（机械制造及其自动化专业论文）基于新一代gps的功能公差设计理论与方法研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 本文结合国家自然科学基金项目“基于新一代g p s 标准体系的计算机辅助功能公差 设计理论与方法( 5 0 7 7 5 2 0 4p 、“基于g p s 的三维公差建模方法与技术研究( 5 0 5 0 5 0 4 6 ) ”， 就公差建模与表示、功能公差方案规范设计、功能公差分析与综合以及面向可装配性的公 差分析等技术开展了研究，提出了“基于新一代g p s 的功能公差设计理论与方法的研究一 的博士论文。 第1 章：论述了新一代g p s 的制定和跟踪研究情况，综述了计算机辅助公差设计的 发展历史和研究现状，讨论了本课题的研究背景和意义；最后，给出了本论文的主要研究 内容，总体框架及创新点 第2 章：结合新一代g p s 标准，给出了产品几何的一些基本定义，分析了几何尺寸 与公差( g d & t ) 的信息构成、公差项目分类、公差原则等；应用与i s o t c 2 1 3 g p s 一致 的t t r s 、m g r e 、s d t 等研究了三维公差域参数化建模理论，并针对几种常见的恒定类 表面进行了实例研究。 第3 章：基于恒定类研究了装配体定位接点的分类及其优先次序的确定原则，对现有 装配有向图进行了改进，增加了装配定位约束的表达；研究了几何功能需求的表达与分解 方法，基于改进装配有向图研究了零件零件之间分界面的公差规范设计技术；给出了公 差域恒定度的定义和标识，研究了基于拓扑的基准参考框架的验证规则；提出了一种几何 功能需求几何规范的功能公差方案设计过程和方法；给出了一个简单装配体实例及其公 差方案设计结果。 第4 章：在公差建模的基础上，以齐次坐标变换来描述装配体中的几何变动传播，建 立了包含零件公差信息和装配间隙信息的装配公差分析矩阵模型，构建了公差回路的矩阵 表达式，用实例说明了面向功能性和可装配性的公差分析过程。 第5 章：提出了一种基于变动量s d t 表达的功能公差综合方案；在公差域一偏差域映 射的基础上，研究了公差成本模型到偏差成本模型的映射，给出了几何功能需求约束、 装配连接约束的s d t 表达；并用一个简单实例说明公差综合优化过程。 第6 章- 将c a d 模型中零件模型及其特征用点集形式表示；采用齐次坐标交换来描 述工艺系统各组成部分的空间关系，建立了工艺系统各组件的几何误差累积模型；将制造 过程看作是刀具轨迹形成的点集更新被加工零件点集的过程，可生成表达加工后零件的点 集矩阵；用实例进行了m o n t e c a r l o 仿真分析，从而在公差设计阶段就考虑了制造几何变 l l i 浙江大学博士学位论文摘要 动，实现公差并行设计。 第7 章：在理论研究的基础上，进行了计算机辅助功能公差设计( c a f t ) 原型系统 初步开发；给出了c a f t 原型系统各个模块的功能，结合实例分析了该原型系统的工作流 程。 第8 章：概括了全文的主要研究内容，并对计算机辅助公差设计研究进行了展望 关键词：计算机辅助公差设计，产品几何规范，功能公差，公差建模，公差表示，公差规 范，公差分析，公差综合 i v 塑垩奎堂堕圭竺篁丝窒 丝兰! 垦竺：l i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l - - _ _ _ - _ _ _ _ - i l _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一一 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n dp r o j e c t “r e s e a r c ho nt h e o r i e sa n d m e t h o d so fc o m p u t e ra i d e df u n c t i o n a lt o l e r a n c i n gb a s e do nn e wg e n e r a t i o ng p s ( n o 5 0 7 7 5 2 0 4 ) a n d “r e s e a r c ho n3 dt o l e r a n c em o d e l i n gb a s e do ng p s ( n o 5 0 5 0 5 0 4 6 ) ， t o l e r a n c em o d e l i n ga n dr e p r e s e n t a t i o n , f u n c t i o n a lt o l e r a n c es p e c i f i c a t i o n , f u n c t i o n a lt o l e r a n c e a n a l y s i sa n ds y n t h e s i s ，m a n u f a c t u r i n go r i e n t e dt o l e r a n c ea n a l y s i s ，e t c