1、產品幾何技術規范（GPS）國家標準應用第一章 GPS標準的發展和體系介紹v一、什么是GPS？v二、新的GPS標準構建的基本思想v三、GPS標準實施的基本過程v四、GPS標準的意義和作用v五、小結一、什么是GPS？v1.1 GPS的含義 GPS是產品幾何技術規范（Geometrical Product Specification and Verification）的英文縮寫和簡稱。新GPS標準是以新的理念和概念，面向產品開發全過程而構建的控制產品幾何特性的一套完整標準，全面覆蓋了從宏觀到微觀的產品幾何特征的描述，全面規范了產品（工件）的尺寸、形狀和位置及表面特征的控制要求和檢測方法，成為工程領域

2、產品設計、制造和評定的最重要的基礎標準之一。產品幾何技術規范（GPS）尺寸公差幾何公差表面結構公差尺寸距離半徑形狀方向粗糙度位置角度跳動波紋度原始輪廓表面缺陷vGPS標準體系構成v注意：在新的GPS體系中，“幾何”的概念有廣義和狹義之分。 廣義幾何包含了工件的尺寸、形狀與位置以及表面結構等特征，因此標準的主標題通常為“產品幾何技術規范（GPS）”； 在副標題中出現的“幾何公差”一般特指形狀、方向、位置和跳動公差，并不包含尺寸公差和表面粗糙度。v1.2 新的GPS產生的背景v傳統的GPS標準存在體系結構缺陷：1）尺寸公差、形位公差和表面特征分別由原ISO的三個技術委員會負責，由于各自工作的獨立性

3、，使得工作項目有重復和交叉、術語定義不夠協調統一、規定和要求不完全一致，影響和制約標準的使用和實施。2）設計對功能要求的表達和優化、制造和檢測對幾何精度的控制和評定缺乏統一的規范，缺乏相互溝通的共同的技術語言。vISO于1993年成立了TC3、TC10和TC57三個技術委員會的“聯合協調工作組”ISO TC 3-10-57/JHG。vJHG于1995年頒布了ISO/TR 14638產品幾何技術規范（GPS）總體規劃，正式提出新的GPS概念和標準體系模型。v1996年成立ISO/TC 213，全面負責產品幾何技術規范（GPS）的國際標準體系的構建，這標志著GPS的發展進入一個新階段。二、新GPS

4、標準構建的基本思想v2.1 基本思路v傳統GPS是以幾何學為基礎建立起來的，設計的主要任務是根據功能需求從具有理想幾何形狀和方位的工件出發，規定工件實際幾何要素的允許變動區域，即公差帶。v如何保證和判定實際幾何要素處于公差帶內，則由制造和檢測人員負責。v這一系列概念是有效的，但也有需要重新審視的地方。例如，要想符合設計意圖和功能要求 設計上給定一個尺寸，是按兩點法還是三點法來控制和檢測？ 設計上規定了一個圓的允許變動區域，是按最小外接、最大內切、最小二乘還是最小條件來判斷？v從“理想要素”到“實際要素”的轉換和控制過程沒有嚴格的定義和規范，在一定程度上，“理論”和“實踐”有所脫節。v新的GPS

5、按系統工程和系統建模的思想，自頂向下構建了一系列信息模型： 理清了標準體系的層次關系，形成矩陣模型； 理清了標準之間的協調關系，形成標準鏈； 規范了工件幾何定義的依據，定義了表面模型； 規范了工件幾何精度的過程控制，定義了操作和操作集； 提出了產品研發全過程的不確定度概念，形成擴展的不確定度概念模型； 基于表面模型，全面規范了幾何要素的術語定義。vGPS標準體系建模框圖GPS標準體系建模GPS標準體系層次結構和矩陣模型指導GPS標準體系的構建GPS標準的系統綜合模型指導標準和標準鏈的構建產品（工件）的表面模型操作的過程模型擴展的不確定度概念模型基于表面模型的術語定義規范產品（工件）的幾何描述和

