汽车法兰盘螺纹检测设备的研究与设计

王玉娥　卜燕军

摘 要：汽车法兰盘是汽車机械系统中一个重要的组件，它主要用于连接和固定传动系统中的各个部件。法兰盘在传递扭力、吸收震动、以及保持对准方面起着关键作用。因此，法兰盘螺纹的质量直接影响到机械部件的连接可靠性和通用性。螺纹质量检测的重要性自不必说。在国内，许多制造商仍采取传统的人工检测方式，这使得螺纹检测的效率相对较低。本文研设了一套法兰盘类零件螺纹检测设备，对设备的机械结构进行了模块化设计并利用Solidworks软件进行了三维建模，该设备极大地提高了螺纹检测的效率，满足了大部分厂家的需求，同时也为市场上高效的螺纹检测设备提供了丰富的选择。

关键词：螺纹检测 法兰盘 三维建模

1 引言

目前，全球机械行业进入了一个快速发展的时期，在过去十多年间，中国的机械行业取得了显著发展，并致力于建设成为一个机械制造业的强国。与此同时，机械工业的快速发展也给机器配件制造公司带来了广阔的发展前景[1]。螺纹作为机械紧固件中的一种关键部件，其加工质量直接关系到零部件的连接可靠性、互换性等。

汽车法兰是汽车组件中的一个关键连接元件，法兰用于连接汽车各种管道、轴和其他部件，确保它们紧密结合，因此法兰盘的螺纹检测具有重要意义。由于内螺纹的结构复杂，其可供检测的空间非常有限，给内螺纹的检测带来了一定的困难。目前，对内螺纹进行测试的方法大致可分为两种：一种是综合测量法，另一种是单项测量法[2]。综合测量法基于泰勒公差原则，使用通用量规来测试内螺纹的旋合性，以及使用止动量规来评估内螺纹的制造偏差。通常，这种方法被称作综合检验，旨在评估螺纹的实际使用性能。单独参数测量法涉及利用度量工具或设备对螺纹的各个指标进行单独检测[3]。目前，内螺纹检测设备已经发展到今天，在市面上使用比较多的是：传统的手动量规检测装置、自动限位量规检测装置、机器视觉检测装置。传统的手动通止规检验方法在国外的实际生产中已被淘汰，但我国仍有大量的这类检验方法。然而，目前的手动通止规检测技术已经得到改进，不再直接手持量规进行检测，而是使用仪器来固定通止规，以实现对螺纹的测量。苏州爱德蒙得精密测量设备有限公司就推出了针对不同螺纹尺寸和深度设计的内螺纹量具系列产品，如图1所示。此外，德国科尔特公司还生产了一款手工螺纹试验机，它在端部装有一根紧螺纹量规，用于测量内部螺纹，最大可以测量30毫米标准直径，如图2所示。

从当前国内外的情况来看，在小规模、小批量零件的螺纹检验中，手持检测机被广泛使用，但其产能及生产效率的提升空间十分有限；中、大型厂家普遍倾向于使用全自动螺纹检测设备，但目前市面上的螺纹检测设备在生产效率方面仍有待提高，其测试方法也有待改进。本文所设计的汽车法兰盘螺纹检测装置旨在满足大部分企业的生产需求，并且其制造成本必须保持在较低水平，以便丰富市场上高效螺纹检测工具的选择性，从而显著促进相关企业的生产效率提升。

2 总体方案的设计

汽车法兰盘螺纹检测设备的的运用，在一定程度上可以替代传统的人工检测方法，实现工件筛检自动化的同时，有效控制了工件的质量，有针对性强、效率高、精度高等特点。

本文在上章内容中对内螺纹的测量方法进行了阐述，并对其中综合测量法和单项测量法的优缺点进行了对比。因此，对于本设备的开发而言，主要涉及到两个方面的设计：机械结构设计部分和控制系统设计部分。机械结构设计部分要根据方案合理解决工件上下料问题、工件检测问题、工件处理等等，程序控制部分要结合方案对结构设计的各部分动作进行研究，并最终能使设备完成工作。汽车法兰类零件在形状上大多为圆形结构，这种设计形态使得它们在生产和检测过程中具有一定的标准化和通用性特点。本文选取了一批圆形法兰盘为参考实例，其法兰盘的参数如表1所示。

