几何技术规范(GPS)_00_现代几何精度技术的理念与标准_上海大学_ 李明
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您能讲清什么是图样的功能要求吗？
不准确、甚至是错误的工程图样是绝大多数精度问题源头
注：本页两图样均来自公开发表的学术论文
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
21
基于功能的工程图样
功能的准确规范是设计工程师和工程图样的底线
83.4±0.5
Φ0.8 B 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
18
新一代GPS标准体系的核心
设计人员
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
检验人员
19
设计工程师的素养问题
您能读懂最新规范下的工程图样吗？看不懂怎么办？ 工程图样技术含意能否完整传递？不能传递怎么办？
上海大学
李明（robotlib@shu.edu.cn）
20
设计工程师的技术素养问题
GPS＆V
Geometrical Product Specification and Verification
17
工艺和工况约束要求 公差的工程图样规范
质量与测量控制计划 公差分析和设计优化 精度、验证与验收规范 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
产品精度设计与保障流程
总不确定度
中间尺寸
中间范围尺寸 范围尺寸
ISO 14405-1:2010
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
24
功能的转换与控制要求
功能 定义 图样 规范 工艺转化 检验 评定 产品 验收
实际产品是非理想的
50±0.15
20±0.15
30±0.15
25±0.15
50±0.15
基准误差？
25
功能 成本
精度是工程的基石
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
3
现代工业对几何精度控制的要求
现代产品的功能的需求 提升质量、品质的需求 控制制造成本的需求
极端 数字化
全面
精度 复杂 大型 微纳 成本 品质 周期 风险
产品的 几何质量
GPS＆V
GD＆T
GPS＆V：Geometrical Product Specification and Verification（几何技术规范与验证） GD＆T： Geometric Dimensioning and Tolerancing （几何尺寸与公差） 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
几何技术规范（GPS）标准体系
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
合格判定
7
新一代GPS标准体系的特征
功能
设计 人员 （设计） 数字化
（CAD、GD＆T）
信息化
（平台、接口）
验证 实际 工件 检验 测量 结果
测量 人员
规范化
（流程、管理）
协同化
（同步、认证）
规范
生产 人员
工件 制造 过程控制
4
工业化生产的基本要求
互换性(Interchangeability) 同一规格工件，不需要作 专门的挑选和附加加工，就可以装配到所需的部位并能满 足使用要求。
产品设计的规范化:有利于控制设计质量和成本 专业化制造的过程控制:有利于成本、效率和质量控制 规范装配过程:规范、有利于快捷、高效和质量控制 保障售后服务:有利于规范、快捷响应和质量控制 加快升级换代:规范和标准化地继承、拓展和成本控制
单件、工匠式生产模式 为什么有批量的生产过程， 质量就不易控制？ 成本 管理 效率 体系 技术 标准
批量、协同、工业化生产模式
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
29
验收时合格性判定问题
工件的工作状况与 精度设计的关系是 什么？ 工件的状况与检测 验收的关系是什么？ 工件验收的合格性 判定条件是什么？ 怎样避免验收的纠 纷？
测量带来的误差
人、机、物、环、法……
装配引起的误差
变形、应力、约束。。。
使用引起的误差
工况、精度保持性。。。
环境引起的误差
温度、湿度、重力。。。
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所有的精度要求是有条件的!
所有的测量结果是有条件的!
