三維掃描技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用

馬萬里，莫 燕，韋淇山

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西 柳州545000）

智能制造實(shí)現(xiàn)了人、設(shè)備和系統(tǒng)智能互聯(lián)，并高度融合了先進(jìn)的人工智能技術(shù)，制造技術(shù)以及信息交互技術(shù)。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線主流應(yīng)用智能方式為CCD相機(jī)拍照、激光掃描等防錯(cuò)技術(shù)，但其只能針對(duì)二維平面的檢測，無法反映出其三維狀態(tài)，探測度較低。

三維掃描技術(shù)屬于視覺技術(shù)應(yīng)用范疇，曾用于建筑物測量及逆向工程設(shè)計(jì)等，具有應(yīng)用范圍廣、掃描精確度高、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。但近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛快進(jìn)步，推動(dòng)了三維數(shù)字?jǐn)?shù)字化技術(shù)的逐步成熟，三維數(shù)字化信息的獲取與處理技術(shù)以各種不同的風(fēng)貌與特色進(jìn)入到各個(gè)不同領(lǐng)域之中[1]。三維掃描儀是通過掃描獲取檢測物體的立體彩色信息，然后將其轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，再經(jīng)計(jì)算機(jī)直接處理的儀器。因?yàn)槿S掃描儀提取的圖像信息具有很高的使用柔性，其較高的精確性能夠避免制造過程中缺陷的產(chǎn)生，所以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中常規(guī)的人工視覺可以被取代，同時(shí)能夠節(jié)約人力成本。本文基于三維掃描技術(shù)的原理及成功應(yīng)用案例的介紹，發(fā)掘三維掃描優(yōu)勢，進(jìn)一步提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和制造質(zhì)量。

1 三維掃描儀的構(gòu)成及其原理

1.1 三維掃描儀簡介

三維掃描儀（3D scanner）是一種使用三維掃描技術(shù)的新型設(shè)備，具有掃描精度高、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)整測量范圍，不管是小到一顆螺絲的檢測還是大到整車的檢測，都可以完美地勝任。三維掃描儀通過掃描現(xiàn)實(shí)中存在物體的表面特征與外觀數(shù)據(jù)后，在電腦中生成三維模型，然后利用生成的三維模式與之前導(dǎo)入電腦中的三維模型進(jìn)行對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)檢測功能。此外，電腦中生成的模型還可以應(yīng)用于逆向工程、刑事鑒定以及游戲素材的創(chuàng)作等方面。

1.2 三維掃描儀結(jié)構(gòu)

三維掃描儀主要分為接觸式和非接觸式兩種類型。本文主要介紹非接觸式三維掃描儀。非接觸式三維掃描儀相較于接觸式三維掃描儀在工業(yè)檢測中具備更高柔性的優(yōu)勢，因?yàn)槠湓跈z測過程中不需要接觸零件表面，能夠有效地避免對(duì)零件造成損傷。其中非接觸式三維掃描儀中的拍照式掃描儀最為常用，其主要是由兩個(gè)工業(yè)級(jí)的CCD相機(jī)、投影光柵、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。測量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采得相應(yīng)圖象，然后對(duì)圖象進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，解算出兩個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)[2]。

圖1 拍照式三維掃描儀結(jié)構(gòu)圖

2 三維掃描儀在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上的應(yīng)用

現(xiàn)代化的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中，零件的檢測大多數(shù)都來源目視檢查和CCD相機(jī)檢測。由于目視檢查受人的主觀因素控制，對(duì)檢測的效果有很大的影響，在大批量的生產(chǎn)過程中，不能充分保證穩(wěn)定的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品合格率，這在質(zhì)量體系工具下的潛在失效模式及后果分析（PEFMA）中具有很高的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，幾乎是無效的手段，而CCD相機(jī)的檢測只能檢測一個(gè)二維平面，不能充分反映零件的狀態(tài)，容易造成誤判。

