金屬機械零件安裝的幾何誤差測量技術分析

劉香清，孫力偉

金屬機械零件安裝有很高的質量要求，其中精準度是最關鍵的質量指標，若精準度不足就說明零件安裝很可能存在幾何誤差，需要進行矯正。這一背景下，因為零件安裝的幾何誤差難以避免，且為了準確矯正誤差，所以有必要對零件安裝幾何誤差進行測量，而出于測量結果準確性考慮，工作人員必須選擇正確的誤差測量技術，并系統性的展開測量工作，旨在充分發揮技術作用，準確測量幾何誤差情況，故為做到這一點應當對幾何誤差測量技術的應用展開分析。

1 金屬機械零件安裝幾何誤差類型及出現原因

1.1 幾何誤差類型

金屬機械零件安裝中常見的幾何誤差有四種，分別為尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差、表面微觀幾何誤差，具體內容如下。

第一，尺寸誤差是指零件本身的尺寸在某個方面與理想尺寸存在誤差，例如零件的直徑尺寸大于或小于理想直徑尺寸，隨即形成幾何誤差，這種誤差是最常見的幾何誤差，若未能及時發現，安裝中就會出現異常，可能導致機械設備不能順利運作，甚至加大安全風險。

第二，形狀誤差是指零件外形的直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度、軸徑、孔徑中，任意一方面不符合理想值而形成的幾何誤差，這種誤差會導致零件可能無法順利安裝。

第三，位置誤差是指零件加工后在表面、軸線、對稱平面之間的相互位置不能依照理想關系對應，諸如零件的某個部位并未與對應部位完全對齊，這就是典型的位置誤差，也是一類常見的幾何誤差。

第四，表面微觀幾何誤差是指零件表面的粗糙度、波紋度等不符合理想值的誤差現象。

1.2 幾何誤差出現原因

通常情況下，金屬機械零件安裝幾何誤差的原因有三種，具體如下。

第一，零件加工因素，即零件加工決定了零件本身的尺寸、形狀、位置、表面，因此當零件加工工藝出現異常，就可能導致零件本身出現幾何誤差，在安裝中會造成相同的幾何誤差影響，故零件加工是導致幾何誤差的主要原因。

第二，人為因素，即零件安裝一般由人工負責執行，而安裝的每個環節都有標準要求，但人工操作的穩定性不足，因此有可能在某個安裝環節出現誤差，或者導致零件受損，出現幾何誤差，該因素下最常見的幾何誤差就是形狀誤差，諸如零件表面受到沖擊，出現表面下凹等現象，因此零件平面度受到影響，出現幾何誤差。

第三，環境因素，即零件雖然是金屬材質，穩定性較強，但受一些特定的環境因素影響，零件會出現一些細微的變化，出現幾何誤差。環境因素的種類有很多，其中較具代表性的是溫度，諸如金屬零件在高溫環境下會出現膨脹現象，以上四大幾何誤差類型都可能因為該現象發生，且可能同時發生，所以要引起重視。

2 金屬機械零件安裝幾何誤差測量技術與系統設計

2.1 測量技術

因為金屬機械零件安裝幾何誤差類型多，且各類型形式很多，所以單一的技術不滿足幾何誤差測量需求，本文主要參照幾何誤差的四大類型，選擇尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差、表面微觀幾何誤差檢測技術，各項技術針對性強，單獨使用能夠有效測量幾何誤差。而考慮到技術應用的便捷性與測量結果的一體性，下文將通過系統設計將相關技術整合，形成幾何誤差綜合測量技術系統。另外，尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差、表面微觀幾何誤差測量技術的具體內容如下。

