车身覆盖件表面缺陷数字化检测
汽车设计需要兼顾制造性和艺术性，由于造型设计需求，造成覆盖件表面缺陷难以通过优化工艺和改进模具的方法解决。因此表面Audit评审十分重要，需要准确判断表面缺陷对客户感观的影响。
基于GCA准则进行判断缺乏统一性，存在同样的缺陷严重度判断不一致的问题，需要开发更加客观的评判方式来代替当前的主观判断方法。
经研究表明，表面凹陷的产生与零件不均匀回弹以及该区域的残余应力有着密切关系。在成形分析和现场制造过程中，位于反向拉深棱线处外凸圆角周围的缺陷最难解决，由于该区域处于平面拉压应力状态，形成机理与局部屈曲有关，其应力分布如图1所示，次应力为负值，表明处于平面拉压的应力状态。
图1 侧围加油口区域次应力分布
根据该类缺陷区域的应力特点，建立图2所示矩形薄板平面拉压模型。
图2 矩形薄板拉压应力模型
假设面畸变区域为矩形薄板，该薄板为各向同性弹性体，矩形薄板在X方向受面内压缩应力σx，在Y方向受拉应力σy ，由板壳理论和解的不唯一性可获得该模型发生屈曲失稳的应力。
其中，a为薄板长度，mm；b为薄板宽度，mm；δ为薄板厚度，mm；E为杨氏模量；v为泊松比；n和m分别为X、Y方向上的半波数的数目。
当(n/m)→0时，σx有最小值，即临界应力σcr。
零件成形卸载后，随着内部应力的释放，零件发生回弹。由于特征附近内部应力应变的不均匀性，该区域回弹也呈现不均匀的特性，当压缩区域边界应变大于临界应力（σx>σcr）时，在区域内会产生表面缺陷。
为了优化表面质量，需要提高模具零件的研配要求，对该区域进行强压处理，但仍有相当多的类似缺陷无法完全消除。
现以某车型右侧围外板为例，材料为CR4，料厚为0.65mm。右侧为包含加油口和三角窗特征，符合上述的表面缺陷产生机理。将其凹陷特征进行标识，侧围特征及标识区域如图3所示。
图3 某车型右侧围外板
UG软件提供斑马线方法来检查零件表面质量的功能，该侧围外板的斑马线检查效果如图4所示。
图4 侧围加油口及三角窗区域斑马线特征
由图4可知，所有表面的斑马线连续，没有发生突然弯曲，表明所有的表面曲率连续，表面质量符合要求。在实际制造过程中发现，零件的加油口区域和三角窗区域存在凹陷。在油石检查时发现该处区域的曲面不连续，表现为高光下不光顺，油石检查结果如图5所示。
图5 油石检查结果
这种常规检查方法可以确定表面凹陷位置，但是对于凹陷的等级判断存在不足，准确判断表面凹陷等级是亟待解决的问题，因此对蓝光设备的应用进行了扩展，并通过数据处理获得缺陷的等级判断。
蓝光设备是一种结合结构光技术、相位测量技术与计算机视觉技术的复合三维非接触式测量仪器，由光栅投影设备及2个工业级的CCDCamera所构成，如图6所示。
图6 蓝光设备原理
将光栅投影在待测物上，控制其粗细变化及位移，配合CCDCamera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，结合光技术、相位测量技术和计算机视觉技术处理后，可得到待测物的3D外型。蓝光设备精度对研究影响较大，精度越高，所获得的点云越密，结果越准确。蓝光设备参数如表1所示。
使用蓝光设备对零件进行数字化建模，将其命名为点云面。通过UG等软件检查扫描后的零件表面，确定缺陷发生区域。为了保证蓝光扫描及点云面在UG中的精度和对比度，蓝光扫描以及扫描点云进行UG自动构面，设置如表2所示，既可以满足蓝光扫描的效率，也可以满足精度要求，点云面斑马线如图7所示。
图7 点云面的斑马线
由图7可知，某些区域小范围内斑马线检查存在突变，即为表面凹陷区域。通过数字化手段可以方便地检测出零件表面凹陷的位置，与油石检查对比，其表面凹陷位置和大小基本一致。为了研究表面凹陷的严重程度，根据凹陷分布的位置和其区域大小，选择位置③作为凹陷研究位置。
