产品几何技术规范(GPS)体系构成及关键技术的解读

结合《GB/Z 20308-2006产品几何技术规范(GPS)总体规划》,介绍了GPS标准体系的特点,分析了通用GPS标准的矩阵结构、标准链组成及分层结构,解读了GPS标准体系中用数字化描述公差信息、用对偶性统一规范设计和检验认证、将不确定度理论拓展到公差设计全过程等关键技术,并用简例说明其应用。     

新一代产品几何技术规范(GPS)体系中不确定度理论及应用技术的研究

不确定度理论及应用技术是新一代GPS标准体系中的关键技术之一。新一代GPS利用不确定度的量化统计特性和经济杠杆调节作用,实现产品设计、制造和检测/认证全过程资源配置的优化。     

新一代产品几何量技术规范(GPS)中的几何要素

几何要素是构成工件几何特征的点、线和面。研究了新一代产品几何量技术规范(GPS)中几何要素的术语、定义、分类以及它们之间的相互关系,介绍了几何要素的操作与操作算子等数学处理工具,并给出了在产品设计、规范和认证过程中的应用。     

现代产品几何技术规范(GPS) 的不确定度理论及应用技术研究

新一代GPS（generation geometrical product specification）在测量不确定度的基础上扩展了不确定度的概念,将不确定度应用到几何产品的“功能、规范、认证”的全过程。文中着重分析新一代GPS不确定度的构成、相互关系及GPS过程量化统一的内在规律性;明确不确定度与操作算子之间的关系,揭示GPS不确定度理论的概念基础、应用规律及技术经济性;研究新一代GPS基本原则与不确定度之间的关系规律,给出减小GPS不确定度的对策和措施;并在此基础上,以产品质量认证为例,进一步分析研究GPS测量不确定度规范及其应用技术。     

现代产品几何技术规范(GPS)体系及应用分析

现代产品几何技术规范GPS(dimensional geometrical product specification and verification)是ISO／TC213针对产品的设计与制造而规定的一系列宏观和微观的几何技术规范，是所有机电产品的技术标准与计量规范的基础。随着全球经济的发展和科学技术的进步，尤其是随着CAD／CAM／CAQ(computer aided design／computer aided manufacture／computer aided quality)的应用和发展，新工艺、新技术、新材料的应用以及加工精度从微米到纳米的提高，ISO／TC213 GPS也随之发生了巨大的变化，已经由以几何学为基础的第一代GPS，发展到以计量学为基础的第二代GPS。文中在阐述ISO／TC213 GPS标准体系的形成、特点及发展趋势的基础上，对其构成思路及矩阵模型进行深入分析和研究，进一步揭示出其新一代GPS标准体系的构造模式规律及本质特征。     

新一代产品几何量技术规范(GPS)标准体系研究

新成立的国际尺寸与产品几何技术委员会(ISO/TC213)提出了新一代GPS标准体系,该标准体系由基础、全局、通用和补充GPS标准组成。新一代GPS标准为产品的设计、制造、检验与评估提供了一套完整的技术规范。分析了新一代产品几何量技术规范(GPS)的系统模型、标准体系、关键技术、目前的研究方向与内容,以及我国新一代GPS标准体系的建立途径。     

现代产品几何技术规范(GPS)体系的理论基础及关键技术研究

针对传统的几何公差体系存在的突出问题，着重研究探讨新一代GPS标准体系的构成原理、基本准则、内在规律及应用特点；在此基础上，对该体系的理论基础及关键技术进行深入地研究和探讨，揭示并阐述其“一条主线(规范，模型)、两种关联(不确定度与操作算子)、三个创新(基于统计优化的不确定度理论及拓展技术、基于对偶性的模型与操作技术、基于应用数学的数字化描述技术)”的构造模式规律及本质特征；进一步明确新一代GPS体系在实现“功能—规范—检验，认证”全过程统—规范和数字化描述与集成控制方面的关键性(支撑)技术基础；并提出建立我国GPS体系的应对策略。     

现代产品几何技术规范(GPS)的数字化理论基础

现代产品几何技术规范(generation geometrical product specification and verification，GPS)是ISO／TC213针对产品的设计与制造而规定的一系列宏观和微观的几何技术规范，它包括产品的规范过程、生产过程、认证(检验)过程以及不确定度的评定和控制。表面模型是ISO／TC213GPS语言中新提出概念，它是实现GPS系统阶段功能的操作基础和系统关联基础，表面模型需要由相应的“要素”和“特征”予以定义和描述。ISO／TC213GPS将工件／要素分为七种恒定类，所有的理想要素都属于七种恒定类中的一种，且可由其位置要素和本质特征进行定义与描述；位置特征则定义了要素之间的关系。第二代GPS系统通过表面模型、恒定类、恒定度、特征等概念的引入和互补应用，实现了几何要素从定义、描述、规范到实际检验评定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、检验评定”过程中数学表达统一规范的难题。     

