產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)講義之一

1、產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范范(GPS)(GPS)講義之一講義之一v1.2 新的GPS產(chǎn)生的背景v傳統(tǒng)的GPS標(biāo)準(zhǔn)存在體系結(jié)構(gòu)缺陷：1）尺寸公差、形位公差和表面特征分別由原ISO的三個(gè)技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)，由于各自工作的獨(dú)立性，使得工作項(xiàng)目有重復(fù)和交叉、術(shù)語定義不夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一、規(guī)定和要求不完全一致，影響和制約標(biāo)準(zhǔn)的使用和實(shí)施。2）設(shè)計(jì)對(duì)功能要求的表達(dá)和優(yōu)化、制造和檢測(cè)對(duì)幾何精度的控制和評(píng)定缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，缺乏相互溝通的共同的技術(shù)語言。vISO于1993年成立了TC3、TC10和TC57三個(gè)技術(shù)委員會(huì)的“聯(lián)合協(xié)調(diào)工作組”ISO TC 3-10-57/JHG。vJHG于1995年頒布了ISO/TR 14

2、638產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）總體規(guī)劃，正式提出新的GPS概念和標(biāo)準(zhǔn)體系模型。v1996年成立ISO/TC 213，全面負(fù)責(zé)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建，這標(biāo)志著GPS的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。二、新GPS標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的基本思想v2.1 基本思路v傳統(tǒng)GPS是以幾何學(xué)為基礎(chǔ)建立起來的，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)功能需求從具有理想幾何形狀和方位的工件出發(fā)，規(guī)定工件實(shí)際幾何要素的允許變動(dòng)區(qū)域，即公差帶。v如何保證和判定實(shí)際幾何要素處于公差帶內(nèi)，則由制造和檢測(cè)人員負(fù)責(zé)。v這一系列概念是有效的，但也有需要重新審視的地方。例如，要想符合設(shè)計(jì)意圖和功能要求 設(shè)計(jì)上給定一個(gè)尺寸，是按兩點(diǎn)法還是三點(diǎn)法來

3、控制和檢測(cè)？ 設(shè)計(jì)上規(guī)定了一個(gè)圓的允許變動(dòng)區(qū)域，是按最小外接、最大內(nèi)切、最小二乘還是最小條件來判斷？v從“理想要素”到“實(shí)際要素”的轉(zhuǎn)換和控制過程沒有嚴(yán)格的定義和規(guī)范，在一定程度上，“理論”和“實(shí)踐”有所脫節(jié)。v新的GPS按系統(tǒng)工程和系統(tǒng)建模的思想，自頂向下構(gòu)建了一系列信息模型： 理清了標(biāo)準(zhǔn)體系的層次關(guān)系，形成矩陣模型； 理清了標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，形成標(biāo)準(zhǔn)鏈； 規(guī)范了工件幾何定義的依據(jù)，定義了表面模型； 規(guī)范了工件幾何精度的過程控制，定義了操作和操作集； 提出了產(chǎn)品研發(fā)全過程的不確定度概念，形成擴(kuò)展的不確定度概念模型； 基于表面模型，全面規(guī)范了幾何要素的術(shù)語定義。vGPS標(biāo)準(zhǔn)體系建?？驁DGPS

