产品几何技术规范(GPS)讲义之一by侠之生

1、产品几何技术规范（GPS）国家标准应用第一章 GPS标准的发展和体系介绍v一、什么是GPS？v二、新的GPS标准构建的基本思想v三、GPS标准实施的基本过程v四、GPS标准的意义和作用v五、小结一、什么是GPS？v1.1 GPS的含义 GPS是产品几何技术规范（Geometrical Product Specification and Verification）的英文缩写和简称。新GPS标准是以新的理念和概念，面向产品开发全过程而构建的控制产品几何特性的一套完整标准，全面覆盖了从宏观到微观的产品几何特征的描述，全面规范了产品（工件）的尺寸、形状和位置及表面特征的控制要求和检测方法，成为工程领域

2、产品设计、制造和评定的最重要的基础标准之一。产品几何技术规范（GPS）尺寸公差几何公差表面结构公差尺寸距离半径形状方向粗糙度位置角度跳动波纹度原始轮廓表面缺陷vGPS标准体系构成v注意：在新的GPS体系中，“几何”的概念有广义和狭义之分。 广义几何包含了工件的尺寸、形状与位置以及表面结构等特征，因此标准的主标题通常为“产品几何技术规范（GPS）”； 在副标题中出现的“几何公差”一般特指形状、方向、位置和跳动公差，并不包含尺寸公差和表面粗糙度。v1.2 新的GPS产生的背景v传统的GPS标准存在体系结构缺陷：1）尺寸公差、形位公差和表面特征分别由原ISO的三个技术委员会负责，由于各自工作的独立性

3、，使得工作项目有重复和交叉、术语定义不够协调统一、规定和要求不完全一致，影响和制约标准的使用和实施。2）设计对功能要求的表达和优化、制造和检测对几何精度的控制和评定缺乏统一的规范，缺乏相互沟通的共同的技术语言。vISO于1993年成立了TC3、TC10和TC57三个技术委员会的“联合协调工作组”ISO TC 3-10-57/JHG。vJHG于1995年颁布了ISO/TR 14638产品几何技术规范（GPS）总体规划，正式提出新的GPS概念和标准体系模型。v1996年成立ISO/TC 213，全面负责产品几何技术规范（GPS）的国际标准体系的构建，这标志着GPS的发展进入一个新阶段。二、新GPS

4、标准构建的基本思想v2.1 基本思路v传统GPS是以几何学为基础建立起来的，设计的主要任务是根据功能需求从具有理想几何形状和方位的工件出发，规定工件实际几何要素的允许变动区域，即公差带。v如何保证和判定实际几何要素处于公差带内，则由制造和检测人员负责。v这一系列概念是有效的，但也有需要重新审视的地方。例如，要想符合设计意图和功能要求 设计上给定一个尺寸，是按两点法还是三点法来控制和检测？ 设计上规定了一个圆的允许变动区域，是按最小外接、最大内切、最小二乘还是最小条件来判断？v从“理想要素”到“实际要素”的转换和控制过程没有严格的定义和规范，在一定程度上，“理论”和“实践”有所脱节。v新的GPS

5、按系统工程和系统建模的思想，自顶向下构建了一系列信息模型： 理清了标准体系的层次关系，形成矩阵模型； 理清了标准之间的协调关系，形成标准链； 规范了工件几何定义的依据，定义了表面模型； 规范了工件几何精度的过程控制，定义了操作和操作集； 提出了产品研发全过程的不确定度概念，形成扩展的不确定度概念模型； 基于表面模型，全面规范了几何要素的术语定义。vGPS标准体系建模框图GPS标准体系建模GPS标准体系层次结构和矩阵模型指导GPS标准体系的构建GPS标准的系统综合模型指导标准和标准链的构建产品（工件）的表面模型操作的过程模型扩展的不确定度概念模型基于表面模型的术语定义规范产品（工件）的几何描述和

