12第十二章GPS标准与计量体系

第十二章新一代产品几何量技术规范(GPS)体系第一节概述一、GPS的含义与范围产品几何量技术规范(GeometricalProductSpecifications简称GPS)是一套关于产品几何参数的完整技术标准体系，它包括极限与配合、形状与位置公差、表面特征等技术规范以及相关的检验评定原则及测量器具的计量特征和校准规范、几何特征的基本表达和图样标注规范、不确定度的评定与管理规范等。GPS系列标准贯穿于机械产品的研究、开发、设计、制造、验收、使用以及维修的全过程，其应用涉及国民经济的很多方面。ISO/TC213的GPS系列标准是国际标准中影响极大的重要基础标准之一，是国际上许多国家制定本国机电产品几何量技术规范的重要依据，它为机电产品在国际市场竞争提供了可靠的交流与评判工具。GPS的内容范围如图12-1所示。图12-1GPS的范围二、GPS标准体系的发展现代GPS是伴随着科技进步和国际贸易的发展而发展起来的。1926年成立的国际标准化协会(InternationalFederationoftheStandardizationAssociations，简称ISA)，在总结当时先进工业国的公差制的基础上，于1935年公布了国际公差制ISA（草案）。到二十世纪五十年代，ISA制已成为应用很广的国际公差制。1947年国际标准化组织重建，改名为国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization简称ISO），在继承和发展ISA公差制原则的基础上，从1962年起，陆续颁布了ISO的公差制标准，并成为世界各国修订本国公差制标准的重要依据。在二十世纪九十年代以前，尺寸公差、形状与位置公差和表面特征等几何量技术规范分别由ISO/TC3（极限与配合、尺寸公差及相关检测）、ISO/TC10/SC5(几何公差与相关检测)、ISO/TC57(表面纹理与相关检测)三个技术委员会负责。这三个技术委员会形成了相对独立的标准体系，使得各类标准之间出现了矛盾和不协调的问题，并且当时的标准注重手工设计环境，不便于计算机的表达、处理和信息传递，制约了先进设计方法和CAD/CAM等制造技术的深入发展。1993年以ISO/TC3为主组成了三个委员会的联合协调工作组。1995年，ISO/TC3颁布了ISO/TR14638“GPS总体规划（Masterplan)”，正式提出了GPS的概念和标准体系的矩阵模型。随着科学技术的发展，先进设计和制造技术的应用以及坐标测量技术的采用，以几何学理论为基础的第一代GPS因未能将功能描述、规范设计和测量统一而带来的矛盾日渐突出，传统的精度设计和控制方法制约了现代设计和制造技术的应用。在ISO/TC213成员国的共同努力下，逐步形成了新一代GPS语言。新一代GPS语言以计量数学为基础，应用物理学中的物象对应原理，利用不确定度的传递关系，将产品的功能，规范与检验集成一体，统筹优化过程资源的配置。新一代GPS标准体系着重于提供一个适宜于CAX集成环境的、更加清晰明确、系统规范的几何公差定义和数字化设计、计量规范体系，来满足几何产品的功能要求。新一代GPS标准体系与现代设计和制造技术相结合，对传统的公差体系和控制理论是一次大的变革。目前，ISO/TC213正在致力于发展和充实新一代GPS的标准体系，有几十项新标准即将颁布，还有近百项标准课题正在研究中。我国的GPS标准伴随ISO标准的进程，也在研究和制定的过程中，并且颁布了一批新的GPS标准。第二节新一代GPS体系一、新一代GPS的结构新一代GPS体系的总体结构（GPSmasterplan）如图12-2所示。它由基础的GPS标准、综合的GPS标准、通用的GPS标准和补充的GPS标准组成。它包含了GPS的应用范围，以及它所涉及的标准与计量中的技术问题。（一）基础的GPS标准（FundamentalGPSstandards）基础的GPS标准是确定尺寸和公差的基本原则，是建立GPS基本结构和关系的总体规划大纲。