基于光学测量技术的车身表面质量评价

赵吉琛，赵晓龙 Zhao Jichen， Zhao Xiaolong



基于光学测量技术的车身表面质量评价

赵吉琛1，赵晓龙2Zhao Jichen1， Zhao Xiaolong2

（1. 上汽大众汽车有限公司，上海 201805；2. 上汽大众（新疆）汽车有限公司，新疆 乌鲁木齐 830006）

汽车制造的竞争激烈，科技的发展及用户挑剔的眼光使得各大车企需要精益求精、不断创新才能赢得市场。车身表面质量的控制与优化，作为汽车制造的难点，一直在被探索和研究，尤其是在实际生产中如何量化表面缺陷，并有针对性地优化控制。光学测量作为现代制造业的主要技术，已经广泛应用于生产制造过程质量的监控。利用白光测量技术的特点，监控车顶表面质量状态，将其量化并与表面质量工程师评价作对比，探索光学测量量化车顶表面钣金波浪的可行性。

车辆制造；表面质量；白光测量；量化

0 引 言

车身是汽车的重要组成部分，由板壳类工件和梁类工件构成，其中板壳类工件基本是通过冲压工序实现。由于车身覆盖件具有形状复杂，尺寸结构相对较大，表面质量等级要求高的特点，在生产过程中难免会出现偏差缺陷[1]。若这些偏差缺陷不能够被及时地检测出来，经过涂装之后，会被明显看出，对车身表面质量产生很大的影响。钣金波浪作为车身覆盖冲压件的主要缺陷形式，是汽车覆盖件表面质量的世界性难题，其涉及到冲压件形状、模具结构、模具制造工艺及模具制造质量等多方面问题,并且对其检测也是所有汽车制造行业面临的一大难题。因此，通过白光测量机测量钣金波浪试验来验证光学测量量化表面缺陷的可行性对车身表面质量评价很有意义。

1 车身覆盖件表面检查现状分析

目前，各汽车制造厂商为获得竞争优势，针对车身覆盖件制造质量提出更为严格的要求与检测标准。覆盖件表面偏差的量化与优化仍处于瓶颈，其难点主要在于传统的检测方法过度依赖检测人员的主观评价与技术水平，检测结果存在一定的误差，没有能够对其进行量化评价的标准。首先，现有的检测方法无法实现偏差的量化检测，不能对模具的开发形成指导作用；其次，在焊接过程中，工装夹具、人工操作也会对表面质量产生影响；如果这些潜在的表面质量问题未被及时地检测出来，会在涂装工序形成更为明显的表面缺陷，造成不必要的损失。因此，如果能够有效准确地量化偏差，实时检测监控，产品的合格率会有很大的提升，同时也能降低生产制造的成本。

1.1 手感评价

手感评价是比较直观和快捷的检查方式，对于明显的表面缺陷，专业技术人员可以很快判断出来，但是这种方法不能将缺陷偏差量化，不能进行客观检测，其准确性主要取决于质检操作人员的专业技术能力，具有较强的主观性。

1.2 油石打磨

油石打磨检测原理是用油石在被检测的覆盖件表面横向或纵向轻轻滑擦，覆盖件表面的凹凸特征会变得较为明显，凸起区域较亮，凹陷区域则较暗，用这样的特征判定表面质量。但这种方法也是人为打磨，结果会因检查人员操作的力度、方法及打磨方向的差异而不同，并且也无法得到具体的偏差量。

1.3 利用光的反射

反射光具有敏感性，即针对表面形状波动，可以判断出表面质量，但是此种方法局限性较大，首先要有足够强度的光源；其次对检测人员的判断要求较高，且此方式只适用于涂装后的车身评价，因为涂装后车身表面光亮，在强光下较易辨别明显缺陷，但此时发现缺陷已经太晚，且需要大量投资场地和设备；再次，这种方法依旧靠人的主观因素来评价，不能将缺陷量化从而为监控和改善提供可靠的依据。

对此，国内外研究机构也在不断地进行探索，也发明出了能够专门检测车身表面钣金波浪的设备，但是由于造价昂贵，场地及环境投资成本较高，所以暂时无法被广泛应用在汽车制造行业；因此，随着光学测量技术的不断成熟和广泛应用，提出使用白光测量机来检测车身覆盖件表面质量的建议。

2 白光测量技术的特点[2]

光学测量是非接触式测量中应用最广泛的方法，根据测量原理的不同，可以分为结构光照法、光学三角形法、激光测距法、干涉测量法和图像分析法。白光测量的原理就是结构光照法的原理，使用德国GOM公司的ATOS三维光学测量系统[3]。它采用结构光源，发出一定结构光，利用矩形格栅投影来实现对物体的测量，原理如图1所示。

2.1 适用性广泛

对于白光测量的适用性，主要体现在：对设备所在的环境要求低，白光测量机可在车间现场环境中应用，工作温度要求5～40 ℃，对周边环境的温度梯度无特殊要求；测量范围广，可测零件的曲面偏差，特征线与边缘位置及截面等。