6、定义、检测及评定规范表面模型的操作和操作集确定从产品几何定义到检测的总不确定度框架及各种不确定度的关系规范几何要素GPS基础标准GPS综合标准GPS通用标准GPS通用标准链1.尺寸标准链 10.位置标准链2.距离标准链 11.圆跳动标准链3.半径标准链 12.全跳动标准链4.角度标准链 13.基准标准链5.与基准无关的线标准链 14.粗糙度轮廓标准链6.与基准有关的线标准链 15.波纹度轮廓标准链7.与基准无关的面标准链 16.原始轮廓标准链8.与基准有关的面标准链 17.表面缺陷标准链9.方向标准链 18.棱边标准链GPS补充标准GPS补充标准链A 特定加工公差标准（A1A7） B 机械零件

7、几何标准（B1B3）A1.机加件公差标准链 B1.螺纹标准链A2.铸件公差标准链 B2.齿轮标准链A3.焊接件公差标准链 B3.花键标准链A4.热切削件公差标准链A5.塑料模压件公差标准链A6.金属无机镀层公差标准链A7.涂覆公差标准链v2.2 GPS标准体系层次结构和矩阵模型vGPS基础标准（Fundamental GPS standards） 是在发展战略研究的基础上形成的顶层标准，是整个GPS标准体系构建和总体规划的依据，是制定其他三类标准的基础。目前，ISO发布了两份重要的基础GPS标准，即 ISO/TR 14638 GPS总体规划（指导体系构建） ISO 14659 GPS基本原则（

8、指导标准制定）vGPS综合标准（Global GPS standards） 是GPS标准体系中高层次的标准，主要规定各个标准共同遵守和使用的通用原则、基本概念和术语定义等，是制定通用GPS标准和补充GPS标准的基础和协调依据，具有广泛的通用性。目前ISO发布和确定的主要综合GPS标准有： ISO 174501、ISO 174502 ISO 14660 几何要素 ISO 14253 测量不确定度 VIM 国际通用计量学基本术语 GUM 测量不确定度表示指南vGPS通用标准矩阵（General GPS standards metrix）链环号123456要素几何特征/标准链图样标注公差定义实际要素

9、特征定义工件误差评定测量器具标定校准1尺寸2距离3半径4角度5与基准无关的线6与基准有关的线7与基准无关的面8与基准有关的面9方向10位置11圆跳动12全跳动13基准14粗糙度轮廓15波纹度轮廓16原始轮廓17表面缺陷18棱边尺寸特征形状或方位特征方位特征表面特征形状特征v矩阵中的“列”是根据产品几何定义和控制的全过程，将需要规范的重要活动和对象，划分为有序排列的6个链环： 链环1：产品图样表示； 链环2：公差定义； 链环3：实际要素特征或参数定义； 链环4：工件误差评定（与公差极限比较）； 链环5：测量器具； 链环6：测量器具标定和校准。vGPS补充标准（Complementary GPS

10、Standards） 是根据不同的工艺过程（如机加、铸造、焊接、热切削、塑料模压、涂镀等），以及典型零件要素（如螺纹、齿轮、花键等）的几何特征，对GPS标准矩阵提出的补充规则的规范。这类标准更具体、更有针对性，一般由ISO其他相应的TC制定。v2.3 GPS标准的系统综合模型系统综合模型的构建考虑了以下因素：v产品几何规范的建立贯穿产品几何特性控制的全过程，形成规范链（标准链）：v确定规范之间的关系，实现概念统一、要求协调、有机衔接。功能要求几何设计加工制造检验/验证功能规范几何规范实施规范验证规范v按对偶性原则建立一一对应的规范，保持规范体系的完整性和协调性。v以扩展的不确定度概念将所有规范

11、关联起来。规范操作和操作集符合性比较验证操作和操作集功能规范几何规范验证规范功能要求-几何设计-（制造加工）-检验/验证工件要素的操作及符合性比较GPS标准链GPS规范过程相关不确定度符合性不确定度GPS扩展不确定度v2.3.1 产品（工件）的表面模型v产品（工件）的表面模型是产品功能描述、几何设计、加工制造及检验/验证过程中建立的几何表达模型，是规范产品几何定义和实际工件检验/验证的基础，不包含材料、工艺等非几何信息。公称表面模型 规范表面模型 验证表面模型v公称表面模型（Nominal surface model）公称表面模型是设计上定义的具有完美大小和形状的表面模型，是一个理想模型。v规

