GPS-產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范在制造業(yè)上應(yīng)用剖析

作者 夏忠定

《中國制造2025》是中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃，規(guī)劃中提出要把我國從制造大國轉(zhuǎn)變成制造強(qiáng)國，中國的制造業(yè)與先進(jìn)國家相比還有較大差距。制造業(yè)大而不強(qiáng)，自主創(chuàng)新能力弱，關(guān)鍵核心技術(shù)與高端裝備對(duì)外依存度高，以企業(yè)為主體的制造業(yè)創(chuàng)新體系不完善；產(chǎn)品檔次不高，缺乏世界知名品牌；資源能源利用效率低，環(huán)境污染問題較為突出；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，高端裝備制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后，推進(jìn)制造強(qiáng)國建設(shè)，必須著力解決以上問。在制造業(yè)中與產(chǎn)品息息相關(guān)的就是圖紙。高質(zhì)量的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)該在研發(fā)階段就考慮產(chǎn)品的制造，檢驗(yàn)等問題，便且圖紙的解釋唯一。

1 GPS定義及其功能

產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（Geometrical product specification,GPS） 標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范的國際工程語言，GPS標(biāo)注的圖紙只有一種解釋且精確地表達(dá)了產(chǎn)品的功能。圖1顯示了GPS在整個(gè)產(chǎn)品生命周期的功能。

圖1  GPS 功能框架圖

2.GPS的技術(shù)框架

  GPS是一種面向產(chǎn)品功能的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)語言，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是保證產(chǎn)品的功能，通過GD&T的圖紙公差標(biāo)注，讓圖紙只有一種解釋，從而保證不同人讀圖紙不會(huì)引起歧義，另外通過GPS圖紙的標(biāo)注，可以在滿足產(chǎn)品功能的前提下，放大制造公差，從而提高產(chǎn)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(chǎn)品怎么裝配的，那些是定位與配合面，那些是產(chǎn)品的關(guān)鍵功能面等。

第二步：定基準(zhǔn)，基準(zhǔn)一般選擇在產(chǎn)品的裝配面，根據(jù)產(chǎn)品裝配的先后次序定出第一，第二和第三基準(zhǔn)。

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(jì)算來確定。最后加上相應(yīng)的公差修飾因子從而達(dá)到在滿足產(chǎn)品功能的前提下，放大制造公差和方便檢測(cè)。

圖2  GPS 技術(shù)框架圖

3  GPS(幾何公差)產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)分析

   GPS(幾何公差)與傳統(tǒng)的正負(fù)尺寸公差比較，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，所以要想設(shè)計(jì)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(fù)尺寸公差控制兩要素之間的位置時(shí)，由于沒有基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果不確定，從而可能導(dǎo)致把不合格的零件接收。如下圖3 所示：測(cè)量時(shí)選擇不同的面作為基準(zhǔn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)量結(jié)果，這樣就會(huì)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(biāo)注圖紙，選擇其中一個(gè)面作為基準(zhǔn)，用輪廓度或位置度來控制兩個(gè)面的位置，如圖2所示，這樣測(cè)量時(shí)就會(huì)以基準(zhǔn)面作為測(cè)量起點(diǎn)，從而到達(dá)測(cè)量結(jié)果唯一。

圖3  正負(fù)尺寸公差控制位置

圖4  GPS（幾何公差）控制位置

２）用正負(fù)尺寸公差控制要素的位置時(shí)，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(chǎn)品合格率增大，如圖5所示 ：                     

圖5 正負(fù)公差與幾何公差公差帶比較

3） 用正負(fù)尺寸公差標(biāo)注圖紙會(huì)引起公差的累計(jì),導(dǎo)致零件和裝配件的公差累計(jì)過大，從而影響產(chǎn)品的裝配和功能。GPS（幾何公差）標(biāo)注圖紙時(shí)用的是理論尺寸，不會(huì)有公差的累計(jì)的問題，如圖6所示，正負(fù)尺寸公差標(biāo)注時(shí)孔3到B端位置公差為正負(fù)1.5mm, GPS（幾何公差）圖紙標(biāo)注時(shí)孔3到B端位置公差為正負(fù)0.5mm，公差累計(jì)小。

