GBT 40810.2-2021 产品几何技术规范（GPS） 生产过程在线测量 第2部分：几何特征（形位）的在线检测与验证

产品几何技术规范(GPS)生产过程在线测量第2部分：几何特征(形位)的在线检测与验证IGB/T40810.2—2021前言 2规范性引用文件 13术语和定义 4一般规定 25在线形位特征的检验操作 26形位特征的统计受控判断 4附录A(资料性)在线形位误差提取操作方案 5附录B(资料性)在线形位误差拟合操作的最小二乘模型 8附录C(资料性)磨削加工在线圆度误差测量系统及检验操作示例 附录D(资料性)与GPS矩阵模型的关系 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T40810《产品几何技术规范(GPS)生产过程在线测量》的第2部分。GB/T40810已经发布了以下部分：——第1部分：几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证；——第2部分：几何特征(形位)的在线检测与验证。本文件由全国产品几何技术规范标准化技术委员会(SAC/TC240)提出并归口。本文件起草单位：中机生产力促进中心、陕西威尔机电科技有限公司、郑州恩普特科技股份有限公司、山东道先为智能科技有限公司、哈尔滨工业大学、郑州大学、中机研标准技术研究院(北京)有限公司。针对生产过程中产品的尺寸、形状、方向、位置等几何精度的数字化测控方法不完善、几何精度的数字化检验方法和测量不确定度评估方法缺失、过程质量精度测控手段被动落后等关键问题，重点研究产品几何精度的数字化测量理论、方法和技术，构建符合新一代GPS的几何精度检验操作规范体系和控制策略。GB/T40810是基于新一代GPS产品几何规范体系，运用数字化在线测量技术、统计学习及分析理论、先进制造技术、系统集成及管理技术等，通过理论分析、模型映射和仿真模拟/实验验证等手段开展制定的生产过程在线测量推荐性国家标准。重点解决在线几何特征检验标准规范的系统性、完整性、统一性问题，为有效解决生产过程中几何特征检测与控制的数字化、自动化和智能化问题奠定了必要的技术基础。GB/T40810主要用于规范生产过程中几何特征的检测与验证策略及方法，并给出生产过程中(在线/离线)产品质量精度测量的数字化操作方法与检测规范。为了方便读者使用，将标准分为两个部分进行编写，两部分内容相互关联又各自独立，共同构成了几何特征的在线检测与验证规范的内容GB/T40810由两部分构成。——第1部分：几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证。规定了生产过程中几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证规范。描述了基于GPS的在线要素提取、滤波(表面误差分离)、拟合、评估、合格性判断以及缺省操作规范的方法。 第2部分：几何特征(形位)的在线检测与验证。规定了生产过程中几何特征(形状和位置)的在线检测与验证要求。描述了形位特征在线检验操作及合格性评定规则。1产品几何技术规范(GPS)生产过程在线测量第2部分：几何特征(形位)的在线检测与验证本文件规定了生产过程中形状和位置(以下简称形位)特征的在线检测与验证(以下简称检验)要求，描述了形位特征在线检验的检验操作及合格性评定规则。本文件适用于生产过程中形位特征的在线检测与验证。