检测工艺与装备在国内汽车制造业的发展轨迹与前景
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检测技术是现代制造工艺的重要组成部分,也是检测工艺与装备的具体体现。本文回顾了检测工艺与装备在国内汽车制造业的发展轨迹,并介绍了数字化检测、光学测量技术的迅速崛起以及实际应用等情况。最后,对国内量仪企业随着汽车制造业的快速发展而蓬勃兴起,并逐渐跻身市场主流的可喜现象进行了分析,同时指出了其中存在的问题与隐患。
最近20多年来,中国汽车制造业获得了快速、强劲的发展,到2009年,中国已成为世界第一汽车制造大国。随着企业质量意识的不断加强和现代质量理念的逐步建立,尤其是进入本世纪以来,各行各业的信息化步伐日益加快,检测技术在现代制造业中的地位与作用也发生了很大变化,取得了前所未有的发展,而在以大批量生产为典型特征的汽车制造业,这一点显得尤为突出。

检测技术的发展轨迹

与其他机械加工行业一样,在汽车制造业产品生产过程的众多受控质量参数中,几何量所占的比例最大,几乎达到了70%-80%。本文以几何量测量为例,回顾检测技术伴随我国汽车制造工艺水平不断提升的发展轨迹。随着时间的推移,检测工艺与装备的演变大致有以下几种模式:
  • 模式1:少量用于工件终检的通用量具和专用量规(通止规),辅以配置在个别工位的浮标式气动量仪和机械式检具——这就是上世纪80年代中期以前生产线检测手段的典型状况。此外,部分企业计量室中配备的诸如万工显之类的传统测量仪器以及平台测量方面的能力,也承担了一部分几何量检测工作。
  • 模式2:机械读数式检具、专用量规和单管/多管气动与电动量仪,再辅以位于生产线终端的少量电感式综合检验机,构成了工序间检测手段的主体。与此同时,企业开始在计(测)量室配备坐标测量机,提升了测量能力。统计过程控制(SPC)作为一个新概念,也在此时引入中国业界,并由北京吉普公司率先成立SPC小组,尝试实施这一质量管理方法。但客观地说,受到当时企业在思想认识、管理经验和硬件手段上的各种制约,SPC的应用大多流于形式,并未取得显著效果,因此,这一波热潮并未维持多久。
  • 模式3:上世纪90年代中后期,虽然专用量规(通止规)仍然占据一席之地,但工序间检测手段的主体已变为机械式读数检具、单管/多管电子柱量仪,以及占一定比例的带有数据处理功能控制器的电感式(气电式)综合检具,而且与模式2相比,多参数半自动/自动检验机的数量更多,配置也更完善。由于控制电箱兼具一些统计分析功能,因此能方便、快捷地获取生产线的各项统计指标,包括反映过程能力的Cp、Cpk等指标,从而可以了解各相关工序的运行水平。也有一些企业采用的方式是:通过下载控制电箱中保存的实测数据,借助办公电脑中的专用统计分析软件,来获取反映工序运行质量的评定参数。
  • 模式4:从本世纪第一个十年的中期起,呈现在人们面前的是与先进制造技术相匹配的、特点更为鲜明的先进检测技术。这些技术能较好地适应当今制造业信息化、柔性化和产品可溯源性的要求,并融合了当代的众多先进技术。