a r es t u d i e d i nc h a p t e r1 ，t h ee n a c t m e n ta n dt r a c k i n gs t u d yo fn e wg e n e r a t i o ng p s a r ee x p o u n d e d ，t h e s t a t e o f - t h e a r t so fc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ( c a t ) a r es u m m a r i z e da n dt h er e s e a r c h b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sp r o j e c ta r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h em a i nc o n t e n t s ，t h eo v e r a l l f l a m ea n di n n o v a t i o np o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r eg i v e n i nc h a p t e r2 ，s o m eb a s i cd e f i n i t i o n sc o n s i s t e n tw i t hn e wg e n e r a t i o ng p ss t a n d a r do f g e o m e t r i cp r o d u c ta l ep r e s e n t e d t h ei n f o r m a t i o nc o m p o s i n go fg e o m e t r i cd i m e n s i o n i n ga n d t o l e r a n c i n g ( g d & t ) ，t o l e r a n c et y p e ，t o l e r a n c ep r i n c i p l e ，e t ca r ea n a l y z e d t h et h e o r yo f3 d t o l e r a n c ep a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gi ss t u d i e db a s e do nt h ec o n c e p to ft t r s ，m g r ea n ds d t , e t c a n d ，c a s es t u d yo ft o l e r a n c em o d e l i n go fs e v e r a lf a m i l i a rf e a t u r e sb e l o n gt o s o m e i n v a r i a n c ec l a s sa r ed o n e i nc h a p t e r3 ，t h ec l a s s i f i c a t i o no fp o s i t i o n i n gj o i n t so fp a r ta s s e m b l i n gb a s e do l lt h e d e f i n i t i o no fi n v a r i a n c ec l a s sa n dt h ep r i n c i p l eo fa s c e r t a i n i n gi t sp r e p o n d e r a n c eo r d e ra r e s t u d i e d t h ea s s e m b l yo r i e n t e dg r a p h ( a o g ) w h i c hi sa l r e a d yi ne x i s t e n c eh a sb e e ni m p r o v e d a n dt h ee x p r e s s i o no fa s s e m b l yp o i s o n i n gc o n s t r a i n ti s a d d e di na o gt h em e t h o d so f r e p r e s e n t i n ga n dd e c o m p o s i n go ff u n c t i o n a lg e o m e t r i c a lr e q u i r e m e n ta r es t u d i e d t h e n , t h e t o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fi n t e r f a c eb e t w e e np a r t p a r tb a s e do nt h ei m p r o v e da o g i s s t u d i e d t h ed e f i n i