GPS-產品幾何技術規范在制造業上應用剖析
作者 夏忠定
《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃，規劃中提出要把我國從制造大國轉變成制造強國，中國的制造業與先進國家相比還有較大差距。制造業大而不強，自主創新能力弱，關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高，以企業為主體的制造業創新體系不完善；產品檔次不高，缺乏世界知名品牌；資源能源利用效率低，環境污染問題較為突出；產業結構不合理，高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后，推進制造強國建設，必須著力解決以上問。在制造業中與產品息息相關的就是圖紙。高質量的圖紙設計應該在研發階段就考慮產品的制造，檢驗等問題，便且圖紙的解釋唯一。
1 GPS定義及其功能
產品幾何技術規范（Geometrical product specification,GPS） 標準體系，包括尺寸極限，角度公差，形位公差和表面粗糙度等）。GPS 是一種廣泛使用的、能精確描述產品幾何技術規范的國際工程語言，GPS標注的圖紙只有一種解釋且精確地表達了產品的功能。圖1顯示了GPS在整個產品生命周期的功能。
2.GPS的技術框架
GPS是一種面向產品功能的圖紙設計語言，圖紙設計的終極目標是保證產品的功能，通過GD&T的圖紙公差標注，讓圖紙只有一種解釋，從而保證不同人讀圖紙不會引起歧義，另外通過GPS圖紙的標注，可以在滿足產品功能的前提下，放大制造公差，從而提高產品的合格率。GPS主要是通過下面三步來完成圖紙的定義的：
第一步：定功能，分析產品怎么裝配的，那些是定位與配合面，那些是產品的關鍵功能面等。
第二步：定基準，基準一般選擇在產品的裝配面，根據產品裝配的先后次序定出第一，第二和第三基準。
第三步：定公差：這里包括三部分，首先選擇公差類型，如一般是孔的推薦使用位置度，表面推薦使用輪廓度。另外公差值的大小需要通過尺寸鏈公差計算來確定。最后加上相應的公差修飾因子從而達到在滿足產品功能的前提下，放大制造公差和方便檢測。
圖2 GPS 技術框架圖
3 GPS(幾何公差)產品圖紙設計的優勢分析
GPS(幾何公差)與傳統的正負尺寸公差比較，主要有以下幾個優點，所以要想設計一張好圖紙，建議除大小外，其它如形狀，方向和位置用形位公差來控制。
1） 采用正負尺寸公差控制兩要素之間的位置時，由于沒有基準，測量結果不確定，從而可能導致把不合格的零件接收。如下圖3 所示：測量時選擇不同的面作為基準時，會出現不同的測量結果，這樣就會引起歧義。解決此類問題的唯一辦法就是用GPS(幾何公差)來標注圖紙，選擇其中一個面作為基準，用輪廓度或位置度來控制兩個面的位置，如圖2所示，這樣測量時就會以基準面作為測量起點，從而到達測量結果唯一。
圖4 GPS（幾何公差）控制位置
２）用正負尺寸公差控制要素的位置時，公差帶是方形且固定，這樣就有可能把滿足裝配功能的零件拒絕掉，如果改用GPS（幾何公差）的位置度，公差帶變成圓形，且公差帶面積增大57%，從而產品合格率增大，如圖5所示 ：
圖5 正負公差與幾何公差公差帶比較
3） 用正負尺寸公差標注圖紙會引起公差的累計,導致零件和裝配件的公差累計過大，從而影響產品的裝配和功能。GPS（幾何公差）標注圖紙時用的是理論尺寸，不會有公差的累計的問題，如圖6所示，正負尺寸公差標注時孔3到B端位置公差為正負1.5mm, GPS（幾何公差）圖紙標注時孔3到B端位置公差為正負0.5mm，公差累計小。
圖6 正負公差與幾何公差公差累計比較
4） 不用正負尺寸公差，而用GPS(幾何公差)中的位置度去控制孔的位置，并且在位置公差后面加M圈，如圖7所示，這樣就可以帶來兩大優勢，一方面位置度公差可以得到補償，及當孔的大小偏離最大實體尺寸時，位置度公差可以放大，從而可以在滿足裝配功能的前提下，放大制造公差，如圖8所示的動態公差圖，綠色三角公差區域為公差補償區，及產品合格率提高區。另一方面可以方便做檢具進行產品的快速在線檢測，先用A、B、C基準對零件進行定位，在理論位置插入相應的檢測銷子，能插入位置度就算合格，檢測非常方便，快捷。
圖7 幾何公差位置度標注及其檢具
圖8 位置度公差補償對比分析
5） GPS(幾何公差)能方便簡潔地表達基準定位功能要求，如當基準孔和定位銷之間有間隙，及產品在裝配定位時可以晃動調整，從而有利于產品的裝配和合格率。通過在基準后面加M圈就可以表達這樣的設計要求，如圖9所示，基準后面加M 圈也會有利于檢具的定位銷好做，做成圓柱銷而不是圓錐銷。
圖9 基準帶M圈圖紙標注及其檢具
4 GPS(幾何公差)在復合公差方面的應用
GD&T 美標ASME Y14.5的復合公差，如復合輪廓度和位置度有效地解決曲面和孔組的方向問題，當一個平面對基準的位置、方向以及自身的形狀有不同的要求時，可以用組合的形位公差標注(見圖10左邊標注)，也可以用復合輪廓度表達同樣的功能要求(見圖10右邊標注)。實際零部件以曲面居多，當對曲面的位置、方向和形狀要求不同時，只能用復合輪廓度來標注圖紙，所以復合輪廓度解決了曲面的方向問題。
圖10 復合輪廓度的標注
美標ASME Y14.5復合位置度,解決了孔組的方向問題，如圖11所示，位置度上下兩行，上行管控孔組到基準的位置，下行控制孔組整體與基準的方向，及孔組與基準的平行關系，這里如果用常規的平行度來控制根本解決不了問題，因為常規的平行度只控制單個孔對基準的平行關系，而零件裝配后是孔組決定平行關系，不是單個孔。從圖12復合位置度下行位置度的檢具檢測方案，可以看出，下行的基準只約束方向，不限制位置自由度。
圖11 復合位置度圖紙標注
圖12 復合位置度及其檢具檢測
5.GPS標準的應用
到當今世界上幾何公差主要有兩大標準，美國ASME Y14.5-2009和歐洲標準ISO 1101-2012，中國的尺寸公差標準GB/T 1182-2008主要是翻譯等效ISO 1101-2004標準，由此可以看出中國的尺寸公差標準與國際標準相比，版本相對落后。一些先進的公差標準方法在中國的標準中還沒有，比如復合輪廓度和復合位置度等。
中國的制造性企業在使用中國尺寸公差標準時，明顯感覺標準中的內容不夠用，想要的功能無法用現有的標準表達出來，另外由國外企業按照最新標準設計的圖紙看不懂，所以中國尺寸公差標準更新迫在眉睫。新的ISO標準部分更新的內容見下表所示。
表1 GPS 新標準部分更新的內容
圖13 GPS 3D公差標注-無圖紙設計的趨勢
圖14 GPS 定向平面-解決3D標注中公差帶方向問題
圖15 GPS延伸公差標注-解決螺紋孔緊固干涉問題
圖16 GPS延伸公差標注-解決螺紋孔緊固干涉問題
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