汽车制造:光学测量在汽车制造业的应用

国际金属加工网 2018年02月11日

工业测量技术提供商Hommel-Etamic公司副总裁Andreas Blind表示,“如果有人问我,当今测量技术发展的大趋势是什么?我的回答是:光学测量。”光学测量技术包括任何采用普通光、激光及传感器件的非接触式测量装置。该技术在许多方面——包括数据量、测量速度和灵活性——都具有优势。

虽然许多行业都能从光学测量技术中受益,但汽车制造业(尤其是汽车动力总成行业)的一些发展趋势为该技术的应用带来了独一无二的机遇。Blind指出了一个事实:由于汽车市场的需求如过山车般忽上忽下、变化不定,如今的汽车制造商面临产量不确定的挑战,缩短生产流程和开发周期的要求变得日益迫切。随着汽车零件的加工批量从过去的数百万件减少到如今的数十万件,制造商正努力使自己的生产线具有更好的柔性。同时,在各种需求——从美化车身外观到提高发动机燃油效率——的驱使下,对零件加工精度的要求也更加严苛。Blind解释说,“汽车制造商在产品质量上的竞争比以往任何时候都更加激烈,从而推动了测量技术的进步。”在较长的生产流程中,为特定检测目的而设置的专用检具可能具有不错的成本效益,但现在的情况可能已不再如此。为了应对新的需求,Hommel-Etamic公司正在扩大其产品范围,用速度快、柔性好的光学测量设备辅助——而不是取代——使用气动传感器和触发式测头的专用检具。

Blind说,“汽车制造商希望提高生产线的柔性,但并不一定是今天生产汽缸盖,明天生产汽缸体。他们需要的是在一定标准限制之下的灵活性,即在标准的产品组合范围内变化。” Hommel-Etamic公司的Opticline系列光学测量系统就是体现这种灵活性的一个很好的例子。该系统用于在生产车间直接测量长圆柱类工件(如曲轴、凸轮轴、传动轴等)。测量时,用LED光源对夹持在两个顶尖之间旋转的被测轴进行照明,同时用一个高分辨率CCD线阵传感器采集工件轮廓影像,从而实现旋转状态下工件廓形的数字化测量。该系统用于汽车轴类零件的100%全检,其直径测量精度为(2+D/100)µm,长度测量精度为(5+L/100)µm,均符合国际标准ISO 10360《坐标测量机的验收、检测和复检检测》的相关规定。Opticline C800系列的最大可测范围为:直径140mm,长度850mm,重量20公斤。

Blind还指出,虽然非接触式光学测量已成为主流技术,但仍然存在来自一些制造业专业人士的阻力。工程师们对专用检具和测量基准件比较熟悉,并用这些检测装置对测量系统进行重复性和再现性(R&R)分析。他说,“光学测量的标准还有一些问题。在光学测量系统中,已知基准件的使用、测量范围的确定以及重复性分析方法都与传统测量大相径庭。” 此外,在光学测量之前清洁工件的成本有时也会成为一个考虑因素。然而,光学测量的灵活性和高速度为质量检测、复杂零件评估以及加工过程控制提供了一种传统测量难以比拟的利器。”

汽车零部件日益复杂的结构形状对其检测提出了新的挑战,而非接触式测量技术非常适合应对这种挑战。加拿大ShapeGrabber公司总裁兼首席执行官Pierre Pete Aubrey解释说,“有许多因素促使汽车零部件变得越来越复杂。消费者希望自己的汽车具有更好的舒适性和更美观的外形,这就导致汽车的形状和曲线日益复杂化。更好的燃油经济性也是推动因素之一,随着汽车发动机的体积越来越小、零部件越来越多,要求在更小的空间中容纳更多的零件。”此外,CAD/CAM和多轴加工技术的进步大大提高了汽车制造商对具有复杂复合曲线的零件的加工能力。他指出,“在某种程度上,他们生产这种复杂零部件是因为他们具备了这种能力。”

用传统方法测量这些复杂零部件时,可能很难采集到所有需要的数据,测量具有复合曲线、多种结构特征和其他复杂形状的零部件时尤其如此。而最大规格的三维激光扫描仪(如ShapeGrabber测量系统)可以处理尺寸达1.2m的零部件(如车身顶棚或车门)。这种激光扫描仪安装在一个封闭的机柜中,由生产人员操作使用。测量时,只需将工件置于扫描仪上,并确保其在采集数据时静止不动即可。ShapeGrabber激光扫描仪不需要能对工件精确定位的专用夹具,因为其数据对准是由后处理软件利用工件的CAD模型来完成的。该系统非常适合检测塑料注塑件、铸件和冲压件。如今的汽车上有很多具有复杂复合曲线的零部件,而三维扫描仪的测量能力非常适合检测此类零部件,其测量结果的不确定度为0.025mm。