t i o no fi n v a r i a n td o fa n dm a r ko ft o l e r a n c ez o n ea l eg i v e n g e n e r a lr u l e sf o r v a l i d a t i n gd a t u mr e f e r e n c ef r a m ea r es t u d i e d t h ef u n c t i o n a lt o l e r a n c i n gp r o c e s sa n d m e t h o do f g e o m e t r i c a l f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t - g e o m e t r i c a ls p e c i f i c a t i o n a r eg i v e n l a s t l y , as i m p l e a s s e m b l ye x a m p l ea n d f u n c t i o n a lt o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nr e s u l ta r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r4 ，b a s e do nt h et o l e r a n c em o d e l i n go ff e a t u r e ，t h ep r o p a g a t i o na n da c c u m u l a t i o n o fg e o m e t r i c a lv a r i a t i o ni na s s e m b l ya r ed e s c r i b e du s i n gh t m ( h o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o n m a t r i x ) ，a n dt h et o l e r a n c ea c c u m u l a t i o nm o d e li n c l u d i n gt o l e r a n c ei n f o r m a t i o no fp a r ta n dg a p v 浙江大学博士学位论文 i n f o r m a t i o no fp a r t p a r ta r ee s t a b l i s h e d t h e n , t o l e r a n c el o o pa n dm a t r i xe q u a t i o ni se s t a b l i s h e d s e v e r a le x a m p l e sa r eu s e dt oe x p l a i nt h et o l e r a n c ea n a l y s i sp r o c e s so r i e n t e dt oa s s e m b l y f e a s i b i l i t ya n df u n c t i o n a l i t y i nc h a p t e r5 ，at o l e r a n c es y n t h e s i ss c h e m ei sp u tf o r w a r d o nt h eb a s eo fm a p p i n go f t o l e r a n c ez o n et od e v i a t i o ns p a c e ，t h em a p p i n go fc o s t - t o l e r a c em o d e lt oc o s t - d e v i a t i o nm o d e li s s t u d i e d t h es m a l ld i s p l a c e m e n tt o r s o rr e p r e s e n t a t i o no fg e o m e t r i cr e q u i r e m e n tc o n s t a i n t s ， a s s e m b l yc o n n e c t i o nc o n s t a i n t sa r es t u d i e d ，a n das i m p l ee x a m p l ei su s e dt od e m o n s t r a t et h e t o l e r a n c es y n t h e s i sp r o c e s s i nc h a p t e r6 ，c a dm o d e lo fp a r ta n di t sf e a t u r ea r er e p r e s e n t e db yag r o u po fp o i n t s t h e s p a c er e l a t i o n so fe a c hc o