现代产品几何量技术规范(GPS)国际标准体系

现代产品几何量技术规范(GPS)是国际标准化组织“尺寸与几何技术委员会(ISO/TC213)”基于新一代GPS语言提出的新的国际标准体系,它以计量数学为基础,给出产品功能、技术规范、制造与计量之间的量值传递的数学方法,为产品设计、制造及计量测试人员提供了一个无歧义的信息交流平台。详细研究了新体系的框架、概念及运作方法,给出它的科学基础,提出实际应用的方法。     

新一代产品几何技术规范测量不确定度理论及应用技术

研究了测量不确定度的统一评定和表述方法，用新一代产品几何技术规范（GPS）基于GUM及系统量化统一的新思路，拓展了测量不确定度的概念，规范了测量不确定度的评定程序。在此基础上，将测量不确定度的概念拓展至GPS系统，利用拓展后不确定度的统计、量化特性，将产品的功能、规范与测量评定量化集成。通过不确定度的经济杠杆调节作用，实现过程资源配置的统筹优化，提高产品的综合效益。     

Flatness error evaluation and verification based on new generation geometrical product specification (GPS)

New generation geometrical product specification (GPS) links the whole course of a geometrical product from the research, development, design, manufacturing and verification to its release, utilization, and maintenance. Measurement process is one of the most important part of verification/inspection in the new generation GPS. With the knowledge-intensive and globalization trend of the economy, unifying the evaluation and verification of form errors will play a vital role in international trade and technical communication. Considering the plane feature is one of the most basic geometric primitives which contribute significantly to fundamental mechanical products such as guide way of machine tool to achieve intended functionalities, the mathematical model of flatness error minimum zone solution is formulated and an improved genetic algorithm (IGA) is proposed to implement flatness error minimum zone evaluation. Then, two evaluation methods of flatness error uncertainty are proposed, which are based on the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) and a Monte Carlo Method (MCM). The calculating formula and the propagation coefficients of each element and correlation coefficients based on GUM and the procedures based on MCM are developed. Finally, two examples are listed to prove the effectiveness of the proposed method. An investigation into the source and effects of different uncertainty contributors for practical measurement on CMM is carried out and the uncertainty contributors significant are analyzed for flatness error verification. Compared with conventional methods, the proposed method not only has the advantages of simple algorithm, good flexibility, more efficiency and accuracy, but also guarantees the minimum zone solution specified in the ISO/1101 standard. Furthermore, it accords with the requirement of the new generation GPS standard which the measurement uncertainty characterizing the reliability of the results is given together. And it is also extended to other form errors evaluation and verification.     

Monte carlo method for the uncertainty evaluation of spatial straightness error based on new generation geometrical product specification

Straightness error is an important parameter in measuring high-precision shafts. New generation geometrical product specification(GPS) requires the measurement uncertainty characterizing the reliability of the results should be given together when the measurement result is given. Nowadays most researches on straightness focus on error calculation and only several research projects evaluate the measurement uncertainty based on "The Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement(GUM)". In order to compute spatial straightness error(SSE) accurately and rapidly and overcome the limitations of GUM, a quasi particle swarm optimization(QPSO) is proposed to solve the minimum zone SSE and Monte Carlo Method(MCM) is developed to estimate the measurement uncertainty. The mathematical model of minimum zone SSE is formulated. In QPSO quasi-random sequences are applied to the generation of the initial position and velocity of particles and their velocities are modified by the constriction factor approach. The flow of measurement uncertainty evaluation based on MCM is proposed, where the heart is repeatedly sampling from the probability density function(PDF) for every input quantity and evaluating the model in each case. The minimum zone SSE of a shaft measured on a Coordinate Measuring Machine(CMM) is calculated by QPSO and the measurement uncertainty is evaluated by MCM on the basis of analyzing the uncertainty contributors. The results show that the uncertainty directly influences the product judgment result. Therefore it is scientific and reasonable to consider the influence of the uncertainty in judging whether the parts are accepted or rejected, especially for those located in the uncertainty zone. The proposed method is especially suitable when the PDF of the measurand cannot adequately be approximated by a Gaussian distribution or a scaled and shifted t-distribution and the measurement model is non-linear.     

