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现代汽车制造业中的检测技术及其应用前景展望

时代集团   2014-12-17 15:17:16      点击:
一、检测技术与制造业信息化
汽 车工业是现代制造业中最有代表性又最具活力的产业之一,它又是典型的以批量生产为特征的行业。随着市场竞争的日益激烈和产品更新换代速度的加快,制造业信 息化的步伐也逐渐加快。但制造业信息化是一项系统工程,其范畴涉及产品开发、生产过程、物流营销等企业运行中的方方面面,真正实现将引起企业管理组织模式 的重大转变,因此在我国这必然是一个渐进的过程。
据统计,在批量生产的条件下,产品开发的成本仅占总成本的 5% 左右,而产品制造过程对总成本的影响却高达 70% ,正因为如此,相对而言,生产过程信息化起步较早,发展也很快,对企业的降本增效、增强在市场中的竞争能力发挥了很大的作用。
生产过程信息化实质上是检测技术、计算机技术和网络技术的融合和综合应用,而作为信息采集和处理的主要手段,检测技术又是基础。在这样的背景下,为适应现代汽车制造业的发展需要,检测技术的地位和作用日显重要。
二、智能化、网络化监控方式
检 测技术在制造过程中的应用,有一个演化过程。从早期的最终检验、单一判别,在经历了强化工序间检测以提前发现质量隐患后,又发展到近期的通过较完善的在线 检测、统计分析,实施对动态工序的监控。充分体现了企业界质量意识的转变和提升,即高质量的产品从根本上讲是通过制造过程完成的。但在商品经济的紧逼下, 制造过程面临更高的要求,于是出现了智能化、网络化的监控模式。以下是一些典型实例。
1 .发动机机加工线工序间检测的智能化模式
迄今,配置在生产线旁的工序间测量台仍然是在线检测的重要组成部分,但所呈现的智能化模式的发展趋势已与以往有了极大的变化。除了必不可少的专用量规外,过去占主体地位的采用直接显示方式的专用检测器具 / 设备(无论是机械型、气动型还是电子型)都已难觅综影。所有专用检测器具 / 设 备——包括较简单的手持式电子量规(卡规、塞规、环规等)的输出信号都已不再作为显示之用,而是进入具有统计分析功能的计算机辅助测量仪,组成了生产现场 的实时监控系统。工序间测量台上除一些专用量规外,所有专用检具的检测结果都输入旁侧的计算机辅助测量仪。计算机辅助测量仪作为一类有很强通用性的产品, 同时具有为适应综合检测而必须具备的数据处理功能和进行实时监控所需具有的统计分析功能。后者可对某一项或几项被测参数,通过预置的方式进行统计分析,给 出评价工序运行状态的质量信息。在屏幕上不但能显示实测值,而且能反映经数据处理后的各种统计量,以及有关的曲线、图形。通过切换画面不但可方便、迅速地 获取丰富的信息,更能利用数据网络把信息送至车间,甚至企业的质量控制中心。
为在更大范围内帮助各国的汽车制造业实现选择面更宽、功能更丰富的质量管理、生产过程控制,德国 Q-DAS 公司(数据处理及系统技术公司)推出了商品化软件,它除了具备对生产过程的监控、统计分析能力外,还拥有对测量系统、制造设备和产品的评价功能。 Q-DAS 软件现已得到了包括中国汽车制造企业在内的众多国外汽车厂的欢迎,事实证明,它在促进批量生产条件下的信息化制造过程的实现和完善,发挥了很大的作用。