m p o n e n t i n p r o c e s ss y s t e m a r ed e s c r i b e db yh o m o g e n e o u s t r a n s f o r m a t i o n ，a n dt h e ns t a c k - u pm o d e lo fg e o m e t r i ce r r o ro fp r o c e s ss y s t e mi se s t a b l i s h e d m a c h i n i n gp r o c e s sc a nb er e g a r d e da st h ep o i n t s g r o u po f t o o lp a t hu p d a t i n gt h ep o i n t s g r o u po f p a r t t h em a n u f a c t u r i n gg e o m e t r i c v a r i a t i o no ff e a t u r e s u r f a c eo fp a r ti sa n a l y z e db y m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n t h e r e b y , m a n u f a c t u r i n gg e o m e t r i cv a r i a t i o nc a nb ec o n s i d e r e di n t o l e r a n c ed e s i g ns t a g ea n dc o n c u r r e n tt o l e r a n c ed e s i g ni sa c t u a l i z e d i nc h a p t e r7 ，t h ep r o t o t y p es y s t e mf o rc o m p u t e ra i d e df u n c t i o n a lt o l e r a n c i n g ( c a f t ) i s p r e l i m i n a r yd e v e l o p e d t h e f u n c t i o no fe a c hm o d u l ea n dw o r k f l o wo fc a f ts y s t e ma r e a n a l y z e d i nc h a p t e r8 ，t h em a i nc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c hi ss u m m a r i z e d ，a n dt h ep r o s p e c t o fc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n gr e s e a r c hi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n g ，g e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n , f u n c t i o n a l t o l e r a n c i n g ，t o l e r a n c em o d e l i n g ，t o l e r a n c er e p r e s e n t a t i o n , t o l e r a n c es p e c i f i c a t i o n ，t o l e r a n c e a n a l y s i s ，t o l e r a n c es y n t h e s i s v i 浙江大学博士学位论文插图和附表 插图和附表 ( 1 ) 图1 1 新一代g p s 标准体系平台2 图1 2 论文总体框架1 3 图2 1 公差建模与表示在公差过程中的作用1 5 图2 2 表面模型1 5 图2 3 以圆柱要素为例的几何要素术语解释1 7 图2 4 几何要素之间的关系1 8 图2 5 方位特性及m g r e 18 图2 6t t r s 组合及m g r e 2 0 图2 7 产品几何递阶分解及各层维系的概念2 0 图2 8g d & t 信患组成21 图2 9 几何公差的分类2 3 图2 1 0 几何公差之间的精炼关系2 5 图2 n 本质偏差与方位偏差2 5 图2 1 2 坐标系的建立2 6 图2 1 3 变动域偏差域映射示意图2 8 图2 1 4 平面特征( 矩形状) 的尺寸公差2 9 图2 1 5 平面特征( 矩形) 的尺寸公差域一偏差空间上凸包一3 0 图2 1 6 八个平面围成凸包3 0 图2 1 7 平面特征( 圆形状) 的尺寸公差3 1 图2 1 8 平面特征( 圆形) 的尺寸公差域一偏差空间上凸包。