金属机械零件安装的几何误差测量技术分析

刘香清，孙力伟

金属机械零件安装有很高的质量要求，其中精准度是最关键的质量指标，若精准度不足就说明零件安装很可能存在几何误差，需要进行矫正。这一背景下，因为零件安装的几何误差难以避免，且为了准确矫正误差，所以有必要对零件安装几何误差进行测量，而出于测量结果准确性考虑，工作人员必须选择正确的误差测量技术，并系统性的展开测量工作，旨在充分发挥技术作用，准确测量几何误差情况，故为做到这一点应当对几何误差测量技术的应用展开分析。

1 金属机械零件安装几何误差类型及出现原因

1.1 几何误差类型

金属机械零件安装中常见的几何误差有四种，分别为尺寸误差、形状误差、位置误差、表面微观几何误差，具体内容如下。

第一，尺寸误差是指零件本身的尺寸在某个方面与理想尺寸存在误差，例如零件的直径尺寸大于或小于理想直径尺寸，随即形成几何误差，这种误差是最常见的几何误差，若未能及时发现，安装中就会出现异常，可能导致机械设备不能顺利运作，甚至加大安全风险。

第二，形状误差是指零件外形的直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度、轴径、孔径中，任意一方面不符合理想值而形成的几何误差，这种误差会导致零件可能无法顺利安装。

第三，位置误差是指零件加工后在表面、轴线、对称平面之间的相互位置不能依照理想关系对应，诸如零件的某个部位并未与对应部位完全对齐，这就是典型的位置误差，也是一类常见的几何误差。

第四，表面微观几何误差是指零件表面的粗糙度、波纹度等不符合理想值的误差现象。

1.2 几何误差出现原因

通常情况下，金属机械零件安装几何误差的原因有三种，具体如下。

第一，零件加工因素，即零件加工决定了零件本身的尺寸、形状、位置、表面，因此当零件加工工艺出现异常，就可能导致零件本身出现几何误差，在安装中会造成相同的几何误差影响，故零件加工是导致几何误差的主要原因。

第二，人为因素，即零件安装一般由人工负责执行，而安装的每个环节都有标准要求，但人工操作的稳定性不足，因此有可能在某个安装环节出现误差，或者导致零件受损，出现几何误差，该因素下最常见的几何误差就是形状误差，诸如零件表面受到冲击，出现表面下凹等现象，因此零件平面度受到影响，出现几何误差。

第三，环境因素，即零件虽然是金属材质，稳定性较强，但受一些特定的环境因素影响，零件会出现一些细微的变化，出现几何误差。环境因素的种类有很多，其中较具代表性的是温度，诸如金属零件在高温环境下会出现膨胀现象，以上四大几何误差类型都可能因为该现象发生，且可能同时发生，所以要引起重视。

2 金属机械零件安装几何误差测量技术与系统设计

2.1 测量技术

因为金属机械零件安装几何误差类型多，且各类型形式很多，所以单一的技术不满足几何误差测量需求，本文主要参照几何误差的四大类型，选择尺寸误差、形状误差、位置误差、表面微观几何误差检测技术，各项技术针对性强，单独使用能够有效测量几何误差。而考虑到技术应用的便捷性与测量结果的一体性，下文将通过系统设计将相关技术整合，形成几何误差综合测量技术系统。另外，尺寸误差、形状误差、位置误差、表面微观几何误差测量技术的具体内容如下。

2.1.1 尺寸误差测量技术

尺寸误差是常见的金属机械零件几何误差，指金属机械零件大小、厚薄指标与标准不符，一旦出现会严重影响金属机械零件安装质量，诸如可能导致金属机械零件无法安装，也可能导致金属机械零件安装后无法起到应用作用。针对尺寸误差，常用的误差检测技术有很多，诸如直接测量技术、检测测量技术、单项测量技术、综合测量技术、工序测量技术等，这些技术算在具体形式上有所不同，但原理比较类似，以直接测量技术为例，工作人员直接使用工具对金属机械零件进行相关指标测量，然后将测量结果与标准进行对比，如果两者一致，就说明金属机械零件没有尺寸误差，反之存在尺寸误差，结果与标准差值越大，尺寸误差情况越严重。为了更好的执行尺寸误差检测工作，建议工作人员在检测之前详细记录待测金属机械零件的标准尺寸，而后采用“一测一记”的工作模式记录每个金属机械零件的产量结果，这样能够保障测量结果完整，同时在条件允许的情况下可以对每个零件进行两次至三次检测，目的是保障测量结果正确，最后将测量结果与预先记录的标准进行对比即可判断金属机械零

