几何技术规范GPS现代几何精度技术的理念与标准上海大学李明

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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
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基准误差？
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公差规范引出的问题
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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 中间尺寸 中间范围尺寸 范围尺寸
ISO 14405-1:2010
GPS＆V
Geometrical Product Specification and Verification
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产品精度设计与保障流程
总不确定度
功能需求
GPS
标 准 体 系
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
图样规范
方过 法程
功能分析与转化 几何精度控制计划
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。
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2
工业产品精度的核心
您知道尺寸工程（DE : Dimension Engineering）吗？
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从标准看我们落后有多少年
年 －15
（一流）企业实践
－10 企业/行业规范和标准
国
GB/T
原国家
－5 WD (工作组草案)
际 国 推荐性标准？ 标准 ＋10
CD (技术委员会草案) DIS (国际标准 草案) FDIS (最终国际标准草案)
基准体系规范 (Datum、RPS)
测量体系规范 (MPS)
测量程序 (CMM) 检具测量 (Cubing &Gage)
尺寸计划验证 (DPV)
理想模型 (CAD)
制造系统 (MS)
工件/样件 (WP/OTS)
逆向建模 (RM)
公差分析优化 (VA)
质量过程控制 (QC)
质量过程能力 (CP、CPk)
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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
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)
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尺寸工程及应用
功能定义规范 (FDS)
尺寸计划规范 (DPS)
尺寸技术规范 (DTS)
图样公差规范 (GD&T)
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
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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？
设制检装验质管使成 计造测配收保理用本
。。。
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 装备
冰山
管理
过程
体系
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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
精度设计 与
图样规范
CAD模型 公差带
功能基准
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大小 方向
评定
形状 位置
表面 结构
实际工件
实际要素 误差
测量基准
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几何技术规范的控制内容
大小
形状
方向
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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 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
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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
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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
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工况、精度保持性。。。
环境引起的误差
所有的精度要求是有条件的!
温度、湿度、重力。。。 所有的测量结果是有条件的!
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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
所有的尺寸和几何关系都是有公差和需要控制的!
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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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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
标 家 替代？
准 标 废止？
跟 踪
准 制
新的国 家标准
？
国内企 0 业采标
0 ISO (国际标准)
立项 订
（3－5） 0 （3－5） 年 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
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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？
总体设计
部件设计 图样规范 零件设计
装配设计
应用设计
产品制造
精度检验与合格判定 测量不确定度
精度检测与验收 功能检验与验收
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新一代GPS标准体系的核心
设计人员
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检验人员
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设计工程师的素养问题
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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
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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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……
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
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
卡类工具
精度？
几何误差测量方法 综合功能量规方法
ISO/GB ASME
平板测量方法 模拟实际应用
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？
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实物匹配 (Match)
虚拟匹配 (V-MaLeabharlann Baiduch)
装配调整规范 (MAS)
虚拟
数字
动态
体系
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功能 成本
精度是工程的基石
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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
产品的
大型
几何质量
微纳
成本 品质 GPS＆V
周期 风险
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）
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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
数字测量方法 规范
测量结果 重复性 再现性
数字测量方法 规范
正确性
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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检测和验证的体系及管理
6
现代几何精度技术和标准的发展
几何产品
形状
精度
尺度
实物比对检测 单一测量 事后调整
数字状态检测 综合测量 过程控制
传统检测技术
数字测量技术
基于几何 老的GPS标准体系
基于计量数学和功能 现代GPS标准体系
几何技术规范（GPS）标准体系
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基于数字化
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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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
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
现代几何精度技术的理念与标准
李 明 教授
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GPS/CMM
Geometrical Product Specification and Verification
GD&T /DE
2014.06
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1
简历介绍
位置
表面结构
15
几何精度形成过程和控制方式
技术指标
精 几何精度要求
度
约束条件
设 大小、形状 计 方向、位置
表面结构
功能
尺寸工程
功能验收
设
检测与控制
计
精
规
度
范
工件 制造 实
现
工
部件 部装 与
艺
保
规 范
产品 总装 障
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几何精度设计流程与方法
精度设计 精度分析 设计优化
技术规范
制造 过程
精度检测
合格判定
7
新一代GPS标准体系的特征
功能
设计 人员
规范
（设计）
验证 实际 工件
测量 结果
数字化
信息化
（CAD、GD＆T） （平台、接口）
规范化
协同化
（流程、管理） （同步、认证）
工件 生产 制造
人员
检验 测量
人员
过程控制
TPS
TPD :Technical Product Documentation GPS＆V：Geometrical Product Specification and Verification
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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？
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30
测量体系构建问题
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？
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设计工程师的技术素养问题
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