产品几何技术规范(GPS)讲义之一_by_侠之生[53P][819KB]

二、新GPS标准构建的基本思想
2.1 基本思路 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。 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。

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？ 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。

1.2 新的GPS产生的背景 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，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。

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 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 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

规范操作和操作集 功能规范 符合性比较 几何规范 验证操作和操作集 验证规范
工件要素的操作 及符合性比较
GPS标准链
功能要求----几何设计----（制造加工）----检验/验证
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
2.3.1 产品（工件）的表面模型 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。

GPS 标 准 体系建模
GPS标准体系层次 结构和矩阵模型
GPS标准的系统 综合模型
产品（工件）的表面模型
指导GPS标准体系的构建
指导标准和标准链的构建 规范产品（工件）的几何 描述和定义、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
操作的过程模型


GPS补充标准（Complementary GPS 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。
2.3 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： 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）：

功能要求 功能规范 几何设计 几何规范 加工制造 实施规范 检验/验证 验证规、要求 协调、有机衔接。
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。 以扩展的不确定度概念将所有规范关联起来。

规范操作包括： • 缺省规范操作（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。
GPS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（指导标准制定）

新的GPS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。

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。 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－检验/验证”协调一致的重要前提。

ISO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。 JHG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。 1996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。
与基准无关的面 与基准有关的面 方向 位置
形状或方位特征
11
12 13 14
圆跳动
全跳动 基准 粗糙度轮廓
方位特征
15
16 17 18
波纹度轮廓
原始轮廓 表面缺陷 棱边
表面特征
形状特征
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。

公称表面模型
规范表面模型
验证表面模型
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。 规范表面模型（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。


GPS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 17450－1、ISO 17450－2 • 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

GPS通用标准矩阵（General GPS standards metrix）
链环号 要素几何特征/标准链 1 图样 标注 2 公差 定义 3 实际要素 特征定义 4 工件误 差评定 5 测量 器具 6 标定 校准
1
2 3 4 5
尺寸
距离 半径 角度 与基准无关的线
尺寸特征
6
7 8 9 10
与基准有关的线
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
形状
粗糙度
距离
方向
波纹度
半径
位置
原始轮廓
角度
跳动
表面缺陷

GPS标准体系构成
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。
规范操作（Specification Operation） “规范”（Specification）指设计者根据工件 的功能要求，借助非理想的规范表面模型， 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
10.位置标准链 11.圆跳动标准链 12.全跳动标准链 13.基准标准链 14.粗糙度轮廓标准链 15.波纹度轮廓标准链 16.原始轮廓标准链 17.表面缺陷标准链 18.棱边标准链
G P S 基 础 标 准
GPS补充标准
GPS补充标准链 A 特定加工公差标准（A1～A7） A1.机加件公差标准链 A2.铸件公差标准链 A3.焊接件公差标准链 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 B 机械零件几何标准（B1～B3） B1.螺纹标准链 B2.齿轮标准链 B3.花键标准链
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
一、什么是GPS？ 二、新的GPS标准构建的基本思想 三、GPS标准实施的基本过程 四、GPS标准的意义和作用 五、小结