件是否合格。

2.1.2 形状误差测量技术

形状误差相对少见，一般指金属机械零件的轮廓形状与标准不符，诸如零件轮廓弧度不足或过度弯曲等就是典型的形状误差，形状误差同样会对金属机械零件安装造成比较严重的影响，其具体影响在上文的论述中已经提到。因此，虽然形状误差相对少见，但也要引起人们的重视。针对形状误差，一般需要采用公差测量技术，而该项技术在不同的测量指标上有不同的形式，因此要做好形状误差测量技术，必须先明确测量指标，再选择针对性的技术形式，本文主要以轴径、孔径、角度三大指标为例，介绍各种形式的形状误差测量技术：第一，针对轴径，如果实际情况对轴径指标精度要求不是很高，处于中、低等级，那么可以使用卡尺、千分尺、专用量表等工具进行测量，如果实际生产量较高，建议采用光滑极限量规判方法进行轴径测量，断轴的实际尺寸和形状误差是否合格。而当实际精度要求较高时，就必须使用机械式测微仪、电动式测微仪、光学仪器进行测量，目前立式光学计测量是高精度轴径测量中最常用的技术工具；第二，针对孔径，如果生产量较小、孔径精度要求不高，可以使用卡尺、内径千分尺、内径规、内径摇表、内测卡规等工具进行测量，反之生产量较大、孔径精度要求不高，也可以采用光滑极限量规工具。面对孔径精度要求较高的测量工作，这应当使用内径百分表或千分表、卧式测长仪进行测量。另外，若孔本身比较细长，工具不方便进入其中进行测量，可以选择小孔内视镜、反射内视镜工具，或使用电子深度卡尺进行测量；第三，针对角度，要根据具体情况来选择测量技术，即如果需要进行相对测量，且检测精度要求较高，那么可以使用角度量块、直角尺、多面棱体进行测量，其中不同工具所测量的角度不同，诸如直角尺就专门用于测量直角。在测量要求相对低，但测量指标较多的情况下可以进行直接测量，过程中需要使用角度仪等工具对零件的角度量块、多面棱体、棱镜等进行测量，使用光学分度头对零件圆周分度进行测量，使用样板、角尺、万能角度尺完成其他角度测量。如果以上测量技术不方便使用，可以考虑间接测量技术，即主要使用正弦规、滚柱和钢球等进行测量，条件允许也可使用三坐标测量机。另外，如果在角度测量中遇到了角度较小的情况，那么可以选择水平仪、自准直仪、激光小角度测量仪等工具进行测量。

2.1.3 位置误差测量技术

位置误差与形状误差非常相似，本质都属于几何公差误差，因此测量方法上基本相同，此处不多加赘述。但值得注意的是，位置误差测量中一定要注意零件轴线等参数的对齐关系，不能只对某一处进行测量，正确的做法是测量完有一处之后，再对对应处进行测量，两处对齐这说明没有位置误差，反之金属机械零件不合格。

2.1.4 表面微观几何误差测量技术

最常见的表面微观几何误差就是表面粗糙度误差，因此本文主要针对该误差形式对相关测量技术进行分析。表面粗糙度误差测量方法有四种，分别为：第一比较法，这种方法主要通过放大镜等工具进行测量，过程中需要借鉴标准件，通过对比的方法来判断被测件表面粗糙度的级别，根据结果判断其是否合格；第二干涉法，该方法主要利用光波干涉原理进行测量，通过光波反馈结果可作出判断，判断准确性比较高；第三光切法，该方法与比较法比较相似，但其中使用的工具一般是双管显微镜，因为工具更加先进，所以测量进度比较高；第四针描法，该方法主要通过表面粗糙度仪来实施，依照仪器触针在零件表面的移动情况可以作出准确判断。