3 l 图2 1 9 圆柱面的规范尺寸与位置度公差( m m r ) 3 2 图2 2 0r ( a ，z ) 图像的走势一3 3 图2 2 l 圆柱面的规范尺寸与位置度公差( r f s ) 3 4 图2 2 2 位置度公差域及绕x 坐标轴转动3 5 图2 2 3 绕y 坐标轴转动3 5 图2 2 4 曲面本质特征偏差示图3 6 图2 2 5 曲面上的点与参数域内的点的映射关系3 7 图2 2 6 曲面相对于参考坐标系的方位特征偏差3 7 图2 2 7 齿轮端截面渐开线和齿面3 8 图2 2 8 渐开线在活动坐标系下的螺旋运动3 9 图2 2 9 设计齿廓为修形渐开线3 9 图2 3 0 齿廓本质特征偏差4 0 图2 31 齿面在齿圈坐标系中方位关系4 0 图2 3 2 齿圈坐标系和内孔坐标系之间的方位关系4 1 图3 1 装配接点与分界面4 3 图3 2 常见装配定位接点4 4 x i 浙江大学博士学位论文 插图和附表 图3 3 平面平面孔轴装配定位接点优先顺序示图4 5 图3 4 紧固对装配定位接点优先序列的影响4 5 图3 5 紧固力对装配定位接点优先序列的影响。4 6 图3 6 装配体及其改进的装配有向图4 6 图3 7 几何功能需求的表达4 7 图3 8 几何功能需求( 距离) 的分解4 8 图3 9 改进a o g ( 局部) 及分界面两边零件的d r f 示图4 9 图3 1 0 装配定位接点界面处公差控制对象5 0 图3 1 1 公差规范项目符号的选取5 1 图3 1 2 分界面两边定位面公差规范结果5 1 图3 1 3 公差域的形状5 2 图3 1 4 公差域的定义5 2 图3 1 5 几种常见公差域的标识5 3 图3 1 6 基准参考系统( d r f ) 的验证算法5 5 图3 1 7 基于拓扑规则的基准参考框架验证( 实例1 ) 5 6 图3 1 8 基于拓扑规则的基准参考框架验证( 实例2 ) 5 6 图3 1 9 功能公差规范设计过程示图5 7 图3 2 0 块的形成5 8 图3 2 1 简单装配体及其改进装配有向图5 9 图3 2 2 功能公差规范设计方案6 0 图4 1 装配体几何构成示图6 1 图4 2 公差回路示图6 3 图4 3 统计公差分析示图6 4 图4 4 只有一个装配间隙的装配实例示图6 5 图4 5 平面恒定度及尺寸公差与几何公差并存6 6 图4 6 固定特征坐标系的建立及公差回路6 7 图4 7 装配累积末端两个特征的变动域示图6 9 图4 8 多个装配间隙的一维装配实例示图7 0 图4 9 尺寸与公差规范及公差回路7 l 图4 1 0 曲柄滑块机构。7 2 图4 1 1 各组成零件的尺寸与公差规范7 2 图4 1 2 = 0 0 时曲柄滑块机构的状态7 3 图4 1 3 几何关系传递示意图7 3 图4 1 4 公差分析结果对比7 7 图5 1 特征维系的s d t 及装配间隙所维系的s d t 7 9 图5 2 偏差成本关系图8 4 图5 3 局部坐标系向全局坐标系转换8 5 图5 4 装配连接回路的图解8 7 x i i 浙江大学博士学位论文插图和附表 图5 5 偏差综合中的输入输出关系8 9 图5 6 简单装配体及坐标系建立9 0 图5 7 装配有向图( a o g ) 9 0 图5 8 回路2 的示图9 2 图5 9 装配体零件名义尺寸及分析点。9 4 图5 1 0 公差仿真设计结果9 5 图6 1 零件特征的点集表示9 6 图6 2 刚体的空间方位变化9 7 图6 3 工艺系统各组件的空间关系示图9 8 图6 4 六点定位夹具坐标系变换1 0 0 图6 5 制造过程示意图10 1 图6 6 零件尺寸与公差规范10 2 图6 7 零件加工前形状及加工后形状1 0 2 图7 1 计算机辅助功能公差设计( c a f t ) 原型系统框架一1 0 7 图7 2 计算机辅助功能公差( c a f t ) 设计原型系统主界面一1 0 7 囹7 3 三维c a d 数据另存为s t e p 格式文件1 0 8 图7 4 输入几何存储在e x c e l 表单中10 9 图7 5c a f t 系统中几何重新定义1 0 9 图7 6c a f t 系统中的特征面拓扑性质自动识别1 1 0 图7 7 装配定位分界面的信息输入1 l1 图7 8 生成装配有向图1 ll 图7 9 规范链的生成112 图7 1 0 零件p 2 的c a d 模型的变动1 1 2 图7 1 1 特征面偏置1 1 3 图7 1 2 生成零件变动体1 1 3 图7 1 3 零件2 ( p 2 ) g d & t 标注1 1 5 浙江大学博士学位论文 插图和附表 ( 2 ) 表1 1 几类公差模型7 表1 2 几种公差分析累积模型8 表1 3 商业c a t 软件性能比较1 4 表2 1g p s 表面恒定类及恒定度1 7 表2 2t t r s 面组合形成新的恒定类1 9 表2 3i s o t c 2 1 3 通用g p s 标准2 3 表3 1 几种复杂几何功能需求分解示图4 8 表3 2 定位面的公差规范示例表5 0 表3 3 验证基准参考框架的拓扑规则5 4 表5 1 几种经典的公差成本模型( 函数) 8 1 表5 2 公差综合仿真结果9 4 表6 1 零件特征面的公差规范及仿真结果1 0 3 表7 1 零件p 2 的名义几何信患在e x c e l 中的描述1 0 9 表7 2 零件p 4 的公差规范1 1 4 表7 3 零件p 2 的公差规范1 1 4 表7 4 零件p1 的公差规范1l5 x 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：考硝渤扩签字日期： 。