馬時寅 葉振宇 陳康/上汽大眾汽車有限公司寧波分公司

0 引言

隨著機動車制造自動化率的比重不斷提高，各大汽車企業(yè)都在向著數(shù)字化制造邁進，而表面檢驗還很大程度依賴于人工來完成。在汽車廠，外覆蓋件的表面質(zhì)量檢驗，通常由專業(yè)人員通過眼觀、手摸、油石打磨等一系列檢驗流程來完成。而人的個體差異，導(dǎo)致檢驗的標(biāo)準(zhǔn)無法做到完全的統(tǒng)一。為保證檢驗偏差的一致性，需花費大量的時間、財力、物力對人員進行培訓(xùn)對標(biāo)。對于零件本身，表面檢驗的量化一直是困擾企業(yè)的一個難題。

隨著機器自動化，人工智能時代的到來，傳統(tǒng)的人工檢驗外覆蓋件的表面質(zhì)量的方式也將迎來變革。零件的在線自動化實時檢測、識別、分析等在線技術(shù)將逐漸成為主流汽車廠研究和探索的方向。

現(xiàn)在白光測量技術(shù)已經(jīng)很成熟，在機動車制造領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。例如零件特征線R角數(shù)值的測量，零件型面的尺寸測量，存在匹配關(guān)系的輪廓測量等。又因其便攜性，也常用于機動車模具的型面測量。而利用白光測量技術(shù)對外覆蓋件的表面質(zhì)量檢驗還沒有太多的涉足。

本研究對象正是基于上述白光測量設(shè)備的功能，對機動車車身表面質(zhì)量進行檢測，實現(xiàn)了診斷出車身存在的表面質(zhì)量問題。其中涉及了對CAD數(shù)據(jù)的優(yōu)化，型面特征分析，曲線構(gòu)建等應(yīng)用實例來闡述和解決問題。

1 白光測量設(shè)備工作原理

ATOS白光測量設(shè)備來自于德國GOM公司，是一款高精度、非接觸式的光學(xué)測量設(shè)備，它適用于成型部件幾何形狀的全場型面數(shù)字化處理。該設(shè)備采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助兩個高分辨力CCD數(shù)碼相機對光柵干涉條紋進行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理，以投影技術(shù)為基礎(chǔ)進行圖像采集，可在1～2 s內(nèi)獲得任何復(fù)雜表面多達(dá)400萬的高精度密集點云(點距0.03～1 mm)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)表面的型面轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格面，可清晰獲得細(xì)小特征，并可方便提取表面特征（圓孔、方孔、邊界線、黑膠帶線等）。白光測量的綜合準(zhǔn)確度＜0.1 mm/m。

2 人工檢驗零件的形式

機動車外覆蓋件的表面質(zhì)量是憑借檢驗人員的目視、手觸、油石打磨等方式來檢驗。

2.1 目檢

在檢驗室，借助專用檢驗燈具的光照，通過雙目檢驗，可直接鑒別出來零件表面存在的裂紋、暗傷、凹坑、劃傷、凸包等缺陷。

2.2 手觸檢驗

使用規(guī)定的、合適的零件觸摸手套有條理地觸摸零件的表面，感覺它的表面狀況。根據(jù)人員的觸感靈敏度，辨別缺陷的程度，進行評價。

2.3 表面研磨

為了能看清楚缺陷，依據(jù)零件的型面狀態(tài)，選用不同規(guī)格的磨石進行打磨。研磨表面的時候必須注意，不能對零件施加附加壓力。表面打磨出來的缺陷，依據(jù)缺陷程度，進行評價。

3 白光檢驗零件的形式

白光檢驗零件的形式，是利用白光設(shè)備配套的ATOS-Professional 2018軟件內(nèi)的表面檢驗功能，導(dǎo)入產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)進行處理分析。目前該功能對表面檢驗的開發(fā)應(yīng)用仍為空白，且存在不少問題。因此，探索白光檢測在表面缺陷的過程，通過對CAD數(shù)據(jù)優(yōu)化處理、表面型面分析、構(gòu)建檢驗曲線等方式實現(xiàn)診斷表面質(zhì)量。以下是應(yīng)用在檢測三種不同零件過程的分析案例。

