理性的分析[J]. 北京汽車，2011（6）：37-39.

2016-12-2

1002-4581（2017）02-0028-04

U466

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.007