馬時(shí)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(jī)動(dòng)車制造自動(dòng)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(jìn)，而表面檢驗(yàn)還很大程度依賴于人工來(lái)完成。在汽車廠，外覆蓋件的表面質(zhì)量檢驗(yàn)，通常由專業(yè)人員通過(guò)眼觀、手摸、油石打磨等一系列檢驗(yàn)流程來(lái)完成。而人的個(gè)體差異，導(dǎo)致檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法做到完全的統(tǒng)一。為保證檢驗(yàn)偏差的一致性，需花費(fèi)大量的時(shí)間、財(cái)力、物力對(duì)人員進(jìn)行培訓(xùn)對(duì)標(biāo)。對(duì)于零件本身，表面檢驗(yàn)的量化一直是困擾企業(yè)的一個(gè)難題。

隨著機(jī)器自動(dòng)化，人工智能時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)外覆蓋件的表面質(zhì)量的方式也將迎來(lái)變革。零件的在線自動(dòng)化實(shí)時(shí)檢測(cè)、識(shí)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(cè)量技術(shù)已經(jīng)很成熟，在機(jī)動(dòng)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(cè)量，零件型面的尺寸測(cè)量，存在匹配關(guān)系的輪廓測(cè)量等。又因其便攜性，也常用于機(jī)動(dòng)車模具的型面測(cè)量。而利用白光測(cè)量技術(shù)對(duì)外覆蓋件的表面質(zhì)量檢驗(yàn)還沒(méi)有太多的涉足。

本研究對(duì)象正是基于上述白光測(cè)量設(shè)備的功能，對(duì)機(jī)動(dòng)車車身表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了診斷出車身存在的表面質(zhì)量問(wèn)題。其中涉及了對(duì)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(shí)例來(lái)闡述和解決問(wèn)題。

1 白光測(cè)量設(shè)備工作原理

ATOS白光測(cè)量設(shè)備來(lái)自于德國(guó)GOM公司，是一款高精度、非接觸式的光學(xué)測(cè)量設(shè)備，它適用于成型部件幾何形狀的全場(chǎng)型面數(shù)字化處理。該設(shè)備采用可見(jiàn)光，將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工件表面，借助兩個(gè)高分辨力CCD數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，以投影技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)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(wàn)的高精度密集點(diǎn)云(點(diǎn)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(cè)量的綜合準(zhǔn)確度＜0.1 mm/m。

2 人工檢驗(yàn)零件的形式

機(jī)動(dòng)車外覆蓋件的表面質(zhì)量是憑借檢驗(yàn)人員的目視、手觸、油石打磨等方式來(lái)檢驗(yàn)。

2.1 目檢

在檢驗(yàn)室，借助專用檢驗(yàn)燈具的光照，通過(guò)雙目檢驗(yàn)，可直接鑒別出來(lái)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(yàn)

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(jué)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(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(jìn)行打磨。研磨表面的時(shí)候必須注意，不能對(duì)零件施加附加壓力。表面打磨出來(lái)的缺陷，依據(jù)缺陷程度，進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 白光檢驗(yàn)零件的形式

白光檢驗(yàn)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(yàn)功能，導(dǎo)入產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。目前該功能對(duì)表面檢驗(yàn)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用仍為空白，且存在不少問(wèn)題。因此，探索白光檢測(cè)在表面缺陷的過(guò)程，通過(guò)對(duì)CAD數(shù)據(jù)優(yōu)化處理、表面型面分析、構(gòu)建檢驗(yàn)曲線等方式實(shí)現(xiàn)診斷表面質(zhì)量。以下是應(yīng)用在檢測(cè)三種不同零件過(guò)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(jiǎn)單，左右對(duì)稱，以特征線分上下兩面。位置人工沿特征線方向油石檢驗(yàn)，而邊緣由于弧度向上，若存在缺陷，特征線方向檢驗(yàn)不能檢驗(yàn)出來(lái)，因此，邊緣區(qū)域通常以邊緣輪廓方向油石檢驗(yàn)。如圖1所示。

圖1 人工檢驗(yàn)油石方向

2）通過(guò)分析結(jié)果采用合理的方案檢驗(yàn)

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

圖2 后蓋外板下部檢驗(yàn)方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗(yàn)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(cè)量其數(shù)值，高點(diǎn)為+0.08 mm，低點(diǎn)為-0.04 mm，落差有0.12 mm。該區(qū)域有高點(diǎn)且有低點(diǎn)，由此判定檢測(cè)零件表面存在波浪缺陷。而人工檢驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗(yàn)結(jié)果與人工檢驗(yàn)結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進(jìn)行數(shù)值測(cè)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(yàn)上下面，輪圈圓弧面沿輪圈特征線方向檢驗(yàn)，邊緣以沿邊緣輪廓方向檢驗(yàn)。如圖4所示。

圖3 人工、白光檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 人工油石檢驗(yàn)方向

2）通過(guò)分析結(jié)果采用合理的方案檢驗(yàn)