2.1.1 尺寸誤差測量技術

尺寸誤差是常見的金屬機械零件幾何誤差，指金屬機械零件大小、厚薄指標與標準不符，一旦出現會嚴重影響金屬機械零件安裝質量，諸如可能導致金屬機械零件無法安裝，也可能導致金屬機械零件安裝后無法起到應用作用。針對尺寸誤差，常用的誤差檢測技術有很多，諸如直接測量技術、檢測測量技術、單項測量技術、綜合測量技術、工序測量技術等，這些技術算在具體形式上有所不同，但原理比較類似，以直接測量技術為例，工作人員直接使用工具對金屬機械零件進行相關指標測量，然后將測量結果與標準進行對比，如果兩者一致，就說明金屬機械零件沒有尺寸誤差，反之存在尺寸誤差，結果與標準差值越大，尺寸誤差情況越嚴重。為了更好的執行尺寸誤差檢測工作，建議工作人員在檢測之前詳細記錄待測金屬機械零件的標準尺寸，而后采用“一測一記”的工作模式記錄每個金屬機械零件的產量結果，這樣能夠保障測量結果完整，同時在條件允許的情況下可以對每個零件進行兩次至三次檢測，目的是保障測量結果正確，最后將測量結果與預先記錄的標準進行對比即可判斷金屬機械零

件是否合格。

2.1.2 形狀誤差測量技術

形狀誤差相對少見，一般指金屬機械零件的輪廓形狀與標準不符，諸如零件輪廓弧度不足或過度彎曲等就是典型的形狀誤差，形狀誤差同樣會對金屬機械零件安裝造成比較嚴重的影響，其具體影響在上文的論述中已經提到。因此，雖然形狀誤差相對少見，但也要引起人們的重視。針對形狀誤差，一般需要采用公差測量技術，而該項技術在不同的測量指標上有不同的形式，因此要做好形狀誤差測量技術，必須先明確測量指標，再選擇針對性的技術形式，本文主要以軸徑、孔徑、角度三大指標為例，介紹各種形式的形狀誤差測量技術：第一，針對軸徑，如果實際情況對軸徑指標精度要求不是很高，處于中、低等級，那么可以使用卡尺、千分尺、專用量表等工具進行測量，如果實際生產量較高，建議采用光滑極限量規判方法進行軸徑測量，斷軸的實際尺寸和形狀誤差是否合格。而當實際精度要求較高時，就必須使用機械式測微儀、電動式測微儀、光學儀器進行測量，目前立式光學計測量是高精度軸徑測量中最常用的技術工具；第二，針對孔徑，如果生產量較小、孔徑精度要求不高，可以使用卡尺、內徑千分尺、內徑規、內徑搖表、內測卡規等工具進行測量，反之生產量較大、孔徑精度要求不高，也可以采用光滑極限量規工具。面對孔徑精度要求較高的測量工作，這應當使用內徑百分表或千分表、臥式測長儀進行測量。另外，若孔本身比較細長，工具不方便進入其中進行測量，可以選擇小孔內視鏡、反射內視鏡工具，或使用電子深度卡尺進行測量；第三，針對角度，要根據具體情況來選擇測量技術，即如果需要進行相對測量，且檢測精度要求較高，那么可以使用角度量塊、直角尺、多面棱體進行測量，其中不同工具所測量的角度不同，諸如直角尺就專門用于測量直角。在測量要求相對低，但測量指標較多的情況下可以進行直接測量，過程中需要使用角度儀等工具對零件的角度量塊、多面棱體、棱鏡等進行測量，使用光學分度頭對零件圓周分度進行測量，使用樣板、角尺、萬能角度尺完成其他角度測量。如果以上測量技術不方便使用，可以考慮間接測量技術，即主要使用正弦規、滾柱和鋼球等進行測量，條件允許也可使用三坐標測量機。另外，如果在角度測量中遇到了角度較小的情況，那么可以選擇水平儀、自準直儀、激光小角度測量儀等工具進行測量。

2.1.3 位置誤差測量技術

位置誤差與形狀誤差非常相似，本質都屬于幾何公差誤差，因此測量方法上基本相同，此處不多加贅述。但值得注意的是，位置誤差測量中一定要注意零件軸線等參數的對齊關系，不能只對某一處進行測量，正確的做法是測量完有一處之后，再對對應處進行測量，兩處對齊這說明沒有位置誤差，反之金屬機械零件不合格。

2.1.4 表面微觀幾何誤差測量技術

最常見的表面微觀幾何誤差就是表面粗糙度誤差，因此本文主要針對該誤差形式對相關測量技術進行分析。表面粗糙度誤差測量方法有四種，分別為：第一比較法，這種方法主要通過放大鏡等工具進行測量，過程中需要借鑒標準件，通過對比的方法來判斷被測件表面粗糙度的級別，根據結果判斷其是否合格；第二干涉法，該方法主要利用光波干涉原理進行測量，通過光波反饋結果可作出判斷，判斷準確性比較高；第三光切法，該方法與比較法比較相似，但其中使用的工具一般是雙管顯微鏡，因為工具更加先進，所以測量進度比較高；第四針描法，該方法主要通過表面粗糙度儀來實施，依照儀器觸針在零件表面的移動情況可以作出準確判斷。

