GPS-产品几何技术规范在制造业上应用剖析

作者 夏忠定

《中国制造2025》是中国版的“工业4.0”规划，规划中提出要把我国从制造大国转变成制造强国，中国的制造业与先进国家相比还有较大差距。制造业大而不强，自主创新能力弱，关键核心技术与高端装备对外依存度高，以企业为主体的制造业创新体系不完善；产品档次不高，缺乏世界知名品牌；资源能源利用效率低，环境污染问题较为突出；产业结构不合理，高端装备制造业和生产性服务业发展滞后，推进制造强国建设，必须着力解决以上问。在制造业中与产品息息相关的就是图纸。高质量的图纸设计应该在研发阶段就考虑产品的制造，检验等问题，便且图纸的解释唯一。

1 GPS定义及其功能

产品几何技术规范（Geometrical product specification,GPS） 标准体系，包括尺寸极限，角度公差，形位公差和表面粗糙度等）。GPS 是一种广泛使用的、能精确描述产品几何技术规范的国际工程语言，GPS标注的图纸只有一种解释且精确地表达了产品的功能。图1显示了GPS在整个产品生命周期的功能。

图1  GPS 功能框架图

2.GPS的技术框架

  GPS是一种面向产品功能的图纸设计语言，图纸设计的终极目标是保证产品的功能，通过GD&T的图纸公差标注，让图纸只有一种解释，从而保证不同人读图纸不会引起歧义，另外通过GPS图纸的标注，可以在满足产品功能的前提下，放大制造公差，从而提高产品的合格率。GPS主要是通过下面三步来完成图纸的定义的：

  第一步：定功能，分析产品怎么装配的，那些是定位与配合面，那些是产品的关键功能面等。

第二步：定基准，基准一般选择在产品的装配面，根据产品装配的先后次序定出第一，第二和第三基准。

第三步：定公差：这里包括三部分，首先选择公差类型，如一般是孔的推荐使用位置度，表面推荐使用轮廓度。另外公差值的大小需要通过尺寸链公差计算来确定。最后加上相应的公差修饰因子从而达到在满足产品功能的前提下，放大制造公差和方便检测。

图2  GPS 技术框架图

3  GPS(几何公差)产品图纸设计的优势分析

   GPS(几何公差)与传统的正负尺寸公差比较，主要有以下几个优点，所以要想设计一张好图纸，建议除大小外，其它如形状，方向和位置用形位公差来控制。

1）   采用正负尺寸公差控制两要素之间的位置时，由于没有基准，测量结果不确定，从而可能导致把不合格的零件接收。如下图3 所示：测量时选择不同的面作为基准时，会出现不同的测量结果，这样就会引起歧义。解决此类问题的唯一办法就是用GPS(几何公差)来标注图纸，选择其中一个面作为基准，用轮廓度或位置度来控制两个面的位置，如图2所示，这样测量时就会以基准面作为测量起点，从而到达测量结果唯一。

图3  正负尺寸公差控制位置

图4  GPS（几何公差）控制位置

２）用正负尺寸公差控制要素的位置时，公差带是方形且固定，这样就有可能把满足装配功能的零件拒绝掉，如果改用GPS（几何公差）的位置度，公差带变成圆形，且公差带面积增大57%，从而产品合格率增大，如图5所示 ：                     

图5 正负公差与几何公差公差带比较

3） 用正负尺寸公差标注图纸会引起公差的累计,导致零件和装配件的公差累计过大，从而影响产品的装配和功能。GPS（几何公差）标注图纸时用的是理论尺寸，不会有公差的累计的问题，如图6所示，正负尺寸公差标注时孔3到B端位置公差为正负1.5mm, GPS（几何公差）图纸标注时孔3到B端位置公差为正负0.5mm，公差累计小。

图6 正负公差与几何公差公差累计比较

4） 不用正负尺寸公差，而用GPS(几何公差)中的位置度去控制孔的位置，并且在位置公差后面加M圈，如图7所示，这样就可以带来两大优势，一方面位置度公差可以得到补偿，及当孔的大小偏离最大实体尺寸时，位置度公差可以放大，从而可以在满足装配功能的前提下，放大制造公差，如图8所示的动态公差图，绿色三角公差区域为公差补偿区，及产品合格率提高区。另一方面可以方便做检具进行产品的快速在线检测，先用A、B、C基准对零件进行定位，在理论位置插入相应的检测销子，能插入位置度就算合格，检测非常方便，快捷。

图7 几何公差位置度标注及其检具

图8 位置度公差补偿对比分析

5） GPS(几何公差)能方便简洁地表达基准定位功能要求，如当基准孔和定位销之间有间隙，及产品在装配定位时可以晃动调整，从而有利于产品的装配和合格率。通过在基准后面加M圈就可以表达这样的设计要求，如图9所示，基准后面加M 圈也会有利于检具的定位销好做，做成圆柱销而不是圆锥销。

图9 基准带M圈图纸标注及其检具

4 GPS(几何公差)在复合公差方面的应用

GD&T 美标ASME Y14.5的复合公差，如复合轮廓度和位置度有效地解决曲面和孔组的方向问题，当一个平面对基准的位置、方向以及自身的形状有不同的要求时，可以用组合的形位公差标注(见图10左边标注)，也可以用复合轮廓度表达同样的功能要求(见图10右边标注)。实际零部件以曲面居多，当对曲面的位置、方向和形状要求不同时，只能用复合轮廓度来标注图纸，所以复合轮廓度解决了曲面的方向问题。

图10 复合轮廓度的标注

美标ASME Y14.5复合位置度,解决了孔组的方向问题，如图11所示，位置度上下两行，上行管控孔组到基准的位置，下行控制孔组整体与基准的方向，及孔组与基准的平行关系，这里如果用常规的平行度来控制根本解决不了问题，因为常规的平行度只控制单个孔对基准的平行关系，而零件装配后是孔组决定平行关系，不是单个孔。从图12复合位置度下行位置度的检具检测方案，可以看出，下行的基准只约束方向，不限制位置自由度。

    图11 复合位置度图纸标注

图12 复合位置度及其检具检测

5.GPS标准的应用

到当今世界上几何公差主要有两大标准，美国ASME Y14.5-2009和欧洲标准ISO 1101-2012，中国的尺寸公差标准GB/T 1182-2008主要是翻译等效ISO 1101-2004标准，由此可以看出中国的尺寸公差标准与国际标准相比，版本相对落后。一些先进的公差标准方法在中国的标准中还没有，比如复合轮廓度和复合位置度等。

中国的制造性企业在使用中国尺寸公差标准时，明显感觉标准中的内容不够用，想要的功能无法用现有的标准表达出来，另外由国外企业按照最新标准设计的图纸看不懂，所以中国尺寸公差标准更新迫在眉睫。新的ISO标准部分更新的内容见下表所示。

表1  GPS 新标准部分更新的内容

图13 GPS 3D公差标注-无图纸设计的趋势

      图14 GPS 定向平面-解决3D标注中公差带方向问题

图15 GPS延伸公差标注-解决螺纹孔紧固干涉问题

图16 GPS延伸公差标注-解决螺纹孔紧固干涉问题