12
工程图样的技术规范
几何精度的功能要求就是几何要素在约束条件下 的几何特性
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
30
测量体系构建问题
什么样的检测结果是可以接受的？ 传统测量方法
尺寸的局部测量方法 几何误差测量方法 综合功能量规方法
ISO/GB ASME
卡类工具 平板测量方法 模拟实际应用
精度？
数字测量方法
坐标测量方法
ISO/GB
数字评定
测量体系构建的依据是什么？ 测量体系验证的依据是什么？
功能转换及风险管理 相关不确定度 误差控制与公差设计 符合不确定度 规范不确定度 工程图样规范标注 验收规范 方 法 过 程 图样规范
功能需求
功能分析与转化 几何精度控制计划 总体设计 部件设计
GPS
标 准 体 系
图样规范
产品制造 精度检测与验收 功能检验与验收
零件设计
装配设计
应用设计
精度检验与合格判定 测量不确定度 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
31
测量评定结果的比对
什么样的测量结果是合格并可以通过验收吗？
规范
测量结果
数字测量方法 规范 数字测量方法
重复性 再现性 正确性
规范
基于几何测量方法
规范
基于功能测量方法
要求针对同一测量任务，采用不同测量体系时，测量结 果具有可比性。
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
李明（robotlib@shu.edu.cn）
装备
上海大学
6
现代几何精度技术和标准的发展
几何产品
形状
实物比对检测 单一测量 事后调整
基于数字化
尺度
精度设计 精度分析 设计优化
精度
数字状态检测 综合测量 过程控制
技术规范 制造 过程
精度检测
传统检测技术
基于几何 老的GPS标准体系
数字测量技术
基于计量数学和功能 现代GPS标准体系
全国几何技术规范标准化技术委员会委员 (ISO TC213/SAC TC240)
精通ISO、GB和ASME标准和测量技术
李明 教授
上海大学教授、博导 国内知名的几何技术规范 和标准、几何精度设计与控制、 几何坐标测量技术领域专家。
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
2
工业产品精度的核心
22
精度设计与工艺设计的协调
如何实现加工过程中设计、评定基准的转换与应用
上海大学
李明（robotlib@shu.edu.cn）
23
什么是尺寸的功能要求
必须慎用一般的线性尺寸和角度公差
功能描述 两点尺寸（局部尺寸） 由球定义的局部尺寸 最小二乘尺寸 最大内接拟合圆 最小外接拟合圆 圆周直径（计算尺寸） 面积直径（计算尺寸） 体积直径（计算尺寸） 最大尺寸 最小尺寸 平均尺寸
32
检测和验证的体系及管理
测量不确定度管理(PUMA)
测量结果的合格判定与验收（设计、制造、检验、认证）
GB/T 18779 (ISO 14253) 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
33
尺寸工程及应用
功能定义规范 (FDS) 尺寸计划规范 (DPS) 测量体系规范 (MPS) 测量程序 (CMM) 检具测量 (Cubing &Gage)
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
26
公差设计的分析与验证问题
公差设计时是否进行 尺寸链的分析与验证？ 公差设计时如何有效 地控制成本？ 公差设计时如何兼顾 制造和检验？ 公差设计分析、优化 的工具有哪些？
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FDIS
0
国 际 标 准 跟 踪
ISO (国际标准)
立项 （3－5）
国 家 标 准 制 订
0
GB/T 推荐性标准？
原国家 标准 ＋10 ？
替代？ 废止？
新的国 家标准
年
国内企 业采标
0
（3－5）
贯标效果 ？
从标准贯彻和应用来看，我国企业设计水平平均落后至少 35年
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
理想模型 (CAD)
制造系统 (MS) 工件/样件 (WP/OTS)
质量过程控制 (QC) 质量过程能力 (CP、CPk) 实物匹配 (Match)
现代几何精度技术的理念与标准
李 明
教授
(上海大学 robotlib@shu.edu.cn)
GPS/CMM
Geometrical Product Specification and Verification
GD&T /DE
2014.06
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
1
简历介绍
所有的尺寸和几何关系都是有公差和需要控制的!