为 便于进行质量追溯,现代发动机工厂开始对每个零件都打上二维码,可利用读数头识别、采集。工件经过关键在线检测工位,相关参数的测得结果传送至计算机辅助 测量仪或进而送至中央监控室。因此,操作人员通过数据采集不仅能监控零部件的加工质量,而且通过对人为设置时段内数据的处理结果,能了解动态工序的波动情 况,及时予以调整。由于每一台发动机也有代码,因此,在其原始资料中就包含了其中几个关键零件的二维码,一旦有需要,可方便地查询,进行必要的质量追溯。
2 .整(轿)车装配线集中监控
现代轿车装配线上的检测、控制环节很多,除反映整车性能状况(如:加注,电气、前束、灯光、制动、排放等)的诸多参数在后续“检测线”上测试外,还有数以百计的自动、半自动螺栓拧紧设备,它们在受控状态下完成装配作业,同时可给出表明装配质量的扭矩值、转角值。
本案例中,数据的传送过程是由各工艺及检测设备的控制计算机将其写入系统的上位机,再通过光缆连接至中央监控室的交换机,将数据写入系统数据库服务器中。连接成的一个 10 兆以太星型结构的局域网,有着相对的独立性。集中监控能完成数据采集,实时显示检查车辆的车号(扫描条形码获得),某一工位所有上网螺栓的拧紧情况(扭矩、角度、合格否)等等;数据处理——对每一工位的数据按日、周、月、年等进行 CPK 、合格率、平均值和方差等的运算,能通过图形显示及打印;数据查询——根据整车或发电机代码、出厂日期等查询所有的数据并打印等功能。该系统众多其他功能不一一赘述。
无疑,完善的在线检测手段对监控工序运行和产品制造质量提供了重要的保证,但建立中央集控系统更提升了一个层次。其意义不仅在于大大增强了对工艺过程的监控力度,更重要的是使轿车制造中的可追溯性得以实现。在即将推行的 ISO/TS16949 汽车质量认证中,特别强调了“标识和可追溯性”,事实上,今天的市场和消费者也鲜明地对此提出了要求。以上案例则正好做了回答。
三、与现代汽车制造业提出的适用性、柔性的需求相适应的新技术、新产品大量涌现
近年,与现代汽车制造业的态势相适应的检测新技术不断涌现,它们的共同特点就是以服务现场为前提,可靠、高效,而且能满足复杂、多变的生产需求。
1 .坐标测量机( CMM )的应用水平不断提高
无论在整车生产还是在零部件生产过程中,坐标测量机的使用范围和应用水平都在不断提高。在现代化的整车厂, CMM 已成为覆盖件与车身生产中在线检测的主体,有的还连入生产线成为工艺过程的一个组成部分。在机加工生产线, CMM 用于在线检测也越来越多,尤其在发动机、变速箱等总成厂中,对用于车间现场(包括生产测量室)的 CMM ,在确保精度指标的同时,更强调其高速度、很好的柔性、很强的数据处理和适应现场环境的能力,尤其是由软件提供的丰富的功能。但必须指出的一点是,制造厂商在注意机型和软件开发、改进的同时,对 CMM 辅助设施也一样关注。事实证明,后者对发挥坐标测量机的效能关系极大。著名的德国 Leiti 公司今年研制的一体化工件输送、装夹、定位系统就是典型的事例,输送小车、滑台、专用夹具成为一体,与测量机的工作台能实现无缝对接,准确的夹具上装夹、定位的工件由滑台送入 CMM ,即可实现测量。大大节省了辅助时间,提高了功效。测量机器人 Sirio688 效率很高,但装夹工件的辅助时间过长,尤其在变换不同工件时耗时更多,极大地抵消了它的高效率,而通过采用上述装置,就彻底地改变了这种情况。
2 .关节式测量仪的价值得到了体现