12、范表面模型（Specification surface model）规范表面模型是设计上构想的非理想的表面模型，通过对该表面模型进行一系列操作，在满足功能要求的条件下确定其允许的最大偏离程度或允许的几何特征值。它是设计意图的真实表达，为功能仿真和设计优化提供了参考模型。v验证表面模型（Verification Surface Model）验证表面模型是对实际工件表面进行采样所测得的轮廓表面模型，是实际表面的替代模型，是一个非理想的表面模型。通过对验证表面模型进行一系列验证操作，可获得测量结果，与规范规定的特征值比较，完成符合性评定。v操作的规范化对表面模型操作的规范化是保持“功能要求规范设计检

13、验/验证”协调一致的重要前提。v公称设计：公称表面模型要素操作（理想要素，分离、组合、构建）评估公称要求v设计意图：非理想表面模型几何表达（一组无限个点）要素操作（理想或非理想要素，分离、提取、滤波、拟合、组合、构建）评估规定的特征值v实际工件：真实表面（实际存在的一组要素）要素操作（理想或非理想要素，实体分离、实体提取、滤波、拟合、组合、构建）评估测量结果符合性比较v2.3.2 操作和操作集vGPS标准将操作在概念上进行了系统的梳理和规范，提出了“操作”和“操作集”，规范了对表面模型及其要素的操作过程。操作和操作集实际上是一个过程控制模型。 要素操作 规范操作 验证操作 操作集（Operat

14、or）v要素操作1）分离（Partition）从理想或非理想的表面模型得到边界要素或要素的一部分，优先于其他操作。公称模型分离非理想模型分离2）提取（Extraction）从要素上获取有限点集。3）滤波（Filtration）区分粗糙度轮廓、波纹度轮廓、结构和形状轮廓。4）拟合（Association）将理想要素与非理想要素相贴合。5）组合（Collection）将某些要素合成，实现某种功能。6）构建（Construction）由其他要素构建理想要素。v规范操作（Specification Operation）v“规范”（Specification）指设计者根据工件的功能要求，借助非理想的规范

15、表面模型，给出要素的几何特征的允许变动范围（量）。GPS标准中将几何规范分为6种，即： 表面结构规范 要素尺寸规范 要素形状规范 要素方向规范 要素位置规范 综合误差规范v规范操作（Specification Operation）可理解为设计上依据规范表面模型，为获取反映工件功能要求的几何要素特征值而进行的一系列操作。简言之，它是设计上指定的确定几何要素允许变动量的操作，还包含了评定要素合格的方法。v操作可以用数学公式、几何表达式或数学算法等形式表达，例如图样上给定一根轴的直径规范为100.1，表示该轴的直径尺寸按两点法进行评定操作，可用千分表（尺）测量来体现。v规范操作包括： 缺省规范操作（

16、Default Specification Operation）：一般是最常用的规范操作，以便简化图样标注。 特定规范操作（Special Specification Operation）：用标准规定的修饰符号注明，如用注明包容要求。 实际规范操作（Actual Specification Operation ）：技术文件中针对工件几何特征规定的具体规范操作。v验证操作（Verification Operation）是与规定的规范操作相对应的操作，是判断实际工件符合性的一种测量操作，包括： 完整验证操作（Perfect Verification Operation）与设计规定的规范操作完全吻合

17、的检验/验证操作，不存在方法不确定度。 简化验证操作（Simplified Verification Operation）与设计规定的规范操作有偏离的检验/验证操作，包含由于偏离而导致的方法不确定度。 实际验证操作（ Actual Verification Operation）实际测量过程中采用的验证操作。v操作集（Operator）v操作集是一系列有序操作的集合。对于不同功能要求和不同几何要素，操作集中包含的操作数量和操作顺序可能有所不同。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，用来评估规范操作集或验证操作集与功能要求的吻合程度。 规范操作集：设计上规定的描述工件几何要