6、定義、檢測及評定規范表面模型的操作和操作集確定從產品幾何定義到檢測的總不確定度框架及各種不確定度的關系規范幾何要素GPS基礎標準GPS綜合標準GPS通用標準GPS通用標準鏈1.尺寸標準鏈 10.位置標準鏈2.距離標準鏈 11.圓跳動標準鏈3.半徑標準鏈 12.全跳動標準鏈4.角度標準鏈 13.基準標準鏈5.與基準無關的線標準鏈 14.粗糙度輪廓標準鏈6.與基準有關的線標準鏈 15.波紋度輪廓標準鏈7.與基準無關的面標準鏈 16.原始輪廓標準鏈8.與基準有關的面標準鏈 17.表面缺陷標準鏈9.方向標準鏈 18.棱邊標準鏈GPS補充標準GPS補充標準鏈A 特定加工公差標準（A1A7） B 機械零件

7、幾何標準（B1B3）A1.機加件公差標準鏈 B1.螺紋標準鏈A2.鑄件公差標準鏈 B2.齒輪標準鏈A3.焊接件公差標準鏈 B3.花鍵標準鏈A4.熱切削件公差標準鏈A5.塑料模壓件公差標準鏈A6.金屬無機鍍層公差標準鏈A7.涂覆公差標準鏈v2.2 GPS標準體系層次結構和矩陣模型vGPS基礎標準（Fundamental GPS standards） 是在發展戰略研究的基礎上形成的頂層標準，是整個GPS標準體系構建和總體規劃的依據，是制定其他三類標準的基礎。目前，ISO發布了兩份重要的基礎GPS標準，即 ISO/TR 14638 GPS總體規劃（指導體系構建） ISO 14659 GPS基本原則（

8、指導標準制定）vGPS綜合標準（Global GPS standards） 是GPS標準體系中高層次的標準，主要規定各個標準共同遵守和使用的通用原則、基本概念和術語定義等，是制定通用GPS標準和補充GPS標準的基礎和協調依據，具有廣泛的通用性。目前ISO發布和確定的主要綜合GPS標準有： ISO 174501、ISO 174502 ISO 14660 幾何要素 ISO 14253 測量不確定度 VIM 國際通用計量學基本術語 GUM 測量不確定度表示指南vGPS通用標準矩陣（General GPS standards metrix）鏈環號123456要素幾何特征/標準鏈圖樣標注公差定義實際要素

9、特征定義工件誤差評定測量器具標定校準1尺寸2距離3半徑4角度5與基準無關的線6與基準有關的線7與基準無關的面8與基準有關的面9方向10位置11圓跳動12全跳動13基準14粗糙度輪廓15波紋度輪廓16原始輪廓17表面缺陷18棱邊尺寸特征形狀或方位特征方位特征表面特征形狀特征v矩陣中的“列”是根據產品幾何定義和控制的全過程，將需要規范的重要活動和對象，劃分為有序排列的6個鏈環： 鏈環1：產品圖樣表示； 鏈環2：公差定義； 鏈環3：實際要素特征或參數定義； 鏈環4：工件誤差評定（與公差極限比較）； 鏈環5：測量器具； 鏈環6：測量器具標定和校準。vGPS補充標準（Complementary GPS

10、Standards） 是根據不同的工藝過程（如機加、鑄造、焊接、熱切削、塑料模壓、涂鍍等），以及典型零件要素（如螺紋、齒輪、花鍵等）的幾何特征，對GPS標準矩陣提出的補充規則的規范。這類標準更具體、更有針對性，一般由ISO其他相應的TC制定。v2.3 GPS標準的系統綜合模型系統綜合模型的構建考慮了以下因素：v產品幾何規范的建立貫穿產品幾何特性控制的全過程，形成規范鏈（標準鏈）：v確定規范之間的關系，實現概念統一、要求協調、有機銜接。功能要求幾何設計加工制造檢驗/驗證功能規范幾何規范實施規范驗證規范v按對偶性原則建立一一對應的規范，保持規范體系的完整性和協調性。v以擴展的不確定度概念將所有規范

11、關聯起來。規范操作和操作集符合性比較驗證操作和操作集功能規范幾何規范驗證規范功能要求-幾何設計-（制造加工）-檢驗/驗證工件要素的操作及符合性比較GPS標準鏈GPS規范過程相關不確定度符合性不確定度GPS擴展不確定度v2.3.1 產品（工件）的表面模型v產品（工件）的表面模型是產品功能描述、幾何設計、加工制造及檢驗/驗證過程中建立的幾何表達模型，是規范產品幾何定義和實際工件檢驗/驗證的基礎，不包含材料、工藝等非幾何信息。公稱表面模型 規范表面模型 驗證表面模型v公稱表面模型（Nominal surface model）公稱表面模型是設計上定義的具有完美大小和形狀的表面模型，是一個理想模型。v規