4、標(biāo)準(zhǔn)體系建模GPS標(biāo)準(zhǔn)體系層次結(jié)構(gòu)和矩陣模型指導(dǎo)GPS標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建GPS標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)綜合模型指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)鏈的構(gòu)建產(chǎn)品（工件）的表面模型操作的過程模型擴(kuò)展的不確定度概念模型基于表面模型的術(shù)語定義規(guī)范產(chǎn)品（工件）的幾何描述和定義、檢測(cè)及評(píng)定規(guī)范表面模型的操作和操作集確定從產(chǎn)品幾何定義到檢測(cè)的總不確定度框架及各種不確定度的關(guān)系規(guī)范幾何要素GPS基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GPS綜合標(biāo)準(zhǔn)GPS通用標(biāo)準(zhǔn)GPS通用標(biāo)準(zhǔn)鏈1.尺寸標(biāo)準(zhǔn)鏈 10.位置標(biāo)準(zhǔn)鏈2.距離標(biāo)準(zhǔn)鏈 11.圓跳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鏈3.半徑標(biāo)準(zhǔn)鏈 12.全跳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鏈4.角度標(biāo)準(zhǔn)鏈 13.基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)鏈5.與基準(zhǔn)無關(guān)的線標(biāo)準(zhǔn)鏈 14.粗糙度輪廓標(biāo)準(zhǔn)鏈6.與基準(zhǔn)有關(guān)的線標(biāo)準(zhǔn)鏈

5、15.波紋度輪廓標(biāo)準(zhǔn)鏈7.與基準(zhǔn)無關(guān)的面標(biāo)準(zhǔn)鏈 16.原始輪廓標(biāo)準(zhǔn)鏈8.與基準(zhǔn)有關(guān)的面標(biāo)準(zhǔn)鏈 17.表面缺陷標(biāo)準(zhǔn)鏈9.方向標(biāo)準(zhǔn)鏈 18.棱邊標(biāo)準(zhǔn)鏈GPS補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)GPS補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)鏈A 特定加工公差標(biāo)準(zhǔn)（A1A7） B 機(jī)械零件幾何標(biāo)準(zhǔn)（B1B3）A1.機(jī)加件公差標(biāo)準(zhǔn)鏈 B1.螺紋標(biāo)準(zhǔn)鏈A2.鑄件公差標(biāo)準(zhǔn)鏈 B2.齒輪標(biāo)準(zhǔn)鏈A3.焊接件公差標(biāo)準(zhǔn)鏈 B3.花鍵標(biāo)準(zhǔn)鏈A4.熱切削件公差標(biāo)準(zhǔn)鏈A5.塑料模壓件公差標(biāo)準(zhǔn)鏈A6.金屬無機(jī)鍍層公差標(biāo)準(zhǔn)鏈A7.涂覆公差標(biāo)準(zhǔn)鏈v2.2 GPS標(biāo)準(zhǔn)體系層次結(jié)構(gòu)和矩陣模型vGPS基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)（Fundamental GPS standards） 是在發(fā)展戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)上形成

6、的頂層標(biāo)準(zhǔn)，是整個(gè)GPS標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建和總體規(guī)劃的依據(jù)，是制定其他三類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。目前，ISO發(fā)布了兩份重要的基礎(chǔ)GPS標(biāo)準(zhǔn)，即 ISO/TR 14638 GPS總體規(guī)劃（指導(dǎo)體系構(gòu)建） ISO 14659 GPS基本原則（指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制定）vGPS綜合標(biāo)準(zhǔn)（Global GPS standards） 是GPS標(biāo)準(zhǔn)體系中高層次的標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)共同遵守和使用的通用原則、基本概念和術(shù)語定義等，是制定通用GPS標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充GPS標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和協(xié)調(diào)依據(jù)，具有廣泛的通用性。目前ISO發(fā)布和確定的主要綜合GPS標(biāo)準(zhǔn)有： ISO 174501、ISO 174502 ISO 14660 幾何要素 ISO 142

