在高速柔性的自动化生产线中，视觉技术凭借响应速度和可靠性等优势逐渐取代人工视觉，在工况监视、成品检验和质量控制等领域发挥着不可替代的作用。本文立足于汽车发动机装配制造系统，阐述视觉技术的构成和原理，介绍现有生产线的视觉技术应用状况，分析视觉技术的应用项目开发和拓展。

发动机是汽车上集成程度最密集的部分，其装配过程具有零件多样化、工艺复杂和质量控制严格等特点，对自动化生产线的设备、工装和工艺具有很高的要求。在发动机工厂，装配生产线是直接向客户部门交付发动机总成产品的制造环节，所有的装配工作和质量检验工作需要在发动机下线之前完成。我公司发动机装配工程师一直密切关注新技术的开发使用动态，期望通过引进新技术，不断优化、完善现有的装配生产线装备，实现持续降低制造成本，向客户输出品质更高、更稳定的发动机成品的目标。本文重点介绍了视觉技术的原理与构成。

视觉技术是一门多学科交叉的技术，近年来随着计算机技术的飞速发展，视觉技术走向智能化和专业化，技术日臻成熟，已被广泛使用于航空、医药、包装、物流、安防、交通和机械制造等领域。在工业领域中，它通过机器设备取代人类视觉的方式获取一系列的图像信息，然后通过计算机完成图像处理，提取图像特征并对机器下一步工作发布指令，可以使设备完成定位、检测和识别。

由于视觉技术提取的图像信息具备很高的使用柔性，在发动机装配生产线中可以取代常规的人工视觉，所以应用视觉技术可以提高生产率，提高设备的精确性，减少人力成本，拥有十分广阔的应用前景。

原理与构成

视觉技术采用机器模拟人眼视觉功能，基于数码照相原理：物体反射光直线传播，经过镜头透镜组合的折射，聚落在固体成像器上（CCD/CMOS），分布在成像介质上的大规模半导体光电原件单元根据感受光强转换形成电荷输出，再通过A/D模数转换器将每个元件输出的光电信号转换成数码信号，经过DSP处理形成图像。工业装备的视觉系统在数码摄像上增加光源和图像数据处理工序，图像处理需要由图像采集卡、配套的计算机、视觉处理软件以及控制单元共同完成。安装在配套计算机上的视觉处理软件将图像采集卡收集并传输过来的图像信息进行处理，通过一定的算法得出结果（比如定位的坐标，检测的结果，字符或条码的识别），并将结果信息传送给控制单元，由控制单元对机器执行元件发出工作指令。其构成如图1所示。

在发动机装配生产线中的应用分类

在现代化的汽车发动机装配生产线中，几乎全部的信息输入都依赖人工视觉和传感器。由于人工视觉的主观影响因素大，在大批量生产过程中不能形成稳定的过程能力，在PFMEA定义中风险指数通常很高；以电流或者电压为输出形式的传感器常常不能提供全面的测试信息。视觉技术作为一种全新的信息获取方式被应用，可以在高度重复性的机械生产中取代人工视觉，机器视觉信息的高度精确性、重复性、响应速度和客观性可以提高生产的灵活性和自动化程度。

1.定位

图像采集卡将相机拍摄的发动机或零部件图片传输至计算机，计算机上的图像处理软件通过突变不连续的灰度变化或者颜色变化的像素连接成特征的边缘，在运用一定的算法计算出特征的中心，实现定位。控制单元则根据图像处理软件计算的结果驱动机器寻找特征位置并进行下一步动作。只要图像处理软件算法合理，控制单元达到一定的精度，视觉定位就能达到很高的定位精度。视觉技术的定位适合应用在发动机上位置随机变化的特征查找，比如飞轮螺栓、离合器螺栓等特征定位。

2.检测

照相机对发动机或者零部件进行拍照，再和预设在计算机图像处理软件中的标准图像进行比对，如果发动机或零部件的实时照片与标准不一致（比如零件错装、漏装时），则设备报警或发动机判定不合格。

3.识别

视觉技术的识别应用最具有代表意义的是二维码识别和光学字符识别（Optical Character Recognition）。发动机的关键零部件均打印有二维码。二维码是某一特定的图形在平面上以黑白两种颜色排列组合记录数字符号信息，通过视觉系统可以迅速巧妙地向计算机输入二进制的数值代码。发动机装配生产线上的零件二维码记录零部件的类型、编号和合格信息，当零部件合格且型号与发动机的数据信息匹配时，零件被允许装配，有效防止多种机型共线生产时的零件混装。光学字符识别是一项相对复杂的技术，计算机将采集的图像进行预处理，在将图片内的字符进行分割，将分割的字符单元与数据库模板匹配，实现字符识别和文本输出。

应用现状和技术改进

尽管视觉系统在原理和功能上具备完全取代人工视觉和一部分传感器的潜在条件，但是视觉系统的建立和维护需要较高的投入成本，视觉技术并没有得到广泛的推广。当前，视觉技术在发动机装配生产线的应用主要集中在一些关键零部件的检查和二维码识别。

