基于三維檢測技術(shù)的汽車沖壓件尺寸自動測量系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U466 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)18-0133-04

Abstract:Thispaperdesignsanautomaticdimensionmeasurementsystem forvehicle stampingpartsbasedon3Ddetection technology.First，anindepthanalysisismadeonthepartsfeaturesandmeasurementrequirements，whichdefinesthebasic systemdesignrequirements.Second，forteautomaticdimensionmeasurementsystemdesign，corrspondinghardwareandsoftware areproposed，andtheframeworkisdesigned.Then，combining3Ddetectionandimageprocesingtechnologiestorealize automaticdimensiondetectionandmeasurement.Finall，experimentsverifythesystem'saccuracyandstability.Resultsshowthe systemhashighprecisionandstability，canquicklyandacuratelymeasuresdimensions，andadaptswelltocomplex-shaped stamping parts.

Keywords:3Ddetectiontechnology；vehiclestampingparts；automaticdimensionmeasurement;systemdesign；bidirectional cascaded network;digital twin

汽車制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著社會對汽車需求的不斷增長，汽車制造業(yè)也面臨著持續(xù)發(fā)展和進步的需求[1。為了滿足市場對汽車產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷提高的需求，汽車制造業(yè)需要不斷推動技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)方式的改進，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提升競爭力。沖壓件作為汽車制造中不可或缺的零部件，其尺寸精度和幾何形狀對汽車的安全性和外觀質(zhì)量有著重要影響2。因此，汽車制造業(yè)對沖壓件尺寸精度的要求越來越高，同時也對尺寸測量的效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)的測量方法存在著測量速度慢、人為誤差大、成本高等問題，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)的需求。因此，開發(fā)一種基于三維檢測技術(shù)的汽車沖壓件尺寸自動測量系統(tǒng)具有重要的實際意義[3]。黃海松等4提出產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生海量的多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)ζ溥M行實時分析和處理，從而獲得更全面、更有價值的信息，為生產(chǎn)設(shè)備提供故障預(yù)測和健康管理服務(wù)。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過構(gòu)建物理設(shè)備與虛擬模型之間的實時映射和同步，為制造業(yè)的智能化、高效化提供有力支持，推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級5。為實現(xiàn)智能化、高效化、數(shù)字化的產(chǎn)品生命周期管理，用數(shù)字孿生技術(shù)融入設(shè)計的自動測量系統(tǒng)中。

1汽車沖壓件尺寸工程

1.1沖壓件在汽車制造中的重要性

沖壓件在汽車制造中的重要性不言而喻，因為它們在汽車產(chǎn)品中起著至關(guān)重要的作用。沖壓件作為汽車構(gòu)成的重要部分，直接影響到汽車的質(zhì)量、安全和外觀。在汽車制造過程中，沖壓件尺寸的精度和穩(wěn)定性對于保證汽車零部件的匹配性和整車的質(zhì)量至關(guān)重要。因此，確保沖壓件尺寸的精準測量和控制，對于汽車制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量都具有非常重要的意義。沖壓件尺寸的測量在傳統(tǒng)的汽車制造工藝中通常需要耗費大量的人力和時間，而且由于人為因素的影響，測量結(jié)果的準確性和一致性無法得到保障[。因此，設(shè)計一種基于三維檢測技術(shù)的汽車沖壓件尺寸自動測量系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1.2 尺寸工程定義

在對產(chǎn)品進行尺寸規(guī)范設(shè)計時，整體上可以分為精準設(shè)計、清晰設(shè)計和精益設(shè)計3個部分。精準設(shè)計可以保證零件的要求和產(chǎn)品的需求相匹配；清晰設(shè)計可以保證圖紙表達清晰，制造工程師、質(zhì)量工程師對圖紙的解讀準確、唯一；精益設(shè)計可以保證產(chǎn)品裝配滿足要求的前提下，盡可能節(jié)約成本，實現(xiàn)零件公差的合理設(shè)計。尺寸工程是實現(xiàn)從產(chǎn)品的設(shè)計到產(chǎn)品最終生產(chǎn)的全過程控制的系統(tǒng)化工程，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計階段之前要對零部件的尺寸信息進行預(yù)先設(shè)定，經(jīng)過零部件一系列的裝配過程，使最終生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足其功能要求。