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T1182产品几何技术规范(GPS)几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注GB/T1958产品几何技术规范(GPS)几何公差检测与验证GB/T17851产品几何技术规范(GPS)几何公差基准和基准体系GB/T18779.1产品几何量技术规范(GPS)工件与测量设备的测量检验第1部分：按规范检验合格或不合格的判定规则GB/T18779.2产品几何量技术规范(GPS)工件与测量设备的测量检验第2部分：测量设备校准和产品检验中GPS测量的不确定度评定指南GB/T18779.3产品几何技术规范(GPS)工件与测量设备的测量检验第3部分：关于对测量不确定度的表述达成共识的指南3术语和定义界定的以及GB/T1182、GB/T1958、GB/T17851、GB/T18779.1、GB/T18779.2、GB/T18779.3界定的以及下列术语和定义适用于本文件。在线形位误差测量onlineformandpositionmeasurement生产过程中进行形位特征的测量。检验操作verificationoperation实际规范操作所规定的测量过程或测量设备或两者结合的实施过程的操作。检验操作集verificationoperator一组有序的检验操作。注1:检验操作集是测量程序的基础。2注2:GB/T24637.2中还规定了理想检验操作集、简化检验操作集和实际检验操作集。评估evaluation用于确定某一特征值或其公称值和其极限值的操作。4一般规定4.1形位特征主要包括形状误差、方向误差和位置误差。在线形位误差的检测与验证过程主要包括：——根据技术文件确认形位公差规范；——制定并实施在线检测与验证规范或检验操作集；——在线评估测量不确定度；——在线测量结果合格性评定。4.2在线测量方法包括接触式和非接触式。接触式可以采用触针式传感器等，非接触式可采用光电式4.3在线测量系统与加工系统构成闭环，工件加工过程中将测得的形位特征信息反馈给加工系统实现加工自动化。某一工序完成后，对工件实施在线测量，并根据获取的形位特征评价工艺能力，从而修正加工过程。注：在线形位误差测量系统是指由测量装置、驱动器及控制器(或计算机处理系统)等构成的形位误差实时测量系统。4.4测量条件应在检测与验证规范中规定。实际操作中，所有偏离规定条件并可能影响测量结果的因素均应在测量不确定度评估时考虑。4.5在线测量的条件主要包括：——选择接触式传感器应考虑：测头的灵敏度及精度指标、测头的结构、探针形状及长度等；选择非接触式传感器应考虑：传感器结构、精度指标等。——测量力的条件为：对于非接触式测量不考虑该因素；对于接触式测量，测量力的实际值应在设计值的允许变化范围以内，例如，内、外圆磨削加工中，推荐的测量力设计值为0.7N～2.5N,测量力的实际值应在设计值的±15%范围以内。——当温度在某一范围内变化时，测量值的变化量不应大于其允许值。示例见GB/T40810.1—2021的附录A。——测量过程中考虑其他因素对信号示值和零位的影响，例如，电压波动(接触式)、图像处理过程(非接触式)等。在线形位误差检验前应进行系统校准。——在线形位误差检验时，除非另有规定，表面粗糙度、划痕、擦伤、塌边等外观缺陷的影响应排除在外。4.6在线形位误差测量的方法及操作步骤应依据检验操作集。在线形位误差检验操作集包括提取操4.7在线形位特征测量中，若有测量不确定度评估要求，按照GB/T1958描述的评估方法进行。5在线形位特征的检验操作5.1在线形位特征的提取操作形位特征的在线提取应确定测量点的布置、数目和测量方法，提取策略应根据零件的几何特征、功能要求、材料和加工工艺等因素确定。图1给出了采用接触式测量被测要素的在线提取示意图。推荐3的形位误差提取策略见附录A。a)平面提取b)截面圆提取图1形位误差在线提取示意图注1:考虑到在线测量的实时性和快速性，诸如圆度、平面度、圆柱度、平行度、垂直度、同轴度等形位误差的检测可以通过对相应的面、圆、圆柱的测量并进行计算得到。注2:位置误差检测时基准的体现见GB/T1958-2017附录B。