关 节式测量仪又称便携式坐标测量机,它为麻烦的现场测量提供了一条便利的途径,自几年前首次进入国内汽车行业后,其使用价值渐为用户所认识。由于构件材料一 般选用航空铝合金或高强化碳素纤维,故重量很轻,携带方便。相比早期产品,这类测量仪在所配测头和应用软件上已有很大进展。现在,除了可配硬测头外,还可 配触发式和扫描式探头,测力减小后,被测对象范围扩展到材质较软的一些工件。而测量软件的发展则使这类检测设备也拥有了完善的、丰富的功能,如可在 CAD 机制下运行、通过预先编程来简化重复性测量工作、检测时在屏幕上直接显示图形特征、 SPC 统计分析、基本扫描功能等等。在某些产品中,它们的测量软件能与固定式坐标测量机兼容。应用实例:操作工分别利用便携式坐标测量机对位于生产现场的大型夹具与一种车身覆盖件进行测量。
为扩大工作范围以适应对大型工件的检测,臂式测量仪一般采用“蛙跳”的方式,或另配导轨支架。美国 Cimcore 公司则在不久前开发了 Gridlok 技术,其原理是在较大区域分布一些圆锥定位体,通过激光测量仪确定它们的位置并将其坐标值储存。仪器只要在工作之前先测一下附近三个座,确定此时自身的位置,即可进行正常的检测。在软件的支持下,只要在分布定位座的区域里,就能进行准确的测量和获得完整的图形报告。
3 .粗糙度、圆度、圆柱度等都是评价工件制造质量的重要指标
近 年来,发展最快的是适用于车间现场直接监控产品表面状态的便携式、以及那些针对性较强的专用测量仪器。有的便携式粗糙度测量仪的驱动器、放大显示器可合二 为一地使用,也可在测孔和某些特殊场合下分离。在与专用控制器相联后,还能做各种统计处理,并将结果打印和以曲线形式表达。它不但能检测多种参数,而且可 方便地通过编码开关任意设定四种常用标准之一,即 JIS 、 ISO 、 DIN 和 ANSI 。仪器内藏的可充式电池可保证连续工作 7 小时。
采用半径法测量方式的便携型圆度仪,以一个由电机驱动回转的电子塞规为核心,按用户需要可在塞规上配置 1 ~ 6 个测头,即最多能同时测 6 个截面,能在生产现场对圆度、圆柱度等参数实施精密、快速测量。仪器的主轴回转精度达 0.5 μ m ,在无需做任何调整的情况下,被测孔径允许有± 1mm 的变动,在很方便地更换测杆后,可增大到 8mm 。这台便携式仪器效率很高,工作节拍小于 30s ,且具备很强的测量能力和数据处理、统计分析功能。类似地,采取光学方法检测缸孔网纹角的高效专用仪器也已成功地用于生产。
为 实施监控发动机关键零部件的制造质量,越来越多的生产线配备了高性能的曲轴、凸轮轴综合检验机,可满足与曲轴主轴颈、连杆轴颈相关的各项参数及对凸轮升程 规律、相位角、键槽(或定位孔)与第一凸轮夹角等重要参数的现场监测。但长期以来,其粗糙度测量还是以便携式仪器为主。为提高效率和检测质量,一种由美国 Adcole 公司新开发的曲轴、凸轮轴高性能粗糙度测量仪已成功用于生产。这种卧式全自动量仪拥有三组探头,当被测工件是曲轴时,能在几分钟内完成全部主轴颈、连杆轴颈和左、右止推面的粗糙度检测,实施的测量方式可由预先设置的程序确定。
4 .自动检测技术的新进展
应用于生产现场的自动检测技术近年也取得了令人瞩目的进展,以下是两个具有一定代表性的实例。
长 期以来,齿轮的自动检测都停留在双面啮合测量状态,尽管其工作原理简单、效率高、标准齿轮的制作方便,但由于只能检出径向误差、安装偏心等参数,无法评价 齿轮的轴向精度指标(如齿向误差),因此有着很大的局限性。而近年基于新原理开发出的新颖检测设备解决了在生产现场对批量齿轮的轴向精度指标的自动测量问 题。新原理是被测工件与标准齿轮作无侧隙啮合滚动时,同时测量中心距的变化量和轴线偏摆量;通过对多路测量信号进行处理,同时获取齿轮的径向综合误差和轴 向误差(如齿向误差、齿轮锥度等)信息。实质上是在双面啮合测量的基础上发展起来的。目前,国外一些厂商已推出了产品,国内也已出现根据汽车齿轮厂用户的 实际需要开发出了相应的设备,正在试运行。它能检测齿向偏差、功能齿厚等 6 项指标,效率达到 5 秒 / 件,不但能实现 100% 快速自动检测,还具备统计分析功能。
