一、檢測技術與制造業信息化

汽 車工業是現代制造業中最有代表性又最具活力的產業之一，它又是典型的以批量生產為特征的行業。隨著市場競爭的日益激烈和產品更新換代速度的加快，制造業信 息化的步伐也逐漸加快。但制造業信息化是一項系統工程，其范疇涉及產品開發、生產過程、物流營銷等企業運行中的方方面面，真正實現將引起企業管理組織模式 的重大轉變，因此在我國這必然是一個漸進的過程。

據統計，在批量生產的條件下，產品開發的成本僅占總成本的 5% 左右，而產品制造過程對總成本的影響卻高達 70% ，正因為如此，相對而言，生產過程信息化起步較早，發展也很快，對企業的降本增效、增強在市場中的競爭能力發揮了很大的作用。

生產過程信息化實質上是檢測技術、計算機技術和網絡技術的融合和綜合應用，而作為信息采集和處理的主要手段，檢測技術又是基礎。在這樣的背景下，為適應現代汽車制造業的發展需要，檢測技術的地位和作用日顯重要。

二、智能化、網絡化監控方式

檢 測技術在制造過程中的應用，有一個演化過程。從早期的最終檢驗、單一判別，在經歷了強化工序間檢測以提前發現質量隱患后，又發展到近期的通過較完善的在線 檢測、統計分析，實施對動態工序的監控。充分體現了企業界質量意識的轉變和提升，即高質量的產品從根本上講是通過制造過程完成的。但在商品經濟的緊逼下， 制造過程面臨更高的要求，于是出現了智能化、網絡化的監控模式。以下是一些典型實例。

1 ．發動機機加工線工序間檢測的智能化模式

迄今，配置在生產線旁的工序間測量臺仍然是在線檢測的重要組成部分，但所呈現的智能化模式的發展趨勢已與以往有了極大的變化。除了必不可少的專用量規外，過去占主體地位的采用直接顯示方式的專用檢測器具 / 設備（無論是機械型、氣動型還是電子型）都已難覓綜影。所有專用檢測器具 / 設 備——包括較簡單的手持式電子量規（卡規、塞規、環規等）的輸出信號都已不再作為顯示之用，而是進入具有統計分析功能的計算機輔助測量儀，組成了生產現場 的實時監控系統。工序間測量臺上除一些專用量規外，所有專用檢具的檢測結果都輸入旁側的計算機輔助測量儀。計算機輔助測量儀作為一類有很強通用性的產品， 同時具有為適應綜合檢測而必須具備的數據處理功能和進行實時監控所需具有的統計分析功能。后者可對某一項或幾項被測參數，通過預置的方式進行統計分析，給 出評價工序運行狀態的質量信息。在屏幕上不但能顯示實測值，而且能反映經數據處理后的各種統計量，以及有關的曲線、圖形。通過切換畫面不但可方便、迅速地 獲取豐富的信息，更能利用數據網絡把信息送至車間，甚至企業的質量控制中心。

為在更大范圍內幫助各國的汽車制造業實現選擇面更寬、功能更豐富的質量管理、生產過程控制，德國 Q-DAS 公司（數據處理及系統技術公司）推出了商品化軟件，它除了具備對生產過程的監控、統計分析能力外，還擁有對測量系統、制造設備和產品的評價功能。 Q-DAS 軟件現已得到了包括中國汽車制造企業在內的眾多國外汽車廠的歡迎，事實證明，它在促進批量生產條件下的信息化制造過程的實現和完善，發揮了很大的作用。

為 便于進行質量追溯，現代發動機工廠開始對每個零件都打上二維碼，可利用讀數頭識別、采集。工件經過關鍵在線檢測工位，相關參數的測得結果傳送至計算機輔助 測量儀或進而送至中央監控室。因此，操作人員通過數據采集不僅能監控零部件的加工質量，而且通過對人為設置時段內數據的處理結果，能了解動態工序的波動情 況，及時予以調整。由于每一臺發動機也有代碼，因此，在其原始資料中就包含了其中幾個關鍵零件的二維碼，一旦有需要，可方便地查詢，進行必要的質量追溯。