上海大学
李明（robotlib@shu.edu.cn）
13
几何精度设计评定方法
组成要素 导出要素 尺寸要素
几何精度 控制对象 CAD模型 公差带 功能基准
大小 方向
形状 位置
表面 结构
精度设计 与 图样规范
上海大学
实际工件
评定
实际要素
误差
测量基准
14
TPS
上海大学
TPD :Technical Product Documentation GPS＆V：Geometrical Product Specification and Verification
李明（robotlib@shu.edu.cn）
8
对几何技术标准的基本了解
您知道贵公司现在执行的标准版本吗？ ISO是什么，标准是怎么形成的？ GB/T是什么标准，可以不用吗？ 贵公司有对尺寸精度管理体系吗？ 您知道GD＆T吗？ 您知道GPS吗？ GPS : Geometrical Product Specification and Verification
27
工件合格性判定的问题
工件检验结果都合格， 但装配却出现问题 工件测量结果都不合 格（测量系统没有问 题），结果装配没有 问题，功能良好
原因：设计对零件功能定义
不准确和公差规范不合理
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
28
单件生产与批量生产的质量问题
为什么单件(微批量)生产能 保证质量？ 成本？ 效率？ 技能
10
基于CAD技术的产品设计
机械产品设计仅有CAD模型就够了吗？
理想的几何特性 理想的装配关系 理想的使用工况 理想的应用环境
公称模型（理想模型）＋理想工况
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11
工件的实际状况和工况的约束作用
加工造成的误差
误差、控制能力……
李明（robotlib@shu.edu.cn）
几何技术规范的控制内容
大小 上海大学
形状 李明（robotlib@shu.edu.cn）
方向
位置
表面结构
15
几何精度形成过程和控制方式
功能
尺寸工程
技术指标
功能验收
精 度 设 计
几何精度要求 约束条件 大小、形状 方向、位置 表面结构
设 计 规 范 工 艺 规 范
您知道尺寸工程（DE : Dimension Engineering）吗？
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
9
源自文库
－15 －10 －5
年
从标准看我们落后有多少年
（一流）企业实践
企业/行业规范和标准 WD (工作组草案) CD DIS
(技术委员会草案) (国际标准 草案) (最终国际标准草案)
技术支撑：规范、标准、管理、体系
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5
如何看待几何精度问题
几何精度到底是一个什么样的问题？
设 计 制 造 检 测 装 配 验 收 质 保 管 理 使 用 成 本
。。。
几何质量是在系统工程模式和并行工作机制体系下形成的
人
技术
….?
几何精度问题是座 冰山 管理 体系 过程
上海大学
李明（robotlib@shu.edu.cn）
公差规范引出的问题
设计的根本任务是什么？(条件、宗旨、依据、结果) 工艺的根本任务是什么？(前提、目标、结果、验证) 什么是公差设计的功能 要求？ “工艺保障”对设计有 约束吗？ 公差设计如何协调与工 艺设计的关系？ 由设计者根据功能要求给定，并兼顾制造和检测
检测与控制
工件 部件
产品
制造 部装
总装
精 度 实 现 与 保 障
上海大学
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16
几何精度设计流程与方法
功能要求和虚拟样机
精度控制计划 误差控制及公差设计 制造过程控制要求
产品设计信息版本释放
工程图样
（公差规范和技术条件）
设计风险评估与管理 产品精度测量规范 产品几何验收规范 相关验证认证规范
不准确、甚至是错误的工程图样是绝大多数精度问题源头
注：本页两图样均来自公开发表的学术论文
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21
基于功能的工程图样
功能的准确规范是设计工程师和工程图样的底线
83.4±0.5
Φ0.8 B 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
18
新一代GPS标准体系的核心
设计人员
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
检验人员
19
设计工程师的素养问题
您能读懂最新规范下的工程图样吗？看不懂怎么办？ 工程图样技术含意能否完整传递？不能传递怎么办？
上海大学
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20
设计工程师的技术素养问题
GPS＆V
Geometrical Product Specification and Verification
17
工艺和工况约束要求 公差的工程图样规范
质量与测量控制计划 公差分析和设计优化 精度、验证与验收规范 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
产品精度设计与保障流程
总不确定度
中间尺寸
中间范围尺寸 范围尺寸
ISO 14405-1:2010
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24
功能的转换与控制要求
功能 定义 图样 规范 工艺转化 检验 评定 产品 验收
实际产品是非理想的
50±0.15
20±0.15
30±0.15
25±0.15
50±0.15
基准误差？
25
功能 成本
精度是工程的基石
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3
现代工业对几何精度控制的要求
现代产品的功能的需求 提升质量、品质的需求 控制制造成本的需求
极端 数字化
全面
精度 复杂 大型 微纳 成本 品质 周期 风险
产品的 几何质量
GPS＆V
GD＆T
GPS＆V：Geometrical Product Specification and Verification（几何技术规范与验证） GD＆T： Geometric Dimensioning and Tolerancing （几何尺寸与公差） 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
几何技术规范（GPS）标准体系
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合格判定
7
新一代GPS标准体系的特征
功能
设计 人员 （设计） 数字化
（CAD、GD＆T）
信息化
（平台、接口）
验证 实际 工件 检验 测量 结果
测量 人员
规范化
（流程、管理）
协同化
（同步、认证）
规范
生产 人员
工件 制造 过程控制
4
工业化生产的基本要求
互换性(Interchangeability) 同一规格工件，不需要作 专门的挑选和附加加工，就可以装配到所需的部位并能满 足使用要求。
产品设计的规范化:有利于控制设计质量和成本 专业化制造的过程控制:有利于成本、效率和质量控制 规范装配过程:规范、有利于快捷、高效和质量控制 保障售后服务:有利于规范、快捷响应和质量控制 加快升级换代:规范和标准化地继承、拓展和成本控制
单件、工匠式生产模式 为什么有批量的生产过程， 质量就不易控制？ 成本 管理 效率 体系 技术 标准
批量、协同、工业化生产模式
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29
验收时合格性判定问题
工件的工作状况与 精度设计的关系是 什么？ 工件的状况与检测 验收的关系是什么？ 工件验收的合格性 判定条件是什么？ 怎样避免验收的纠 纷？
测量带来的误差
人、机、物、环、法……
装配引起的误差
变形、应力、约束。。。
使用引起的误差
工况、精度保持性。。。
环境引起的误差
温度、湿度、重力。。。
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所有的精度要求是有条件的!