万年9 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝逛太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳季础 签字日期： g 年7 月 1 日 导师签名： 签字日期：月7日 |汾吖 拐凹 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 时光荏苒，四年多的学 - j 研究时光过去了，其中经历了太多的酸甜苦辣、困惑与艰辛， 当然更有黎明时乍现曙光，黑暗中燃起光明的喜悦和欣慰这种种苦乐酸甜，我想也只有 经历过同样历练、体会过做学问中“农带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”滋味的人才能共 慰。而在这四年多里，更是要感谢诸多良师益友的深切鼓励与关怀，因为正是在他们诚挚 的帮助下，我才得以不断获得力量与信心来完成这篇论文 首先，我要向我的博士生导师杨将新教授表示由衷地感谢，并致以崇高的敬意! 在 论文选题、开题、撰写、修改、定稿等环节中倾注了恩师大量的心血和汗水。导师以其渊 博的学识、严谨的治学态度、高度的责任心和对科技事业的奉献精神深深地感染着我! 记 得报考博士研究生时，杨老师就以其真诚、随和打动了我。我是一名刚处世的学生，有时 和杨老师无所顾忌的探讨问题、交流、甚至发生争论，而杨老师依然平等待我、关心我、 爱护我；杨老师这种真挚、宽容的人格魅力将带给我更为深远的影响，而这也许才是我一 生中最为珍贵和幸运的收获! 其次，衷心地感谢实验室的曹衍龙副研究员在我求学期间给予的指导和帮助，曹老师 的许多有益观点使我深深受益! 衷心地感谢德育导师杨世锡教授，感谢杨老师四年多来的 谆谆教诲、关心和爱护! 浙江大学现代制造工程研究所的吴昭同先生、余忠华教授等也给 予我很多帮助，在此向他们致以诚挚的谢意! 而后，感谢杭州电子科技大学的巢炎博士，中国计量学院的楼洪梁博士，同班的叶红 仙博士、茅健博士、曹冲锋博士生、郑华文博士生、何元峰博士生，周晓峰博士生、顾晓 军博士生，任达千博士以及实验室的张娇娜、万星新、陈晓和、黄芳、张欢欢、乔元劭、 邹旺，朱惊浪、曹乃亮、刘少玉等在学习和生活上对我的支持和帮助。大家不仅在学业上 相互帮助，而且在紧张学 - - j 之余一起度过了许多难忘时光! 此外，感谢在浙大期间的好友杨剑锋、马瑞永、董晓臣、石峰、陈荣升、邵新平等在 生活上的帮助。 最后，感谢我的父亲徐小海先生，父亲退休多年、已到古稀之年，仍非常关心我的学 业、期望我成材，父爱无边! 怀念我逝去的慈母蒋珍美女士，母亲在世时的嘱托时时激励 着我! 感谢我的爱人孙志英女士，没有她的理解、支持、期望和鼓励，我是很难完成博士 学业的! 感谢我的两位姐姐和两位姐夫在求学生涯中给予的支持与鼓励! 我愿与他们一起 分享成功的喜悦。 浙江大学博士学位论文致谢 除了以上提到的诸位，还离不开更多无法在此一一注明的良师益友的关心与指导，原 谅我无法把这些感激在此一一尽述，但相信每一点一滴都会留在我心间，转化成今后治学 路上的信心和力量，并希望于更远的未来幻化成点点烛光，照亮并利益更多的后来之入! 徐旭松 二零零八年七月于浙大求是园 本课题受国家自然科学基金资助! 基金编号( 5 0 7 7 5 2 0 4 和5 0 5 0 5 0 4 6 ) i i 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 计算机辅助公差设计( c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c m g ，c a t ) 是c a x 集成的重要一环， 是产品设计自动化技术的重要方面从广义的视角看，产品生命周期活动中与公差相关的 内容都属于c a t 的研究范畴，但从设计层面上看主要是研究如何利用计算机进行产品尺 寸与公差( g e o m e t r i cd i m e n s i o n i n g & t o l e r a n c i n g ，g d & t ) 规范设计的理论，并以该理论 为基础开发出c a t 软件，设计人员通过使用c a t 软件能方便地设计出理想的g d & t 规范， 提高设计效率，降低产品开发与制造成本。公差设计应从产品功能需求出发，在满足功能 需求的前提下，力争使得产品的总成本最小，这种从功能需求出发的计算机辅助公差设计 技术称为“功能公差设计( f u n c t i o n a lt o l e r a n c i n g ) ”。 