图1 智能化的工序间检测台

(1)工序间检测的智能化模式

除了必不可少的专用量规以外,过去长期占主导地位的直接显示式检测器具(无论是机械型、气动型还是电子型)已难觅踪迹。所有专用检测器具,包括较简单的手持式电子量规(卡规、塞规、环规等)的输出信号都被导入具有统计分析功能的计算机辅助测量仪,构成了生产现场的实时监控系统。图1所示就是一个智能化工序间检测台的实例,测量台上除了一些专用量规外,所有的检测结果都输入旁边的计算机辅助测量仪。这些测量仪具有很强的通用性,同时还具有综合检测必备的数据处理功能,以及实时监控所需要的统计分析功能。利用这种统计分析功能,可通过预先设置的方式,对某一项或几项被测参数进行统计分析,给出评价工序运行状态的质量信息。仪器屏幕上不但能显示实测值,而且能反映出经过数据处理后的各种统计量,以及有关的曲线、图形等。通过切换画面,不但可以方便、快捷地获取丰富的信息,还可以利用数据网络把信息送至车间乃至企业的质量控制中心。为了在更大范围内帮助各国汽车制造业实现选择面更宽、功能更丰富的质量管理及生产过程控制,德国Q-DAS公司(数据处理及系统技术公司)推出了商品化的质量管理软件,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。

图2 机器视觉系统对工件的识别

(2)机器视觉技术的应用

在自动识别和检测两个方面,机器视觉技术已在汽车制造业获得了日益广泛的应用。
通过应用工件识别技术,为多品种、柔性化的混线生产模式创造了条件。例如,为了在同一条生产线上同时生产多种发动机的凸轮轴,可采取在二档轴颈间制作环带标志的方法,不同的环带数和位置代表了不同类型的凸轮轴,工件在进入某道工序之前,生产线上设置的光电视觉传感器通过读取环带标志,对工件进行准确识别(见图2),然后发出相应的控制信号,对不同类型的凸轮轴执行不同的工作程序,进行相应的操作。
为了有效地实现产品的可追溯性,企业采取了在重要零部件上打二维码的方式,其中所包含的件号、批次和一些重要的质量信息经过读数头识别、采集后,送至中央监控室的服务器,再结合各总成和整车上的条形码,一旦有需要,就可以方便地查询,迅速、准确、有针对性地进行质量追溯。而读数头对二维码的解读,正是利用了机器视觉技术的图像识别功能。此外,通过读取工件上的二维码,依据其中的相关信息,还可以有效地控制生产过程。例如,在轴瓦压入发动机缸体轴承档时采用了选择装配方式,即两者都按测量结果进行分组,再一一对应地进行压装。为了提高生产效率和防止错装,在成品缸体所打的二维码中即包含了组别信息,设置在装配线上的读数头通过自动读码和信息处理发出控制信号,即可据此进行操作:首先探测缸体上缘(准确到位的标志)是否已到位,然后对活塞的有无、活塞位置的正确性、活塞顶部表面的标识和字符与安装的缸体是否一致作出判断。整个检测过程全部自动完成,只是在出现装配错误、发出报警信号时才由人工干预。而采用工件识别技术,还为多品种、柔性化的混线生产模式创造了条件。
利用CCD器件和图像处理系统,还能采取反射方式进行诸如工件表面缺陷、连杆大小头结合面破口缺损等项目的探测。目前该技术也在汽车制造业获得了成功应用,从而解决了企业采用人工目检法无法处理的工艺标准中的定量评定问题。

图3 2000年以来国内汽车发动机行业CMM数量逐年增加

图4 生产测量室中的测量机器人

(3)坐标测量机(CMM)应用水平不断提高

近年来,坐标测量机(CMM)在汽车制造业的应用范围不断扩大(图3),应用水平也不断提高,CMM已成为移入生产现场的生产测量室的主导量仪,有的还连入了生产线,成为工艺过程的组成部分,直接用于在线检测。在确保CMM测量精度的同时,更强调其很高的测量速度、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测量功能。另外,测量机制造商在注重机型和软件的开发与改进的同时,对CMM辅助设施也十分关注。事实证明,各种辅助设施对发挥坐标测量机的效能作用极大。著名的德国Leitz公司近年研制的工件输送、装夹、定位一体化系统就是典型的例子,集成化的输送小车、滑台、专用夹具能与测量机的工作台实现无缝对接,在夹具上准确装夹、定位的工件由滑台送入CMM,即可实现快速测量,节省了辅助时间,提高了测量效率。图4所示的Sirio688测量机器人采用上述自动上下料系统,大大缩短了装夹工件的辅助时间(尤其是减少了变换不同工件的时间),进一步强化了Sirio测量机作为动力总成“检测机器人”的高效表现。