2.2 测量效率高

通过与三坐标测量的试验对比，在测量刚性较好的小零件时，白光所用的时间要明显少于三坐标测量的时间。对于被测工件表面的数值获取，白光测量机在拍照之后就可以获取面上任意点的数据，而三坐标测量则需要无数次的打点接触才能获得数据。

2.3 测量结果简洁易懂

白光测量偏差输出结果以颜色的梯度显示和数值输出构成，如图2所示，后盖铰链连接加强板（圈出区域）。无论是对于报告制作者还是阅读者，都一目了然，对于生产过程中常规监测的零件，不但能够提高测量效率，而且能够促进质量分析工作的快速进行。

3 白光测量车顶天窗试验

车顶作为车身覆盖的大件，影响其表面质量的因素有冲压过程、焊接过程以及涂装过程，在日常生产中，车顶表面质量的缺陷频次比较高；因此，选择车顶天窗作为试验的对象。

3.1 试验目的

在实际生产过程中，车顶表面质量的偏差来自于各个环节，为了尽早发现问题，避免缺陷产品流入下道程序，选择涂装前的车顶天窗总成进行测量，将测量结果与质检工程师的检测结果比较。充分发挥白光测量的作用，将缺陷量化，对车顶表面质量起到实时有效的监控，及时发现问题，提前预警，并且通过后期定期监控测量积累数据，对表面质量问题评判及优化改善起到指导作用。

3.2 试验方法

在生产线上随机挑选5套车顶天窗总成，让质检工程师通过手感和油石打磨的形式去检查车顶表面质量并做好标识。

白光测量师对其进行白光测量。在实际生产过程中，车顶表面质量的缺陷主要出现在天窗区域附近，在试验过程中，发现测量车顶天窗总成使用的是定制的支架，而在整车上测量时无法共用同样的RPS（Reference Point System，定位点系统）点拟合，这样会导致评价标准不统一。为保证测量的准确性与一致性，选择在车顶天窗附近构建RPS点，拟合并评价[4]即只在缺陷范围内构建RPS来拟合评价，如图3所示，这样不仅减少了软件在拟合计算时的误差，而且使得任何人在测量与评价时都能共用同样的标准和数据。

3.3 试验结论

试验随机选取5个车顶总成进行质量工程师的手感评价、油石打磨检查及白光测量。结果表明：在实际生产线上，手感评价是最快速的检查方式，但其敏感度差，个人主观能力较强，只能检查出较为明显的表面质量缺陷；而油石打磨检查，由于生产量大，考虑到时间和员工的工作量，每个零件的油石打磨时间约为20 min，在实际生产中无法保证每个表面零件都经过油石打磨检查，且打磨手法不同也会影响评价结果的准确性，但其敏感性较好；白光测量，在RPS确定及统一的前提下，每个车顶的测量时间是15 min。

通过油石打磨检查与白光测量发现，白光测量车顶表面质量的方法是可行的，如图4和图5所示。

1）白光测量与油石打磨所呈现出来的基本一致，但是更客观实际地反映出缺陷状态，不受人为因素的影响；

2）不但可以直观看出缺陷的位置，还能获取缺陷位置所在区域的数值；

3）测量时间更短，敏感度更佳；

4）能客观地去量化和评价缺陷。但设备价格较为昂贵，无法实现生产线的全覆盖和自动在线测量。

由于试验选择的是同一批次的零件，所以5个车顶的油石打磨结果基本一致，而白光测量的结果与涂装之后呈现出来的天窗附近的表面缺陷情况对比，发现不但能检测出油石打磨区域的缺陷，也能检测出油石未能检测到的微小缺陷及相同缺陷位置的微弱变化，如图6所示，5组数据分别对应的是天窗区域相同位置的测量值，图5所示的测量数据中，颜色最深区域的测量值为-0.6 mm左右，与图4中油石打磨所示的缺陷一致。

4 结论及展望

1）在手感评价与油石打磨检查车身表面质量的基础上进一步探索光学测量车顶表面质量的方法是可行的，能够客观地去量化和评价缺陷，为冲压模具的优化提供重要的数据支撑。

2）较油石打磨检查，白光测量对于缺陷的检测更加敏感，能精确的监控缺陷产品，防止流入下道程序。

3）目前，对于中、低端汽车制造厂，白光自动在线测量监控车身表面质量虽暂时无法实现，但是随着汽车工业的不断发展与科技的不断创新，其必然会成为汽车制造过程的重要工具。

[1]王志勇. 车门外板表面偏差检测方法研究[D]. 长春：吉林大学，2015.

[2]黄萃蔚. 白光测量技术在车身批量测量中的应用[J].上海汽车，2009（12）：32-34.

[3]苏发. 提高ATOS系统在反求设计中测量精度的研究[D]. 阜新：辽宁工程技术大学，2007.

[4]赵吉琛，陈昌明. 轿车车身冲压件RPS点分布合理性的分析[J]. 北京汽车，2011（6）：37-39.

2016-12-2

1002-4581（2017）02-0028-04

U466

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.007