在目前的三维c a d 软件系统中，名义几何信患能够得到很好的表达，而变动几何信 息( 公差信息) 却是以文本注解的形式存贮在计算机中，不能用于计算机辅助公差分析 与综合，这就阻碍了产品设计的自动化，成为c a d c a t 集成的瓶颈；而公差信息又是产 品制造必不可少的信患，它不仅影响产品的性能和质量，而且设计公差的微小变化都会引 起制造、装配、检测工艺较大的变动，导致产品成本的增加。因而，计算机辅助公差设计 的研究是非常重要和必要的，它已经越来越引起世界各国的重视，值得深入研究。 1 2i s o t c 2 1 3 新一代g p s 标准体系 1 2 1 新一代g p s 的提出 随着信息技术和网络技术的发展，传统的、仅适于手工设计环境的i s o 公差标准系已 经不能适应现代产品设计、制造、检测等要求。尤其在c a d c a m 技术已高度实用化的今 天，它已成为制约c a x 技术继续深入发展的瓶颈，是先进制造技术发展中急需解决的问 题。为此，1 9 9 6 年6 月国际标准化组织( i s o ) 决定将原来独立的i s o t c 3 ( 极限与配合， 尺寸公差及相关检测) 、t c l 0 s c 5 ( 几何公差与相关检测) 和t c 5 7 ( 表面纹理与相关检测) 三个技术委员会合并，成立了新的技术委员会i s o t c2 1 3 ，着手全面地修订i s o 公差体 系，研究和建立新一代产品几何规范与认证( g e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o na n d v e r i f i c a t i o n ，g p s ) 标准体系【m 1 新一代g p s 是一套有关产品几何量参数的技术标准体系，它贯穿一切几何产品( 有 尺寸大小和形状的所有产品，包括高新技术产品、航空航天产品、检测仪器、机电产品、 生物工程产品等) ，是从研究、设计、开发、制造、验收、使用等全过程的纽带，也是工 1 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 程领域必须依据的规范。新一代g p s 以计量数学作为基础语言结构，给出产品功能、技 术规范、制造和计量之间量值传递的数学方法为产品设计、制造及计量测试人员提供了 一套共同语言，建立了一个交流平台，如图1 1 所 4 5 1 图1 1 新一代g p s 标准体系平台f 5 1 新一代g p s 是信息时代将几何产品技术规范与计量认证融为一体的新型国际标准， 标志着标准与计量进入了一个全新的时代【5 】与传统的几何量标准体系相比，新一代g p s 标准体系取得了“质”的突破，其特点为：理论描述性强、系统完整、操作性好、便于 c a x 的信息集成；以计量数学为基础，应用物理学中的物象对应原理，利用扩展后的“不 确定度”的量化特性和经济杠杆作用，将产品的功能、规范与测量认证集成一体，统筹优 化过程资源的配置；随着新一代g p s 的应用，可减少1 0 的设计中几何规范的修订成本， 节约2 0 的制造过程中材料的浪费，节约2 0 检测过程中仪器、测量与评估的成本，缩 短3 0 产品开发的周期f 1 1 。 1 2 2 新一代g p s 的国外研究现状【6 】 根据i s o t r1 4 6 3 8 提出g p s 的总体规划，新一代g p s 标准包括综合、基础、通用和 补充g p s 标准，由大约1 0 0 多个i s o 、i s o t r 及i s o t s 标准文件组成，这些标准文件将 构成新一代g p s 标准体系【1 1 。目前，i s o t c 2 1 3 的许多成员国都在积极参与这些标准的研 究和制订川，特别致力于新的基础理论研究，以建立新一代g p s 标准与计量的数值理论基 础、测量技术及智能数据库及应用软件平刨8 。1 4 1 。 英国在积极参与新一代g p s 标准体系研究的基础上，正有计划、有步骤地陆续将新 一代g p s 标准转化为国家标准，于2 0 0 0 年颁布了b s8 8 8 8 ：2 0 0 0 ，2 0 0 1 年颁布了p d8 8 8 8 ： 2 0 0 1 ，2 0 0 2 年颁布了b s8 8 8 8 ：2 0 0 2 ，英国国家标准的研究与制定工作基本上保持了与i s o 标准的同步进程1 5 ，1 6 1 2 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 德国国家物理研究院( p t b ) 在德国科学基金会以及汽车工业财团的资助下，通过对 精密工程表面统计分析理论的研究，提出了工程b e a t o n 分布的理论和b 样条模式的滤波 理论。在德国a b wg m b h 和f r i c k e n h a n s e n 等公司的联合资助下，德国s t u t t g a r t 大学进行 了基于三维计量的c a q c a d 集成技术的研究该集成系统把被测对象( 如快速成型零件 等) 的测量结果直接与其c a d 模型进行对比分析，从而分离和提取加工工具及零件的实 际偏差等信息【1 7 ，嘲 在美国联邦科学基金资助下，美国机械工程师学会、国家标准计量研究院( n i s t ) 在 计算机处理的公差信息化表