数字化检测技术的发展与光学测量手段的应用

1995年年中,随着上海大众新车型“桑塔纳2000”的下线,国内首个装备了先进的大型坐标测量机的车身测量室问世。由于当时产品型面的表达还未采用CAD数模,故CMM执行的仍是坐标测量。从上世纪90年代末、本世纪初起,以覆盖件、车身的测量为切入点,数字化检测技术在国内汽车制造业快速发展,并极大地带动和提升了其他类型工件的测量水平。

图5 数字化检测过程示意图
由图5所示的数字化检测过程可见,利用工件的CAD数模进行脱机编程,然后经过在机程序调试和优化,即可传输给位于生产现场或生产测量室中的坐标测量机,测量机据此对包括车身在内的工件进行检测。形成的反映检测结果的报告并不一定要打印出来,完全可以通过网络发送,任何需要获知这方面信息的人员(如客户)都有可能通过自已的网络终端了解检测结果。
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产(销)量产(销)量增长率产(销)量增长率产(销)量增长率产(销)量增长率产(销)量增长率产(销)量增长率
汽车产量(万辆)444.4509.114.6%570.512.1%727.927.6%888.2422.0%934.515.2%137045.0%
测量机销量(台)17018710%26843%45770%4897%470-4%59026%
图6 汽车产量与行业内测量机销售的对比
坐标测量机逐渐成为生产测量室的主体,并越来越多地进入车间现场,这在本世纪初已成为一种趋势,并极大地提升了企业的质量监控能力。图6提供了近年来汽车产量与行业内坐标测量机销量的对比情况,从中可以清楚地看出,随着汽车产量的增加,坐标测量机的销量也在同步上升。如果将图6与图3做一个比较,可以发现,在销出的测量机中,汽车发动机行业虽然占了高端机型中的极大部分,但在总量上,大部分测量机都进入了零部件生产厂和整车厂,这也表明了一个事实:坐标测量机的应用已日趋普遍。
另一个发展趋势是,光学测量以其突出的、无可替代的优越性,已被国内汽车企业越来越多地接受,并在多个领域获得了实际应用。汽车车身以及车身覆盖件(焊接件、冲压件等)大多呈自由曲面形状。自上世纪90年代中后期起,为了提高测量效率,尤其是为了强化对生产过程的监控,利用先进的光学测量系统,在车间现场实施在线检测的方式已越来越多地被现代汽车制造业所采用。以一种以结构光学三维传感器为基础的高效检测站为例,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,计算机则根据已编制好的测量程序,自动控制安装在框架上的众多光学三维传感器中的每一个,分别对工件上的各关键部位进行检测。一般来说,固定安装的传感器数量约为10-30个,完成测量仅需40秒左右,测量效率很高。
另一种测量机器人则是激光传感器与机器视觉技术相结合的产物。测量部分(包括激光传感器和CCD图像摄取装置)位于机器人的顶端,采用三角测量法原理对工件表面进行检测,由半导体激光器发出的光束经过聚焦,照射在被测物体表面,其反射光通过成像透镜,成像于图像摄取装置的CCD面阵上,据此实现对工件表面的测量。
近年来,先进的白光测量技术以及按照汽车制造厂的质量控制要求为其提供“一站式”解决方案,已成为一些测量技术提供商的优势和特长(图7)。就在最近几年,国内汽车制造业中部分具有较高制造技术水平的企业,开始把非接触光学测量系统用于机加工的在线检测,此类仪器由红外光源、CCD感光单元和图像处理装置组成,特别适合多品种(柔性)混线生产、一次需检测大量参数,以及要求对工件上一些细部进行精确测量等场合,目前较多应用于曲轴、凸轮轴、传动轴等零件的检测,检测效率和精度均不低于传统的接触式电感测量方式,而对某些部位的检测能力还远远超过了传统测量,对于保证产品质量发挥了十分显著的作用。