Aubrey说,“由于三维激光扫描仪的扫描测量和后处理已经实现了自动化,因此很容易使用,非专业人员也能运用自如。”他指出,ShapeGrabber测量系统使用的软件可以帮助实现统计过程控制(SPC)的数据采集和分析,并具有适合大多数测量软件包(特别是Geomagic公司的Geomagic Studio软件和Innovmetric公司的PolyWorks软件)的用户界面。

Aubrey表示,“我们在市场上的主要客户是制造尺寸较小的汽车零部件的二级供应商。” 他并不讳言自己的公司正与在汽车行业仍然很常见的传统固定式检具或专用检具竞争。他还指出,虽然个别检具可能购置成本更低,有时检测速度也更快,但它们只能对每个工件进行6-12项测量,并且每生产一种工件就必须配备一种专用检具。与之不同的是,采用测量软件的ShapeGrabber扫描仪是一种“虚拟检具”,因此具有更好的灵活性。专用检具的检测范围有很大的局限性,且无法解决“检测蔓延”现象——随着时间的推移,对生产测量的需求会不断增加,这通常是由一些无法预料的问题和/或生产线上的不合格品造成的。与重新设计和改造专用检具相比,调整和修改虚拟检具要容易得多。

马波斯(Marposs)公司产品经理Roger Zeoli也认为,光电测量系统的检测柔性比专用检具高得多。该公司也很清楚其基于非接触式测量的Optoquick和Optoflex轴类零件检测系统在柔性测量中的价值。这两种为车间现场测量而设计开发的检测系统可在一个封闭的机柜中采用光电投影技术检测工件。制造商可将其集成到生产线上,或者作为工位检查站,或者用于加工后终检。Optoquick测量系统既可采用立式布局,也可采用卧式布局。这两种系统都用于检测各种轴类零件(如曲轴和凸轮轴),并采用了置于测量机内、能自动确定零位的通用标准件。Optoquick和M110 Optoflex系统可测零件的最大长度分别为750mm和800mm,最大直径分别为155mm和200mm。两种系统的测量不确定度均为直径测量小于2µm,长度测量小于6µm,并且都配备了可供检查站分析测量结果的统计过程控制(SPC)软件。

各种测量程序以电子文件方式存储在系统中,并可根据每种被测零件予以选用。这些系统能够检测多种零件。Zeoli表示,“对被测零件的唯一限制是其尺寸大小。” 但他也提出警告:不要无根据地过分高估此类系统的检测柔性。虽然这些新型测量机提供的数据量和检测精度令人印象深刻,但采用传统的接触式测头或线性差动变压传感器的专用检具仍有其用武之地。例如,Optoquick系统的轴向测量速度为20mm/秒,角度测量速度为1.5转/秒,可以快速检测数千个乃至数百万个数据点。不过,Zeoli指出,专用检具的测量速度可以更快。虽然专用检具的测量点少得多,但其检测精度很高,测量相似零件用时还不到30秒,而用光学测量系统检测整根轴可能需要花费几分钟时间。

自动化是非接触测量的一个关键要素。尼康测量公司(Nikon Metrology)提供多种激光扫描仪和光学测量系统,可应用于汽车设计工作室、研发中心、中试工厂和生产车间。该公司产品经理Alex Lucas解释说,“对于生产检测而言,人们希望测量设备的自动化程度越高越好。 为此,我们提供了多种双臂式坐标测量机以及基于CMM的激光扫描仪。这种扫描仪具有测量速度快、精度高、易于编程和使用的优势。”典型的双臂式坐标测量机包括尼康公司的LK H系列,如导轨长度4-10m(或更长)的LK H-R测量机。虽然这些水平臂测量机的标准配置采用PH10MQ接触式测头,但也可以配备尼康的激光扫描头。Lucas指出,“使用最广泛的是XC65Dx-LS激光扫描头。据估计,在我们销售的用于汽车生产检测的激光扫描仪中,至少有75%都是这种型号。”

在扫描测量具有复杂表面形状的工件时,为了获得质量更好的三维影像,并能更好地检测孔和工件边缘,XC65Dx-LS激光扫描头采用了3个激光条纹的十字线。其在(3×65)mm视场内的测量不确定度(1σ)为20μm。Lucas说,“该扫描仪超过其他CMM扫描仪的真正优势是可达170mm的大成像距离,这也是激光扫描的优势所在。”成像距离是传感器头能远离其正在测量表面的最大距离。较大的成像距离可以提供更好的操作性能,并使CMM编程更容易。XC65Dx-LS激光扫描头也可以用于第三方的三坐标测量机,并不仅仅局限于尼康公司的测量设备。Lucas指出,该扫描仪非常适合测量钣金件和冲压件,既可用于检测单个零部件,也可用于检测整个白车身。

