活塞销卡环压装不良在线检测方法分析

起富香

（广州市嘉特斯机电制造有限公司，广东广州510850）

0 引言

汽车活塞的作用是承受气体压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。活塞销，是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。卡簧脱落，会导致活塞销外串，造成拉缸甚至更严重的后果。活塞销卡簧的压装不良检测，在活塞线上至关重要。

目前活塞销卡簧主要有两种形式：孔用弹性卡簧和线型卡簧。检测方式可分为接触式和非接触式。针对不同卡簧的不同检测方法，本文将对其优缺点进行分析，以方便选取合适的检测方法。一般活塞装配后在输送线上的状态如图1所示。

图1 活塞在活塞线上的状态

1 活塞销卡簧的不良情况

活塞销卡簧不良分为3种情况：漏装、多装和未完全装入，如图2所示。

图2 活塞销卡簧良品和不良品分类

由图2可以直观地看到活塞销卡簧装配的不良品和良品的差异，可以通过接触式和非接触式两种检测方法来进行检测。

2 接触式检测方法

接触式检测是将检测块伸到活塞销内部与卡簧进行接触，通过位移传感器检测接触块的高度，与基准值进行比对得到结果。假设活塞销卡簧的厚度为1 mm，将良品设为基准0，理论上当检测值小于0、大于1时可以判定为不良。但在实际使用中，考虑到设备精度、活塞销以及卡簧的公差等，将基准上下限值作相应的调整，以消除精度及公差的影响，得出如图3所示数值。

图3 接触式检测实验数据

接触式检测中，由于传感器直接与活塞销进行接触，所检测出的数值比较准确，对活塞销卡簧形式、光照环境等无要求，但其对活塞的定位要求较高；目前活塞线中，活塞在托盘上为粗定位，如果生产线为混线生产，活塞品种较多时，接触式检测很难适应多元化的生产，所以在线通过式检测中，比较少采用这种方法。

3 非接触式检测方法

非接触式方法是基于机器视觉系统的一种检测方法，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

3.1 非接触式检测的流程

非接触式检测的流程如图4所示。

图4 非接触式检测流程图

3.2 机器视觉系统组成

机器视觉系统可分为两种：PC-BASED系统（图5）和智能相机系统（图6），两种系统的硬件和软件配置均有明显差异。在PC-BASED系统中，相机只拍摄图样，系统依托图像采集卡和计算机软件对图像进行处理、计算、识别，对软件要求较高，需要专业人士进行编程维护；在智能相机系统中，智能相机担当了拍摄图样、处理、计算、识别等工作，智能相机的资源管理器能配置视觉工具和处理视觉应用数据，其拖放式视觉工具货盘和工具属性表格能让任务配置更加简单。

图5 PC-BASED系统组成图

图6 智能相机系统组成图

两种视觉系统的选择可从多方面考虑：PC-BASED系统对软件要求较高，如只需要一个视觉检测点投入，可能和智能相机系统相当；但如果需要使用多个甚至数十个相机，PC-BASED系统的优势就很明显了。

3.3 活塞销卡簧检测的算法

目前活塞销卡簧主要有两种形式：孔用弹性卡簧和线型卡簧。针对不同的卡簧，所采用的检测方法有所不同。

3.3.1 孔用弹性卡簧的检测方法

孔用弹性卡簧的特征是比较明显的，这使机器视觉识别起来相对于线型卡簧要容易些。孔用弹性卡簧装入活塞内部槽后，钳孔以及部分挡圈露在外，通过钳孔、活塞销中心孔之间的距离来判定卡簧是否正确安装入沟槽内，判定逻辑如下：

（1）对拍照结果进行校正，修正因角度、距离造成的图像变形。

（2）控制器根据获得的图像，获取活塞销内圆直径参数，然后以EC算法搜索到卡环的圆心位置以及卡环上两个圆孔的圆心位置，并计算出两个圆心的距离，即图7所示A值，卡环圆心到圆孔圆心的位置即图7所示B值。

图7 孔用弹性卡簧判定取值点

（3）对A/B距离进行计测，通过两个距离值来判定挡圈是否安装入沟槽内；A/B的距离通过实际值的平均值±3σ来设定上/下限。A/B值有一个NG时，结果判NG；只有当A/B的值都在范围内时，结果判OK。

（4）当无法检出钳孔时视为次品，判定为NG。

3.3.2 线型卡簧的检测方法

线型卡簧的检测相对而言比较复杂。首先线型卡簧特征不明显，特别是卡簧正确装入和未完全装入时，在相机的成像上区别比较小；其次不同机种的线型卡簧颜色上存在差异（在本案中，有原色和黑色两种），不同颜色在相同光源下的成像不同，单一的算法很难实现99.5%的检出率。

算法一：利用卡簧和中心孔的圆心距进行测量。当卡销正常安装时，其圆心和中心孔的圆心之间的距离理论上是0；当卡销安装异常时，圆心距不等于0。这种检测方法开始前需要进行位置修正，圆心之间距离的上下限值需要经过多次实验得出。

算法二：对卡簧的最小半径进行检测。如安装正常，则最小半径每次检测的数值应一致。由于线型卡簧存在缺口，用该种方法检测时，需要取出多个点，并剔除最大、最小值。

算法三：计算活塞销端面面积，如正常安装，则每次的值应该一致，漏装时值最大，多装时值最小。这种计算方法中，未完全装入状态和正常安装状态有时候差异很小，存在很大的风险，因此只能作为一个辅助的算法。

综合以上三种计算方法，对每种算法所得出的值进行一个评分，当评分值大于一定值时，就可以判定活塞销卡簧压装为合格品。

非接触式检测中，在机器视觉的检测范围内，活塞销不需要准确的定位，对设备的精度要求不高；如果生产线需要增加新的产品，非接触式检测只需要进行新产品的触发拍照和计算就可以了，可以适应多元化的生产；且视觉系统不与活塞销直接接触，可防止二次污染；在线通过式检测中，比较多采用该种检测方法（检测设备如图8所示）。

图8 活塞销卡簧压装不良在线检测设备

4 结语

本文对活塞销卡簧压装不良情况进行了分析，并对几种检测方法进行了详细的描述，对不同生产情况下如何选取不同的检测方法具有一定的参考意义。这些检测方法均能够实现对活塞销卡环压装质量的在线自动检测，替代人工检测，实现快速稳定的生产需求，提高生产效率。

[1]汽车百科全书编纂委员会.汽车百科全书[M].北京：中国大百科全书出版社，2010.

[2]刘文耀.数字图像采集与处理[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，1997.