基于三維檢測技術的汽車沖壓件尺寸自動測量系統設計

中圖分類號：U466 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)18-0133-04

Abstract:Thispaperdesignsanautomaticdimensionmeasurementsystem forvehicle stampingpartsbasedon3Ddetection technology.First，anindepthanalysisismadeonthepartsfeaturesandmeasurementrequirements，whichdefinesthebasic systemdesignrequirements.Second，forteautomaticdimensionmeasurementsystemdesign，corrspondinghardwareandsoftware areproposed，andtheframeworkisdesigned.Then，combining3Ddetectionandimageprocesingtechnologiestorealize automaticdimensiondetectionandmeasurement.Finall，experimentsverifythesystem'saccuracyandstability.Resultsshowthe systemhashighprecisionandstability，canquicklyandacuratelymeasuresdimensions，andadaptswelltocomplex-shaped stamping parts.

Keywords:3Ddetectiontechnology；vehiclestampingparts；automaticdimensionmeasurement;systemdesign；bidirectional cascaded network;digital twin

汽車制造業是國民經濟的支柱產業之一，隨著社會對汽車需求的不斷增長，汽車制造業也面臨著持續發展和進步的需求[1。為了滿足市場對汽車產品質量和性能不斷提高的需求，汽車制造業需要不斷推動技術創新和生產方式的改進，以提高產品的質量，降低生產成本，提升競爭力。沖壓件作為汽車制造中不可或缺的零部件，其尺寸精度和幾何形狀對汽車的安全性和外觀質量有著重要影響2。因此，汽車制造業對沖壓件尺寸精度的要求越來越高，同時也對尺寸測量的效率提出了更高的要求。傳統的測量方法存在著測量速度慢、人為誤差大、成本高等問題，已經難以滿足現代汽車制造業的需求。因此，開發一種基于三維檢測技術的汽車沖壓件尺寸自動測量系統具有重要的實際意義[3]。黃海松等4提出產品的生產過程中會產生海量的多源、異構數據，數字孿生技術能夠對其進行實時分析和處理，從而獲得更全面、更有價值的信息，為生產設備提供故障預測和健康管理服務。數字孿生技術作為智能制造的關鍵技術之一，通過構建物理設備與虛擬模型之間的實時映射和同步，為制造業的智能化、高效化提供有力支持，推動制造業的轉型升級5。為實現智能化、高效化、數字化的產品生命周期管理，用數字孿生技術融入設計的自動測量系統中。

1汽車沖壓件尺寸工程

1.1沖壓件在汽車制造中的重要性

沖壓件在汽車制造中的重要性不言而喻，因為它們在汽車產品中起著至關重要的作用。沖壓件作為汽車構成的重要部分，直接影響到汽車的質量、安全和外觀。在汽車制造過程中，沖壓件尺寸的精度和穩定性對于保證汽車零部件的匹配性和整車的質量至關重要。因此，確保沖壓件尺寸的精準測量和控制，對于汽車制造工藝和產品質量都具有非常重要的意義。沖壓件尺寸的測量在傳統的汽車制造工藝中通常需要耗費大量的人力和時間，而且由于人為因素的影響，測量結果的準確性和一致性無法得到保障[。因此，設計一種基于三維檢測技術的汽車沖壓件尺寸自動測量系統具有非常重要的現實意義。

1.2 尺寸工程定義

在對產品進行尺寸規范設計時，整體上可以分為精準設計、清晰設計和精益設計3個部分。精準設計可以保證零件的要求和產品的需求相匹配；清晰設計可以保證圖紙表達清晰，制造工程師、質量工程師對圖紙的解讀準確、唯一；精益設計可以保證產品裝配滿足要求的前提下，盡可能節約成本，實現零件公差的合理設計。尺寸工程是實現從產品的設計到產品最終生產的全過程控制的系統化工程，在進行結構設計階段之前要對零部件的尺寸信息進行預先設定，經過零部件一系列的裝配過程，使最終生產的產品滿足其功能要求。

由圖1可知，尺寸工程涵蓋了概念設計、結構設計、樣車試制和投產4個階段。在概念設計階段主要進行產品尺寸技術規范(DimensionsTechnical Speci-fications，DTS)的設定，將人們的感知質量轉化成精致的工藝，讓工程師通過技術語言進行規范的設計，做到統一管理和提高工作效率。結構設計階段主要是對定位方式以及基準進行選擇，通過對零部件之間的公差進行設定，生成相應的幾何尺寸與公差圖紙，并借助現有的計算機輔助公差分析軟件根據圖紙信息對特征的公差進行輸入，從而模擬實際裝配過程，在零件的設計階段及時發現問題，節約了資源和時間。另外還可以根據分析結果中對影響DTS設定的主要因素的公差進行重點調整，減少盲目追求高精度而造成的成本提高等問題。尺寸控制主要是對尺寸數據進行收集和管理，充分利用好實際數據，將實際生產中的裝配尺寸數據作為經驗為之后的產品DTS設定提供指導。同時還要構建測量系統，整個過程中還要進行產品零部件檢具、夾具、模具的同步開發，直到最終產品進入投產階段結束8]。