3.1 后蓋外板下部分析

1）表面特征分析

后蓋外板下部，結(jié)構(gòu)簡單，左右對稱，以特征線分上下兩面。位置人工沿特征線方向油石檢驗，而邊緣由于弧度向上，若存在缺陷，特征線方向檢驗不能檢驗出來，因此，邊緣區(qū)域通常以邊緣輪廓方向油石檢驗。如圖1所示。

圖1 人工檢驗油石方向

2）通過分析結(jié)果采用合理的方案檢驗

由該零件表面特征及人工油石檢驗分析，采用了模擬油石檢驗方式，對零件區(qū)域進行了劃分并構(gòu)建檢驗曲線。白光檢驗上下部平面，構(gòu)建以特征線方向為導(dǎo)向的曲線，邊緣經(jīng)CAD數(shù)據(jù)的處理，提取局部檢測區(qū)域，構(gòu)建以邊緣方向為導(dǎo)向的曲線，曲線長度都為100 mm。如圖2所示。

圖2 后蓋外板下部檢驗方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗結(jié)果是后蓋外板下部左側(cè)特征線下方，存在著顏色與綠色（公差為0）有明顯差別高亮區(qū)域，測量其數(shù)值，高點為+0.08 mm，低點為-0.04 mm，落差有0.12 mm。該區(qū)域有高點且有低點，由此判定檢測零件表面存在波浪缺陷。而人工檢驗的結(jié)果是同樣位置，檢查出外覆蓋件波浪缺陷。如圖3所示。兩者進行對比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗結(jié)果與人工檢驗結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進行數(shù)值測量。

3.2 右后門外板分析

1）表面特征分析

右后門外板，主特征線分上下面，輪圈位置為圓弧型面。人工沿主特征線方向油石檢驗上下面，輪圈圓弧面沿輪圈特征線方向檢驗，邊緣以沿邊緣輪廓方向檢驗。如圖4所示。

圖3 人工、白光檢驗結(jié)果對比

圖4 人工油石檢驗方向

2）通過分析結(jié)果采用合理的方案檢驗

由該零件表面特征及人工油石檢驗分析，采用了模擬油石檢驗方式，對零件區(qū)域進行了劃分并構(gòu)建檢驗曲線。白光檢驗上下部平面，構(gòu)建以特征線為導(dǎo)向的曲線，邊緣經(jīng)CAD數(shù)據(jù)的處理并提取區(qū)域，構(gòu)建以邊緣豎直方向為導(dǎo)向的曲線，輪圈圓弧面，構(gòu)建以輪圈特征線為導(dǎo)向的曲線，曲線長度都為100 mm。如圖5所示。

圖5 后門外板檢驗方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗結(jié)果是右后門外板中部區(qū)域，存在兩個顏色與綠色（公差為0）有明顯差別的高亮區(qū)域。測量其數(shù)值，高亮紅色高點為+0.06 mm，高亮藍(lán)色低點為-0.06 mm。由此判定表面存在高亮紅色凸包和高亮藍(lán)色凹坑的缺陷。而人工檢驗的結(jié)果是同樣位置，檢查出左側(cè)凸包，右側(cè)凹坑缺陷。如圖6所示。兩者進行對比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗結(jié)果與人工檢驗結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進行數(shù)值測量。

圖6 人工、白光檢驗結(jié)果對比

3.3 右前翼子板

1）表面特征分析

右前翼子板零件，是一個曲面復(fù)雜的零件。除了以主特征線為分割的上下面和輪圈圓弧面之外，還有小平臺和月亮灣。小平臺處由A柱上部微凸緩緩過渡到下部，月亮灣以凹面圓弧為主，x向的弧形的型面。實際檢驗中，小平臺用油石沿截面45°檢驗，月亮灣以x向弧面檢驗。輪圈及其他位置與上述基本一致。如圖7所示。

圖7 人工油石檢驗方向

2）通過分析結(jié)果采用合理的方案檢驗

由該零件表面特征分析，采用了模擬油石檢驗方式，對零件區(qū)域進行了劃分。白光檢驗上下部平面，構(gòu)建以特征線為導(dǎo)向的曲線；邊緣經(jīng)CAD數(shù)據(jù)的處理并提取區(qū)域，構(gòu)建以邊緣豎直方向為導(dǎo)向的曲線；輪圈圓弧面，構(gòu)建以輪圈弧面為導(dǎo)向的曲線；小平臺位置，構(gòu)建沿截面45°方向曲線 ；月亮灣位置，構(gòu)建x向的弧形曲線，曲線長度都為100 mm。如圖8所示。