2.2 系统设计

本系统设计分为硬件设计、软件设计及硬软件衔接三个步骤，各步骤具体内容如下。

第一，硬件设计。本系统硬件设计使用到了传感、传输两大技术，使用Struts、Hibernate构成J2EE框架，该框架具有轻量级的优点，能够支撑系统硬件运作，并负责储存运作数据，可以给硬件设备提供良好环境。J2EE框架基础上，使用Tomcat轻量级服务器，用于支撑JSP、Servlet-web。系统主要硬件为齿轮齿条传动副，可使测量加运动，推动测量进度，而为了保障运动方向准确，在传动副上安装了运动导向机构，同步还在测量架上安装了电机，对电机运行功率进行了设定，保障测量家运作速度恒定，能缓速允许。在测量架后方安设测量区，区域内安装了光电编码器，该设备可以对金属机械零件集合参数进行测量，自动读取当前集合参数，借助导向轮，所有放在测量架上的待测零件都会被传输到测量区接受测量，过程中还会进行旋转，以便编码器进行多面测量。另外，出于零件测量的多种要求考虑，本系统在测试区还安装了夹具、加温等设备，以供人工选择。

第二，软件设计。本系统软件主要包括数据采集软件、数据分析软件、数据库软件三项，其中数据采集软件主要接受光电编码器读取得到的几何参数，随后将参数传输到数据分析软件中，分析软件会对几何参数进行预处理，根据编码完成参数分类，随后与标准值进行对比，判断零件是否存在几何误差、存在何种集合误差，分析软件所用的标准值来源于数据库软件，即人工会在数据库软件中预先设定好相关标准值，支撑分析软件运作，同时每次分析所得结果也会被自动保存在数据库软件中，方便人工查阅分析过程。为了优化系统的测量功能，本系统三大软件均采用C/S工作模式，使得系统具备单曲线、多曲线绘制功能，采集所得数据会被绘制成相关曲线，让数据分析过程更加清晰、易懂。

第三，硬软件衔接。系统硬件主要负责执行测量工作，软件则主要负责控制硬件，用于改变测量条件，因此硬软件衔接就是让软件能够对硬件进行控制。着眼于这一点，首先在硬软件之间安装了换能器，目的是将硬件的光电编码器采集参数转换为数字格式，以便软件读取，根据采集参数，人工可以在软件端对测量环节进行控制，并且对测量结果作出判断，可提供控制方向。其次采用总线技术将硬软件衔接，人工在软件端输入的指令会顺延总线到达硬件的某个设备上，诸如人工要提高夹具夹紧度，可以在软件端设定参数，再发送指令，指令顺延总线被夹具控制单元接受，促使夹具夹紧度提升到设定参数值，提升过程也会通过总线反馈给软件端，促使人工能判断测量工作是否可以开始。

3 金属机械零件安装几何误差测量系统测试

3.1 测试前提

遵照四大几何误差，本系统测试中选择了四十个存在几何误差的零件作为样品，各几何误差共十个零件，每个零件的几何误差值已经预先测量完成，做好了数据统计，随后将零件送入系统中接受测量，若系统测量结果与预先测量结果之间没有，就说明本系统应用有效。

3.2 测试结果与讨论

针对各类几何误差待测零件，从各类误差零件中任选其一作为分析案例，与预先测量结果对比得到测试结果，结果见表1。

表1 测试结果

通过表1可以看出，本系统测量结果与预先测量结果完全一致，因此本系统应用有效。着眼于几何误差出现的三大原因，本系统可起到预防误差的作用：

第一，针对零件加工因素，将加工零件送入本系统接受测量，可判断零件是否存在误差，若存在误差则要求返工，避免零件加工因素影响。

第二，针对人工因素，在零件安装之前预先使用本系统进行测量，确认零件是否存在几何误差，若不存在则进行安装，如果多次安装无果，或者发现异常，则继续测量，查看零件是否受人工因素影响出现了几何误差，若出现则更换零件。