12、范表面模型（Specification surface model）規范表面模型是設計上構想的非理想的表面模型，通過對該表面模型進行一系列操作，在滿足功能要求的條件下確定其允許的最大偏離程度或允許的幾何特征值。它是設計意圖的真實表達，為功能仿真和設計優化提供了參考模型。v驗證表面模型（Verification Surface Model）驗證表面模型是對實際工件表面進行采樣所測得的輪廓表面模型，是實際表面的替代模型，是一個非理想的表面模型。通過對驗證表面模型進行一系列驗證操作，可獲得測量結果，與規范規定的特征值比較，完成符合性評定。v操作的規范化對表面模型操作的規范化是保持“功能要求規范設計檢

13、驗/驗證”協調一致的重要前提。v公稱設計：公稱表面模型要素操作（理想要素，分離、組合、構建）評估公稱要求v設計意圖：非理想表面模型幾何表達（一組無限個點）要素操作（理想或非理想要素，分離、提取、濾波、擬合、組合、構建）評估規定的特征值v實際工件：真實表面（實際存在的一組要素）要素操作（理想或非理想要素，實體分離、實體提取、濾波、擬合、組合、構建）評估測量結果符合性比較v2.3.2 操作和操作集vGPS標準將操作在概念上進行了系統的梳理和規范，提出了“操作”和“操作集”，規范了對表面模型及其要素的操作過程。操作和操作集實際上是一個過程控制模型。 要素操作 規范操作 驗證操作 操作集（Operat

14、or）v要素操作1）分離（Partition）從理想或非理想的表面模型得到邊界要素或要素的一部分，優先于其他操作。公稱模型分離非理想模型分離2）提取（Extraction）從要素上獲取有限點集。3）濾波（Filtration）區分粗糙度輪廓、波紋度輪廓、結構和形狀輪廓。4）擬合（Association）將理想要素與非理想要素相貼合。5）組合（Collection）將某些要素合成，實現某種功能。6）構建（Construction）由其他要素構建理想要素。v規范操作（Specification Operation）v“規范”（Specification）指設計者根據工件的功能要求，借助非理想的規范

15、表面模型，給出要素的幾何特征的允許變動范圍（量）。GPS標準中將幾何規范分為6種，即： 表面結構規范 要素尺寸規范 要素形狀規范 要素方向規范 要素位置規范 綜合誤差規范v規范操作（Specification Operation）可理解為設計上依據規范表面模型，為獲取反映工件功能要求的幾何要素特征值而進行的一系列操作。簡言之，它是設計上指定的確定幾何要素允許變動量的操作，還包含了評定要素合格的方法。v操作可以用數學公式、幾何表達式或數學算法等形式表達，例如圖樣上給定一根軸的直徑規范為100.1，表示該軸的直徑尺寸按兩點法進行評定操作，可用千分表（尺）測量來體現。v規范操作包括： 缺省規范操作（

16、Default Specification Operation）：一般是最常用的規范操作，以便簡化圖樣標注。 特定規范操作（Special Specification Operation）：用標準規定的修飾符號注明，如用注明包容要求。 實際規范操作（Actual Specification Operation ）：技術文件中針對工件幾何特征規定的具體規范操作。v驗證操作（Verification Operation）是與規定的規范操作相對應的操作，是判斷實際工件符合性的一種測量操作，包括： 完整驗證操作（Perfect Verification Operation）與設計規定的規范操作完全吻合

17、的檢驗/驗證操作，不存在方法不確定度。 簡化驗證操作（Simplified Verification Operation）與設計規定的規范操作有偏離的檢驗/驗證操作，包含由于偏離而導致的方法不確定度。 實際驗證操作（ Actual Verification Operation）實際測量過程中采用的驗證操作。v操作集（Operator）v操作集是一系列有序操作的集合。對于不同功能要求和不同幾何要素，操作集中包含的操作數量和操作順序可能有所不同。操作集包括： 功能操作集：反映功能要求的一系列有序操作的集合，用來評估規范操作集或驗證操作集與功能要求的吻合程度。 規范操作集：設計上規定的描述工件幾何要