圖6 正負(fù)公差與幾何公差公差累計(jì)比較

4） 不用正負(fù)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(yōu)勢(shì)，一方面位置度公差可以得到補(bǔ)償，及當(dāng)孔的大小偏離最大實(shí)體尺寸時(shí)，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(dòng)態(tài)公差圖，綠色三角公差區(qū)域?yàn)楣钛a(bǔ)償區(qū)，及產(chǎn)品合格率提高區(qū)。另一方面可以方便做檢具進(jìn)行產(chǎn)品的快速在線檢測(cè)，先用A、B、C基準(zhǔn)對(duì)零件進(jìn)行定位，在理論位置插入相應(yīng)的檢測(cè)銷子，能插入位置度就算合格，檢測(cè)非常方便，快捷。

圖7 幾何公差位置度標(biāo)注及其檢具

圖8 位置度公差補(bǔ)償對(duì)比分析

5） GPS(幾何公差)能方便簡(jiǎn)潔地表達(dá)基準(zhǔn)定位功能要求，如當(dāng)基準(zhǔn)孔和定位銷之間有間隙，及產(chǎn)品在裝配定位時(shí)可以晃動(dòng)調(diào)整，從而有利于產(chǎn)品的裝配和合格率。通過在基準(zhǔn)后面加M圈就可以表達(dá)這樣的設(shè)計(jì)要求，如圖9所示，基準(zhǔn)后面加M 圈也會(huì)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(zhǔn)帶M圈圖紙標(biāo)注及其檢具

4 GPS(幾何公差)在復(fù)合公差方面的應(yīng)用

GD&T 美標(biāo)ASME Y14.5的復(fù)合公差，如復(fù)合輪廓度和位置度有效地解決曲面和孔組的方向問題，當(dāng)一個(gè)平面對(duì)基準(zhǔn)的位置、方向以及自身的形狀有不同的要求時(shí)，可以用組合的形位公差標(biāo)注(見圖10左邊標(biāo)注)，也可以用復(fù)合輪廓度表達(dá)同樣的功能要求(見圖10右邊標(biāo)注)。實(shí)際零部件以曲面居多，當(dāng)對(duì)曲面的位置、方向和形狀要求不同時(shí)，只能用復(fù)合輪廓度來標(biāo)注圖紙，所以復(fù)合輪廓度解決了曲面的方向問題。

圖10 復(fù)合輪廓度的標(biāo)注

美標(biāo)ASME Y14.5復(fù)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(zhǔn)的位置，下行控制孔組整體與基準(zhǔn)的方向，及孔組與基準(zhǔn)的平行關(guān)系，這里如果用常規(guī)的平行度來控制根本解決不了問題，因?yàn)槌Ｒ?guī)的平行度只控制單個(gè)孔對(duì)基準(zhǔn)的平行關(guān)系，而零件裝配后是孔組決定平行關(guān)系，不是單個(gè)孔。從圖12復(fù)合位置度下行位置度的檢具檢測(cè)方案，可以看出，下行的基準(zhǔn)只約束方向，不限制位置自由度。

    圖11 復(fù)合位置度圖紙標(biāo)注

圖12 復(fù)合位置度及其檢具檢測(cè)

5.GPS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

到當(dāng)今世界上幾何公差主要有兩大標(biāo)準(zhǔn)，美國ASME Y14.5-2009和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO 1101-2012，中國的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1182-2008主要是翻譯等效ISO 1101-2004標(biāo)準(zhǔn)，由此可以看出中國的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)相比，版本相對(duì)落后。一些先進(jìn)的公差標(biāo)準(zhǔn)方法在中國的標(biāo)準(zhǔn)中還沒有，比如復(fù)合輪廓度和復(fù)合位置度等。

中國的制造性企業(yè)在使用中國尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，明顯感覺標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容不夠用，想要的功能無法用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)出來，另外由國外企業(yè)按照最新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的圖紙看不懂，所以中國尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)更新迫在眉睫。新的ISO標(biāo)準(zhǔn)部分更新的內(nèi)容見下表所示。

表1  GPS 新標(biāo)準(zhǔn)部分更新的內(nèi)容

圖13 GPS 3D公差標(biāo)注-無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的趨勢(shì)

      圖14 GPS 定向平面-解決3D標(biāo)注中公差帶方向問題

圖15 GPS延伸公差標(biāo)注-解決螺紋孔緊固干涉問題

圖16 GPS延伸公差標(biāo)注-解決螺紋孔緊固干涉問題