在使用油石对零件进行打磨时，油石的长度会影响表面凹陷的范围识别。对于表面的凹陷检查，现使用长度为100mm的油石。
在UG中根据零件的坐标和放置方向，在缺陷区域建立一组与X-Z面平行的截面，截面长为100mm，每隔1mm生成一个测点，共包含101个点。
图8 点云面截面线位置
同时建立截面和零件、截面和点云面之间的相交线，如图8所示。将截面上的点分别投影到2条相交线上，获取新点的坐标，该坐标代表该处截面的空间坐标信息。因为相交线平行于X-Z面，点的X坐标值的变量Δx=1，Z坐标为常量，Y坐标为变量。
通过该方法简化了区域数学分析的难度，将三维研究降到二维进行分析。通过对2个相交线上的测点进行离散点连续性求导，分析该区域的连续性，并根据连续性的偏离值确定表面凹陷等级。导数的连续性反映了该处曲面的连续性，如果导数连续性发生畸变，则该处的表面存在连续性问题。
截面线上点的坐标记录：
离散点连续性一阶求导：
零件数模的一阶求导：
对点云面的一阶求导：
零件数模的截面一阶求导曲线如图9所示，线段基本为直线，曲率过渡平缓，故表面连续性良好，表面没有畸变产生。
图9 零件数模一阶求导曲线
对点云面的一阶求导曲线如图10所示，点云面的连续性存在突变，表明点云面的表面存在凹陷，与油石和斑马线检查相对应。
图10 点云面一阶求导曲线
图10中发生凹凸变化的部分即零件表面凹陷产生的区域。但是不同的缺陷等级给顾客带来的感受完全不同，因此判断缺陷等级在实际生产中具有重要的意义。
零件表面凹陷是因实际零件和数模的制造差异而导致的局部表面畸变。表面凹陷的严重程度与凹陷范围以及凹陷深度相关。现采用测量缺陷斜率来定义表面缺陷的严重程度，其分析方法如图11所示。
图11 表面凹陷斜率分析
凹陷区域斜率计算：
S1=h1/d1 （7）
S2=h2/d2 （8）
其中，S1和S2代表了该表面凹陷范围和深度的比值，反映了凹陷的严重程度。S越大则一定范围内凹陷深度越大，缺陷越明显。根据计算结果，选择S1和S2中较大的作为判断依据。根据现场经验，当S>0.006时，零件表面缺陷比较明显。点云面的连续性问题是表面凹陷在断面位置的直观表现。现对2个断面的导数进行分析。
f ( f ( p)) =Δf ( p) = f1( p) - f '1 ( p)，Δx = 1 （9）
其中，f ( f ( p)) 为该处表面的S值。
如果零件表面质量和数模一致时，则f ( f ( p)) =0，但在实际生产中不可能做到。因为零件不同特征位置的尺寸变化都存在区别，f ( f ( p)) 值也不断变化，故选择S>0.006。当f ( f ( p)) >0.006时，该区域存在不可接受的表面凹陷，导数差曲线如图12所示。
图12 导数差曲线
由图12可知，从点1到点16的位置，其斜率在±0.006以外，根据判断法则其存在明显的表面凹陷。其他位置有轻微不连续，但不影响表面感观。为了进一步研究表面凹陷的区域，按照同样的方式在水平方向上做了多组截面线，并对截面线上的点进行分析，截面线组的导数差连续图如图13所示。
图13 截面线组导数差连续图
从图13可以看出，每条截面线中表面凹陷区域的起始点和终止点发生变化，当截面线数量可以覆盖整个凹陷区域时，可以得到f(f(p))<0.006的截面线，将所有截面线f(f(p))>0.006的起始点和终止点分别连接，即可得到凹陷的实际区域。同时根据数值的变化来判断表面凹陷的严重程度。
▍原文作者：贺亮，李瑞杰，孙虎平
▍作者单位：上汽通用汽车有限公司