在GPS的体系中，基础的GPS的标准覆盖其他三类标准。（二）综合的GPS标准(GlobalGPSstandards)综合的GPS标准主要是规范GPS的共性问题，描述新一代GPS标准的数学模型和全新模式。综合的GPS标准影响几个或全部通用的GPS标准和补充的GPS标准，主要包括通用原则和定义标准，如测量的基准温度、几何特征、尺寸、公差、通用计量学名词术语与定义、测量不确定度的评估等。（三）通用的GPS标准（GeneralGPSstandards）通用的GPS标准是GPS标准体系的主体部分，包括确立不同几何特征从图样标注、参数定义、检验原则到仪器校准的一整套标准链。通用的GPS标准构成了GPS矩阵，其中矩阵行是几何要素的分类，矩阵列是相应要求的规范（标准）。在GPS矩阵中有18种几何要素，每一种几何要素对应一个标准链，标准链由6环组成，每个环中至少包含一个标准，给出了产品从功能要求、规范设计到认证（检验）整个系统过程的规范，它们之间相互关联，并影响其他环的标准。（四）补充的GPS标准补充的GPS标准是对通用的GPS标准在要素特定范畴的补充规定，这些规定与制造工艺和要素本身的类型有关。它包含要素特定范畴的图样标注、定义以及检验原则等。这些标准中，部分是特定加工方法的标准，如切削加工、铸、焊等；部分是典型零部件的标准，如螺纹、齿轮、滚动轴承等。新一代GPS标准体系具有“清晰明确性、系统全面性、相对独立性和互补性、简化缺省和经济性”的特点，实现了功能、设计、检验之间的联系和全范围的规范化，因而成为提高产品开发和制造效率的有效工具。图12-2GPS的总体结构二、新一代GPS的基础理论新一代GPS以计量数学为基础，通过对几何要素的定义和建立参数化的几何模型和规范设计，统一了GPS的数学模型和规范数学符号，并且提出了操作和操作算子以及表面模型的概念，实现了几何要素从定义、描述、规范到认证（检验）过程中数字化控制功能的飞跃，比较有效地解决了产品在功能描述、规范设计、认证（检验）过程中数学表达规范的难题。新一代GPS通过表面模型建立了设计与认证（检验）的物象对应系统，并通过不确定度的传递把标准和计量联系起来，解决了由于测量方法不统一而对评估结果产生歧义的问题。（一）表面模型(surfacemodel)表面模型是指设计者想象中的工件和它的外部环境物理分界面的几何模型。新一代GPS通过表面模型对几何要素进行分类和定义。公称表面模型（nominalsurfacemodel）：是由设计者所定义的具有完美形状的表面模型，它是一个理想表面模型，如图12-3a所示。规范表面模型（specificationsurfacemodel）：是想象的规范表达和认识的非完美形状的表面模型，也称为肤面模型（skinmodel或称模拟真实表面模型），它是根据功能要求仿真模拟而得，是由无限仿真点集而成，如图12-3b所示。规范表面模型是非理想的连续表面模型，是理想表面模型和零件真实表面之间的桥梁，通过对该模型的操作，以获得特征规范值（或公差值）。认证（检验）表面模型（verificationsurfacemodel）：利用测量仪器对实际工件表面进行采样所得到的有限测量点构成的轮廓表面模型，如图12-3c所示。认证（检验）表面模型也称离散表面模型，是非理想表面模型，对该模型的操作目的是通过认证（检验）获得特征值（或实际偏差值）。图12-3表面模型（二）要素要素是指几何要素，即指构成物体几何形状特征的点、线、面。几何要素分为理想要素和非理想要素两类。理想要素是用参数方程所定义的要素，非理想要素来自非理想表面，它可以是非理想表面、非理想表面的一部分或非理想表面的导出要素。新一代GPS根据表面模型对几何要素进行了定义，提供了完整的数学处理方法。根据要素的特点和作用，要素可分类和定义为：1.组成要素它可能是一个或一系列的表面、线或点。组成要素可以是理想要素或非理想要素。