2 ．整（轎）車裝配線集中監控

現代轎車裝配線上的檢測、控制環節很多，除反映整車性能狀況（如：加注，電氣、前束、燈光、制動、排放等）的諸多參數在后續“檢測線”上測試外，還有數以百計的自動、半自動螺栓擰緊設備，它們在受控狀態下完成裝配作業，同時可給出表明裝配質量的扭矩值、轉角值。

本案例中，數據的傳送過程是由各工藝及檢測設備的控制計算機將其寫入系統的上位機，再通過光纜連接至中央監控室的交換機，將數據寫入系統數據庫服務器中。連接成的一個 10 兆以太星型結構的局域網，有著相對的獨立性。集中監控能完成數據采集，實時顯示檢查車輛的車號（掃描條形碼獲得），某一工位所有上網螺栓的擰緊情況（扭矩、角度、合格否）等等；數據處理——對每一工位的數據按日、周、月、年等進行 CPK 、合格率、平均值和方差等的運算，能通過圖形顯示及打印；數據查詢——根據整車或發電機代碼、出廠日期等查詢所有的數據并打印等功能。該系統眾多其他功能不一一贅述。

無疑，完善的在線檢測手段對監控工序運行和產品制造質量提供了重要的保證，但建立中央集控系統更提升了一個層次。其意義不僅在于大大增強了對工藝過程的監控力度，更重要的是使轎車制造中的可追溯性得以實現。在即將推行的 ISO/TS16949 汽車質量認證中，特別強調了“標識和可追溯性”，事實上，今天的市場和消費者也鮮明地對此提出了要求。以上案例則正好做了回答。

三、與現代汽車制造業提出的適用性、柔性的需求相適應的新技術、新產品大量涌現

近年，與現代汽車制造業的態勢相適應的檢測新技術不斷涌現，它們的共同特點就是以服務現場為前提，可靠、高效，而且能滿足復雜、多變的生產需求。

1 ．坐標測量機（ CMM ）的應用水平不斷提高

無論在整車生產還是在零部件生產過程中，坐標測量機的使用范圍和應用水平都在不斷提高。在現代化的整車廠， CMM 已成為覆蓋件與車身生產中在線檢測的主體，有的還連入生產線成為工藝過程的一個組成部分。在機加工生產線， CMM 用于在線檢測也越來越多，尤其在發動機、變速箱等總成廠中，對用于車間現場（包括生產測量室）的 CMM ，在確保精度指標的同時，更強調其高速度、很好的柔性、很強的數據處理和適應現場環境的能力，尤其是由軟件提供的豐富的功能。但必須指出的一點是，制造廠商在注意機型和軟件開發、改進的同時，對 CMM 輔助設施也一樣關注。事實證明，后者對發揮坐標測量機的效能關系極大。著名的德國 Leiti 公司今年研制的一體化工件輸送、裝夾、定位系統就是典型的事例，輸送小車、滑臺、專用夾具成為一體，與測量機的工作臺能實現無縫對接，準確的夾具上裝夾、定位的工件由滑臺送入 CMM ，即可實現測量。大大節省了輔助時間，提高了功效。測量機器人 Sirio688 效率很高，但裝夾工件的輔助時間過長，尤其在變換不同工件時耗時更多，極大地抵消了它的高效率，而通過采用上述裝置，就徹底地改變了這種情況。

2 ．關節式測量儀的價值得到了體現

關 節式測量儀又稱便攜式坐標測量機，它為麻煩的現場測量提供了一條便利的途徑，自幾年前首次進入國內汽車行業后，其使用價值漸為用戶所認識。由于構件材料一 般選用航空鋁合金或高強化碳素纖維，故重量很輕，攜帶方便。相比早期產品，這類測量儀在所配測頭和應用軟件上已有很大進展。現在，除了可配硬測頭外，還可 配觸發式和掃描式探頭，測力減小后，被測對象范圍擴展到材質較軟的一些工件。而測量軟件的發展則使這類檢測設備也擁有了完善的、豐富的功能，如可在 CAD 機制下運行、通過預先編程來簡化重復性測量工作、檢測時在屏幕上直接顯示圖形特征、 SPC 統計分析、基本掃描功能等等。在某些產品中，它們的測量軟件能與固定式坐標測量機兼容。應用實例：操作工分別利用便攜式坐標測量機對位于生產現場的大型夾具與一種車身覆蓋件進行測量。