18、素特征的一系列有序規范操作的集合，用于確定集合要素允許的最大變動量。 驗證操作集：工件實際測量過程中采用的一系列有序操作的集合，用于確定幾何誤差的大小。v2.3.3 不確定度（Uncertainty）vISO提出的GPS不確定度的概念模型：功能描述 幾何設計 （生產加工） 檢驗/驗證測量不確定度方法不確定度執行不確定度規范不確定度符合性不確定度相關不確定度 總不確定度 當規定的規范操作和操作集完全滿足功能要求時，則相關不確定度為零，否則存在相關不確定度； 當規定的規范操作集不完整，缺失某些操作，操作說明不明確或操作順序不當，則產生規范不確定度，它反映規范本身存在的不確定度； 當采用的實際驗證操

19、作集與規定的規范操作集有偏離時，則產生方法不確定度； 在實際測量過程中，測量設備誤差、人為因素等會產生執行不確定度。v2.3.4 幾何要素定義v幾何要素指構成零件幾何形體的點、線或面，是產品幾何定義和幾何精度控制的對象。v幾何要素有以下幾種分類方法： 理想的幾何要素和非理想的幾何要素； 組成要素和導出要素； 公稱要素和實際要素； 提取要素和擬合要素。v理想要素ideal feature由參數化方程定義的要素。設計上給定的具有完美形狀和方位的幾何要素，公稱表面模型上的要素和擬合操作得到的要素為理想的幾何要素。v 非理想要素non- ideal feature完全依賴于非理想表面模型的不完美的要素

20、。工件上實際存在的或為功能仿真設想的非完美工件上的幾何要素，規范表面模型或驗證表面模型上的要素為非理想的幾何要素。v組成要素integral feature構成工件幾何形體的要素。可以是理想的或非理想的幾何要素，取決于工件表面模型的狀態。以往被稱作“輪廓要素”。v 導出要素derived feature由一個或幾個組成要素得到的中心點、中心線或中心面。對組成要素進行一系列操作得到的要素，為工件實體外的要素，如中心點、中心線、中心面。以往被稱作“中心要素”。v公稱要素nominal feature不依賴于非理想表面模型的理想要素。設計上給定的構成公稱表面模型的要素，可能是一個或一系列的點、線或面

21、。v 實際要素real feature實際工件上存在的、與周圍介質形成物理界面的由無數個連續點構成的幾何要素。為非理想要素。v提取要素exracted feature按照規定的方法，由實際要素提取有限數目的點所形成的實際要素的近似代替要素。為非理想要素。v 擬合要素associated feature按照規定的方法，對非理想的表面模型通過擬合操作建立起來的理想要素。擬合要素包括擬合組成要素和擬合導出要素，為理想要素。v提取導出要素 圓柱面/圓錐面的提取中心線是圓柱面/圓錐面的各橫截面中心的軌跡，其中：橫截面的中心是擬合圓的圓心；橫截面垂直于由提取表面得到的擬合圓柱面（其半徑可能與公稱半徑不同）

22、/擬合圓錐面（其角度可能與公稱角度不同）的軸線。 提取中心面是兩對應提取表面的所有對應點之間中點的軌跡，其中：所有對應點的連線均垂直于擬合中心平面；擬合中心平面是由兩對應提取表面得到的兩擬合平行平面的中心平面（兩擬合平行平面之間的距離可能與公稱距離不同）。圖中標號：1-提取表面；2-擬合圓柱面；3-擬合圓柱面軸線；4-提取中心線；5；擬合圓；6-擬合圓圓心；7-擬合圓柱面軸線；8-擬合圓柱面；9-提取線。1239564擬合圓是最小二乘圓，擬合圓柱面是最小二乘圓柱面。三、GPS標準實施的基本過程v3.1 規范過程 規范過程是一個設計過程，是對工件規定幾何規范的過程。在保證功能要求的前提下，規定工件幾何特征最大允許變動量，規定允許的制造極限和質量水平，規定完工工件的符合性要求。功能要求功能規范幾何規范v規范過程包括下列步驟： 分析和確定工件的幾何要素及其功能，明確規范反映的設計意圖； 構建GPS規范，明確由哪些規范單元構成； 定義GPS規范單元，確定每個單元包含的規范操作； 定義規范操作，按一定順序組織排列； 最終形成規范操作集，在一定范圍內與