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测量实践指南CAX软件研发中心@163.com1测量实践指南CAX软件研发中心@163.com2摘要此测量实践指南主要讲述了产品设计与测量之间的关系，适用于设计工程师和测量工程师。在阅读此指南后,设计工程师应当能更好地理解测量，测量工程师应当能更好地理解设计工程师的意图。2005年7月声明根据合同GBBK/C/0817(由海克斯康测量技术公司与贸易部及国家计量局共同签订)的要求，编写了此文档。非常感谢海克斯康测量技术公司、Tesa技术公司及Renishaw公司，他们提供了许多照片；同时也要感谢NPL的RichardLeach博士及TalerHobson公司的PaulScott教授对此指南提出的改进意见。测量实践指南CAX软件研发中心@163.com3目录前言6序言8此指南是什么，不是什么9生产的整体分析9产品几何量规范与认证9为了制造对图纸进行的转换12为了测量对图纸进行的转换13标准参考温度14设计15设计者的角色——应用现代设计手段CAD、有限元(FEA)及数学模型16转换设计以更易于制造和测量17为什么尺寸要求公差？19设计零件时对于测量的考虑19我是否能设计一个较易测量的零件？19制造22零件制造介绍23基本制造及加工工艺概览24监测工艺过程26趋势监测及统计控制26测量实践指南CAX软件研发中心@163.com4过程控制及测量反馈27图纸28概览：什么信息被传递——尺寸、形状、位置和表面粗糙度29建立坐标系（基准）44基准是否容易测到？46虚拟基准46为什么局部圆弧是坏基准？47用坐标测量机测量局部圆弧存在的问题47公差真的要求那样小吗？48昀小二乘法还是昀小条件?48检测50保证零件符合要求51取样对比100%检测51选用合适的检测工具51检测图纸上规定的尺寸是否符合公差要求？51已出版的标准57已出版的标准清单58名词词汇59名词词汇(解释略)60附录61附录A与测量有关的信息资源62测量实践指南CAX软件研发中心@163.com5A.1国家和国际组织62A.2网络62A.3国家和国际标准63A.4溯源性63A.5国家测量伙伴(NMP)64A.6培训教程64A.7进一步的读物65附录B进一步的读物67B.1昀大实体条件示例67B.2统计过程控制68测量实践指南CAX软件研发中心@163.com6工程图转换的实践基础前言作者希望读者在读完此测量实践指南后，在测量尺寸和形位公差时可以做得更好。此书的内容比一般“工程设计”的教科书更为简单，希望能让更多的读者更容易理解。我们并不希望此测量实践指南去替代现有教科书、操作手册和标准规范的全部内容，而是用作工程实践及技术的概览。RichardLeach博士在2003年就说过“计量不仅仅是昀终产品的测量过程，而且在设计阶段就应考虑它。在设计、制造和检测的各个阶段，均应按照产品几何量规范(GPS)的模式、公差及不确定度要求考虑公差的合理性。昀根本的原因在于：若产品难于测量而须重新设计产品，比在开始设计时就考虑了计量，则要付出更高的代价。”测量实践指南CAX软件研发中心@163.com7测量实践测量实践指南CAX软件研发中心@163.com8第一章序言在此章内测量实践指南CAX软件研发中心@163.com9此测量实践指南考虑了从设计、制造到检测的生产全过程，并且从全局上综述了如何在现代化制造中优化生产。此指南是什么，不是什么此指南将尽可能地给出足够的信息，使测量工程师了解设计工程师的规范与要求，同时让设计工程师了解一些现代化测量方法以及测量背景知识。但是，此测量实践指南并不打算作为工程图规范的权威指南。