為擴大工作范圍以適應對大型工件的檢測，臂式測量儀一般采用“蛙跳”的方式，或另配導軌支架。美國 Cimcore 公司則在不久前開發了 Gridlok 技術，其原理是在較大區域分布一些圓錐定位體，通過激光測量儀確定它們的位置并將其坐標值儲存。儀器只要在工作之前先測一下附近三個座，確定此時自身的位置，即可進行正常的檢測。在軟件的支持下，只要在分布定位座的區域里，就能進行準確的測量和獲得完整的圖形報告。

3 ．粗糙度、圓度、圓柱度等都是評價工件制造質量的重要指標

近 年來，發展最快的是適用于車間現場直接監控產品表面狀態的便攜式、以及那些針對性較強的專用測量儀器。有的便攜式粗糙度測量儀的驅動器、放大顯示器可合二 為一地使用，也可在測孔和某些特殊場合下分離。在與專用控制器相聯后，還能做各種統計處理，并將結果打印和以曲線形式表達。它不但能檢測多種參數，而且可 方便地通過編碼開關任意設定四種常用標準之一，即 JIS 、 ISO 、 DIN 和 ANSI 。儀器內藏的可充式電池可保證連續工作 7 小時。

采用半徑法測量方式的便攜型圓度儀，以一個由電機驅動回轉的電子塞規為核心，按用戶需要可在塞規上配置 1 ～ 6 個測頭，即最多能同時測 6 個截面，能在生產現場對圓度、圓柱度等參數實施精密、快速測量。儀器的主軸回轉精度達 0.5 μ m ，在無需做任何調整的情況下，被測孔徑允許有± 1mm 的變動，在很方便地更換測桿后，可增大到 8mm 。這臺便攜式儀器效率很高，工作節拍小于 30s ，且具備很強的測量能力和數據處理、統計分析功能。類似地，采取光學方法檢測缸孔網紋角的高效專用儀器也已成功地用于生產。

為 實施監控發動機關鍵零部件的制造質量，越來越多的生產線配備了高性能的曲軸、凸輪軸綜合檢驗機，可滿足與曲軸主軸頸、連桿軸頸相關的各項參數及對凸輪升程 規律、相位角、鍵槽（或定位孔）與第一凸輪夾角等重要參數的現場監測。但長期以來，其粗糙度測量還是以便攜式儀器為主。為提高效率和檢測質量，一種由美國 Adcole 公司新開發的曲軸、凸輪軸高性能粗糙度測量儀已成功用于生產。這種臥式全自動量儀擁有三組探頭，當被測工件是曲軸時，能在幾分鐘內完成全部主軸頸、連桿軸頸和左、右止推面的粗糙度檢測，實施的測量方式可由預先設置的程序確定。

4 ．自動檢測技術的新進展

應用于生產現場的自動檢測技術近年也取得了令人矚目的進展，以下是兩個具有一定代表性的實例。

長 期以來，齒輪的自動檢測都停留在雙面嚙合測量狀態，盡管其工作原理簡單、效率高、標準齒輪的制作方便，但由于只能檢出徑向誤差、安裝偏心等參數，無法評價 齒輪的軸向精度指標（如齒向誤差），因此有著很大的局限性。而近年基于新原理開發出的新穎檢測設備解決了在生產現場對批量齒輪的軸向精度指標的自動測量問 題。新原理是被測工件與標準齒輪作無側隙嚙合滾動時，同時測量中心距的變化量和軸線偏擺量；通過對多路測量信號進行處理，同時獲取齒輪的徑向綜合誤差和軸 向誤差（如齒向誤差、齒輪錐度等）信息。實質上是在雙面嚙合測量的基礎上發展起來的。目前，國外一些廠商已推出了產品，國內也已出現根據汽車齒輪廠用戶的 實際需要開發出了相應的設備，正在試運行。它能檢測齒向偏差、功能齒厚等 6 項指標，效率達到 5 秒 / 件，不但能實現 100% 快速自動檢測，還具備統計分析功能。

