三維掃描技術在汽車發動機裝配線的應用

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）

智能制造實現了人、設備和系統智能互聯，并高度融合了先進的人工智能技術，制造技術以及信息交互技術。目前，發動機裝配線主流應用智能方式為CCD相機拍照、激光掃描等防錯技術，但其只能針對二維平面的檢測，無法反映出其三維狀態，探測度較低。

三維掃描技術屬于視覺技術應用范疇，曾用于建筑物測量及逆向工程設計等，具有應用范圍廣、掃描精確度高、掃描速度快等優點。但近年來，隨著科學技術的飛快進步，推動了三維數字數字化技術的逐步成熟，三維數字化信息的獲取與處理技術以各種不同的風貌與特色進入到各個不同領域之中[1]。三維掃描儀是通過掃描獲取檢測物體的立體彩色信息，然后將其轉化為三維數字模型，再經計算機直接處理的儀器。因為三維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生，所以發動機裝配線中常規的人工視覺可以被取代，同時能夠節約人力成本。本文基于三維掃描技術的原理及成功應用案例的介紹，發掘三維掃描優勢，進一步提升汽車發動機技術和制造質量。

1 三維掃描儀的構成及其原理

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的新型設備，具有掃描精度高、掃描速度快等優點，并且能夠根據實際需求來調整測量范圍，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實中存在物體的表面特征與外觀數據后，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入電腦中的三維模型進行對比，可以實現零件的自動檢測功能。此外，電腦中生成的模型還可以應用于逆向工程、刑事鑒定以及游戲素材的創作等方面。

1.2 三維掃描儀結構

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檢測中具備更高柔性的優勢，因為其在檢測過程中不需要接觸零件表面，能夠有效地避免對零件造成損傷。其中非接觸式三維掃描儀中的拍照式掃描儀最為常用，其主要是由兩個工業級的CCD相機、投影光柵、圖像采集卡和計算機組成，如圖1所示。測量時光柵投影裝置投影數幅特定編碼的結構光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應圖象，然后對圖象進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出兩個攝像機公共視區內像素點的三維坐標[2]。

圖1 拍照式三維掃描儀結構圖

2 三維掃描儀在發動機裝配線上的應用

現代化的汽車發動機裝配線中，零件的檢測大多數都來源目視檢查和CCD相機檢測。由于目視檢查受人的主觀因素控制，對檢測的效果有很大的影響，在大批量的生產過程中，不能充分保證穩定的生產能力和產品合格率，這在質量體系工具下的潛在失效模式及后果分析（PEFMA）中具有很高的風險系數，幾乎是無效的手段，而CCD相機的檢測只能檢測一個二維平面，不能充分反映零件的狀態，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，能夠將掃描到的物體的三維信息轉化成數字信號，以便計算機可以直接對其進行處理，并且通過三維掃描儀的非接觸測量，獲取物體信息的用時短，精度高。對于發動機裝配線裝配完成的部件，三維掃描儀可以對其整體進行掃描，然后再和預設在計算機圖像軟件中的標準三維圖像進行自動對比，全方位判斷裝配是否合格。如果裝配好的部件與標準不一致，則設備發出報警信號或HMI面板顯示不合格，托盤會以不合格的結果釋放，而且當托盤進入到下個工位時，工作人員不會對其施加任何動作，擋停會對其自動放行直至返修工位，待返修人員對其返修完成后重新上線檢測合格后，才可進行下一步裝配操作，有效地保證了裝配質量。例如可以應用于裝配線上活塞銷卡環的檢測，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可以完全取代目視檢查和CCD相機的條件，但是由于其高昂的出售價格，使其不能完全投入到發動機裝配線中，只能用于一些關鍵工位的檢測。

2.1 發動機活塞銷卡環檢測的三維掃描技術應用介紹

在汽車發動機運行過程中，發動機的燃燒室通過燃燒機油產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，這是發動機動力傳輸的起始階段[3]。為了避免在發動機運行過程中活塞銷發生竄動，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裝在鎖環槽內。傳統的活塞裝配防錯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雜性以及變化無常的裝配環境使得這些傳統方法不能完全識別所有的裝配錯誤。

2.1.1 活塞銷卡環的裝配技術要求

（1）生產線的裝配標準

活塞銷卡環安裝時，將活塞銷卡環壓裝進活塞頭部的凹槽中，并保證活塞環的開口不能對準兩個兩個活塞銷缺口，且活塞銷卡環的缺口方向處在圓弧位置，如圖2所示。

圖2 活塞銷卡環裝配

（2）活塞銷卡環裝配失效存在的質量風險

如果活塞銷卡環漏裝、錯裝或者安裝方向不正確，發動機活塞在運行過程中，活塞銷會因卡環脫落而竄出，導致缸體損壞，對發動機的性能和壽命造成直接影響。

2.1.2 活塞銷卡環檢測工藝方法

活塞銷卡環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的裝配狀態，如卡環是否錯裝、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節中。

