趙吉琛，趙曉龍 Zhao Jichen， Zhao Xiaolong

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基于光學(xué)測(cè)量技術(shù)的車身表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

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(diǎn)，一直在被探索和研究，尤其是在實(shí)際生產(chǎn)中如何量化表面缺陷，并有針對(duì)性地優(yōu)化控制。光學(xué)測(cè)量作為現(xiàn)代制造業(yè)的主要技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程質(zhì)量的監(jiān)控。利用白光測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)，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(píng)價(jià)作對(duì)比，探索光學(xué)測(cè)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(cè)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(gòu)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(fù)雜，尺寸結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，表面質(zhì)量等級(jí)要求高的特點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中難免會(huì)出現(xiàn)偏差缺陷[1]。若這些偏差缺陷不能夠被及時(shí)地檢測(cè)出來，經(jīng)過涂裝之后，會(huì)被明顯看出，對(duì)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(jié)構(gòu)、模具制造工藝及模具制造質(zhì)量等多方面問題,并且對(duì)其檢測(cè)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(cè)量機(jī)測(cè)量鈑金波浪試驗(yàn)來驗(yàn)證光學(xué)測(cè)量量化表面缺陷的可行性對(duì)車身表面質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shì)，針對(duì)車身覆蓋件制造質(zhì)量提出更為嚴(yán)格的要求與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。覆蓋件表面偏差的量化與優(yōu)化仍處于瓶頸，其難點(diǎn)主要在于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法過度依賴檢測(cè)人員的主觀評(píng)價(jià)與技術(shù)水平，檢測(cè)結(jié)果存在一定的誤差，沒有能夠?qū)ζ溥M(jìn)行量化評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。首先，現(xiàn)有的檢測(cè)方法無法實(shí)現(xiàn)偏差的量化檢測(cè)，不能對(duì)模具的開發(fā)形成指導(dǎo)作用；其次，在焊接過程中，工裝夾具、人工操作也會(huì)對(duì)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(shí)地檢測(cè)出來，會(huì)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(zhǔn)確地量化偏差，實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控，產(chǎn)品的合格率會(huì)有很大的提升，同時(shí)也能降低生產(chǎn)制造的成本。

1.1 手感評(píng)價(jià)

手感評(píng)價(jià)是比較直觀和快捷的檢查方式，對(duì)于明顯的表面缺陷，專業(yè)技術(shù)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(jìn)行客觀檢測(cè)，其準(zhǔn)確性主要取決于質(zhì)檢操作人員的專業(yè)技術(shù)能力，具有較強(qiáng)的主觀性。

1.2 油石打磨

油石打磨檢測(cè)原理是用油石在被檢測(cè)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(huì)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(jié)果會(huì)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(duì)表面形狀波動(dòng)，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(qiáng)度的光源；其次對(duì)檢測(cè)人員的判斷要求較高，且此方式只適用于涂裝后的車身評(píng)價(jià)，因?yàn)橥垦b后車身表面光亮，在強(qiáng)光下較易辨別明顯缺陷，但此時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷已經(jīng)太晚，且需要大量投資場地和設(shè)備；再次，這種方法依舊靠人的主觀因素來評(píng)價(jià)，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(duì)此，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也在不斷地進(jìn)行探索，也發(fā)明出了能夠?qū)ｉT檢測(cè)車身表面鈑金波浪的設(shè)備，但是由于造價(jià)昂貴，場地及環(huán)境投資成本較高，所以暫時(shí)無法被廣泛應(yīng)用在汽車制造行業(yè)；因此，隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用，提出使用白光測(cè)量機(jī)來檢測(cè)車身覆蓋件表面質(zhì)量的建議。

2 白光測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)[2]

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

2.1 適用性廣泛

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

2.2 測(cè)量效率高

通過與三坐標(biāo)測(cè)量的試驗(yàn)對(duì)比，在測(cè)量剛性較好的小零件時(shí)，白光所用的時(shí)間要明顯少于三坐標(biāo)測(cè)量的時(shí)間。對(duì)于被測(cè)工件表面的數(shù)值獲取，白光測(cè)量機(jī)在拍照之后就可以獲取面上任意點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而三坐標(biāo)測(cè)量則需要無數(shù)次的打點(diǎn)接觸才能獲得數(shù)據(jù)。