由該零件表面特征及人工油石檢驗(yàn)分析，采用了模擬油石檢驗(yàn)方式，對(duì)零件區(qū)域進(jìn)行了劃分并構(gòu)建檢驗(yàn)曲線。白光檢驗(yàn)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?yàn)閷?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(zhǎng)度都為100 mm。如圖5所示。

圖5 后門外板檢驗(yàn)方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗(yàn)結(jié)果是右后門外板中部區(qū)域，存在兩個(gè)顏色與綠色（公差為0）有明顯差別的高亮區(qū)域。測(cè)量其數(shù)值，高亮紅色高點(diǎn)為+0.06 mm，高亮藍(lán)色低點(diǎn)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(yàn)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗(yàn)結(jié)果與人工檢驗(yàn)結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進(jìn)行數(shù)值測(cè)量。

圖6 人工、白光檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(gè)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(tái)和月亮灣。小平臺(tái)處由A柱上部微凸緩緩過(guò)渡到下部，月亮灣以凹面圓弧為主，x向的弧形的型面。實(shí)際檢驗(yàn)中，小平臺(tái)用油石沿截面45°檢驗(yàn)，月亮灣以x向弧面檢驗(yàn)。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(yàn)方向

2）通過(guò)分析結(jié)果采用合理的方案檢驗(yàn)

由該零件表面特征分析，采用了模擬油石檢驗(yàn)方式，對(duì)零件區(qū)域進(jìn)行了劃分。白光檢驗(yàn)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?yàn)閷?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(tái)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(zhǎng)度都為100 mm。如圖8所示。

圖8 右翼子板檢驗(yàn)方案

3）結(jié)果分析

白光檢驗(yàn)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(cè)量其數(shù)值，上部高亮紅色高點(diǎn)為+0.05 mm，月亮灣高亮藍(lán)色低點(diǎn)為+0.1 mm，下部高亮藍(lán)色低點(diǎn)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(yàn)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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺陷位置白光檢驗(yàn)結(jié)果與人工檢驗(yàn)結(jié)果高度一致，高亮的顏色顯示可進(jìn)行數(shù)值測(cè)量。

圖9 人工、白光檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 遇到問(wèn)題的解決方案及實(shí)施結(jié)果

上述實(shí)踐過(guò)程中，遇到以下的一些問(wèn)題，通過(guò)4M1E分析及頭腦風(fēng)暴等方法提出了解決方案并實(shí)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(yàn)，白光檢驗(yàn)結(jié)果是缺陷圖部分區(qū)域不能顯示，該問(wèn)題原因?yàn)榍€檢驗(yàn)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(jiǎn)單地構(gòu)建特征線為導(dǎo)向的檢驗(yàn)。多次實(shí)踐驗(yàn)證，采用了構(gòu)建輔助線或者以特征線的零件對(duì)角平行線的方法，解決了該問(wèn)題并且實(shí)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(yàn)方案中以100 mm的油石長(zhǎng)度檢驗(yàn)，局部區(qū)域因曲面曲率的區(qū)別，缺陷顯示的高亮與實(shí)際有很大區(qū)別，若調(diào)整色差帶，則整個(gè)面變得糟糕。實(shí)踐驗(yàn)證，使用不同的油石長(zhǎng)度，對(duì)劃分區(qū)域檢驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)的曲率，提出了一種偽缺陷剔除算法，對(duì)R角剔除處理，排除了R角干擾因素。實(shí)驗(yàn)證明該方法不影響檢驗(yàn)結(jié)果，還消除了R角對(duì)缺陷的影響。

5 生產(chǎn)中的應(yīng)用

基于上述的實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)解決存在影響檢測(cè)表面質(zhì)量的問(wèn)題，在生產(chǎn)中已應(yīng)用于封樣件與批量件的缺陷對(duì)比中。人工檢驗(yàn)對(duì)比封樣件與批量件的狀態(tài)變化，缺陷面積大小一致時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量人員往往基于個(gè)人主觀的手感判斷零件是否惡化，說(shuō)服力不足，容易與生產(chǎn)人員產(chǎn)生分歧。通過(guò)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(shí)得出偏差數(shù)值。現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量人員得到直觀具有說(shuō)服力的可視數(shù)據(jù)，更精準(zhǔn)評(píng)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(jìn)行分析，明確優(yōu)化改進(jìn)方向。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)果說(shuō)明白光測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)外覆蓋件表面質(zhì)量，且檢測(cè)結(jié)果不受人工檢測(cè)的主觀因素影響，具有準(zhǔn)確性、可靠性和完整性。實(shí)踐中探索了白光檢驗(yàn)的方案、解決了不同曲面的曲線構(gòu)建、消除了曲線長(zhǎng)度和R角的影響，實(shí)現(xiàn)了白光對(duì)外覆蓋件的質(zhì)量評(píng)價(jià)。通過(guò)本文的應(yīng)用研究，為白光自動(dòng)檢測(cè)表面質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，彌補(bǔ)企業(yè)在零件的表面自動(dòng)化實(shí)時(shí)檢測(cè)、識(shí)別、分析等技術(shù)的空白，引導(dǎo)了表面質(zhì)量檢測(cè)的方向。