7、53 測(cè)量不確定度 VIM 國(guó)際通用計(jì)量學(xué)基本術(shù)語 GUM 測(cè)量不確定度表示指南vGPS通用標(biāo)準(zhǔn)矩陣（General GPS standards metrix）鏈環(huán)號(hào)123456要素幾何特征/標(biāo)準(zhǔn)鏈圖樣標(biāo)注公差定義實(shí)際要素特征定義工件誤差評(píng)定測(cè)量器具標(biāo)定校準(zhǔn)1尺寸2距離3半徑4角度5與基準(zhǔn)無關(guān)的線6與基準(zhǔn)有關(guān)的線7與基準(zhǔn)無關(guān)的面8與基準(zhǔn)有關(guān)的面9方向10位置11圓跳動(dòng)12全跳動(dòng)13基準(zhǔn)14粗糙度輪廓15波紋度輪廓16原始輪廓17表面缺陷18棱邊尺寸特征形狀或方位特征方位特征表面特征形狀特征v矩陣中的“列”是根據(jù)產(chǎn)品幾何定義和控制的全過程，將需要規(guī)范的重要活動(dòng)和對(duì)象，劃分為有序排列的6個(gè)鏈環(huán)：

8、鏈環(huán)1：產(chǎn)品圖樣表示； 鏈環(huán)2：公差定義； 鏈環(huán)3：實(shí)際要素特征或參數(shù)定義； 鏈環(huán)4：工件誤差評(píng)定（與公差極限比較）； 鏈環(huán)5：測(cè)量器具； 鏈環(huán)6：測(cè)量器具標(biāo)定和校準(zhǔn)。vGPS補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)（Complementary GPS Standards） 是根據(jù)不同的工藝過程（如機(jī)加、鑄造、焊接、熱切削、塑料模壓、涂鍍等），以及典型零件要素（如螺紋、齒輪、花鍵等）的幾何特征，對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)矩陣提出的補(bǔ)充規(guī)則的規(guī)范。這類標(biāo)準(zhǔn)更具體、更有針對(duì)性，一般由ISO其他相應(yīng)的TC制定。v2.3 GPS標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)綜合模型系統(tǒng)綜合模型的構(gòu)建考慮了以下因素：v產(chǎn)品幾何規(guī)范的建立貫穿產(chǎn)品幾何特性控制的全過程，形成規(guī)范鏈（標(biāo)準(zhǔn)鏈

9、）：v確定規(guī)范之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)概念統(tǒng)一、要求協(xié)調(diào)、有機(jī)銜接。功能要求幾何設(shè)計(jì)加工制造檢驗(yàn)/驗(yàn)證功能規(guī)范幾何規(guī)范實(shí)施規(guī)范驗(yàn)證規(guī)范v按對(duì)偶性原則建立一一對(duì)應(yīng)的規(guī)范，保持規(guī)范體系的完整性和協(xié)調(diào)性。v以擴(kuò)展的不確定度概念將所有規(guī)范關(guān)聯(lián)起來。規(guī)范操作和操作集符合性比較驗(yàn)證操作和操作集功能規(guī)范幾何規(guī)范驗(yàn)證規(guī)范功能要求-幾何設(shè)計(jì)-（制造加工）-檢驗(yàn)/驗(yàn)證工件要素的操作及符合性比較GPS標(biāo)準(zhǔn)鏈GPS規(guī)范過程相關(guān)不確定度符合性不確定度GPS擴(kuò)展不確定度v2.3.1 產(chǎn)品（工件）的表面模型v產(chǎn)品（工件）的表面模型是產(chǎn)品功能描述、幾何設(shè)計(jì)、加工制造及檢驗(yàn)/驗(yàn)證過程中建立的幾何表達(dá)模型，是規(guī)范產(chǎn)品幾何定義和實(shí)際工件檢

10、驗(yàn)/驗(yàn)證的基礎(chǔ)，不包含材料、工藝等非幾何信息。公稱表面模型 規(guī)范表面模型 驗(yàn)證表面模型v公稱表面模型（Nominal surface model）公稱表面模型是設(shè)計(jì)上定義的具有完美大小和形狀的表面模型，是一個(gè)理想模型。v規(guī)范表面模型（Specification surface model）規(guī)范表面模型是設(shè)計(jì)上構(gòu)想的非理想的表面模型，通過對(duì)該表面模型進(jìn)行一系列操作，在滿足功能要求的條件下確定其允許的最大偏離程度或允許的幾何特征值。它是設(shè)計(jì)意圖的真實(shí)表達(dá)，為功能仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考模型。v驗(yàn)證表面模型（Verification Surface Model）驗(yàn)證表面模型是對(duì)實(shí)際工件表面進(jìn)行采樣所