三維掃描儀是一種通過掃描來直接獲取信息的全新方式，能夠?qū)呙璧降奈矬w的三維信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)可以直接對(duì)其進(jìn)行處理，并且通過三維掃描儀的非接觸測量，獲取物體信息的用時(shí)短，精度高。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線裝配完成的部件，三維掃描儀可以對(duì)其整體進(jìn)行掃描，然后再和預(yù)設(shè)在計(jì)算機(jī)圖像軟件中的標(biāo)準(zhǔn)三維圖像進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比，全方位判斷裝配是否合格。如果裝配好的部件與標(biāo)準(zhǔn)不一致，則設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)或HMI面板顯示不合格，托盤會(huì)以不合格的結(jié)果釋放，而且當(dāng)托盤進(jìn)入到下個(gè)工位時(shí)，工作人員不會(huì)對(duì)其施加任何動(dòng)作，擋停會(huì)對(duì)其自動(dòng)放行直至返修工位，待返修人員對(duì)其返修完成后重新上線檢測合格后，才可進(jìn)行下一步裝配操作，有效地保證了裝配質(zhì)量。例如可以應(yīng)用于裝配線上活塞銷卡環(huán)的檢測，活塞類型的檢測，以及缸蓋墊片的存在性的檢測等等。

盡管三維掃描儀在原理和功能上已經(jīng)可以完全取代目視檢查和CCD相機(jī)的條件，但是由于其高昂的出售價(jià)格，使其不能完全投入到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中，只能用于一些關(guān)鍵工位的檢測。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷卡環(huán)檢測的三維掃描技術(shù)應(yīng)用介紹

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室通過燃燒機(jī)油產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體作用于活塞頂部，接著通過活塞銷孔向連桿傳輸力矩，這是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)钠鹗茧A段[3]。為了避免在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中活塞銷發(fā)生竄動(dòng)，在活塞連桿分裝的過程中，需首先將活塞銷裝入活塞孔，然后再把活塞銷卡環(huán)裝在鎖環(huán)槽內(nèi)。傳統(tǒng)的活塞裝配防錯(cuò)方法是使用接觸式測量或二維拍照檢測，由于活塞裝配工藝的復(fù)雜性以及變化無常的裝配環(huán)境使得這些傳統(tǒng)方法不能完全識(shí)別所有的裝配錯(cuò)誤。

2.1.1 活塞銷卡環(huán)的裝配技術(shù)要求

（1）生產(chǎn)線的裝配標(biāo)準(zhǔn)

活塞銷卡環(huán)安裝時(shí)，將活塞銷卡環(huán)壓裝進(jìn)活塞頭部的凹槽中，并保證活塞環(huán)的開口不能對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)兩個(gè)活塞銷缺口，且活塞銷卡環(huán)的缺口方向處在圓弧位置，如圖2所示。

圖2 活塞銷卡環(huán)裝配

（2）活塞銷卡環(huán)裝配失效存在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

如果活塞銷卡環(huán)漏裝、錯(cuò)裝或者安裝方向不正確，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在運(yùn)行過程中，活塞銷會(huì)因卡環(huán)脫落而竄出，導(dǎo)致缸體損壞，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命造成直接影響。

2.1.2 活塞銷卡環(huán)檢測工藝方法

活塞銷卡環(huán)檢測主要有人工目視檢查、探針接觸式測量以及三維掃描儀檢測三種方法。

人工目視檢查與探針接觸式測量和三維掃描儀檢測相比，其可靠性與穩(wěn)定性存在巨大的不足。人工目視檢查僅能憑視覺判斷活塞銷卡環(huán)的裝配狀態(tài)，如卡環(huán)是否錯(cuò)裝、漏裝，安裝方向是否正確，受人為影響因素過大，無法保證100%將制造缺陷控制在制造環(huán)節(jié)中。