18、素特征的一系列有序规范操作的集合，用于确定集合要素允许的最大变动量。 验证操作集：工件实际测量过程中采用的一系列有序操作的集合，用于确定几何误差的大小。v2.3.3 不确定度（Uncertainty）vISO提出的GPS不确定度的概念模型：功能描述 几何设计 （生产加工） 检验/验证测量不确定度方法不确定度执行不确定度规范不确定度符合性不确定度相关不确定度 总不确定度 当规定的规范操作和操作集完全满足功能要求时，则相关不确定度为零，否则存在相关不确定度； 当规定的规范操作集不完整，缺失某些操作，操作说明不明确或操作顺序不当，则产生规范不确定度，它反映规范本身存在的不确定度； 当采用的实际验证操

19、作集与规定的规范操作集有偏离时，则产生方法不确定度； 在实际测量过程中，测量设备误差、人为因素等会产生执行不确定度。v2.3.4 几何要素定义v几何要素指构成零件几何形体的点、线或面，是产品几何定义和几何精度控制的对象。v几何要素有以下几种分类方法： 理想的几何要素和非理想的几何要素； 组成要素和导出要素； 公称要素和实际要素； 提取要素和拟合要素。v理想要素ideal feature由参数化方程定义的要素。设计上给定的具有完美形状和方位的几何要素，公称表面模型上的要素和拟合操作得到的要素为理想的几何要素。v 非理想要素non- ideal feature完全依赖于非理想表面模型的不完美的要素

20、。工件上实际存在的或为功能仿真设想的非完美工件上的几何要素，规范表面模型或验证表面模型上的要素为非理想的几何要素。v组成要素integral feature构成工件几何形体的要素。可以是理想的或非理想的几何要素，取决于工件表面模型的状态。以往被称作“轮廓要素”。v 导出要素derived feature由一个或几个组成要素得到的中心点、中心线或中心面。对组成要素进行一系列操作得到的要素，为工件实体外的要素，如中心点、中心线、中心面。以往被称作“中心要素”。v公称要素nominal feature不依赖于非理想表面模型的理想要素。设计上给定的构成公称表面模型的要素，可能是一个或一系列的点、线或面

21、。v 实际要素real feature实际工件上存在的、与周围介质形成物理界面的由无数个连续点构成的几何要素。为非理想要素。v提取要素exracted feature按照规定的方法，由实际要素提取有限数目的点所形成的实际要素的近似代替要素。为非理想要素。v 拟合要素associated feature按照规定的方法，对非理想的表面模型通过拟合操作建立起来的理想要素。拟合要素包括拟合组成要素和拟合导出要素，为理想要素。v提取导出要素 圆柱面/圆锥面的提取中心线是圆柱面/圆锥面的各横截面中心的轨迹，其中：横截面的中心是拟合圆的圆心；横截面垂直于由提取表面得到的拟合圆柱面（其半径可能与公称半径不同）

22、/拟合圆锥面（其角度可能与公称角度不同）的轴线。 提取中心面是两对应提取表面的所有对应点之间中点的轨迹，其中：所有对应点的连线均垂直于拟合中心平面；拟合中心平面是由两对应提取表面得到的两拟合平行平面的中心平面（两拟合平行平面之间的距离可能与公称距离不同）。图中标号：1-提取表面；2-拟合圆柱面；3-拟合圆柱面轴线；4-提取中心线；5；拟合圆；6-拟合圆圆心；7-拟合圆柱面轴线；8-拟合圆柱面；9-提取线。1239564拟合圆是最小二乘圆，拟合圆柱面是最小二乘圆柱面。三、GPS标准实施的基本过程v3.1 规范过程 规范过程是一个设计过程，是对工件规定几何规范的过程。在保证功能要求的前提下，规定工件几何特征最大允许变动量，规定允许的制造极限和质量水平，规定完工工件的符合性要求。功能要求功能规范几何规范v规范过程包括下列步骤： 分析和确定工件的几何要素及其功能，明确规范反映的设计意图； 构建GPS规范，明确由哪些规范单元构成； 定义GPS规范单元，确定每个单元包含的规范操作； 定义规范操作，按一定顺序组织排列； 最终形成规范操作集，在一定范围内与