为了充分利用这一优势，同时考虑到提升生产效率和降低成本的需求，我们在设计检测设备时，计划采用能够适应不同尺寸和规格法兰类零件的检测机构。这样的设计旨在增强设备的灵活性和可适应性，使其不仅能够满足当前的生产需求，也能迅速调整以适应未来可能出现的新规格零件。本设备的总体三位模型如图3所示，可通过调节轨道的宽度适应不同规格零件。

汽车法兰盘螺纹检测装置的机械结构设计可分为上下料机构的设计，检测工作台的设计和检测装置的设计。三个模块协作完成工件的检测。控制系统设计应整合参数调整、自动识别和异常报警功能，以自主完成工件内螺纹的自动化检测流程。下文将介绍机械结构设计和控制系统的设计。

3 上下料机构的设计

对于法兰盘内螺纹检测装置来说，上下料机构的设计需要根据方案合理解决工件上料问题，以及下料的工件处理问题。在工厂环境下，物料的装卸常采用传送带系统，这种方式适应性强，具有较高的输送效率，并能保证运输过程的稳定性。然而，传送带的安装需要较高的精确度，安装过程中必须确保头部和尾部的滚筒以及中间的托辊尽可能地处于同一直线上，并保持彼此平行[4]。除了偏移问题，传送带也常见诸如磨损、刮伤、撕裂以及接合部分开裂等故障。当输送带发生故障时，通常采用修补、加热硫化或报废更新等方法，但效果不佳，而旧换新又使设备购置费用增加。从设备检测的角度来看，通止规的方向应当从竖直方向进行检测。鉴于传送带自身的弹性，在承受检测力的作传送带因其固有弹性，在受到检测仪器施加的力时会发生弹性形变，这可能会引起如图4所示的状况，从而难以顺利执行检测工作或可能影响检测结果的可信度。

工厂中也常用斜面滑动的方式进行物料的上下装载。在物件滑移过程中，需要根据物件的重量进行力学分析，以此来确定斜面与水平面的交角。斜向滑动送料装置与输送带输送装置比较，具有结构简单、造价低廉等优点，且在被测物体时，倾斜装置的倾斜面无显著变形，测量方便。在利用斜面进行上料时，工作人员能够一次性放置多个工件，随后可暂时离开作业区，因为设备将自动持续进行工件螺纹的检测工作，这极大地优化了工作人员的效率。本文所设计的设备采用斜面滑动方式进行上下料。

考虑到在进行工件检測时平面操作更为便捷，因此虽然上下料过程采用了斜面滑动设计，但检测过程则使用平面进行，这就使得在斜面与平面的连接处需要设有推抵件能够将待检测工件推动至检测组件处。电动推杆是一种常见的驱动装置，以其准确的控制性能、简易安装过程、高能效比、低成本投入以及延长使用寿命等特点而受到青睐，故本装置采用电动推杆作为驱动件使得工件被准确的推到检测工位。根据工件的规格选择电动推杆的型号为星睿SY-A02B电动推杆，行程为150mm，推杆的速度为160mm/s，推力为100N。

上下料轨道的设计采用L板上下叠放组成，在L型底板上设有腰型孔，叠放在L底板上L板可通过腰型孔调节轨道的宽度以适配不同规格尺寸工件。上料轨道可以一次性放置十个工件，优化效率，在上料轨道下方设有角度调节器，在检测开始时，操作人员首先调节角度调节器到达合适的角度，目的是为了防止电动推杆因多个工件的自重压力导致轨道摩擦力太大而导致电动推杆推不动待检测工件，影响工作流程，调整好角度后，一次性放置十个工件依次滑下，在斜面和平面的交界处，通过电动推杆前方的尼龙V型块驱动待检测工件到检测位置，然后电动推杆复位，重复动作。在侧面设有工件挡板，防止在电动推杆运动过程中斜面轨道上的工件因为自重下滑影响电动推杆的正常运行。其上料模型图如图5所示。