图7 手持式白光测量装置

检测工艺的多元化与国内量仪企业逐步跻身主流行列

虽然20多年来,在国内汽车制造业众多企业的工艺规划和质保体系中,“检测”的地位已稳步提升,检测工艺水平也大大提高,但囿于不同企业(集团)的管理理念,并在一定程度上受到经济实力的制约,所采用的检测工艺和配置的仪器、设备还是存在较大差别。归纳起来,具有以下二个特点:

(1)工序间(在线)检测方案的多元化

表1 我国汽车动力总成制造企业工序间(在线)检测方案调研情况
执行模式模式1模式2模式3模式4
所占比例≤3%≤40%≤50%5%-8%
企业性质个别民营企业多数为日、韩系外资企业;部分国有、民营企业多数为欧、美系外资企业;部分国有、民营企业基本为欧美系外资企业;少数国有企业
我国汽车动力总成制造企业工序间(在线)检测方案调研情况表明:执行模式1所占的比例为≤3%,企业性质为个别民营企业;执行模式2所占的比例为≤40%,企业性质多数为日、韩系外资企业,以及部分国有、民营企业;执行模式3所占的比例为≤50%,企业性质多数为欧、美系外资企业,以及部分国有、民营企业;执行模式4所占的比例为5%-8%,企业性质基本为欧美外资企业,以及少数国有企业(见表1)。

(2)坐标测量机配备的普及化。

客观地讲,无论企业执行的检测方案是模式2-4中的哪一种,都只是管理理念上的差异,谈不上技术水平的高低。但是,毕竟还有管理成本、质量成本的问题,在市场竞争十分激烈的情况下,这也是企业必然会认真考虑的。但这一情况反过来也充分表明,对工序间检测器具/设备(以下简称工位检测器具)的需求是多层次、多元化的,其中占相当大比重的一部分仍是沿用多年、技术上已十分成熟的产品。
随着中国成为世界第一汽车生产大国,旺盛的需求也给检测设备/器具制造商带来巨大的商机。那么,目前国内的检测设备/器具制造行业又处于什么地位呢?总体上看,该行业如今已基本摆脱了10年前仅仅处于低端市场的态势,逐渐跻身市场的主流行列,且这一趋势正在不断走强。“跻身主流”的标志主要有以下三点:①在用户实际需要配置的检测设备/器具中占有较大份额;②相当一部分“大用户”在选用检测设备/器具(甚至有成线配套需求)时,能将其列为优先考虑的对象;③能以一些技术含量较高的检测产品打入高端用户,并得到相应的认可。

图8 不同档次坐标测量机在汽车制造业的占比(左为海克斯康产品占比)