探針接觸式測量是在活塞銷卡環(huán)安裝完成后進(jìn)行，工藝上是先將安裝好活塞銷卡環(huán)的活塞連桿定位，探針伸出接觸活塞銷卡環(huán)，通過探針的行程來辨別卡環(huán)是否安裝到位，如圖3所示。雖然探針接觸式測量擺脫了人為因素的影響，但是由于探針頭易磨損，探針安裝不到位的原因會(huì)造成測量誤差，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確檢測活塞銷卡環(huán)是否裝配到位。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)切換不同機(jī)型生產(chǎn)時(shí)，需要更換不同種類的探針進(jìn)行測量，會(huì)影響到生產(chǎn)節(jié)拍。

圖3 探針式卡環(huán)安裝位置檢測

傳統(tǒng)的活塞裝配防錯(cuò)方法是使用接觸式傳感器測量或二維拍照檢測，由于活塞裝配工藝的復(fù)雜性以及變化無常的裝配環(huán)境使得這些傳統(tǒng)方法不能完全識(shí)別所有的裝配錯(cuò)誤，依靠人工目視化輔助識(shí)別，防錯(cuò)識(shí)別率低于90%.據(jù)制造質(zhì)量記錄，在多重目視防錯(cuò)輔助下，卡簧裝配缺陷仍導(dǎo)致每月兩起整車發(fā)動(dòng)機(jī)故障。裝配工藝工程師不得不轉(zhuǎn)向三維掃描技術(shù)尋找一種100%可靠的解決方案，完全避免活塞卡簧裝配缺陷。

三維掃描儀對(duì)活塞進(jìn)行的檢測時(shí)，活塞連桿托盤經(jīng)擋停停止，頂升機(jī)構(gòu)頂起托盤定位，三維掃描儀向活塞卡簧安裝處投射光線，兩臺(tái)CCD相機(jī)同步對(duì)卡簧安裝處拍照，采取圖像后由圖像采集卡對(duì)其處理，內(nèi)置計(jì)算機(jī)計(jì)算出三維視圖后與標(biāo)準(zhǔn)安裝視圖進(jìn)行對(duì)比，能夠可靠地檢測出活塞裝配過程中卡簧漏裝、卡簧安裝不到位、卡簧裝配方向錯(cuò)誤等各種失效模式，其檢測工位示意如圖4所示。采取新型三維掃描儀對(duì)活塞卡簧安裝檢測后，據(jù)制造質(zhì)量記錄，六個(gè)月內(nèi)卡簧裝配缺陷導(dǎo)致整車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的問題共零起，有效地解決了活塞卡簧裝配問題，降低了制造質(zhì)量缺陷，檢測效果如圖5所示。

圖4 三維掃描儀檢測工位示意

圖5 活塞銷卡環(huán)檢測效果示意

2.2 三維掃描技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)的潛在應(yīng)用

2.2.1 氣門鎖夾檢測應(yīng)用

若氣門鎖夾裝配失效，會(huì)導(dǎo)致許多質(zhì)量問題，如氣門鎖夾混裝、漏裝會(huì)引起氣門松脫，發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣；氣門鎖夾安裝不到位引起發(fā)動(dòng)機(jī)氣門卡死等故障。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線目前檢測氣門鎖夾裝配的方式主要有目視檢查和氣門拍打兩種。

目視檢查主要是依靠個(gè)人視覺檢測氣門鎖夾裝配完成效果，只有出現(xiàn)氣門鎖夾漏裝、鎖夾明顯未安裝到位等故障，才可能檢測出，可靠性較低。

氣門拍打是一種模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣門運(yùn)行的狀態(tài)。在氣門鎖夾壓裝完成后，通過設(shè)備自動(dòng)拍打氣門，使其不間斷地做上、下運(yùn)動(dòng)。若在氣門拍門的過程，鎖夾蹦出安裝位置或掉落在缸蓋中，則表明其未壓裝到位。該方法雖然相較于目視檢查檢測出氣門鎖夾裝配效果可靠性高，但必須在設(shè)備拍打后增加人工檢測，氣門拍打設(shè)備本身并不能判斷出鎖夾的裝配效果。