所有的测量结果是有条件的!
12
工程图样的技术规范
几何精度的功能要求就是几何要素在约束条件下 的几何特性
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30
测量体系构建问题
什么样的检测结果是可以接受的？ 传统测量方法
尺寸的局部测量方法 几何误差测量方法 综合功能量规方法
ISO/GB ASME
卡类工具 平板测量方法 模拟实际应用
精度？
数字测量方法
坐标测量方法
ISO/GB
数字评定
测量体系构建的依据是什么？ 测量体系验证的依据是什么？
功能转换及风险管理 相关不确定度 误差控制与公差设计 符合不确定度 规范不确定度 工程图样规范标注 验收规范 方 法 过 程 图样规范
功能需求
功能分析与转化 几何精度控制计划 总体设计 部件设计
GPS
标 准 体 系
图样规范
产品制造 精度检测与验收 功能检验与验收
零件设计
装配设计
应用设计
精度检验与合格判定 测量不确定度 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
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31
测量评定结果的比对
什么样的测量结果是合格并可以通过验收吗？
规范
测量结果
数字测量方法 规范 数字测量方法
重复性 再现性 正确性
规范
基于几何测量方法
规范
基于功能测量方法
要求针对同一测量任务，采用不同测量体系时，测量结 果具有可比性。
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装备
上海大学
6
现代几何精度技术和标准的发展
几何产品
形状
实物比对检测 单一测量 事后调整
基于数字化
尺度
精度设计 精度分析 设计优化
精度
数字状态检测 综合测量 过程控制
技术规范 制造 过程
精度检测
传统检测技术
基于几何 老的GPS标准体系
数字测量技术
基于计量数学和功能 现代GPS标准体系
全国几何技术规范标准化技术委员会委员 (ISO TC213/SAC TC240)
精通ISO、GB和ASME标准和测量技术
李明 教授
上海大学教授、博导 国内知名的几何技术规范 和标准、几何精度设计与控制、 几何坐标测量技术领域专家。
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
2
工业产品精度的核心
22
精度设计与工艺设计的协调
如何实现加工过程中设计、评定基准的转换与应用
上海大学
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23
什么是尺寸的功能要求
必须慎用一般的线性尺寸和角度公差
功能描述 两点尺寸（局部尺寸） 由球定义的局部尺寸 最小二乘尺寸 最大内接拟合圆 最小外接拟合圆 圆周直径（计算尺寸） 面积直径（计算尺寸） 体积直径（计算尺寸） 最大尺寸 最小尺寸 平均尺寸
32
检测和验证的体系及管理
测量不确定度管理(PUMA)
测量结果的合格判定与验收（设计、制造、检验、认证）
GB/T 18779 (ISO 14253) 上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
33
尺寸工程及应用
功能定义规范 (FDS) 尺寸计划规范 (DPS) 测量体系规范 (MPS) 测量程序 (CMM) 检具测量 (Cubing &Gage)
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
26
公差设计的分析与验证问题
公差设计时是否进行 尺寸链的分析与验证？ 公差设计时如何有效 地控制成本？ 公差设计时如何兼顾 制造和检验？ 公差设计分析、优化 的工具有哪些？
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
FDIS
0
国 际 标 准 跟 踪
ISO (国际标准)
立项 （3－5）
国 家 标 准 制 订
0
GB/T 推荐性标准？
原国家 标准 ＋10 ？
替代？ 废止？
新的国 家标准
年
国内企 业采标
0
（3－5）
贯标效果 ？
从标准贯彻和应用来看，我国企业设计水平平均落后至少 35年
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
理想模型 (CAD)
制造系统 (MS) 工件/样件 (WP/OTS)
质量过程控制 (QC) 质量过程能力 (CP、CPk) 实物匹配 (Match)
现代几何精度技术的理念与标准
李 明
教授
(上海大学 robotlib@shu.edu.cn)
GPS/CMM
Geometrical Product Specification and Verification
GD&T /DE
2014.06
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1
简历介绍
所有的尺寸和几何关系都是有公差和需要控制的!