5.2在线形位特征的滤波操作滤波操作不是一个必选的要素操作，目前国家相关标准尚未规定缺省的滤波器及其参数，因此，如果图样或其他技术文件中没有明确给出滤波器及其参数，则不要求滤波操作；如果图样上或其他技术文件中给出了滤波器规范，那么按照规范规定的滤波器类型和滤波器指数进行滤波操作。注1:接触式测量中的探针球型针尖、激光测量中的光斑等，具有形态滤波器的作用。注2:滤波器传输率大于规定比率的正弦轮廓的波带宽，它由上下两端截止波长值定义，通常规定比率为50%。注3:为了提高测量系统的抗干扰性能，在设计软件时采用数字滤波技术(如高斯滤波器)进行采样数据预处理。5.3在线形位特征的拟合操作5.3.1在线拟合方法形位误差是被测要素的提取要素对其理想要素的变动量。理想要素的形状由理论正确尺寸或/和参数化方程定义，理想要素的位置由对被测要素的提取要素进行拟合得到。拟合的方法有最小区域法C(切比雪夫法)、最小二乘法G、最小外接法N和最大内切法X等。a)对获得理想要素位置的拟合操作缺省：如果工程图样上无相应的符号专门规定，加工中在线获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小二乘法；加工后获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小区域法。b)对获得被测要素过程中的拟合操作缺省：如图样上无相应的符号专门规定，拟合方法一般缺省为最小二乘法。c)对基准要素的拟合操作缺省：除非图样上有专门规定，拟合方法一般缺省为实体外约束的最小5.3.2最小二乘拟合数学模型最小二乘拟合法的数学模型见附录B。5.4在线形位特征的评估操作通过在线评估操作获得形位特征值。形位误差值是用切比雪夫法确定位置的理想要素包容被测要素的提取要素时，具有的最小包容区域的宽度值或直径值。方向/位置误差值用定向/定位最小包容区域的宽度值和直径值表示。45.5合格评定按测量任务和相应的规范要求进行在线形位特征的合格性评定，是将测量结果与该过程形位特征规范进行符合性比较判定。附录C给出了在线圆度误差的检验示例。6形位特征的统计受控判断采用过程控制工具对生产过程中的形位特征进行统计分析，如绘制分析用控制图等，从而对形位特征进行统计受控状态判断，并对生产过程进行分析评价。注：统计受控状态是指当过程仅受随机因素影响时，过程处于统计控制状态。5(资料性)在线形位误差提取操作方案A.1栅格提取方案栅格提取方案是指在分离获得的提取区域内，由在多个方向上分别平行且等距分布的轮廓所构成的提取方案。轮廓相交形成的是封闭栅格，提取时，顺序在栅格的角点处进行提取。根据栅格形状的不同将栅格提取方案划分为矩形、鸟笼、极坐标、三角形栅格和米字形栅格等。表A.1给出了栅格提取方案的示例。表A.1栅格提取方案的示例类型示例说明特征矩形栅格用于矩形平面的情况可评定双向或多向谐波成分，谐波评定能力强，多用于需要获取整个表面信息的场合鸟笼用于圆柱面的情况极坐标栅格用于圆形平面的情况三角形栅格用于矩形平面的情况米字形栅格用于矩形平面的情况A.2分层提取方案分层提取方案是指在分离获得的提取区域内，由沿单一指定方向等间距分布的轮廓组成的提取方案。它形成的是一系列如层状的平行轮廓，通常在平行轮廓上等长度或角度间距地进行提取。分层提取方案根据轮廓形状和适用的表面类型的不同可分为圆周线、平行线、母线提取方案，如表A.2所示。6表A.2分层提取方案的示例类型示例说明特征圆周线用于圆柱面的情况仅能评定单向谐波成分，多用于只需获取表面局部信息的场合平行线用于矩形平面的情况母线用于圆柱面的情况A.3特殊曲线提取方案特殊曲线提取方案是指在分离获得的提取区域内，由单一特殊曲线(如螺旋线、渐开线等)或特殊曲线与直线轮廓共同组成的提取方案，通常沿特殊曲线等角度或等长度距离或在特殊曲线与直线的相交处进行提取。其常见类型如表A.3所示。