下料轨道的设计和上料轨道一样，也采用L板上下叠放，当合格工件完成检测后，通过工件的推挤使得检测完成的工件落入下料轨道，在下料轨道下面设置一平面，工件被电动推杆推入收料槽，收料槽也可以存放十个工件，当收料槽满后，操作人员可以通过把手更换新的收料槽。下料轨道的模型图如图6所示。

4 检测工作台的设计

在明确了完成关键功能所需方案之后，法兰盘螺纹检测装置的设计可以采取模块化的理念进行结构的详尽分解。法兰盘螺纹检测装置主要有上下料机构、检测工作台、检测装置组成。部件间的协同作用确保了装置能够顺利地执行对工件的搬运、检测和处理等一连串操作。

旋转工作平台是一种能够提供工作面旋转的设备，通常在制造业、汽车维修、物流和包装等行业中发现其应用。在进行汽车法兰零件的加工和检测时，考虑到这类零件通常具有圆形的几何特征，使用旋转工作台作为工作站装置显得尤为适宜。旋转工作台使得对于圆形零件的操作更加便捷，因为它允许工件在一个固定点上旋转，从而可以在不同的角度对法兰进行加工或检查，而无需改变操作员的位置。这种方法不仅提高了工作效率，同时也使得工作流程更加流畅，减少了不必要的物理劳动和时间开销。

本设计的装置采用了由电机驱动的旋转工作平台，其上方设有工件夹紧装置。工件夹紧装置中工件通过V形块实现稳定夹持，而V形块的前端设有缓冲材料，确保在夹紧过程中不会对工件的表面造成损伤，保持其表面质量。此外，夹紧机构的动力来源于电机和带传动系统的组合，这样的设计旨在最大程度减少电机和夹紧机构所占用的空间，优化整体布局。由于这样的布局，工件在旋转过程中能够避免与装置的其他部件相碰撞，从而确保操作的顺畅进行。本设计选用传动模式为蜗轮蜗杆的旋转工作平台，旋转精度高，运动平稳，适用于螺纹孔的检测。选用型号为Y200RA200的旋转工作平台，标配57步进电机，最大速度为25°/s，重复定位精度为0.005°。选取的工件夹紧装置型号为DJ-80120CRM虎钳夹具，由57步进电机和标准型梯形齿同步带轮驱动夹紧装置。

工件在经过电动推杆推到检测工位后，电机驱动传送带，传送带带动夹紧虎钳装置，工件被虎钳上方的圆形检测平面上的V型块所夹紧定位，旋转工作台带动被夹紧虎钳装置夹紧的工件转到检测的初始位置，随后等待检测装置的检测。传感器可监测检测平面开口的大小，防止平面的过度开合夹紧导致工件受损。工作平台的整体机构模型如图7所示。

5 检测装置的设计

执行机构作为螺纹检测装置关键组件之一，其核心职能是为检测用的通止规供应动力，通过其移动功能实现对工件的连续性检测。检测装置主要由直线模组、支撑钢板、光电传感器、步进电机等组成。直线模组带动检测装置上下运动，几字形支撑钢板构成了检测装置的框架，光电传感器检测工件刚被运输到检测位时的位置状态，步进电机给通止规检测工件提供动力。为了保证检测装置的稳定性和刚度，在通止规的固定L板上加加强筋，目的是保证通止规在转动时不产生振动，保证稳定。在检测系统中，驱动通止规构件进行检测的动力来自于步进电机。两台步进电机均固定于L形支架上，并通过联轴器向通止规构件传递动能，以实现检测任务的执行。在检测装置上设有光电传感器可经过对孔的检测判断工件的状态，判断完成后发出信号再开始检测螺纹流程。在通止规头处其形状设计成尖状，可保证通止规在检测时更容易对心。检测装置几字板两侧分别设有两个光电式接近开关，用于限制直线模组移动位置，保证检测的稳定安全性。