2.2 系統設計

本系統設計分為硬件設計、軟件設計及硬軟件銜接三個步驟，各步驟具體內容如下。

第一，硬件設計。本系統硬件設計使用到了傳感、傳輸兩大技術，使用Struts、Hibernate構成J2EE框架，該框架具有輕量級的優點，能夠支撐系統硬件運作，并負責儲存運作數據，可以給硬件設備提供良好環境。J2EE框架基礎上，使用Tomcat輕量級服務器，用于支撐JSP、Servlet-web。系統主要硬件為齒輪齒條傳動副，可使測量加運動，推動測量進度，而為了保障運動方向準確，在傳動副上安裝了運動導向機構，同步還在測量架上安裝了電機，對電機運行功率進行了設定，保障測量家運作速度恒定，能緩速允許。在測量架后方安設測量區，區域內安裝了光電編碼器，該設備可以對金屬機械零件集合參數進行測量，自動讀取當前集合參數，借助導向輪，所有放在測量架上的待測零件都會被傳輸到測量區接受測量，過程中還會進行旋轉，以便編碼器進行多面測量。另外，出于零件測量的多種要求考慮，本系統在測試區還安裝了夾具、加溫等設備，以供人工選擇。

第二，軟件設計。本系統軟件主要包括數據采集軟件、數據分析軟件、數據庫軟件三項，其中數據采集軟件主要接受光電編碼器讀取得到的幾何參數，隨后將參數傳輸到數據分析軟件中，分析軟件會對幾何參數進行預處理，根據編碼完成參數分類，隨后與標準值進行對比，判斷零件是否存在幾何誤差、存在何種集合誤差，分析軟件所用的標準值來源于數據庫軟件，即人工會在數據庫軟件中預先設定好相關標準值，支撐分析軟件運作，同時每次分析所得結果也會被自動保存在數據庫軟件中，方便人工查閱分析過程。為了優化系統的測量功能，本系統三大軟件均采用C/S工作模式，使得系統具備單曲線、多曲線繪制功能，采集所得數據會被繪制成相關曲線，讓數據分析過程更加清晰、易懂。

第三，硬軟件銜接。系統硬件主要負責執行測量工作，軟件則主要負責控制硬件，用于改變測量條件，因此硬軟件銜接就是讓軟件能夠對硬件進行控制。著眼于這一點，首先在硬軟件之間安裝了換能器，目的是將硬件的光電編碼器采集參數轉換為數字格式，以便軟件讀取，根據采集參數，人工可以在軟件端對測量環節進行控制，并且對測量結果作出判斷，可提供控制方向。其次采用總線技術將硬軟件銜接，人工在軟件端輸入的指令會順延總線到達硬件的某個設備上，諸如人工要提高夾具夾緊度，可以在軟件端設定參數，再發送指令，指令順延總線被夾具控制單元接受，促使夾具夾緊度提升到設定參數值，提升過程也會通過總線反饋給軟件端，促使人工能判斷測量工作是否可以開始。

3 金屬機械零件安裝幾何誤差測量系統測試

3.1 測試前提

遵照四大幾何誤差，本系統測試中選擇了四十個存在幾何誤差的零件作為樣品，各幾何誤差共十個零件，每個零件的幾何誤差值已經預先測量完成，做好了數據統計，隨后將零件送入系統中接受測量，若系統測量結果與預先測量結果之間沒有，就說明本系統應用有效。

3.2 測試結果與討論

針對各類幾何誤差待測零件，從各類誤差零件中任選其一作為分析案例，與預先測量結果對比得到測試結果，結果見表1。

表1 測試結果

通過表1可以看出，本系統測量結果與預先測量結果完全一致，因此本系統應用有效。著眼于幾何誤差出現的三大原因，本系統可起到預防誤差的作用：

第一，針對零件加工因素，將加工零件送入本系統接受測量，可判斷零件是否存在誤差，若存在誤差則要求返工，避免零件加工因素影響。

第二，針對人工因素，在零件安裝之前預先使用本系統進行測量，確認零件是否存在幾何誤差，若不存在則進行安裝，如果多次安裝無果，或者發現異常，則繼續測量，查看零件是否受人工因素影響出現了幾何誤差，若出現則更換零件。