表A.3特殊曲线提取方案的示例类型示例说明特征螺旋线用于圆柱面的情况不论提取路径单一与否，均能获得多个方向的谐波成分，多用于获取特殊表面信息的场合渐开线用于圆形端面的情况蜘蛛网用于圆形端面的情况A.4布点提取方案布点提取方案是指在分离获得的提取区域内，由在非理想表面模型上以随机方式或布点方式得到的一组点组成的提取方案，典型的有用于平面的和用于圆柱面的布点提取方案，如图A.1所示。这种方案提取点的密度比上面列出的3种方案明显要少，这限制了对要素轮廓谐波成分的评定能力，提取点7过少，对于后续操作滤波也会有相应的影响，因此，除非只是对几何参数近似估计，一般不宜使用这种方案。a)用于平面b)用于圆柱面图A.1布点提取方案的典型示例8GB/T40810.2—2021(资料性)在线形位误差拟合操作的最小二乘模型最小二乘拟合的基本思想是使残差的平方和为最小。假设理想要素与其等距图形的距离为δ。,则残差可表示为：e;=△;-δ。i=1,2,…,m。典型形位误差的最小二乘模型见表B.1。表B.1典型形位误差的最小二乘模型误差项目数学模型素线直线度残差表达式：e;=ô;-δ₀-yX;δ;是实测误差值，X;是测点坐标值，γ是绕Z轴的回转角，m为测点总数空间直线度残差表达式：ek=δ;cos(φ;-;)-δ₀+aZ;sinp,-βZ;cosφ一xcosφ;—ysinp,i=1,2,…,mj=1,2,…,P(δ;,ψ;)为实际测量误差的极坐标，φ;为等距线性化所引入2π;ek中的K为统一序号，K=(i-1)×P+j,P为φ;的分点数，m为测点总数圆度残差表达式：e=δ;-δ,+xcosp;+ysinp,(δ;,φ;)为实测误差的极坐标，(x,y)为拟合圆的圆心坐标值，m为测点总数平面度残差表达式：e;=δ;-δ。-aY;+βX;δ,为实测误差值，(X;,Y;)为测量点的直角坐标值，α、β分别为拟合平面绕坐标轴X、Y的旋转角，m为测点总数圆柱度残差表达式：e=δ;-δ,-aZsinp;+βZ;cosp;+xcosp;+ysinp(δ;,φ;)为实测误差的极坐标；Z;为测量点的Z坐标值，(x,y)为拟合圆柱中心线与XOY坐标平面的交点坐标值，坐标轴X、Y的旋转角，m为测点总数9误差项目数学模型面对线的平行度残差表达式：e;=δ;-δ₀+βX;δ;为实测误差值，(X;,Y)为测量点的直角坐标值，β为转角(资料性)磨削加工在线圆度误差测量系统及检验操作示例磨削加工在线圆度误差测量系统主要由信号测量单元、信号处理单元和控制单元等构成。信号测量单元包括测头、测量装置本体和测头进退油缸，信号处理单元和控制单元功能由主动测量控制器实现，如图C.1所示。测量装置采用单臂式电感式位移传感器，驱动装置驱动测头进入或退出测量工位，通过对前后微调机构的调整，可以使测头对准工件中心或合适位置。测量系统在加工过程中直接实时测量工件的圆度误差，测量系统将工件半径变化量传递给控制器，再由控制器进行圆度误差计算，并将结果反馈给数控磨床控制系统。数控磨床控制系统数控磨床控制系统测量装置本体工件测头测头进退油缸砂轮架控制器C.2在线圆度误差检验操作示例C.2.1概述本示例为外圆磨削加工光磨阶段工件圆度误差的在线检测与验证。C.2.2预备工作明确当前工件转速及测量装置的采样频率。根据磨削加工信号点，当控制器判断进入光磨阶段时，开始进行工件圆度误差测量。C.2.3被测要素检测与评估被测要素检测与评估包括：a)分离：根据图样规范要求，确定被测工件表面及测量界限。b)提取：根据图样规范要求，考虑工件的功能特征、结构特征及加工工艺等确定提取方案，采用测头沿被测件横截面圆周进行测量，并根据工件转速及采样频率值，由测量数据提取得到截面圆。c)滤波：根据图样规范要求，采用相应滤波器对提取截面圆进行滤波，获得滤波截面圆轮廓。若图样没有滤波要求，该操作可省略。d)拟合：根据图样规范要求，缺省情况下，采用最小二乘法对滤波后的提取截面圆进行拟合，获得提取截面圆的拟合导出要素(圆心)。e)评估：被测截面圆的圆度误差值为提取截面圆上的点到拟合导出要素(圆心)之间的最大、最小距离值之差。重复上述操作，取其中的最大误差值为圆度误差值。