11、測(cè)得的輪廓表面模型，是實(shí)際表面的替代模型，是一個(gè)非理想的表面模型。通過對(duì)驗(yàn)證表面模型進(jìn)行一系列驗(yàn)證操作，可獲得測(cè)量結(jié)果，與規(guī)范規(guī)定的特征值比較，完成符合性評(píng)定。v操作的規(guī)范化對(duì)表面模型操作的規(guī)范化是保持“功能要求規(guī)范設(shè)計(jì)檢驗(yàn)/驗(yàn)證”協(xié)調(diào)一致的重要前提。v公稱設(shè)計(jì)：公稱表面模型要素操作（理想要素，分離、組合、構(gòu)建）評(píng)估公稱要求v設(shè)計(jì)意圖：非理想表面模型幾何表達(dá)（一組無限個(gè)點(diǎn)）要素操作（理想或非理想要素，分離、提取、濾波、擬合、組合、構(gòu)建）評(píng)估規(guī)定的特征值v實(shí)際工件：真實(shí)表面（實(shí)際存在的一組要素）要素操作（理想或非理想要素，實(shí)體分離、實(shí)體提取、濾波、擬合、組合、構(gòu)建）評(píng)估測(cè)量結(jié)果符合性比較v2.3

12、.2 操作和操作集vGPS標(biāo)準(zhǔn)將操作在概念上進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和規(guī)范，提出了“操作”和“操作集”，規(guī)范了對(duì)表面模型及其要素的操作過程。操作和操作集實(shí)際上是一個(gè)過程控制模型。 要素操作 規(guī)范操作 驗(yàn)證操作 操作集（Operator）v要素操作1）分離（Partition）從理想或非理想的表面模型得到邊界要素或要素的一部分，優(yōu)先于其他操作。公稱模型分離非理想模型分離2）提?。‥xtraction）從要素上獲取有限點(diǎn)集。3）濾波（Filtration）區(qū)分粗糙度輪廓、波紋度輪廓、結(jié)構(gòu)和形狀輪廓。4）擬合（Association）將理想要素與非理想要素相貼合。5）組合（Collection）將某些要素合

13、成，實(shí)現(xiàn)某種功能。6）構(gòu)建（Construction）由其他要素構(gòu)建理想要素。v規(guī)范操作（Specification Operation）v“規(guī)范”（Specification）指設(shè)計(jì)者根據(jù)工件的功能要求，借助非理想的規(guī)范表面模型，給出要素的幾何特征的允許變動(dòng)范圍（量）。GPS標(biāo)準(zhǔn)中將幾何規(guī)范分為6種，即： 表面結(jié)構(gòu)規(guī)范 要素尺寸規(guī)范 要素形狀規(guī)范 要素方向規(guī)范 要素位置規(guī)范 綜合誤差規(guī)范v規(guī)范操作（Specification Operation）可理解為設(shè)計(jì)上依據(jù)規(guī)范表面模型，為獲取反映工件功能要求的幾何要素特征值而進(jìn)行的一系列操作。簡(jiǎn)言之，它是設(shè)計(jì)上指定的確定幾何要素允許變動(dòng)量的操作，還包