2基于三維檢測的尺寸檢測系統設計

2.1尺寸檢測性能指標

尺寸規格一般用內徑 × 外徑 × 高度表示，單位為mm 。沖壓件標準尺寸劃分得很細，規格很多。分析發現，中、小尺寸規格沖壓件在實際生產及應用中占較大比例。因此本文研究將檢測目標對象放在中、小尺寸（外徑尺寸不大于 40mm )規格的骨架沖壓件上。基于機器視覺的沖壓件尺寸檢測標準，目前沒有明確，因此根據人工檢測的標準，制定較人工檢測更為嚴格的精度要求，骨架沖壓件人工尺寸檢測標準、骨架沖壓件的尺寸與公差見表1。由表1可知，中小型尺寸測量使用游標卡尺、千分尺，檢測精度為 0.02mm ，所以基于機器視覺尺寸檢測應該達到的精度要求是小于0.02mm 。

2.2 尺寸檢測系統總體設計

由檢測標準可以看出，尺寸檢測精度較高，為了提高檢測效率和準確率，實現自動化、智能化檢測，同時方便用戶使用，本文所設計的檢測系統，如圖2所示，包括硬件系統、軟件系統和控制系統。

其中，硬件系統包括自動上料機構、旋轉運輸機構、圖像采集系統、分離器、分類收集箱和安全警報系統，主要負責自動上料、運輸、圖像采集和分類的執行；軟件系統包括人機交互模塊、檢測模塊和通信模塊，人機交互模塊主要負責檢測結果顯示，檢測參數設置，啟停控制，數據管理等，方便用戶監測管理監測系統，檢測模塊主要負責沖壓件的圖像處理、缺陷檢測和尺寸檢測，是檢測系統的核心模塊，本文將在后續重點介紹相關算法的研究，通信模塊主要負責相機采集圖像數據和上位機與下位機之間的數據傳輸，可以根據所需功能與模塊一同擴展；控制系統主要包括輸入、控制器和執行元件，主要負責狀態檢測，控制沖壓件檢測系統正常工作，是系統檢測功能實現的關鍵。

2.3 尺寸檢測硬件系統

根據沖壓件檢測性能指標，以及沖壓件的大批量生產方式，設計了沖壓件尺寸檢測系統硬件系統，包括自動上料機構、旋轉運輸機構、圖像采集系統、分離器、分類收集箱、安全警報系統。步驟為： ① 打開設備開關，設備通電； ② 自動上料。將待檢測的沖壓件倒入震動盤中，按下啟動按鈕，沖壓件經震動盤、直振器和輸送導軌進入旋轉玻璃圓臺，旋轉玻璃圓臺帶動沖壓件進入相機視野范圍； ③ 圖像采集。沖壓件依次通過相機檢測范圍，即側邊采集相機、下表面采集相機、上表面采集相機檢測范圍，由光電開關觸發相機拍照，采集沖壓件側邊、上表面、下表面圖像，圖像信號傳輸至上位機； ④ 沖壓件檢測。上位機軟件系統對采集到的沖壓件圖像進行檢測，顯示檢測結果，向下位機輸出檢測結果的信號； ⑤ 沖壓件分離。下位機依據上位機檢測結果信號，控制相應分離器動作，沖壓件落入相應分離箱中，完成沖壓件檢測工作。

2.4尺寸檢測的數字孿生

檢測作為產品生命周期管理中的一部分，作為“黑燈工廠\"的其中一個環節，為提高檢測系統的可視化，實現數字化檢測需求，提高檢測質量和效率，并實時監控檢測過程，預測設備故障，優化檢測流程，降低生產成本，并實現不同產品檢測和更新迭代。通過數字孿生技術構建虛擬模型實現可視化監控系統，實現檢測產品的仿真和優化，通過虛實交互映射，實現多源數據驅動，將信息反饋給前工序，把數據流傳到后工序，實現數據的采集、存儲和可追溯。遲盛元等提出利用深度學習技術，通過對YOLOv5算法進行改進來提高目標檢測的準確率。隨著AI技術的不斷進步，可提高檢測的質量和準確性，實現系統的自我檢測判斷和優化決策。

3基于改進BDCN的沖壓件尺寸檢測方法

感知邊緣檢測的雙向級聯網絡(BDCN)[是基于VGG16構造的圖像對圖像的輕量化邊緣檢測模型，對比一般的多尺度特征運用的圖像金字塔、深層階段提取特征，避免了重復計算，減少了推理時間。同時采用雙向Loss監督方式，使各中間層學習自身合適的尺度。BDCN模型去除了VGG16網絡的所有全連接層和最后的池化層（Pool)，只保留13個卷積層，對應VGG16網絡的5個階段，各階段與尺度增強模塊(ScaleEnhancementModule，SEM)和 1×1 卷積的結合，構成5個ID塊。