由圖1可知，尺寸工程涵蓋了概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、樣車試制和投產(chǎn)4個階段。在概念設(shè)計階段主要進行產(chǎn)品尺寸技術(shù)規(guī)范(DimensionsTechnical Speci-fications，DTS)的設(shè)定，將人們的感知質(zhì)量轉(zhuǎn)化成精致的工藝，讓工程師通過技術(shù)語言進行規(guī)范的設(shè)計，做到統(tǒng)一管理和提高工作效率。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段主要是對定位方式以及基準進行選擇，通過對零部件之間的公差進行設(shè)定，生成相應(yīng)的幾何尺寸與公差圖紙，并借助現(xiàn)有的計算機輔助公差分析軟件根據(jù)圖紙信息對特征的公差進行輸入，從而模擬實際裝配過程，在零件的設(shè)計階段及時發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)約了資源和時間。另外還可以根據(jù)分析結(jié)果中對影響DTS設(shè)定的主要因素的公差進行重點調(diào)整，減少盲目追求高精度而造成的成本提高等問題。尺寸控制主要是對尺寸數(shù)據(jù)進行收集和管理，充分利用好實際數(shù)據(jù)，將實際生產(chǎn)中的裝配尺寸數(shù)據(jù)作為經(jīng)驗為之后的產(chǎn)品DTS設(shè)定提供指導(dǎo)。同時還要構(gòu)建測量系統(tǒng)，整個過程中還要進行產(chǎn)品零部件檢具、夾具、模具的同步開發(fā)，直到最終產(chǎn)品進入投產(chǎn)階段結(jié)束8]。

2基于三維檢測的尺寸檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1尺寸檢測性能指標

尺寸規(guī)格一般用內(nèi)徑 × 外徑 × 高度表示，單位為mm 。沖壓件標準尺寸劃分得很細，規(guī)格很多。分析發(fā)現(xiàn)，中、小尺寸規(guī)格沖壓件在實際生產(chǎn)及應(yīng)用中占較大比例。因此本文研究將檢測目標對象放在中、小尺寸（外徑尺寸不大于 40mm )規(guī)格的骨架沖壓件上。基于機器視覺的沖壓件尺寸檢測標準，目前沒有明確，因此根據(jù)人工檢測的標準，制定較人工檢測更為嚴格的精度要求，骨架沖壓件人工尺寸檢測標準、骨架沖壓件的尺寸與公差見表1。由表1可知，中小型尺寸測量使用游標卡尺、千分尺，檢測精度為 0.02mm ，所以基于機器視覺尺寸檢測應(yīng)該達到的精度要求是小于0.02mm 。

2.2 尺寸檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

由檢測標準可以看出，尺寸檢測精度較高，為了提高檢測效率和準確率，實現(xiàn)自動化、智能化檢測，同時方便用戶使用，本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)，如圖2所示，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

其中，硬件系統(tǒng)包括自動上料機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運輸機構(gòu)、圖像采集系統(tǒng)、分離器、分類收集箱和安全警報系統(tǒng)，主要負責自動上料、運輸、圖像采集和分類的執(zhí)行；軟件系統(tǒng)包括人機交互模塊、檢測模塊和通信模塊，人機交互模塊主要負責檢測結(jié)果顯示，檢測參數(shù)設(shè)置，啟?？刂疲瑪?shù)據(jù)管理等，方便用戶監(jiān)測管理監(jiān)測系統(tǒng)，檢測模塊主要負責沖壓件的圖像處理、缺陷檢測和尺寸檢測，是檢測系統(tǒng)的核心模塊，本文將在后續(xù)重點介紹相關(guān)算法的研究，通信模塊主要負責相機采集圖像數(shù)據(jù)和上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以根據(jù)所需功能與模塊一同擴展；控制系統(tǒng)主要包括輸入、控制器和執(zhí)行元件，主要負責狀態(tài)檢測，控制沖壓件檢測系統(tǒng)正常工作，是系統(tǒng)檢測功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.3 尺寸檢測硬件系統(tǒng)

根據(jù)沖壓件檢測性能指標，以及沖壓件的大批量生產(chǎn)方式，設(shè)計了沖壓件尺寸檢測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，包括自動上料機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運輸機構(gòu)、圖像采集系統(tǒng)、分離器、分類收集箱、安全警報系統(tǒng)。步驟為： ① 打開設(shè)備開關(guān)，設(shè)備通電； ② 自動上料。將待檢測的沖壓件倒入震動盤中，按下啟動按鈕，沖壓件經(jīng)震動盤、直振器和輸送導(dǎo)軌進入旋轉(zhuǎn)玻璃圓臺，旋轉(zhuǎn)玻璃圓臺帶動沖壓件進入相機視野范圍； ③ 圖像采集。沖壓件依次通過相機檢測范圍，即側(cè)邊采集相機、下表面采集相機、上表面采集相機檢測范圍，由光電開關(guān)觸發(fā)相機拍照，采集沖壓件側(cè)邊、上表面、下表面圖像，圖像信號傳輸至上位機； ④ 沖壓件檢測。上位機軟件系統(tǒng)對采集到的沖壓件圖像進行檢測，顯示檢測結(jié)果，向下位機輸出檢測結(jié)果的信號； ⑤ 沖壓件分離。下位機依據(jù)上位機檢測結(jié)果信號，控制相應(yīng)分離器動作，沖壓件落入相應(yīng)分離箱中，完成沖壓件檢測工作。