生产的整体分析在产品的生产全过程中，只有每个人都能正确地交流与有效地沟通，才能完成对生产过程的整体分析。在生产过程中，目前沟通的主要工具就是工程图。它是所有生产过程中的核心参与者，在设计的一开始就决定了他们能否正确的介入。RichardLeach博士在2003年就说过——“计量不仅仅是昀终产品的测量过程，而且在设计阶段就应考虑。在设计、制造和检测的各个阶段，均应按照产品几何量规范(GPS)的模式、公差及不确定度要求考虑公差的合理性。其昀根本的原因在于：若产品难于测量而须重新设计产品，比在开始设计时就考虑了计量，则要付出更高的代价。”目前制造业面临的问题是，它的发展趋势是要把人培养成专家。因为现代化的生产是如此复杂，以至于很少人了解它的全部过程。产品必须满足其设计要求和标准规范，而且应在所处环境下，选用适当、经济的方法生产。产品生产必须从设计到装配的每个阶段都考虑且量化质量，而不仅仅是检测昀后成品。面对市场激烈的竞争环境，制造方法必须柔性化，这样，才能对市场需求、产品类型、数量及生产率迅速做出反应；还必须考虑使用新材料、新制造方法以及计算机辅助制造。整个生产组织是一个庞大且复杂的系统，它们要求从所有的层次做出反馈，来保证优化使用所有的原材料、机器、能源、资金、劳动和技术资源。测量实践指南CAX软件研发中心@163.com10产品几何量规范与认证的简介在深入了解工程图之前，你需要了解一点儿“产品几何量规范与认证”（简称为GPS）。GPS是根据产品的性能要求给出其基本几何特征的规范要求。功能性安全性可靠性互换性GPS由一系列的标准组成，GPS标准根据作用域的大小，可分为以下四大类： z基本的GPS标准(尺寸及公差的基本原则) z全局的GPS标准(影响几个或所有的通用和补充的GPS标准，例如，ISO1-关于标准参考温度)z通用的GPS标准(是GPS标准的主体，为不同的基本几何特征制定了关于图样标注、公差定义和检验要求的规则。可用一个二维矩阵（2X2）表示，根据几何特征的种类划分矩阵的行，根据其相应的技术规范和要求划分矩阵的列)z补充的GPS标准(是对通用的GPS标准的补充，即对组成要素在特定范畴的应用规范。例如，特定工艺（车、铸造等）的公差标准)这一节将简要地介绍GPS，更为详细的GPS介绍，您可以参考附录A.7提到的文献《产品几何量规范与认证》。工程图是目前生产中主要的沟通工具，GPS给出了明晰的、无歧义的基本几何特征的定义，而且规定了此几何特征的误差极限，这个极限称为公差。图1成品在零件的第一步设计阶段，设计工程师设想所有的零件在形状和尺寸上都是完美的。但是，在生产过程中，由于各种因素将造成零件的误差。例如，它们在尺寸、形状、表面粗糙度等方面存在不可避免的误差，这些误差可能引起零件的功能失效。为此，引进了“极限”这个公差术语，并且给出了便于理解的、标准的定义，将生产过程中不可避免的误差，纳测量实践指南CAX软件研发中心@163.com11入质量可量化的范围。为了控制零件的误差，GPS定义了一系列几何量的公差要求，如尺寸公差、形位公差和表面形貌（例如：表面粗糙度）等，如图2所示。图2GPS公差类型GPS是由ISO国际标准化组织编写的几何量规范标准，涵盖了标注在技术图纸上有关几何量(尺寸、距离、半径、角度、形状、方向、位置、跳动、表面粗糙度、表面波度、表面缺陷、边缘等)的公差要求、相关的几何量检测原理、检测仪器以及它们的校准。简单地说，GPS给出了微观和宏观的几何特征的规范要求，以及根据相应的要求选用合适的仪器进行检测和校准。GPS根据几何要素的作用域空间，将世界划分为以下三种世界（可参考ISO14660-1:1999的序言）：理想世界：设计者想象中的带理想特征参数的产品实际世界：即实物世界检测世界，用测量仪器通过对实际特征参数取样得到的产品正确理解上述三个世界的边界和相互关系，在沟通中显得尤为重要。