三維掃描儀是應(yīng)用三維掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線全自動(dòng)檢測氣門鎖夾安裝狀態(tài)的方法，通過對(duì)缸蓋進(jìn)/排氣側(cè)氣門、氣門鎖夾和彈簧座等相關(guān)零件進(jìn)行掃描，然后再和預(yù)設(shè)在計(jì)算機(jī)圖像軟件中的標(biāo)準(zhǔn)三維圖像進(jìn)行詳細(xì)的誤差統(tǒng)計(jì)，從而判斷氣門鎖夾的裝配效果。三維掃描儀的檢測方式不僅能夠減少人力成本，還能排查出氣門鎖夾漏裝、混裝，安裝不到位等一系列問題，保證了裝配質(zhì)量，避免了制造環(huán)節(jié)中的缺陷。檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 三維掃描儀檢測氣門鎖夾

2.2.2 涂膠軌跡檢測應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)在線涂膠時(shí)，涂膠要均勻、連續(xù)，不得有斷膠，膠線涂在螺栓孔內(nèi)側(cè)且避開螺栓孔位置，針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，膠寬有不同的要求，若發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠失效，將會(huì)出現(xiàn)一系列的質(zhì)量問題，如密封膠漏涂、涂膠不均勻連接和涂膠過少、過多，都會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泄露，進(jìn)而導(dǎo)致連桿軸瓦抱死，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)造成極大的損壞。

涂膠檢測目前主要是采用CCD相機(jī)拍照檢測方式。在涂膠機(jī)涂膠完成后，CCD相機(jī)對(duì)涂膠軌跡進(jìn)行拍照檢測，但是因?yàn)橄鄼C(jī)拍照成像為一個(gè)二維平面，所以并不能檢測出膠條的高度，并且當(dāng)存在黑膠黑底的情形時(shí)，CCD相機(jī)無法通過色差對(duì)涂膠質(zhì)量檢測。

三維掃描儀作為一種新型檢測技術(shù)，可以對(duì)膠寬、膠高、膠體位置以及橫截面積進(jìn)行測量，并且不是通過比較粘合劑同底材的顏色差異來進(jìn)行分析，而是使用三維成像原理來完成涂膠過程中全方位的測量與檢測，當(dāng)黑膠黑底的情形時(shí)，依舊可以準(zhǔn)確地檢測出涂膠質(zhì)量。檢測結(jié)果會(huì)出現(xiàn)在顯示屏上，如圖7所示。

圖7 三維掃描儀涂膠檢測示意

3 結(jié)束語

本文通過結(jié)合三維掃描儀的結(jié)構(gòu)及其原理，論述了三維掃描技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上檢測活塞銷卡環(huán)的運(yùn)用以及在氣門鎖夾安裝檢測、涂膠軌跡檢測方面的潛在應(yīng)用。作為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的檢測工具，其具有鮮明的優(yōu)勢：

（1）檢測時(shí)不會(huì)接觸到零件表面，可以有效地防止對(duì)零件造成劃痕、碰傷等；

（2）可滿足生產(chǎn)現(xiàn)場不同的節(jié)拍時(shí)間；

（3）全三維可視化及三維可追溯數(shù)據(jù)；

（4）生產(chǎn)線上不同型號(hào)零件切換靈活；

（5）可定制檢測報(bào)告；

（6）三維掃描儀為集成的一個(gè)黑夾子，維護(hù)成本低；

（7）無噪音；無污染；

（8）占地面積小。

三維掃描技術(shù)作為一種新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配檢測技術(shù)，因?yàn)槠涮厥獾娜S立體圖像呈現(xiàn)，可以使工作人員更加清晰、客觀地分辨出零件的裝配是否合格以及不合格所存在的地方，極大地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的生產(chǎn)效率，保證了裝配質(zhì)量。

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