2.4尺寸檢測的數(shù)字孿生

檢測作為產(chǎn)品生命周期管理中的一部分，作為“黑燈工廠\"的其中一個環(huán)節(jié)，為提高檢測系統(tǒng)的可視化，實現(xiàn)數(shù)字化檢測需求，提高檢測質(zhì)量和效率，并實時監(jiān)控檢測過程，預(yù)測設(shè)備故障，優(yōu)化檢測流程，降低生產(chǎn)成本，并實現(xiàn)不同產(chǎn)品檢測和更新迭代。通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬模型實現(xiàn)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測產(chǎn)品的仿真和優(yōu)化，通過虛實交互映射，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)驅(qū)動，將信息反饋給前工序，把數(shù)據(jù)流傳到后工序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲和可追溯。遲盛元等提出利用深度學習技術(shù)，通過對YOLOv5算法進行改進來提高目標檢測的準確率。隨著AI技術(shù)的不斷進步，可提高檢測的質(zhì)量和準確性，實現(xiàn)系統(tǒng)的自我檢測判斷和優(yōu)化決策。

3基于改進BDCN的沖壓件尺寸檢測方法

感知邊緣檢測的雙向級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(BDCN)[是基于VGG16構(gòu)造的圖像對圖像的輕量化邊緣檢測模型，對比一般的多尺度特征運用的圖像金字塔、深層階段提取特征，避免了重復(fù)計算，減少了推理時間。同時采用雙向Loss監(jiān)督方式，使各中間層學習自身合適的尺度。BDCN模型去除了VGG16網(wǎng)絡(luò)的所有全連接層和最后的池化層（Pool)，只保留13個卷積層，對應(yīng)VGG16網(wǎng)絡(luò)的5個階段，各階段與尺度增強模塊(ScaleEnhancementModule，SEM)和 1×1 卷積的結(jié)合，構(gòu)成5個ID塊。

在BDCN中，假設(shè) Y 為邊緣標簽label，根據(jù)標簽中邊緣標簽尺度變化的大小，將 Y 分解為不同尺度的疊加

式中： Y_s 為層尺度的邊緣標簽，

為使每層學習合適的尺度特征，將 Y_s 分解為2個互補的監(jiān)督 Y_s^s2d 和 Y_s^d2s，Y_s^s2d 忽略比 s 層更小的監(jiān)督， Y_s^d2s 忽略比 s 層更大的監(jiān)督， Y_s^s2d 和 Y_s^d2s 的表達式為

式中： s2d 為從淺層到深層的信息傳播； d2s 為從深層到淺層的信息傳播

除去ID塊1得到的特征圖，深層ID塊得到的特征圖經(jīng)過上采樣(Upsample)得到各層的2個邊緣預(yù)測特征圖，分別沿“淺層一深層”、“深層一淺層”兩條路線進行傳播，由得到的結(jié)果計算得到各層的Loss。

得到的各層邊緣預(yù)測特征圖經(jīng)過Concat特征融合，得到最終邊緣預(yù)測特征圖，經(jīng)過 1×1 卷積層，得到的結(jié)果計算Loss。得到11個Loss，分為兩類。一類是 ?_side 即前10個層的輸出計算的Loss;另一類是 ?_fuse ，即融合前10個輸出預(yù)測圖計算得到的Loss。每個Loss使用加權(quán)二元交叉熵（Weighted Binary Cross Entropy，WBCE)，帶調(diào)整正負樣本權(quán)重的Loss。在兩類Loss之間使用2個超參數(shù)權(quán)衡兩類Loss。

4尺寸檢測實驗與結(jié)果分析

尺寸檢測圖如圖3所示。由圖4尺寸檢測誤差分布圖可以看出，油封尺寸檢測誤差均小于 0.02mm 由表2油封尺寸檢測結(jié)果可以看出，尺寸檢測總體平均誤差為 0.013mm ，誤差精度高于人工檢測精度 0.02mm 。經(jīng)測試，人工檢測每個油封的高度、內(nèi)外徑和真圓度尺寸所需時間為 43.5s ，而使用本文油封尺寸檢測方法，平均每個油封檢測時間為1.32s，提高了檢測效率，滿足實時性檢測需求。

5結(jié)論

本文基于三維檢測技術(shù)的汽車沖壓件尺寸自動測量系統(tǒng)設(shè)計具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值，對提高汽車零部件生產(chǎn)的質(zhì)量和效率具有積極意義。通過本研究，將為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的尺寸檢測技術(shù)提供新的思路和方法，推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。后續(xù)將在基于智能制造、數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)、智能算法、機器視覺等進行數(shù)字化、智能化的數(shù)字孿生自動檢測系統(tǒng)的分析和應(yīng)用研究。

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