上海大学
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13
几何精度设计评定方法
组成要素 导出要素 尺寸要素
几何精度 控制对象 CAD模型 公差带 功能基准
大小 方向
形状 位置
表面 结构
精度设计 与 图样规范
上海大学
实际工件
评定
实际要素
误差
测量基准
14
TPS
上海大学
TPD :Technical Product Documentation GPS＆V：Geometrical Product Specification and Verification
李明（robotlib@shu.edu.cn）
8
对几何技术标准的基本了解
您知道贵公司现在执行的标准版本吗？ ISO是什么，标准是怎么形成的？ GB/T是什么标准，可以不用吗？ 贵公司有对尺寸精度管理体系吗？ 您知道GD＆T吗？ 您知道GPS吗？ GPS : Geometrical Product Specification and Verification
27
工件合格性判定的问题
工件检验结果都合格， 但装配却出现问题 工件测量结果都不合 格（测量系统没有问 题），结果装配没有 问题，功能良好
原因：设计对零件功能定义
不准确和公差规范不合理
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28
单件生产与批量生产的质量问题
为什么单件(微批量)生产能 保证质量？ 成本？ 效率？ 技能
10
基于CAD技术的产品设计
机械产品设计仅有CAD模型就够了吗？
理想的几何特性 理想的装配关系 理想的使用工况 理想的应用环境
公称模型（理想模型）＋理想工况
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11
工件的实际状况和工况的约束作用
加工造成的误差
误差、控制能力……
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几何技术规范的控制内容
大小 上海大学
形状 李明（robotlib@shu.edu.cn）
方向
位置
表面结构
15
几何精度形成过程和控制方式
功能
尺寸工程
技术指标
功能验收
精 度 设 计
几何精度要求 约束条件 大小、形状 方向、位置 表面结构
设 计 规 范 工 艺 规 范
您知道尺寸工程（DE : Dimension Engineering）吗？
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
9
源自文库
－15 －10 －5
年
从标准看我们落后有多少年
（一流）企业实践
企业/行业规范和标准 WD (工作组草案) CD DIS
(技术委员会草案) (国际标准 草案) (最终国际标准草案)
技术支撑：规范、标准、管理、体系
上海大学 李明（robotlib@shu.edu.cn）
5
如何看待几何精度问题
几何精度到底是一个什么样的问题？
设 计 制 造 检 测 装 配 验 收 质 保 管 理 使 用 成 本
。。。
几何质量是在系统工程模式和并行工作机制体系下形成的
人
技术
….?
几何精度问题是座 冰山 管理 体系 过程
上海大学
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公差规范引出的问题
设计的根本任务是什么？(条件、宗旨、依据、结果) 工艺的根本任务是什么？(前提、目标、结果、验证) 什么是公差设计的功能 要求？ “工艺保障”对设计有 约束吗？ 公差设计如何协调与工 艺设计的关系？ 由设计者根据功能要求给定，并兼顾制造和检测
检测与控制
工件 部件
产品
制造 部装
总装
精 度 实 现 与 保 障
上海大学
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16
几何精度设计流程与方法
功能要求和虚拟样机
精度控制计划 误差控制及公差设计 制造过程控制要求
产品设计信息版本释放
工程图样
（公差规范和技术条件）
设计风险评估与管理 产品精度测量规范 产品几何验收规范 相关验证认证规范