圖8 右翼子板檢驗方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗結(jié)果是右翼子板特征線上部、月亮灣、特征線下部，存在顏色與綠色（公差為0）有明顯差別的高亮區(qū)域。測量其數(shù)值，上部高亮紅色高點為+0.05 mm，月亮灣高亮藍(lán)色低點為+0.1 mm，下部高亮藍(lán)色低點為-0.05。由此判定表面上部存在高亮紅色凸包和月亮灣及下部高亮藍(lán)色凹坑缺陷。而人工檢驗的結(jié)果是同樣位置，檢查出左側(cè)凸包，右側(cè)凹坑。如圖9所示。兩者進行對比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗結(jié)果與人工檢驗結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進行數(shù)值測量。

圖9 人工、白光檢驗結(jié)果對比

4 遇到問題的解決方案及實施結(jié)果

上述實踐過程中，遇到以下的一些問題，通過4M1E分析及頭腦風(fēng)暴等方法提出了解決方案并實施，得到了理想的結(jié)果。

1）以后蓋外板下部為例，構(gòu)建以特征線為導(dǎo)向檢驗，白光檢驗結(jié)果是缺陷圖部分區(qū)域不能顯示，該問題原因為曲線檢驗為其構(gòu)建的平行區(qū)域，其他多余位置不能覆蓋。因此，不能簡單地構(gòu)建特征線為導(dǎo)向的檢驗。多次實踐驗證，采用了構(gòu)建輔助線或者以特征線的零件對角平行線的方法，解決了該問題并且實施結(jié)果顯示，所有區(qū)域已可以覆蓋。該方法可應(yīng)用在不同區(qū)域的曲線構(gòu)建。

2）白光檢驗方案中以100 mm的油石長度檢驗，局部區(qū)域因曲面曲率的區(qū)別，缺陷顯示的高亮與實際有很大區(qū)別，若調(diào)整色差帶，則整個面變得糟糕。實踐驗證，使用不同的油石長度，對劃分區(qū)域檢驗，結(jié)果顯示的缺陷更加精準(zhǔn)。

3）邊緣及特征線區(qū)域檢驗中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不能很好地顯示缺陷。其原因是R角的大小影響了檢驗的曲率，提出了一種偽缺陷剔除算法，對R角剔除處理，排除了R角干擾因素。實驗證明該方法不影響檢驗結(jié)果，還消除了R角對缺陷的影響。

5 生產(chǎn)中的應(yīng)用

基于上述的實踐應(yīng)用，通過解決存在影響檢測表面質(zhì)量的問題，在生產(chǎn)中已應(yīng)用于封樣件與批量件的缺陷對比中。人工檢驗對比封樣件與批量件的狀態(tài)變化，缺陷面積大小一致時，現(xiàn)場質(zhì)量人員往往基于個人主觀的手感判斷零件是否惡化，說服力不足，容易與生產(chǎn)人員產(chǎn)生分歧。通過白光診斷表面質(zhì)量的應(yīng)用，缺陷圖準(zhǔn)確地顯示顏色差異，同時得出偏差數(shù)值?，F(xiàn)場質(zhì)量人員得到直觀具有說服力的可視數(shù)據(jù)，更精準(zhǔn)評估零件質(zhì)量，消除分歧。生產(chǎn)技術(shù)員得到數(shù)據(jù)依此進行分析，明確優(yōu)化改進方向。

6 結(jié)語

本研究結(jié)果說明白光測量技術(shù)可以實現(xiàn)自動檢測外覆蓋件表面質(zhì)量，且檢測結(jié)果不受人工檢測的主觀因素影響，具有準(zhǔn)確性、可靠性和完整性。實踐中探索了白光檢驗的方案、解決了不同曲面的曲線構(gòu)建、消除了曲線長度和R角的影響，實現(xiàn)了白光對外覆蓋件的質(zhì)量評價。通過本文的應(yīng)用研究，為白光自動檢測表面質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，彌補企業(yè)在零件的表面自動化實時檢測、識別、分析等技術(shù)的空白，引導(dǎo)了表面質(zhì)量檢測的方向。