14、含了評(píng)定要素合格的方法。v操作可以用數(shù)學(xué)公式、幾何表達(dá)式或數(shù)學(xué)算法等形式表達(dá)，例如圖樣上給定一根軸的直徑規(guī)范為100.1，表示該軸的直徑尺寸按兩點(diǎn)法進(jìn)行評(píng)定操作，可用千分表（尺）測(cè)量來體現(xiàn)。v規(guī)范操作包括： 缺省規(guī)范操作（Default Specification Operation）：一般是最常用的規(guī)范操作，以便簡(jiǎn)化圖樣標(biāo)注。 特定規(guī)范操作（Special Specification Operation）：用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的修飾符號(hào)注明，如用注明包容要求。 實(shí)際規(guī)范操作（Actual Specification Operation ）：技術(shù)文件中針對(duì)工件幾何特征規(guī)定的具體規(guī)范操作。v驗(yàn)證操作（Ve

15、rification Operation）是與規(guī)定的規(guī)范操作相對(duì)應(yīng)的操作，是判斷實(shí)際工件符合性的一種測(cè)量操作，包括： 完整驗(yàn)證操作（Perfect Verification Operation）與設(shè)計(jì)規(guī)定的規(guī)范操作完全吻合的檢驗(yàn)/驗(yàn)證操作，不存在方法不確定度。 簡(jiǎn)化驗(yàn)證操作（Simplified Verification Operation）與設(shè)計(jì)規(guī)定的規(guī)范操作有偏離的檢驗(yàn)/驗(yàn)證操作，包含由于偏離而導(dǎo)致的方法不確定度。 實(shí)際驗(yàn)證操作（ Actual Verification Operation）實(shí)際測(cè)量過程中采用的驗(yàn)證操作。v操作集（Operator）v操作集是一系列有序操作的集合。對(duì)于不同功

16、能要求和不同幾何要素，操作集中包含的操作數(shù)量和操作順序可能有所不同。操作集包括： 功能操作集：反映功能要求的一系列有序操作的集合，用來評(píng)估規(guī)范操作集或驗(yàn)證操作集與功能要求的吻合程度。 規(guī)范操作集：設(shè)計(jì)上規(guī)定的描述工件幾何要素特征的一系列有序規(guī)范操作的集合，用于確定集合要素允許的最大變動(dòng)量。 驗(yàn)證操作集：工件實(shí)際測(cè)量過程中采用的一系列有序操作的集合，用于確定幾何誤差的大小。v2.3.3 不確定度（Uncertainty）vISO提出的GPS不確定度的概念模型：功能描述 幾何設(shè)計(jì) （生產(chǎn)加工） 檢驗(yàn)/驗(yàn)證測(cè)量不確定度方法不確定度執(zhí)行不確定度規(guī)范不確定度符合性不確定度相關(guān)不確定度 總不確定度 當(dāng)規(guī)定

17、的規(guī)范操作和操作集完全滿足功能要求時(shí)，則相關(guān)不確定度為零，否則存在相關(guān)不確定度； 當(dāng)規(guī)定的規(guī)范操作集不完整，缺失某些操作，操作說明不明確或操作順序不當(dāng)，則產(chǎn)生規(guī)范不確定度，它反映規(guī)范本身存在的不確定度； 當(dāng)采用的實(shí)際驗(yàn)證操作集與規(guī)定的規(guī)范操作集有偏離時(shí)，則產(chǎn)生方法不確定度； 在實(shí)際測(cè)量過程中，測(cè)量設(shè)備誤差、人為因素等會(huì)產(chǎn)生執(zhí)行不確定度。v2.3.4 幾何要素定義v幾何要素指構(gòu)成零件幾何形體的點(diǎn)、線或面，是產(chǎn)品幾何定義和幾何精度控制的對(duì)象。v幾何要素有以下幾種分類方法： 理想的幾何要素和非理想的幾何要素； 組成要素和導(dǎo)出要素； 公稱要素和實(shí)際要素； 提取要素和擬合要素。v理想要素ideal fe