图6  原离合器螺栓半自动拧紧设备

1.活塞类型监测

活塞是汽车发动机运行过程中工作条件最严酷的零件，活塞顶部承受燃烧室高温高压的气体压力冲击，活塞销孔向连杆传输力矩，活塞的装配质量直接影响发动机的性能和寿命。不同排量的发动机活塞头部直径差别大，相同排量的发动机不同机型之间使用的活塞环、活塞材料也有差异。在多机型共线生产的发动机装配生产线上，存在同排量机型活塞混装、大排量发动机错装小排量机型活塞的风险。为了避免活塞错装的风险，发动机工厂采用设计防错与过程防错的组合防错形式。活塞顶部使用石墨喷涂几何图形，不同排量不同机型喷涂的形状各不相同，如图2、图3所示，a型号发动机活塞石墨涂层标记形状为正方形，b型号发动机活塞石墨涂层标记形状为等边三角形。

在装配过程中，当活塞安装完成的发动机托盘进入活塞检测工位时，工位RFID读取托盘上的TAG数据标签，识别托盘上的发动机类型。照相机对缸体孔内的活塞进行拍照，获取的图像传输至计算机，图像处理软件根据预设的与发动机类型匹配的标准图像进行比较，如果活塞形状与发动机类型不匹配，则设备报警，托盘以不合格的装配结果释放，而且下个工位不能对该发动机进行操作，直到工作人员返修完成并确认活塞状态后重新将发动机上线，该工位确认合格后下工位才可以继续装配，有效地防止活塞错装。

2.二维码识别

发动机工厂装配生产线上的关键零件均会有使用激光打印的二维码，如缸体二维码、缸盖二维码、曲轴二维码（见图4）、凸轮轴二维码以及飞轮二维码（见图5）等。用于获取关键零部件的信息，如质量信息，零件型号和零件名称等，在发动机装配生产线上安装时通过二维码读取和识别。

发动机的托盘到达这些工件的安装工位，RFID技术自动识别发动机类型和EUN码，操作者使用二维码扫描仪扫描工件上的二维码，HMI上立刻显示工件型号，序列号和质量认证状态。如果工件型号与发动机类型不匹配，或者工件制造过程中出现质量问题未经确认，比如工件未完成测量等情况，HMI面板显示序列号为红色状态，工件不允许安装或者安装之后发动机不能以合格的信息释放。操作者需要更换合格的工件进行扫描才能安装，从而有效防止零件错装、不合格工件上线，并为后续问题零件追溯提供有利条件。

应用前景

随着公司批量生产的规模不断扩大，产品要取得市场竞争力需要更加严格控制制造质量，发动机的装配生产线自动化和标准化程度要求更严格。借鉴以上已经引进的视觉技术使用经验，原本依靠人工视觉监控的关键装配环节在将来会逐渐被视觉技术所取代，比如活塞卡簧防漏装视觉检测、连杆盖防装反视觉检测、EUN码识别等项目已经陆续进入技术改进可行性分析阶段，视觉技术的检测和识别功能将在发动机制造领域得到更加全面的应用。

虽然检测和识别功能逐渐被发动机制造工程师所重视，但视觉技术的应用潜力仍然没有被完全开发。发动机装配生产线的定位仍然保持对机械定位和传感器定位的高度依赖，当机械定位和传感器定位无法满足装配工艺要求时，才逐渐转向视觉技术寻求解决方案，比如离合器螺栓拧紧定位方案，如图6所示：发动机工厂离合器拧紧原采用三轴半自动分两次拧紧，螺栓对位采用人工旋转三轴枪的位置实现离合器螺栓对位。

为了持续减少制造人力成本及提高制造质量，离合器采用设备自动拧紧方案将替代原有半自动拧紧。由于离合器盖表面没有理想的机械定位特征，而且发动机在换型的时候特征出现变化，无法完成螺栓定位。通过分析，如果使用红外线在位传感器探测查找螺栓位置，很容易出现传感器误将螺栓边缘定位成螺栓中心造成拧紧时套筒与螺栓对位不精准，而通过对离合器螺栓的实物图像进行定位误差分析，结合电枪设备采用伺服电动机驱动对位，其结合精度能很好地满足拧紧精度要求。自动站配备视觉系统方案满足该工位自动化改造要求，同时也可减少3人/三班的制造人力成本。离合器螺栓定位误差分析过程如图7和图8所示。

结语

视觉技术在现代汽车发动机装配生产线中的应用可以提高生产效率和自动化程度，在大批量制造过程中可以快速推进标准化、自动化进程，对于持续降低制造成本，提高制造质量具有十分重要的意义。但是，视觉技术同样存在制约因素，比如成本高、维护难度高、缺乏系统的评价条件标准、使用环境（声、光等）条件复杂以及图像处理软件二次开发难度大等问题。因此，需要供应商与客户在技术上互动配合，克服不利的制约因素，将视觉技术的应用潜力更加全面地开发和拓展。