设 在生产线终端的多参数综合检验机的功能又有了拓展。以曲轴、凸轮轴为例,长期以来,各种终检机的被测参数都为几何量,其他指标往往在工序间以抽检方式进 行。但新推出的曲轴终检机增加了用于检测的油道畅通性的工位,巧妙地利用了通气后压力变化这一工作原理。而凸轮轴终检机则增加了一个涡流探伤工位,所设置 的二组探头中,第一组 3 个用于检测三个轴颈,第二组 8 个用于检测八个凸轮,每个探头对应的检测通道彼此独立。在工件回转一周的同时,探头还沿轴移动,以实现对被测部位的扫描。整个过程在凸轮轴回转一周时间内完成,与前一个检测工位同步,从而实现了对工件 100% 的探伤测试。
四、以“光电”型为代表的高科技产品显现出强大的生命力
在已涌现出的众多新颖技术中,“光电”型的占了不小的比例,且显现出强大的生命力,以下一些实例能说明问题。
1 .现场使用的激光非接触式粗糙度仪
这是一种无可动部件、无探针、也不需要预先设置、操作和使用极其简单、方便的激光非接触式粗糙度仪。在距离被测表面 2.5mm 处进行非接触测量时,耗时仅为 0.5s ,因此,可实现工件粗糙度的快速检测。这种仪器既可作为便携式仪器使用,更可与机床、自动线配合,以对工件表面进行动态测量或对自动线上零部件的指定位置做 100% 的检测,真正发挥了在线检测的作用。
2 .双相机移动式三坐标测量系统
在广泛用于汽车制造业的传统型三坐标测量机( CMM )和于九十年代崛起的便携式关节测量机之外,一种崭新原理的双相机移动式三坐标测量系统显示了其独特的、十分实用的性能。完全不同于常规的摄像测量原理,该系统把 CCD 相机与摄像测量技术相结合,采用了一种独创的“智能化目标光源探测法”。被 CCD 相机探测到的光源( LEDS )嵌在光笔-测杆 / 探针上,通过三角测量法可准确地测出触点处的空间坐标。
整个测量系统无可动部件,具有相当于 CMM 的功能,但量程大、精度高,使用简单、灵活,特别适合车间现场对大型覆盖件、车身的检测,以及通过测量,为大型工装的修正、调整提供依据。
3 .光学三维传感器检测站
一种以结构光学三维传感器为基础的高效、高精度检测站已在车身骨架、大型覆盖件 100% 的 在线检测中显示出独特的优越性。被测工件首先由输送机构自动推入生产线上的测量工位,定位传感器将工件的真实位置送入计算机控制系统中,后者根据已经编制 好的测量程序,自动控制在框架上的众多三维光学传感器中的每一个,对工件上的各关键部位进行检测。一般固定的传感器数量在 10 ~ 30 个,完成测量仅需 20s 左右,真正体现了高效率、高精度的特点。
为提高车身骨架、大型覆盖件的监控水平,实现 100% 的 在线检测,以结构光学三维传感器为基础的高效、高精度“检测站”逐步在汽车制造业扩大应用。被测工件首先由传输装置自动送入生产线上的测量工位,定位传感 器将工件的真实位置送入计算机控制系统中,后者根据已编制好的测量程序,自动控制安装在框架上众多光学三维传感器中的每一个,对工件上的各关键部位进行检 测。
4 .激光跟踪仪