第三，针对环境因素，对于长时间放置在高温或其他特殊环境中的零件进行测量，能确认零件当前是否出现膨胀等现象，若存在则说明零件有几何误差，人工及时更换即可。

从此处可以看出，使用本系统能够保障零件安装不受几何误差影响，可起到良好预防作用。

4 系统应用的注意事项

任何几何误差测量系统在应用中都可能出现误差，这些误差并不来源于系统本身，而是因为人工使用不当，这一点对于本系统而言也不例外，所以在系统应用中人工需要注意相关事项，下文将对主要事项进行论述。

4.1 测量随机误差

机械零件在接受测量的过程中会展开一系列的运动，以保障测量结果的完整性，而所有运动步骤也有相关标准，一旦其中某个运动步骤不符合标准，就可能导致测量结果出现误差，这种误差没有规律可言，而且包括众多的类型，故被称为随机误差，很容易使人作出误判，错将良好零件视作几何误差零件。为了避免随机误差的情况出现，工作人员应当清楚了解随机误差的出现原因，通常情况下是因为测量系统的硬件部分存在异常，诸如某些硬件夹具之间的间距增大，故人工依照标准规范设置夹紧度，并不能保障零件被充分夹紧，使得零件运动时出现一些异常，诸如细微的位移或外泄等。针对这些现象，工作人员有必要在测量之前对系统相关硬件设备的情况进行检查，若发现异常要手动调试，必须在硬件设备全部正常的情况下进行测量，以免发生随机误差。

4.2 测试条件异常

机械零件几何误差测量形式众多，部分测量需要预先设定测试条件，诸如需要先加温测试区温度，再对机械零件，过程中要保障测量结果准确，测试区温度就要达到标准值。但系统实际应用中偶尔会发生测试条件异常的现象，即工作人员在软件端设定了标准温度，而等待一段时间之后测试区的温度却未达到标准，且不再提升，或者出现不升温现象，这两种现象的主要原因在于：第一，因为硬件加温设备出现了故障，不能正确执行指令，所以测试区温度无法达标；第二，硬软件之间的通信渠道出现了异常情况之后，导致软件指令无法传输给硬件。针对这两种现象，工作人员理应对实际情况进行识别，再根据原因进行处理，例如调试加温设备，使其恢复正常，或者找出现场干扰源，促使通信恢复正常，这些都可以保障系统正常应用。

4.3 测量参数失准

机械零件几何误差测量需要结合实际情况来设置测量参数，参数决定了测量结果的可靠性，因此测量参数必须足够准确，否则测量结果会给人工造成误导，甚至因零件几何误差造成严重问题。从这一角度出发，理论上每次进行测量时，人工都应当先了解机械零件的基本情况，而后得出几何误差测量的参数要求，再针对性的进行参数测量，但实际来看因为机械零件几何误差测量的参数要求比较复杂，所以人工不可避免的会出现疏忽大意的现象，一旦出现这种现象机械零件几何误差的测量参数就可能失准，测量结果也就变得不可靠。为了避免这种情况发生，测量过程中一定要仔细核对测量参数，同时出于便捷性考虑，可以将机械零件分类，按照分类进行统一批次测量，这样可以避免人工频繁更换测量参数，尽可能降低测量参数失准的发生概率。

5 结语

金属机械零件安装中不能出现任意几何误差，否则会对机械设备的使用造成影响，甚至加大安全隐患，因此在零件安装之前必须对零件进行几何误差测量。着眼于这一点，工作人员理应了解几何误差的主要类型与原因，并慎重选择技术，通过系统完成测量工作，旨在保证机械零件质量，给零件安装打下良好基础。同时针对机械零件几何误差成因，工作人员应当展开多次检测，避免不同因素的影响，这有利于我国工业的发展可持续性与社会竞争力。