工件被工作台夹紧定位后，首先通过检测装置上的光电传感器判断工件的初始状态，工件上一般设有定位销和螺纹孔，定位销和螺纹孔的角度和螺纹孔和螺纹孔之间的角度不同，所以通过光电传感器对相邻孔的角度之间的判断即可判断处工件被输送至工作台时的状态。判断完状态后，旋转工作台带动工件会初始位置，线性模组带动通止规对螺纹孔进行检测。当工件不合格时，设备发出警报，由操作人员处理不合格零件。当工件合格时，及按流程完成一次检测。检测装置的整体机构模型和检测状态图如图8所示。

工件检测完成后，线性模组上升，下一个被检测的工件被输送至工作台，检测完成的工件被待检测工件推挤出检测平面，水平面上一共可放置三个工件：待检测工件、检测工件、检测完成工件。以此重复动作实现检测的自动化。

6 法兰盘螺纹检测设备控制系统设计

作为设备的核心部件，控制系统对于螺纹检测设备整体性能至关重要。它负责协调工件的传送、定位及检测环节，确保设备运行稳定并保持动作的一致性。控制技术的可靠性和方法的灵活性直接影响设备的自动化水平。这些因素不仅影响检测准确性，还与企业生产效率紧密相关。

在本系统设计中，鉴于I/O点的数量，同时考量到单片机开发周期较长以及工控机会提高整体成本，本系统在平衡螺纹检测的稳定性需求与企业成本控制的前提下，决定采用PLC作为控制核心。以PLC为控制核心、触摸屏为人机交互手段、PLC与触摸屏以双向通讯方式实现对机械部件的控制与检测。控制任务有：轨道转向处电动推杆的控制，旋转工作台步进电机的控制，夹紧机构步进电机的控制，检测装置线性模组的控制，驱动通止规步进电机的控制，判断工件状态的光电传感器的控制等。检測任务主要包括电推杆的横向位移、步进电机的旋转等。

综合评估了通信接口、高速脉冲输出通道、I/O点数、存储容量、输出控制类型及经济成本等要素后，本系统最终确定选用型号CP1H-X40DT-D的欧姆龙PLC作为控制单元。控制系统主体由以下几个核心组件构成：参数初始化模块、回归原点模块、自动检测模块以及故障警报模块。参数初始化模块实现部分参数进行初始设置，为常量参数指定初始数值；回归原点模块实现电机进行原点搜索和位置确定；自动检测模块实现根据编制的程序，自动化地执行设备的序列操作以完成检测过程。故障警报模块实现在机械组件触及极限位置或识别出不符合标准的工件时，操作界面将展示报警提示和视觉显示，并激活警报信号。自动检测的流程图如图9所示。

选择好法兰盘工件后，进入自动检测界面，电机初始化按钮进行初始化，初始化完成后放置一批工件位于轨道上，工件因自重滑下后电动推杆推动工件于检测工位，光电传感器对工件进行状态识别，识别完成后旋转工作台旋转使得工件位于程序规定好的检测初始位置，随后检测装置开始对工件检测，检测完成后的工件被下一个输送到检测工位的工件推到下滑轨道上，再经第二个电动推杆推到收料槽中，完成一个工件的检测。

7 结语

本文主要对汽车法兰盘螺纹检测设备的机械结构进行设计与研究。经过研究调查，对螺纹检测设备的功能性需求进行了深入分析，并据此拟定了全面的设计方案。同时，还对该设备的运作机制和操作流程进行了详尽的探讨。以机械设计原理为基础，综合考虑螺纹检测设备的功能要求，完成对上下料机构、检测工作台、检测装置等机械设计工作，确定了各结构的设计方案，在SolidWorks软件的环境下，对机械零部件进行实体建模，对设备的控制系统进行了初步的设计。该设备将成本效益和高效率相结合，为企业带来了显著的经济效益提升，满足大多数企业的生产需要，增加了市场上高效率螺纹检测设备的多样性。

参考文献：

[1]徐兆伟，李文全，姚树利等.山东省高端基础零部件发展研究[J].现代制造技术与装备，2019，（12）：214-216.

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[3]井龙.基于石油管的螺纹检测研究[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（22）：42-43.

[4]李朱锋，许宁萍，顾海等.六工位管端机上下料工作装置的结构设计[J].现代制造技术与装备，2021，57（09）：62-64+67.