設 在生產線終端的多參數綜合檢驗機的功能又有了拓展。以曲軸、凸輪軸為例，長期以來，各種終檢機的被測參數都為幾何量，其他指標往往在工序間以抽檢方式進 行。但新推出的曲軸終檢機增加了用于檢測的油道暢通性的工位，巧妙地利用了通氣后壓力變化這一工作原理。而凸輪軸終檢機則增加了一個渦流探傷工位，所設置 的二組探頭中，第一組 3 個用于檢測三個軸頸，第二組 8 個用于檢測八個凸輪，每個探頭對應的檢測通道彼此獨立。在工件回轉一周的同時，探頭還沿軸移動，以實現對被測部位的掃描。整個過程在凸輪軸回轉一周時間內完成，與前一個檢測工位同步，從而實現了對工件 100% 的探傷測試。

四、以“光電”型為代表的高科技產品顯現出強大的生命力

在已涌現出的眾多新穎技術中，“光電”型的占了不小的比例，且顯現出強大的生命力，以下一些實例能說明問題。

1 ．現場使用的激光非接觸式粗糙度儀

這是一種無可動部件、無探針、也不需要預先設置、操作和使用極其簡單、方便的激光非接觸式粗糙度儀。在距離被測表面 2.5mm 處進行非接觸測量時，耗時僅為 0.5s ，因此，可實現工件粗糙度的快速檢測。這種儀器既可作為便攜式儀器使用，更可與機床、自動線配合，以對工件表面進行動態測量或對自動線上零部件的指定位置做 100% 的檢測，真正發揮了在線檢測的作用。

2 ．雙相機移動式三坐標測量系統

在廣泛用于汽車制造業的傳統型三坐標測量機（ CMM ）和于九十年代崛起的便攜式關節測量機之外，一種嶄新原理的雙相機移動式三坐標測量系統顯示了其獨特的、十分實用的性能。完全不同于常規的攝像測量原理，該系統把 CCD 相機與攝像測量技術相結合，采用了一種獨創的“智能化目標光源探測法”。被 CCD 相機探測到的光源（ LEDS ）嵌在光筆－測桿 / 探針上，通過三角測量法可準確地測出觸點處的空間坐標。

整個測量系統無可動部件，具有相當于 CMM 的功能，但量程大、精度高，使用簡單、靈活，特別適合車間現場對大型覆蓋件、車身的檢測，以及通過測量，為大型工裝的修正、調整提供依據。

3 ．光學三維傳感器檢測站

一種以結構光學三維傳感器為基礎的高效、高精度檢測站已在車身骨架、大型覆蓋件 100% 的 在線檢測中顯示出獨特的優越性。被測工件首先由輸送機構自動推入生產線上的測量工位，定位傳感器將工件的真實位置送入計算機控制系統中，后者根據已經編制 好的測量程序，自動控制在框架上的眾多三維光學傳感器中的每一個，對工件上的各關鍵部位進行檢測。一般固定的傳感器數量在 10 ～ 30 個，完成測量僅需 20s 左右，真正體現了高效率、高精度的特點。

為提高車身骨架、大型覆蓋件的監控水平，實現 100% 的 在線檢測，以結構光學三維傳感器為基礎的高效、高精度“檢測站”逐步在汽車制造業擴大應用。被測工件首先由傳輸裝置自動送入生產線上的測量工位，定位傳感 器將工件的真實位置送入計算機控制系統中，后者根據已編制好的測量程序，自動控制安裝在框架上眾多光學三維傳感器中的每一個，對工件上的各關鍵部位進行檢 測。