2.3 測(cè)量結(jié)果簡潔易懂

白光測(cè)量偏差輸出結(jié)果以顏色的梯度顯示和數(shù)值輸出構(gòu)成，如圖2所示，后蓋鉸鏈連接加強(qiáng)板（圈出區(qū)域）。無論是對(duì)于報(bào)告制作者還是閱讀者，都一目了然，對(duì)于生產(chǎn)過程中常規(guī)監(jiān)測(cè)的零件，不但能夠提高測(cè)量效率，而且能夠促進(jìn)質(zhì)量分析工作的快速進(jìn)行。

3 白光測(cè)量車頂天窗試驗(yàn)

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(yàn)的對(duì)象。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，車頂表面質(zhì)量的偏差來自于各個(gè)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(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與質(zhì)檢工程師的檢測(cè)結(jié)果比較。充分發(fā)揮白光測(cè)量的作用，將缺陷量化，對(duì)車頂表面質(zhì)量起到實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提前預(yù)警，并且通過后期定期監(jiān)控測(cè)量積累數(shù)據(jù)，對(duì)表面質(zhì)量問題評(píng)判及優(yōu)化改善起到指導(dǎo)作用。

3.2 試驗(yàn)方法

在生產(chǎn)線上隨機(jī)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(biāo)識(shí)。

白光測(cè)量師對(duì)其進(jìn)行白光測(cè)量。在實(shí)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(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量車頂天窗總成使用的是定制的支架，而在整車上測(cè)量時(shí)無法共用同樣的RPS（Reference Point System，定位點(diǎn)系統(tǒng)）點(diǎn)擬合，這樣會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與一致性，選擇在車頂天窗附近構(gòu)建RPS點(diǎn)，擬合并評(píng)價(jià)[4]即只在缺陷范圍內(nèi)構(gòu)建RPS來擬合評(píng)價(jià)，如圖3所示，這樣不僅減少了軟件在擬合計(jì)算時(shí)的誤差，而且使得任何人在測(cè)量與評(píng)價(jià)時(shí)都能共用同樣的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)隨機(jī)選取5個(gè)車頂總成進(jìn)行質(zhì)量工程師的手感評(píng)價(jià)、油石打磨檢查及白光測(cè)量。結(jié)果表明：在實(shí)際生產(chǎn)線上，手感評(píng)價(jià)是最快速的檢查方式，但其敏感度差，個(gè)人主觀能力較強(qiáng)，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(shí)間和員工的工作量，每個(gè)零件的油石打磨時(shí)間約為20 min，在實(shí)際生產(chǎn)中無法保證每個(gè)表面零件都經(jīng)過油石打磨檢查，且打磨手法不同也會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但其敏感性較好；白光測(cè)量，在RPS確定及統(tǒng)一的前提下，每個(gè)車頂?shù)臏y(cè)量時(shí)間是15 min。

通過油石打磨檢查與白光測(cè)量發(fā)現(xiàn)，白光測(cè)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(cè)量與油石打磨所呈現(xiàn)出來的基本一致，但是更客觀實(shí)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(cè)量時(shí)間更短，敏感度更佳；

4）能客觀地去量化和評(píng)價(jià)缺陷。但設(shè)備價(jià)格較為昂貴，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的全覆蓋和自動(dòng)在線測(cè)量。

由于試驗(yàn)選擇的是同一批次的零件，所以5個(gè)車頂?shù)挠褪蚰ソY(jié)果基本一致，而白光測(cè)量的結(jié)果與涂裝之后呈現(xiàn)出來的天窗附近的表面缺陷情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不但能檢測(cè)出油石打磨區(qū)域的缺陷，也能檢測(cè)出油石未能檢測(cè)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(duì)應(yīng)的是天窗區(qū)域相同位置的測(cè)量值，圖5所示的測(cè)量數(shù)據(jù)中，顏色最深區(qū)域的測(cè)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(jié)論及展望

1）在手感評(píng)價(jià)與油石打磨檢查車身表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索光學(xué)測(cè)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(píng)價(jià)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(cè)量對(duì)于缺陷的檢測(cè)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(duì)于中、低端汽車制造廠，白光自動(dòng)在線測(cè)量監(jiān)控車身表面質(zhì)量雖暫時(shí)無法實(shí)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(huì)成為汽車制造過程的重要工具。

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[4]趙吉琛，陳昌明. 轎車車身沖壓件RPS點(diǎn)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

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.007