Lucas指出,很少有用户希望将速度更快的扫描测量用于工件的100%全检。大多数用户——如果不是所有用户的话——都宁愿采用统计抽样方式来进行生产和过程控制。他解释说,“三维扫描提供了对零件进行完全检测的能力。你可以将测量结果与CAD模型进行比对,生成全彩色的误差再现图。不过,生产人员可能对此不感兴趣,对其感兴趣的主要是研发实验室和致力于解决设计或工艺问题的工程师。人们希望快速获取跟踪加工过程所需要的数据。因此,我们有许多用户用激光测头取代了触发式测头,并只对工件的少数几个部位进行抽样检测。利用这种有针对性的激光扫描方式,可以减少数据量,只对一些特定的(x,y,z)数据点进行比对。”这样做可以缩短测量周期(检测速度通常可提高50%-70%)。Lucas还认为,用这种有针对性的激光扫描方法检测大尺寸塑料零部件(如仪表板)正变得越来越有吸引力,它尤其适合那些用接触式测头或扫描模拟测头检测时可能会变形的软材料工件。

白光测量系统是另一种可实现大面积扫描测量的非接触式测量装置。海克斯康(Hexagon)测量集团旗下的Cognitens公司为汽车车身的三维测量提供了白光(现在实际上采用的是蓝光)传感器。据该公司全国经理Cliff Bliss介绍,这种非接触/视觉测量系统利用干涉条纹,可在最大为(500 ×500)mm的面积上采集测量数据,在1m3检测空间范围内的测量精度约为25μm(2σ)。该系列产品中既有手动装卸工件的WLS400M系统,也有配备通用机器人的WLS400A自动化测量系统。它们的市场定位是用于检测尺寸较大的零部件,以及车身冲压件和白车身。

Bliss指出,各种白光测量系统的使用方式有所不同。他说,“从以往的情况来看,手动测量系统的销售情况要好于自动测量系统,但我认为,随着时间的推移,这种状况会发生变化。” 手动型白光测量系统已在制造业的装配合格性检查、工模具调试和常规开发过程中证明了自己的价值。以汽车冲压件为例,在初次首件检测时,工程师们需要对生产冲压件的工模具进行仔细测量,以便在满负荷生产之前对冲模进行精确调整。他们大多使用速度较慢的手动测量系统,这种系统通常用于升级到按预定能力生产阶段之前的装配工序合格性检查。在此阶段,通常要对零部件进行大量检测,并生成彩色的误差分布图。在此阶段,要对所有零部件进行全检。

Bliss指出,“当制造商转换到常态生产阶段后,就会采用自动化测量系统。WLS400A自动化测量系统的询价和销售情况表明,其应用确实在增多。” 在常态生产阶段,需要测量的零部件要素减少,抽样检测取代了100%全检,并用统计过程控制(SPC)软件(如海克斯康的CoreView Pro软件)对测量结果进行分析和显示。

法如科技公司(Faro Technologies Inc.)的AMP 3-D成像系统是另一种比较新的白光面阵测量传感器。据该公司产品管理总监Chuck Pfeffer介绍,AMP系统采用云纹干涉测量法(AFI)和在(500×500×220)mm视场中采集的测量数据,可达到65µm的测量不确定度,符合欧盟光学扫描仪测量检测标准VDI/VDE 2634第2部分的要求。与白光测量系统一样,AMP非常适合测量大型零部件(如车身顶棚及其冲压模具)。他指出,在车身顶棚和车身冲压加工进入按预定能力生产阶段之前,AMP系统也被用于验证冲压工艺的正确性。

Pfeffer特别指出,AMP系统往往也用于检测铸件。他解释说,“制造商用AMP系统来测量铸模和铸件本身。” 许多铸件需要进行后续精加工,在精加工之前,人们用AMP传感器对铸件进行测量,绘制出每个铸件的误差图,以确定其实际壁厚的差异,并利用这些测量数据对后续加工工艺进行精确调整。由于AMP系统具有很好的测量稳定性和环境适应性,因此可以直接在生产车间使用。AMP系统也可用于自动化测量。有些制造商在切削加工之前要对铸件进行100%全检,虽然这种情况在汽车制造业并不常见。Pfeffer说,“为了确定铸造工艺是否存在问题,他们通常会对一种铸件进行100%全检,直至证明该工艺一切正常为止。” 之后,他们会继续用AMP系统进行产品抽检和SPC分析。

关于今后的发展趋势,ShapeGrabber公司的Aubrey认为,“过去,在汽车制造业,三维扫描测量主要应用于设计开发实验室。此外,一些大型整车制造厂一直将其用于装配检测。今后一个重要的发展趋势是,一级和二级零部件供应商将把三维扫描测量系统作为汽车零部件加工的基本检测手段。这种趋势将在未来十年中变为现实。”在扫描测量系统提供的数据中,还有许多尚未开发的潜力。Bliss指出,“用于生产检测时,扫描系统采集测量数据,并将其作为判定零件是否合格的标准。只有在检测出废品时,人们才会检查测量数据。而实际上,这些数据还可以用于许多领域,从设备的预防性维修,到工艺调整的有限元分析。”他认为,虽然已有一些企业尝试将这些数据应用于测量以外的其他领域,但如果以一种更全面的眼光来看待这些数据,就可以从中发掘出更多的利用价值。


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