另 一种新颖坐标测量技术——激光跟踪测量也在近年进入了汽车制造业。实现此项技术的激光跟踪测量仪由结构紧凑的跟踪头和控制器组成,前者的核心是一个安装在 回转水平轴上的激光头,采用高稳频的氦氖激光器。当将一个普通的目标靶,如一个小钢球放在激光束的前面,仪器的检测系统将采用三维跟踪模式,产生 X 、 Y 、 Z 位置坐标值。它的测量距离最大可达 35m ,最大跟踪速度达 3m /s ,分辨力 1 μ m ,系统精度 25 ~ 50 μ m 。由于仪器采用绝对测量模式,通过激光束锁定光学目标后立即测量,因此用途很广,效率也高。可用于汽车厂大型工件检测及工装夹具的安装调整。美国 API 公司和 FARO 公司都已有商品化产品,国内也已有选用。
5 .机器视觉在汽车制造业得到越来越广泛的应用
“机器视觉”又称图像检测技术,乃是将被测对象的图像作为信息的载体,从中提取有用的信息来达到测量的目的。它具有非接触、高速度、测量范围大、获得的信息丰富等优点。通过 CCD 摄 像头与光学系统、数字处理系统的结合,可实现不同的检测要求。随着上世纪九十年代以来光电、自动化和计算机图象处理技术的迅速发展,机器视觉得到了越来越 广泛的应用。作为一种新颖而又实用的传感技术,图像检测单元近年已实现产品化,一些知名的厂商都推出了品种规格齐全的系列化产品,包括光源、摄像头、处理 器等,这对图像检测技术的推广应用创造了很有利的条件。
( 1 )图像检测技术在精密测量中的应用
精密测量是机器视觉一个重要的应用领域,此时,由光源发出的平行光束照射到被测对象的检测部位上,其边缘轮廓经过显微光学镜组,成像在摄像机的面阵 CCD 像面上,经计算机进行图像处理后获得被测对象边缘轮廓的位置。如果使被测对象产生位移,再次测量其边缘轮廓位置,则两次位置之差便是位移量。显然,若被测对象的两条平行的边缘轮廓能处于同一幅图像内,则其二者位置之差即为相应尺寸。
上述系统极为适合对大批量生产情况下工件的在线检测,尤其是当被测对象尺寸比较小、形状比较简单时,更能显示其优越性。电子接插件、包括汽车电子产品中的接插件就是典型例子,它们的生产效率和成品尺寸精度都较高,前者可达到每分钟数百件,而后者多数为 0.01mm 的数量级。一般情况下,工件质量缺陷包括插脚的变形或扭曲、多余的金属粘附(金属碎屑)等,均反映为外形尺寸的误差。由于所形成的图像与其明亮背景之间的强烈对比,而具有清晰的剪影效果。这样的理想图像为准确测量被检对象的尺寸和轮廓(形状)特征创造了条件。
图 像检测技术用于精密测量的另一个实例是在刀具预调测量中的应用。传统的检测方式是光学投影和光栅数显表相结合,前者用于瞄准定位,而后者用于测量、读数。 整个过程需较多的人工参与,对操作人员的要求高,效率却较低。现在,通过把机器视觉、光栅技术、计算机软硬件、自动控制技术等有机结合,使传统的工作方式 发生了根本变化,无论在测量精度、操作方便和工作效率上都有了极大的提高。
( 2 )机器视觉用于工件表面缺陷检测
对工件表面缺陷、如发动机连杆大小头结合面的破口缺损,迄今基本都采用人工目测方法。不但效率低,劳动强度大,而且对工艺标准中规定的定量评定要求往往难以准确执行,从而影响对产品质量的有效监控。以连杆结合面爆口为例,其评定标准的具体要求为:破口面积小于 3mm 2 ,破口任一方向的线性长度小于 2.5mm 。只要符合上述一项,就将判定不合格而被剔除。
此 时,图像处理系统将采用反射方式,光线照射到对象表面后,系统根据转换的电信号对图像进行分析和计算,最终得到所需的数据。通过对二值化图像中的成像像素 个数的计算,可以得到相应的对象的长度值和面积值。系统在实际使用中,对于灰度的二值化阈值和光源的设定采用比对的方法实现。具体方法为:用已知的样件作 为标定的参照物。把已知的参照物测量值除以参照物对应的像素值,即可得到像素与实际值之间的对应比例值。通过调整光源亮度以及系统的二值化阈值,对其进行 优化,保证系统对对象边界具有相对较高的分辨率。根据被测对象的特征(工件形状、被测部位)和要求,参照视觉系统产品的有关标准,并按照所完成的设计,将 能方便地选取合适的图像检测单元(器件),组成相应的检测系统。以连杆结合面爆口为例,其系统的检测要求:分别检测互为 15 °夹角的 A 、 B 、 C 三个(连杆侧面的)破口面,最终以三个检测结果中的最大值作为破口的真实值,进行判断后输出结果。