探針接觸式測量是在活塞銷卡環安裝完成后進行，工藝上是先將安裝好活塞銷卡環的活塞連桿定位，探針伸出接觸活塞銷卡環，通過探針的行程來辨別卡環是否安裝到位，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造成測量誤差，導致無法準確檢測活塞銷卡環是否裝配到位。同時，當發動機切換不同機型生產時，需要更換不同種類的探針進行測量，會影響到生產節拍。

圖3 探針式卡環安裝位置檢測

傳統的活塞裝配防錯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雜性以及變化無常的裝配環境使得這些傳統方法不能完全識別所有的裝配錯誤，依靠人工目視化輔助識別，防錯識別率低于90%.據制造質量記錄，在多重目視防錯輔助下，卡簧裝配缺陷仍導致每月兩起整車發動機故障。裝配工藝工程師不得不轉向三維掃描技術尋找一種100%可靠的解決方案，完全避免活塞卡簧裝配缺陷。

三維掃描儀對活塞進行的檢測時，活塞連桿托盤經擋停停止，頂升機構頂起托盤定位，三維掃描儀向活塞卡簧安裝處投射光線，兩臺CCD相機同步對卡簧安裝處拍照，采取圖像后由圖像采集卡對其處理，內置計算機計算出三維視圖后與標準安裝視圖進行對比，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活塞卡簧安裝檢測后，據制造質量記錄，六個月內卡簧裝配缺陷導致整車發動機故障的問題共零起，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 活塞銷卡環檢測效果示意

2.2 三維掃描技術在發動機裝配技術的潛在應用

2.2.1 氣門鎖夾檢測應用

若氣門鎖夾裝配失效，會導致許多質量問題，如氣門鎖夾混裝、漏裝會引起氣門松脫，發動機漏氣；氣門鎖夾安裝不到位引起發動機氣門卡死等故障。

發動機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人視覺檢測氣門鎖夾裝配完成效果，只有出現氣門鎖夾漏裝、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動機運行時，氣門運行的狀態。在氣門鎖夾壓裝完成后，通過設備自動拍打氣門，使其不間斷地做上、下運動。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，但必須在設備拍打后增加人工檢測，氣門拍打設備本身并不能判斷出鎖夾的裝配效果。

三維掃描儀是應用三維掃描技術實現在線全自動檢測氣門鎖夾安裝狀態的方法，通過對缸蓋進/排氣側氣門、氣門鎖夾和彈簧座等相關零件進行掃描，然后再和預設在計算機圖像軟件中的標準三維圖像進行詳細的誤差統計，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，保證了裝配質量，避免了制造環節中的缺陷。檢測結果如圖6所示。

圖6 三維掃描儀檢測氣門鎖夾

2.2.2 涂膠軌跡檢測應用

發動機在線涂膠時，涂膠要均勻、連續，不得有斷膠，膠線涂在螺栓孔內側且避開螺栓孔位置，針對不同的發動機，膠寬有不同的要求，若發動機涂膠失效，將會出現一系列的質量問題，如密封膠漏涂、涂膠不均勻連接和涂膠過少、過多，都會引起發動機的機油泄露，進而導致連桿軸瓦抱死，對發動機會造成極大的損壞。

涂膠檢測目前主要是采用CCD相機拍照檢測方式。在涂膠機涂膠完成后，CCD相機對涂膠軌跡進行拍照檢測，但是因為相機拍照成像為一個二維平面，所以并不能檢測出膠條的高度，并且當存在黑膠黑底的情形時，CCD相機無法通過色差對涂膠質量檢測。

三維掃描儀作為一種新型檢測技術，可以對膠寬、膠高、膠體位置以及橫截面積進行測量，并且不是通過比較粘合劑同底材的顏色差異來進行分析，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，當黑膠黑底的情形時，依舊可以準確地檢測出涂膠質量。檢測結果會出現在顯示屏上，如圖7所示。

圖7 三維掃描儀涂膠檢測示意

3 結束語

本文通過結合三維掃描儀的結構及其原理，論述了三維掃描技術在發動機裝配線上檢測活塞銷卡環的運用以及在氣門鎖夾安裝檢測、涂膠軌跡檢測方面的潛在應用。作為發動機裝配線的檢測工具，其具有鮮明的優勢：

（1）檢測時不會接觸到零件表面，可以有效地防止對零件造成劃痕、碰傷等；

（2）可滿足生產現場不同的節拍時間；

（3）全三維可視化及三維可追溯數據；

（4）生產線上不同型號零件切換靈活；

（5）可定制檢測報告；

（6）三維掃描儀為集成的一個黑夾子，維護成本低；

（7）無噪音；無污染；

（8）占地面積小。

三維掃描技術作為一種新型汽車發動機裝配檢測技術，因為其特殊的三維立體圖像呈現，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，極大地提高了發動機裝配線的生產效率，保證了裝配質量。

參考文獻：

[1]唐景全.建筑物測量中三維激光掃描技術的應用分析[J].中國高新技術企業，2017（5）：1.

[2]李光輝，應用新型三維掃描技術建立單側唇裂修復術評價方法的研究[D].西安：第四軍醫大學，2010.

[3]周中雨.工業相機在發動機裝配線的應用分析[J].Equip ment Manufacturing Technology，2015（6）：146-148.