第三，針對環境因素，對于長時間放置在高溫或其他特殊環境中的零件進行測量，能確認零件當前是否出現膨脹等現象，若存在則說明零件有幾何誤差，人工及時更換即可。

從此處可以看出，使用本系統能夠保障零件安裝不受幾何誤差影響，可起到良好預防作用。

4 系統應用的注意事項

任何幾何誤差測量系統在應用中都可能出現誤差，這些誤差并不來源于系統本身，而是因為人工使用不當，這一點對于本系統而言也不例外，所以在系統應用中人工需要注意相關事項，下文將對主要事項進行論述。

4.1 測量隨機誤差

機械零件在接受測量的過程中會展開一系列的運動，以保障測量結果的完整性，而所有運動步驟也有相關標準，一旦其中某個運動步驟不符合標準，就可能導致測量結果出現誤差，這種誤差沒有規律可言，而且包括眾多的類型，故被稱為隨機誤差，很容易使人作出誤判，錯將良好零件視作幾何誤差零件。為了避免隨機誤差的情況出現，工作人員應當清楚了解隨機誤差的出現原因，通常情況下是因為測量系統的硬件部分存在異常，諸如某些硬件夾具之間的間距增大，故人工依照標準規范設置夾緊度，并不能保障零件被充分夾緊，使得零件運動時出現一些異常，諸如細微的位移或外泄等。針對這些現象，工作人員有必要在測量之前對系統相關硬件設備的情況進行檢查，若發現異常要手動調試，必須在硬件設備全部正常的情況下進行測量，以免發生隨機誤差。

4.2 測試條件異常

機械零件幾何誤差測量形式眾多，部分測量需要預先設定測試條件，諸如需要先加溫測試區溫度，再對機械零件，過程中要保障測量結果準確，測試區溫度就要達到標準值。但系統實際應用中偶爾會發生測試條件異常的現象，即工作人員在軟件端設定了標準溫度，而等待一段時間之后測試區的溫度卻未達到標準，且不再提升，或者出現不升溫現象，這兩種現象的主要原因在于：第一，因為硬件加溫設備出現了故障，不能正確執行指令，所以測試區溫度無法達標；第二，硬軟件之間的通信渠道出現了異常情況之后，導致軟件指令無法傳輸給硬件。針對這兩種現象，工作人員理應對實際情況進行識別，再根據原因進行處理，例如調試加溫設備，使其恢復正常，或者找出現場干擾源，促使通信恢復正常，這些都可以保障系統正常應用。

4.3 測量參數失準

機械零件幾何誤差測量需要結合實際情況來設置測量參數，參數決定了測量結果的可靠性，因此測量參數必須足夠準確，否則測量結果會給人工造成誤導，甚至因零件幾何誤差造成嚴重問題。從這一角度出發，理論上每次進行測量時，人工都應當先了解機械零件的基本情況，而后得出幾何誤差測量的參數要求，再針對性的進行參數測量，但實際來看因為機械零件幾何誤差測量的參數要求比較復雜，所以人工不可避免的會出現疏忽大意的現象，一旦出現這種現象機械零件幾何誤差的測量參數就可能失準，測量結果也就變得不可靠。為了避免這種情況發生，測量過程中一定要仔細核對測量參數，同時出于便捷性考慮，可以將機械零件分類，按照分類進行統一批次測量，這樣可以避免人工頻繁更換測量參數，盡可能降低測量參數失準的發生概率。

5 結語

金屬機械零件安裝中不能出現任意幾何誤差，否則會對機械設備的使用造成影響，甚至加大安全隱患，因此在零件安裝之前必須對零件進行幾何誤差測量。著眼于這一點，工作人員理應了解幾何誤差的主要類型與原因，并慎重選擇技術，通過系統完成測量工作，旨在保證機械零件質量，給零件安裝打下良好基礎。同時針對機械零件幾何誤差成因，工作人員應當展開多次檢測，避免不同因素的影響，這有利于我國工業的發展可持續性與社會競爭力。