在BDCN中，假設 Y 為邊緣標簽label，根據標簽中邊緣標簽尺度變化的大小，將 Y 分解為不同尺度的疊加

式中： Y_s 為層尺度的邊緣標簽，

為使每層學習合適的尺度特征，將 Y_s 分解為2個互補的監督 Y_s^s2d 和 Y_s^d2s，Y_s^s2d 忽略比 s 層更小的監督， Y_s^d2s 忽略比 s 層更大的監督， Y_s^s2d 和 Y_s^d2s 的表達式為

式中： s2d 為從淺層到深層的信息傳播； d2s 為從深層到淺層的信息傳播

除去ID塊1得到的特征圖，深層ID塊得到的特征圖經過上采樣(Upsample)得到各層的2個邊緣預測特征圖，分別沿“淺層一深層”、“深層一淺層”兩條路線進行傳播，由得到的結果計算得到各層的Loss。

得到的各層邊緣預測特征圖經過Concat特征融合，得到最終邊緣預測特征圖，經過 1×1 卷積層，得到的結果計算Loss。得到11個Loss，分為兩類。一類是 ?_side 即前10個層的輸出計算的Loss;另一類是 ?_fuse ，即融合前10個輸出預測圖計算得到的Loss。每個Loss使用加權二元交叉熵（Weighted Binary Cross Entropy，WBCE)，帶調整正負樣本權重的Loss。在兩類Loss之間使用2個超參數權衡兩類Loss。

4尺寸檢測實驗與結果分析

尺寸檢測圖如圖3所示。由圖4尺寸檢測誤差分布圖可以看出，油封尺寸檢測誤差均小于 0.02mm 由表2油封尺寸檢測結果可以看出，尺寸檢測總體平均誤差為 0.013mm ，誤差精度高于人工檢測精度 0.02mm 。經測試，人工檢測每個油封的高度、內外徑和真圓度尺寸所需時間為 43.5s ，而使用本文油封尺寸檢測方法，平均每個油封檢測時間為1.32s，提高了檢測效率，滿足實時性檢測需求。

5結論

本文基于三維檢測技術的汽車沖壓件尺寸自動測量系統設計具有重要的研究意義和實際應用價值，對提高汽車零部件生產的質量和效率具有積極意義。通過本研究，將為產業數字化轉型升級的汽車生產領域的尺寸檢測技術提供新的思路和方法，推動相關領域的發展和應用。后續將在基于智能制造、數字化發展基礎上結合數據分析技術、智能算法、機器視覺等進行數字化、智能化的數字孿生自動檢測系統的分析和應用研究。

參考文獻：

[1]吳昊榮，李曉曉，孫付春.基于亞像素精度的汽車沖壓件尺寸測量系統設計[J]組合機床與自動化加工技術，2024(3)：44-48，53.

[2]卞躍超，高蕾娜，郭興華，等.機器視覺技術在汽車沖壓件缺陷檢測領域的應用[J].汽車測試報告，2023(19)：86-88.

[3]高鈺超，李照，陳忠石，等.汽車沖壓件尺寸精度提升策略[J].模具制造，2023，23（5）：51-55.

[4]黃海松，陳啟鵬，李宜汀，等.數字孿生技術在智能制造中的發展與應用研究綜述[J].貴州大學學報（自然科學版)，2020，37(5):1-8.

[5]齊天泓，黃海峰，曹樂，等.智能制造數字孿生概念模型與關鍵技術研究[J].信息技術與標準化，2024(11)：45-50，60.

[6]鄭小偉，廖端，熊升，等.光學掃描測量技術在汽車沖壓件精度管理的應用[J].模具制造，2022，22(10):52-54，58.

[7]葉立淵，吳海，苑永強，等.汽車沖壓件數字化智能測量技術方案的探討[J].鍛造與沖壓，2021(10)：49-53.

[8]王文華.汽車沖壓件成本模型研究[J].汽車工藝師，2023(4)：60-64.

[9]房峰，袁逸萍，裴國慶，等.基于數字孿生的紡機鈑金車間可視化監控系統研究與應用[J].現代制造工程，2024(3)：31-37，102.

[10]遲盛元，白巖，孟祥民，等.基于數字孿生的印刷電路板缺陷檢測算法優化[J].無線電通信技術，2024，50(5)：1046-1054.

[11]JIANZHONG H，SHILIANG Z，MING Y，et al.BDCN:Bi-Directional Cascade Network for Perceptual Edge De-tection [J].IEEE transactions on pattern analysisand ma-chineintelligence，2020.