18、ature由參數(shù)化方程定義的要素。設(shè)計(jì)上給定的具有完美形狀和方位的幾何要素，公稱表面模型上的要素和擬合操作得到的要素為理想的幾何要素。v 非理想要素non- ideal feature完全依賴于非理想表面模型的不完美的要素。工件上實(shí)際存在的或?yàn)楣δ芊抡嬖O(shè)想的非完美工件上的幾何要素，規(guī)范表面模型或驗(yàn)證表面模型上的要素為非理想的幾何要素。v組成要素integral feature構(gòu)成工件幾何形體的要素?？梢允抢硐氲幕蚍抢硐氲膸缀我?，取決于工件表面模型的狀態(tài)。以往被稱作“輪廓要素”。v 導(dǎo)出要素derived feature由一個(gè)或幾個(gè)組成要素得到的中心點(diǎn)、中心線或中心面。對(duì)組成要素進(jìn)行一系列操作

19、得到的要素，為工件實(shí)體外的要素，如中心點(diǎn)、中心線、中心面。以往被稱作“中心要素”。v公稱要素nominal feature不依賴于非理想表面模型的理想要素。設(shè)計(jì)上給定的構(gòu)成公稱表面模型的要素，可能是一個(gè)或一系列的點(diǎn)、線或面。v 實(shí)際要素real feature實(shí)際工件上存在的、與周圍介質(zhì)形成物理界面的由無數(shù)個(gè)連續(xù)點(diǎn)構(gòu)成的幾何要素。為非理想要素。v提取要素exracted feature按照規(guī)定的方法，由實(shí)際要素提取有限數(shù)目的點(diǎn)所形成的實(shí)際要素的近似代替要素。為非理想要素。v 擬合要素associated feature按照規(guī)定的方法，對(duì)非理想的表面模型通過擬合操作建立起來的理想要素。擬合要素包

20、括擬合組成要素和擬合導(dǎo)出要素，為理想要素。v提取導(dǎo)出要素 圓柱面/圓錐面的提取中心線是圓柱面/圓錐面的各橫截面中心的軌跡，其中：橫截面的中心是擬合圓的圓心；橫截面垂直于由提取表面得到的擬合圓柱面（其半徑可能與公稱半徑不同）/擬合圓錐面（其角度可能與公稱角度不同）的軸線。 提取中心面是兩對(duì)應(yīng)提取表面的所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間中點(diǎn)的軌跡，其中：所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線均垂直于擬合中心平面；擬合中心平面是由兩對(duì)應(yīng)提取表面得到的兩擬合平行平面的中心平面（兩擬合平行平面之間的距離可能與公稱距離不同）。圖中標(biāo)號(hào)：1-提取表面；2-擬合圓柱面；3-擬合圓柱面軸線；4-提取中心線；5；擬合圓；6-擬合圓圓心；7-擬合圓柱面軸線

21、；8-擬合圓柱面；9-提取線。1239564擬合圓是最小二乘圓，擬合圓柱面是最小二乘圓柱面。三、GPS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的基本過程v3.1 規(guī)范過程 規(guī)范過程是一個(gè)設(shè)計(jì)過程，是對(duì)工件規(guī)定幾何規(guī)范的過程。在保證功能要求的前提下，規(guī)定工件幾何特征最大允許變動(dòng)量，規(guī)定允許的制造極限和質(zhì)量水平，規(guī)定完工工件的符合性要求。功能要求功能規(guī)范幾何規(guī)范v規(guī)范過程包括下列步驟： 分析和確定工件的幾何要素及其功能，明確規(guī)范反映的設(shè)計(jì)意圖； 構(gòu)建GPS規(guī)范，明確由哪些規(guī)范單元構(gòu)成； 定義GPS規(guī)范單元，確定每個(gè)單元包含的規(guī)范操作； 定義規(guī)范操作，按一定順序組織排列； 最終形成規(guī)范操作集，在一定范圍內(nèi)與要素及功能關(guān)聯(lián)，確定該規(guī)范限定的特征值。v3.2 驗(yàn)證過程 從閱讀設(shè)計(jì)給定的幾何規(guī)范入手，考慮非理