图9 不同品牌测量机在汽车制造业所占比例

图10 不同品牌测量机在汽车动力总成生产领域所占比例
具体地说,对于那些实际需求量大、且经常需要备件和因改造而需要添置的量规、简易机械式量(检)具、浮标式气动量仪乃至(气)电子柱量仪,如今国内量仪制造商基本上已占据了供货的主导地位。即使是技术上要求最为苛刻的部分欧美系外资汽车企业(如南北大众、南北大众发动机动力总成),在有备品和扩产、改造等新需求时,也会首先直接考虑选用国内厂家的产品。这完全是因为国内产品在制造技术上日臻成熟、在价格和售后服务上具有很大优势等因素决定的。而对于那些综合性检具、有特殊要求的电子量规乃至半自动、自动多参数检验机,以及技术含量更高的SPC检查站,国内一些相对实力较强的制造商也已能够承接,并在近年来实际上取得了大多数国有、民营汽车企业(甚至还包括多家日韩系、欧美系的总成生产厂)的认可。如具有较长量仪开发、生产历史的中原量仪、无锡爱锡(以及从中派生出来的无锡富瑞德)、中测量仪、成都工研科技等企业,已经为比亚迪、长安汽车、奇瑞、天津一汽夏利内燃机、东安动力、广州汽车、长城汽车、上汽乘用车等国有(自主品牌)企业,以及海南马自达、神龙汽车、广州本田、长安福特马自达等合资企业成线提供工序间检测设备,取得了可观的业绩。
与此同时,一些实力较强的量仪制造商近年来也开始为要求较为苛刻的欧美系合资汽车企业(如大众、通用、博世、Getrag等)提供技术含量更高的工位检测器具,并获得了用户的认可和好评,这也是它们正逐渐进入高端市场和量仪产品供货主渠道的又一重要标志。如不久前成都工研科技为上海大众发动机厂的一条新建缸盖线提供了5台高性能综合检测设备。无锡富瑞德则为国际知名变速箱集团Getrag在国内新建的一家合资厂提供了壳体、轴类零件和盘类零件等3个在线检测专用检测站,并包含了丰富的SPC功能,技术含量较高。
尽管我国量具量仪制造业呈现出良好的发展势头,但存在的问题也十分明显,可以概括为“小、散、低”。据不完全统计,目前国内从事工位检测器具生产的厂家已有200余家,其中绝大部分规模都很小,生产以量规、简单的机械类检具、浮标式气动量仪等为主的低端产品。这些产品的附加值本来就较低,加上激烈的市场竞争环境,使这些厂家的经营举步维艰,缺乏发展后劲。进入本世纪以来,国外一些实力雄厚、技术领先的知名测量技术提供商,如意大利的MARPOSS、法国的ETAMIC、德国的Hommel和日本的东京精密、东京测范等,一改多年来直接向中国出口产品的模式,开始在国内建厂,就地生产,就地销售,不仅降低了制造成本,而且售后服务的响应速度和效果也大为改善,从而进一步增强了其竞争优势。反观国内规模较大的几家企业,本身就是由原来的“中原”、“爱锡”等老厂裂变产生的,尽管企业自身都很努力,但目前还不足以与国外有实力的知名厂商全面抗衡。
从前面的介绍可知,坐标测量机已在汽车制造业得到了日益广泛的应用。根据坐标测量机的配置、结构和款式,一般可将其分为高、中、低三档:①高端产品:高精度、龙门式、水平臂式测量机等;②中端产品:桥式、关节臂式测量机等;③低端产品:手动型、小型自动桥式测量机等。图8所示为不同档次坐标测量机在汽车制造业所占的比例。总体而言,中档坐标测量机在汽车制造业的应用比例最大,更重要的是,与“工位检测器具”不同,坐标测量机的集中度相对更高。
客观地讲,目前坐标测量机的高端市场还是国外品牌的一统天下,主要集中在海克斯康(Hexagon)集团旗下的Leitz、DEA、Leica品牌以及ZEISS等少数几个厂家的产品。而在实际应用中占比超过80%的中低档测量机,其中很大一部分已可由国内生产企业提供,虽然这些企业中很多具有外资背景(如海克斯康(青岛)、西安爱德华等)。目前,国内坐标机生产企业已具有很强的自行开发和制造能力,它们为汽车行业提供的大量测量机也经过了实践检验,市场占有率越来越大。尤其是自2000年以来,海克斯康(青岛)在国内组装Hexagon集团的Global桥式测量机和Toro悬臂测量机后,其产品的市场占有率不断上升,并在很多应用领域处于引领行业技术发展的态势。从图8可见,海克斯康集团在高端、中端和低端产品市场的占有率分别为59%、51%和19%。图9和图10则进一步表明,该集团在整个汽车制造业拥有坐标测量机的比例达到45%,远远超过其他竞争对手;而在动力总成生产领域,该集团产品所占的比例更高达66%。其实,现在海克斯康(青岛)关注的并不只是单纯为用户制造适用的测量设备,他们更倾向于、并已着手付诸实施的是为用户提供“量身定制”的测量解决方案,第一步是测量室的“交钥匙工程”,进而还要为企业提供全部检测工艺规划。藉助于强大的专业技术力量和深厚的行业背景,他们很有希望实现自己的目标。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2012-12-4 14:29:56

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