4 ．激光跟蹤儀

另 一種新穎坐標測量技術——激光跟蹤測量也在近年進入了汽車制造業。實現此項技術的激光跟蹤測量儀由結構緊湊的跟蹤頭和控制器組成，前者的核心是一個安裝在 回轉水平軸上的激光頭，采用高穩頻的氦氖激光器。當將一個普通的目標靶，如一個小鋼球放在激光束的前面，儀器的檢測系統將采用三維跟蹤模式，產生 X 、 Y 、 Z 位置坐標值。它的測量距離最大可達 35m ，最大跟蹤速度達 3m /s ，分辨力 1 μ m ，系統精度 25 ～ 50 μ m 。由于儀器采用絕對測量模式，通過激光束鎖定光學目標后立即測量，因此用途很廣，效率也高。可用于汽車廠大型工件檢測及工裝夾具的安裝調整。美國 API 公司和 FARO 公司都已有商品化產品，國內也已有選用。

5 ．機器視覺在汽車制造業得到越來越廣泛的應用

“機器視覺”又稱圖像檢測技術，乃是將被測對象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來達到測量的目的。它具有非接觸、高速度、測量范圍大、獲得的信息豐富等優點。通過 CCD 攝 像頭與光學系統、數字處理系統的結合，可實現不同的檢測要求。隨著上世紀九十年代以來光電、自動化和計算機圖象處理技術的迅速發展，機器視覺得到了越來越 廣泛的應用。作為一種新穎而又實用的傳感技術，圖像檢測單元近年已實現產品化，一些知名的廠商都推出了品種規格齊全的系列化產品，包括光源、攝像頭、處理 器等，這對圖像檢測技術的推廣應用創造了很有利的條件。

（ 1 ）圖像檢測技術在精密測量中的應用

精密測量是機器視覺一個重要的應用領域，此時，由光源發出的平行光束照射到被測對象的檢測部位上，其邊緣輪廓經過顯微光學鏡組，成像在攝像機的面陣 CCD 像面上，經計算機進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置。如果使被測對象產生位移，再次測量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，若被測對象的兩條平行的邊緣輪廓能處于同一幅圖像內，則其二者位置之差即為相應尺寸。

上述系統極為適合對大批量生產情況下工件的在線檢測，尤其是當被測對象尺寸比較小、形狀比較簡單時，更能顯示其優越性。電子接插件、包括汽車電子產品中的接插件就是典型例子，它們的生產效率和成品尺寸精度都較高，前者可達到每分鐘數百件，而后者多數為 0.01mm 的數量級。一般情況下，工件質量缺陷包括插腳的變形或扭曲、多余的金屬粘附（金屬碎屑）等，均反映為外形尺寸的誤差。由于所形成的圖像與其明亮背景之間的強烈對比，而具有清晰的剪影效果。這樣的理想圖像為準確測量被檢對象的尺寸和輪廓（形狀）特征創造了條件。

圖 像檢測技術用于精密測量的另一個實例是在刀具預調測量中的應用。傳統的檢測方式是光學投影和光柵數顯表相結合，前者用于瞄準定位，而后者用于測量、讀數。 整個過程需較多的人工參與，對操作人員的要求高，效率卻較低。現在，通過把機器視覺、光柵技術、計算機軟硬件、自動控制技術等有機結合，使傳統的工作方式 發生了根本變化，無論在測量精度、操作方便和工作效率上都有了極大的提高。

（ 2 ）機器視覺用于工件表面缺陷檢測

對工件表面缺陷、如發動機連桿大小頭結合面的破口缺損，迄今基本都采用人工目測方法。不但效率低，勞動強度大，而且對工藝標準中規定的定量評定要求往往難以準確執行，從而影響對產品質量的有效監控。以連桿結合面爆口為例，其評定標準的具體要求為：破口面積小于 3mm 2 ，破口任一方向的線性長度小于 2.5mm 。只要符合上述一項，就將判定不合格而被剔除。