ISO14660给出了在这三个世界中对应的几何要素特征的标准定义，以便各个世界之间相互沟通。由ISO/CD14659定义的对偶性原理亦十分重要，一个规范的定义是独立于任何检测过程和仪器的，检测过程和仪器完全受控于规范(规范操作者——检测操作者)，所有规则都是为规范而定——任何计量仅仅应用此规则——误差将是测量不确定度的组成部分。对所有在设计、制造和计量等部门工作的人，熟悉和了解GPS标准的规范要求是极其重要的。GPS清楚地、无二义性地给出了几何量的公差要求，保证每个部门的人都能了解设计的要求。GPS标准主要制定了工程图的基本技术规则，GPS包含的基本要素和几何公差如图3所示。测量实践指南CAX软件研发中心@163.com12 图3GPS各公差模块GPS标准规范由六个环组成：1.图样标注：设计了工程符号作为通用的工程语言，以跨越国家、自然语言的界线。2.理想要素的公差定义及规范值：制定了符号如何转换成唯一的数值表达式。3.实际要素的特征、参数和定义：实际要素应以数学表达的方式予以定义，以便于计算机计算。4.比较认证：当几何量偏离规范，根据测量不确度判断合格或不合格。5.测量仪器：关于测量仪器的性能参数的规范。6.标定校准：关于测量仪器的标定、校准的方法和要求的规范。上述六个环都与设计、制造及检测密切相关。昀近，为了充分利用对偶性原理的对偶性，GPS将先前的六个环修订为七个环（列），第一列：图样标注；第二列：公差定义及规范值；第三列：提取要素的特性定义-规范操作；第四列：比较；第五列：提取测量值的要素特征；第六列：测量仪器的计量特性；第七列：测量仪器的校准和对几何量的检测，只适用于无争议的合同的检测。更多的GPS资料可参见GPS研究院的网址:。线和表面的形状 与基准无关 与基准有关 方向 位置 圆跳动 全跳动 基准 表面粗糙度 波纹度 主轮廓 表面缺陷 边缘测量实践指南CAX软件研发中心@163.com13为了制造对图纸进行的修改或转换通常来说，设计者并不给出加工零件的细节，但经常根据加工的顺序，给出加工的基准面，并且由此给出加工的尺寸。此基准面可以用作制造过程的装夹面。注：基准是具有理想形状的理想要素。在生产中，图纸在各个阶段中所使用的基准可能与设计图的基准不同，例如，使用夹具上的定位孔加工其他要素；加工叶片中的槽，一旦把槽加工出来，原来的孔可能在成品之前被去除。对于追求高质量的产品来说，在加工之前的设计阶段，必须考虑以下几个方面： 选用什么样的加工方法更合适？ 资源是否具备？例如机床、工具、人员、设备； 我们如何装夹零件？ 是否需要夹具？ 是否在线检测？是用量规还是测量仪器？ 选用什么样的仪器昀合适？ 我们是否已考虑了测量不确定度？ 是否需要培训？当这些问题得到回答之后，接着需要考虑如何监视加工过程。我们推荐使用统计技术来协助加工。为了测量对图纸进行的修改或转换为了测量对图纸进行的修改或转换，不能过高强调其重要性。对测量而言，我们一般采用零件的同一个几何特征作为基准，来建立坐标系。测量基准应当与图纸上的或CAD模块中的设计基准保持一致。图纸中的基准一般选用重要的几何特征——定位要素，基准可以是面(表面)、中心线(轴线)或一系列特征。多个基准可构成一个基准系，用传统的测量设备比较容易建立基准系，例如用平台加上角度板，千分表，高度尺及量块(见图4)。若需使用CAD数字模型，也可以选用数字仪器进行测量，例如三坐标测量机(CMM)，如图5所示。注：CAD有时称为计算机辅助绘图，而把CADD称为计算机辅助绘图及设计，CAD与CADD基本上是相同的意思。图4量块