组成要素可进一步分为：公称组成要素：由技术制图或其他方法确定的理论正确组成要素，是公称表面模型的一部分，可能是一个或一系列的表面、线或点。实际（组成）要素：由接近实际（组成）要素所限定的工件实际表面的组成要素部分。工件实际表面是指实际存在并将整个工件与周围介质分隔的一组要素。提取组成要素（extractedintegralfeature）：按规定方法，由实际组成要素提取有限数目的点所形成的实际组成要素的近似替代要素。拟合组成要素：按规定的方法由提取组成要素形成的并具有理想形状的组成要素。公称组成要素和拟合组成要素是理想要素，实际（组成）要素和提取组成要素是非理想要素。2.导出要素由一个或几个组成要素得到的中心点、中心线或中心面。例如：球心是由球面得到的导出要素，该球面是组成要素；圆柱的中心线是由圆柱面得到的导出要素，该圆柱面是组成要素。导出要素可进一步分为：公称导出要素：由一个或几个公称组成要素导出的中心点、中心线或中心面。提取导出要素：由一个或几个提取组成要素得到的中心点、中心线或中心面。提取圆柱面的导出中心线简称为提取中心线，两相对提取平面的导出中心面简称为提取中心面。拟合导出要素：由一个或几个拟合组成要素导出的中心点、轴线或中心面。公称导出要素和拟合导出要素是理想要素，提取导出要素是非理想要素。没有实际导出要素。图12-4是几何要素定义间相互关系的框架图。图12-4几何要素定义间相互关系的结构框图导出要素和组成要素相对应，组成要素是工件的轮廓要素，相应的的导出要素则是其中心要素。图12-5以圆柱为例解释了几何要素定义之间的相互关系。图样上的圆柱是理想要素，圆柱面A是公称组成要素，轴线B是圆柱的中心线，为公称导出要素。通过机械加工得到的工件，存在着加工误差，实际工件的完整封闭外形C为实际组成要素。通过测量实际工件的组成要素，以确定工件相对于理想形状的偏离。由于测量误差的存在，从实际组成要素提取（测量）的有限点，不同于实际组成要素上的点，从实际组成要素上提取的有限点模拟的工件要素D，称为提取组成要素，其中心线E即是提取导出要素。依据特定的规则，通过提取组成要素计算得到的理想圆柱面F称为拟合组成要素，其中心线G为拟合导出要素。A—公称组成要素B—公称导出要素C—实际要素D—提取组成要素E—提取导出要素F—拟合组成要素G—拟合导出要素图12-5几何要素定义之间的相互关系图例（三）操作操作也称为运算，是新一代GPS语言提出的一个新概念。操作是获得要素或要素特征值，以及它们的公称值和极限值的特定工具。1.要素操作（1）分离分离是用于从理想要素或非理想要素中获得处于边界要素的一种操作。依据特定规则，分离可以用于从公称表面模型获得相应的理想要素，从规范表面模型（肤面模型）或认证（检验）表面模型获得相应的非理想要素，也可用于获得理想要素或非理想要素的一部分。其目的是从整个表面模型中获取需要研究的要素，或从整个要素中获取需要研究的某一部分。图12-6为应用分离操作从规范表面（肤面）模型获得规范要素。（2）提取提取是用于从一个非理想要素中得到一系列特定点的一种操作。如图12-7所示，进行提取操作时，要依据特定的规则，将非理想要素上连续的点离散化，即在非理想要素上布置有限的测量点。然后对要素进行检测，并通过计算机对离散的数据进行处理，用非理想要素上离散点的特征近似的表示该要素的特征。这是从实际工件表面得到认证（检验）要素的一种操作。图12-6分离操作图12-7提取操作（3）滤波滤波是通过降低不期望的非理想要素特定频段信息水平获取新的非理想要素信息的一种操作。进行滤波操作时，应采用特定规则，把具有不同特征的信息区分开来，从非理想要素中获取所需的特征。例如，对表面轮廓进行滤波操作，可以得到表面粗糙度、波度或形状误差的信息，如图12-8所示。图12-8滤波操作（4）拟合拟合是依据特定准则用理想要素逼近非理想要素的一种操作。拟合的目的是根据特定的准则完成非理想要素向替代理想要素的转换，从而对非理想要素的特征进行描述和表达。任何非理想要素都有其对应的理想要