此 時，圖像處理系統將采用反射方式，光線照射到對象表面后，系統根據轉換的電信號對圖像進行分析和計算，最終得到所需的數據。通過對二值化圖像中的成像像素 個數的計算，可以得到相應的對象的長度值和面積值。系統在實際使用中，對于灰度的二值化閾值和光源的設定采用比對的方法實現。具體方法為：用已知的樣件作 為標定的參照物。把已知的參照物測量值除以參照物對應的像素值，即可得到像素與實際值之間的對應比例值。通過調整光源亮度以及系統的二值化閾值，對其進行 優化，保證系統對對象邊界具有相對較高的分辨率。根據被測對象的特征（工件形狀、被測部位）和要求，參照視覺系統產品的有關標準，并按照所完成的設計，將 能方便地選取合適的圖像檢測單元（器件），組成相應的檢測系統。以連桿結合面爆口為例，其系統的檢測要求：分別檢測互為 15 °夾角的 A 、 B 、 C 三個（連桿側面的）破口面，最終以三個檢測結果中的最大值作為破口的真實值，進行判斷后輸出結果。

（ 3 ）機器視覺的圖像識別功能的應用

在 大批量生產條件下，如何識別、判斷產品或包裝上的標識、徽記，在輸送托（盤）架所做的標記，以及最終產品、甚至半成品（零部件）所帶有的“表明身份”的一 維、二維條碼。若依靠人工肉眼檢查，不但勞動強度大，也難免錯檢漏判。另一方面，在生產線、特別是其中的裝配工序中，對零件的姿態、位置（方向）也經常需 要進行辨識，特別在采用選擇裝配方式時。正是在這一領域，機器視覺的圖像識別功能得到了廣泛的應用。

電子標簽是近年發展很快的一項新技術，它也采用了機器視覺的識別技術，如將涉及發動機的各種質量信息通過讀寫器無線寫入標簽或讀出。在有些發動機生產線的輸送裝置（托盤）上安裝有一個電子標簽，而每個加工或裝配工位則布置有一個讀寫器。讀寫器與 PLC 或計算機相連。以下是機器視覺圖像識別功能的幾個應用示例。

在活塞 ---- 缸 體裝配工序中，主要環節有：判斷缸體到位并做好檢測準備；探測缸體上緣（準確到位的標志），如果未發現該特征部分，即發出報警信號；在檢測系統中建立坐標 系；識別：活塞的有無，活塞位置的正確性（確切地講是“方位”），活塞頂部表面的標識和字符——用于表明型號、選擇裝配時的組別及其它相關含義。當發動機 即將到達檢測工位時，由電子標簽讀寫器驗明其“身份”，然后發信號給 PLC ；而當發動機到達檢測工位，接近開關觸發， PLC 給機器視覺系統發出工作指令；如果活塞在缸體內的裝配正確，視覺系統發信給 PLC ，然后寫入電子標簽，發動機繼續流向下一工位。如果活塞裝配有錯，則視覺系統提示 PLC ，并通過人機界面報警，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有錯、何種錯誤。操作者確認檢測結果后，通過使人機界面 PLC 發出指令，將結果寫入電子標簽，并且將發動機直接輸送到返修區域進行返修。整個檢測過程全部自動完成，只是在出現裝配錯誤、發出報警時才由人工干預。

主軸承蓋在四缸發動機缸體上的裝配是又一個典型示例。 5 個 主軸承蓋的前端部呈不同的臺階狀。通過每個零件上的數字標識，按規定順序和方向安裝。由于零件混雜、數量又大，常發生錯裝現象，導致下道工序產生廢品。為 此，在生產線的擰緊裝配工位和翻轉工位之間設置一個檢測工位，通過自動識別，判斷裝配結果的正確性。若全部正確，則缸體繼續流向下一工位，否則報警并給 PLC 發出指令，使生產線停機，將有問題的缸體下線返修。為了適應 1 件 / 分鐘的裝配節拍，采用在缸體移動過程中檢測， 2 個光電視覺傳感器分別前后布置在生產線的上方和一側。前一個為零件定位傳感器，用以自動準確地觸發采樣，后一個用于動態識別 5 個 主軸承蓋的表面幾何形狀。根據預先置入的各主軸承蓋特征參數和采集到的傳感器輸出信號，可確定是否裝錯并指示具體出錯位置。通過使用圖像檢測系統對有表面 缺陷的連桿進行定量測量檢測，取代了傳統人工目視檢測的方法，從根本上避免了誤檢，保證了產品品質。另外在幫助企業降低工件誤報廢成本的同時也降低了人員 的勞動強度，具有較大的經濟效益。