现代汽车制造业中的检测技术及其应用发展

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。

1.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。     1.1 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。     1.2 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象测量原理，该系统把CCD相机与摄象测量技术相结合，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。     1.3 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。     1.4 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1μm，系统精度25～50μm。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。     1.5 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。图示为一部分冲压成形的插脚随着金属输送带通过检测工位时产生的典型背光图像。其中，插脚A发生了扭曲，插脚B上粘附着多余的金属，插脚C断面尺寸（宽）不合格——这些都属于常见的质量缺陷。     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3mm2，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，其系统的检测要求为分别检测互为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，进行判断后并输出结果。     （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