( 3 )机器视觉的图像识别功能的应用
在 大批量生产条件下,如何识别、判断产品或包装上的标识、徽记,在输送托(盘)架所做的标记,以及最终产品、甚至半成品(零部件)所带有的“表明身份”的一 维、二维条码。若依靠人工肉眼检查,不但劳动强度大,也难免错检漏判。另一方面,在生产线、特别是其中的装配工序中,对零件的姿态、位置(方向)也经常需 要进行辨识,特别在采用选择装配方式时。正是在这一领域,机器视觉的图像识别功能得到了广泛的应用。
电子标签是近年发展很快的一项新技术,它也采用了机器视觉的识别技术,如将涉及发动机的各种质量信息通过读写器无线写入标签或读出。在有些发动机生产线的输送装置(托盘)上安装有一个电子标签,而每个加工或装配工位则布置有一个读写器。读写器与 PLC 或计算机相连。以下是机器视觉图像识别功能的几个应用示例。
在活塞 ---- 缸 体装配工序中,主要环节有:判断缸体到位并做好检测准备;探测缸体上缘(准确到位的标志),如果未发现该特征部分,即发出报警信号;在检测系统中建立坐标 系;识别:活塞的有无,活塞位置的正确性(确切地讲是“方位”),活塞顶部表面的标识和字符——用于表明型号、选择装配时的组别及其它相关含义。当发动机 即将到达检测工位时,由电子标签读写器验明其“身份”,然后发信号给 PLC ;而当发动机到达检测工位,接近开关触发, PLC 给机器视觉系统发出工作指令;如果活塞在缸体内的装配正确,视觉系统发信给 PLC ,然后写入电子标签,发动机继续流向下一工位。如果活塞装配有错,则视觉系统提示 PLC ,并通过人机界面报警,显示屏将指示哪一缸的活塞装配有错、何种错误。操作者确认检测结果后,通过使人机界面 PLC 发出指令,将结果写入电子标签,并且将发动机直接输送到返修区域进行返修。整个检测过程全部自动完成,只是在出现装配错误、发出报警时才由人工干预。
主轴承盖在四缸发动机缸体上的装配是又一个典型示例。 5 个 主轴承盖的前端部呈不同的台阶状。通过每个零件上的数字标识,按规定顺序和方向安装。由于零件混杂、数量又大,常发生错装现象,导致下道工序产生废品。为 此,在生产线的拧紧装配工位和翻转工位之间设置一个检测工位,通过自动识别,判断装配结果的正确性。若全部正确,则缸体继续流向下一工位,否则报警并给 PLC 发出指令,使生产线停机,将有问题的缸体下线返修。为了适应 1 件 / 分钟的装配节拍,采用在缸体移动过程中检测, 2 个光电视觉传感器分别前后布置在生产线的上方和一侧。前一个为零件定位传感器,用以自动准确地触发采样,后一个用于动态识别 5 个 主轴承盖的表面几何形状。根据预先置入的各主轴承盖特征参数和采集到的传感器输出信号,可确定是否装错并指示具体出错位置。通过使用图像检测系统对有表面 缺陷的连杆进行定量测量检测,取代了传统人工目视检测的方法,从根本上避免了误检,保证了产品品质。另外在帮助企业降低工件误报废成本的同时也降低了人员 的劳动强度,具有较大的经济效益。
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