新一代GPS标准中非理想表面模型的建模方法

本文重点研究在新一代产品几何技术规范标准下如何将非理想表面模型以离散数学的方法表达出来。利用马尔科夫链蒙特卡洛仿真技术(MCMC)和基于主成分分析(PCA)的全局建模法来实现考虑几何约束和公差规范的具有随机误差的非理想表面模型的仿真分析;利用统计形状分析方法(SSA)和基于广义Darboux结构的局部建模法来实现在制造过程中产生的系统误差的非理想表面模型的仿真分析;并引入平均非理想表面模型概念及其统计分析方法对产品变形趋势进行预测。最后以实际工件为对象,通过本文提出的方法得到了其非理想表面模型的仿真结果,并对其仿真效果进行了综合分析,分析结果证明了本文提出方法的正确性和可行性。     

基于新一代产品几何技术规范的工作载荷下公差建模

传统的公差模型以刚体假设为前提,无法考虑机械系统在工作载荷下的变形,而实际工作过程中机械系统性能与各零件在工作载荷下的变形关系密切,为解决此问题,基于新一代产品几何技术规范标准中的认证表面思想提出一种修正公差模型,考虑复杂变形对公差分析的影响,更为真实准确地对系统功能末端的空间位置进行精度预测.采用小位移旋量法和齐次坐标变换法建立传统公差模型;根据认证表面的思想提出拟合配合表面的概念,再根据实际变形表面、拟合配合表面与理想设计表面的空间位置关系,提出修正传统公差模型的方法;给出获取修正矩阵的步骤,建立修正公差模型,进行工作载荷下的公差分析,得到封闭环尺寸的分布规律.以某尾座顶尖为工程对象,证明了该方法的可行性.     

平面度坐标测量的不确定度计算

目前的坐标测量只是给出平面度最小二乘检验的结果,并没有给出检验结果的不确定度.根据平面度最小二乘检验的基本原理和ISO/TS 14253-2给出的不确定度传递公式,提出了一种平面度坐标测量的不确定度的计算方法.该方法的特点是将平面方程的系数看作一个随机向量,通过计算该随机向量的均值和协方差矩阵来确定平面方程和平面度的检验结果及其不确定度.这不仅保证了平面度检验结果的完整性,而且符合新一代产品几何规范(GPS)标准的要求,从而可以提高工件检验的准确性.实验结果表明,根据平面度最小二乘检验的结果及其不确定度,可以根据ISO 14253-1给出的判定原则定量地判定平面是否合格.     

新一代GPS测量不确定度与管理分析

在新一代产品几何技术规范(Next Generation Geometrical Product Specification and Verification,NGGPS)不确定理论基础上,分析各种不确定度之间的关系,重点讨论不确定度管理(Frocedure for Uncertainty Management,PUMA)测量不确定度管理程序所涉及的贡献因素、评定模型和评定关系等关键环节.设计不确定度管理程序,实现贡献因素分析、不确定度自动计算和系统评价,为实现不确定度评定管理的规范统一奠定基础.     

产品几何规范中非理想表面的多尺度表征

考虑目前多数计算机辅助公差工具仅能针对具有理想几何表面的CAD模型,无法从物理几何角度真正反映制造误差,本文研究了非理想表面的多尺度表征,提出了一种能够表征产品表面及其截面轮廓宏观及微观多尺度形貌误差的非理想表面模型。首先,提出了一种利用离散小波实现形貌误差多尺度仿真的方法;其次,针对实际工件,利用离散小波对其表面及截面轮廓采样数据进行形貌误差多尺度仿真;最后,对形貌误差各尺度成分进行合成,得到具有多尺度形貌误差成分的工件三维表面及其二维截面轮廓的非理想表面模型。仿真及实验结果表明:利用提出方法可以实现具有多尺度形貌误差的非理想表面模型表征;仿真所得粗糙度R_a值与白光干涉仪测量所得值的平均相对误差不超过4%。得到的结果证明了提出方法的正确性和可行性,为更加全面地表征产品的非理想表面模型提供了有效途径。     

开放轮廓滤波器的边界效应削弱方法及不确定度概算研究

针对常用的开放轮廓线性滤波器具有边界效应的缺点,提出采用滤波器权函数修正方法削弱边界效应的影响,并基于新一代GPS(geometrical product specification)线性轮廓滤波器的基本原理及不确定度贡献因素,分析权函数修正方法及其对不确定度概算的影响,给出开放轮廓滤波处理后的工件合格性判定准则.指出在对具有开放性轮廓的工件进行合格性判定时,需要将滤波后的不确定度概算和开放轮廓滤波边界效应的处理结合起来,从而充分利用原始轮廓信息,保证评定结果的完整性和有效性.最后结合直线度误差评定实例对文中理论进行实验验证.     

面向MBD的几何公差智能化标注技术

为了解决MBD(Model Based Definition)模型中几何公差的3D(three-dimensional)标注不符合新一代GPS(Geometrical product specifications)标准体系的规范要求问题。文章面向MBD模型,基于恒定类建立几何公差项目的自动判别规则,依据新一代GPS标准体系对几何公差3D标注的规范,开发了与Creo平台无缝集成的几何公差标注模块,从而实现几何公差标注的规范化和智能化。