GB_T 40810.2-2021 产品几何技术规范（GPS） 生产过程在线测量 第2部分：几何特征（形位）的在线检测与验证-（高清正版）.docx

前言引言 范围 规范性引用文件 术语和定义 一般规定 在线形位特征的检验操作 形位特征的统计受控判断     附录 （资料性） 在线形位误差提取操作方案附录 （资料性） 在线形位误差拟合操作的最小二乘模型附录 （资料性） 磨削加工在线圆度误差测量系统及检验操作示例附录 （资料性） 与矩阵模型的关系参考文献犌犅犜前言本文件按照标准化工作导则  第部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件是产品几何技术规范（） 生产过程在线测量的第部分。 已经发布了以下部分：第部分：几何特征（尺寸、表面结构）的在线检测与验证；第部分：几何特征（形位）的在线检测与验证。本文件由全国产品几何技术规范标准化技术委员会（）提出并归口。本文件起草单位：中机生产力促进中心、陕西威尔机电科技有限公司、郑州恩普特科技股份有限公          司、山东道先为智能科技有限公司、哈尔滨工业大学、郑州大学、中机研标准技术研究院（北京）有限          公司。本文件主要起草人：明翠新、范厚杰、李军伟、张琳娜、郎岩梅、黄景志、朱悦。犌犅犜引言针对生产过程中产品的尺寸、形状、方向、位置等几何精度的数字化测控方法不完善、几何精度的数          字化检验方法和测量不确定度评估方法缺失、过程质量精度测控手段被动落后等关键问题，重点研究产          品几何精度的数字化测量理论、方法和技术，构建符合新一代的几何精度检验操作规范体系和控          制策略。是基于新一代产品几何规范体系，运用数字化在线测量技术、统计学习及分析理           论、先进制造技术、系统集成及管理技术等，通过理论分析、模型映射和仿真模拟实验验证等手段开展           制定的生产过程在线测量推荐性国家标准。重点解决在线几何特征检验标准规范的系统性、完整性、统          一性问题，为有效解决生产过程中几何特征检测与控制的数字化、自动化和智能化问题奠定了必要的技          术基础。主要用于规范生产过程中几何特征的检测与验证策略及方法，并给出生产过程中（在            线离线）产品质量精度测量的数字化操作方法与检测规范。为了方便读者使用，将标准分为两个部分          进行编写，两部分内容相互关联又各自独立，共同构成了几何特征的在线检测与验证规范的内容由两部分构成。第部分：几何特征（尺寸、表面结构）的在线检测与验证。规定了生产过程中几何特征（尺寸、             表面结构）的在线检测与验证规范。描述了基于的在线要素提取、滤波（表面误差分离）、           拟合、评估、合格性判断以及缺省操作规范的方法。第部分：几何特征（形位）的在线检测与验证。规定了生产过程中几何特征（形状和位置）的在线检测与验证要求。描述了形位特征在线检验操作及合格性评定规则。犌犅犜产品几何技术规范（犌犘犛） 生产过程在线测量第部分：几何特征（形位）的在线检测与验证 范 围本文件规定了生产过程中形状和位置（以下简称形位）特征的在线检测与验证（以下简称检验）要          求，描述了形位特征在线检验的检验操作及合格性评定规则。本文件适用于生产过程中形位特征的在线检测与验证。 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文         件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于           本文件。 产品几何技术规范（） 几何公差 形状、方向、位置和跳动公差标注 产品几何技术规范（） 几何公差 检测与验证 产品几何技术规范（） 几何公差 基准和基准体系 产品几何量技术规范（） 工件与测量设备的测量检验  第部分：按规范检验合格或不合格的判定规则 产品几何量技术规范（） 工件与测量设备的测量检验  第部分：测量设备校准和产品检验中测量的不确定度评定指南 产品几何技术规范（） 工件与测量设备的测量检验  第部分：关于对测量不确定度的表述达成共识的指南 术语和定义、界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 在线形位误差测量 狅狀犾犻狀犲犳狅狉犿犪狀犱狆狅狊犻狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋生产过程中进行形位特征的测量。检验操作 狏犲狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅狆犲狉犪狋犻狅狀实际规范操作所规定的测量过程或测量设备或两者结合的实施过程的操作。来源：，检验操作集 狏犲狉犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅狆犲狉犪狋狅狉一组有序的检验操作。注：检验操作集是测量程序的基础。犌犅犜注：中还规定了理想检验操作集、简化检验操作集和实际检验操作集。评估 犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀用于确定某一特征值或其公称值和其极限值的操作。来源：， 一般规定  形位特征主要包括形状误差、方向误差和位置误差。在线形位误差的检测与验证过程主要包括：根据技术文件确认形位公差规范；制定并实施在线检测与验证规范或检验操作集；在线评估测量不确定度；在线测量结果合格性评定。  在线测量方法包括接触式和非接触式。接触式可以采用触针式传感器等，非接触式可采用光电式传感器、图像传感器等。  在线测量系统与加工系统构成闭环，工件加工过程中将测得的形位特征信息反馈给加工系统实现加工自动化。某一工序完成后，对工件实施在线测量，并根据获取的形位特征评价工艺能力，从而修正        ;  加工过程。注：在线形位误差测量系统是指由测量装置、驱动器及控制器（或计算机处理系统）等构成的形位误差实时测量            系统。  测量条件应在检测与验证规范中规定。实际操作中，所有偏离规定条件并可能影响测量结果的因素均应在测量不确定度评估时考虑。  在线测量的条件主要包括：选择接触式传感器应考虑：测头的灵敏度及精度指标、测头的结构、探针形状及长度等；选择非          接触式传感器应考虑：传感器结构、精度指标等。测量力的条件为：对于非接触式测量不考虑该因素；对于接触式测量，测量力的实际值应在设计值的允许变化范围以内，例如，内、外圆磨削加工中，推荐的测量力设计值为，测量力的实际值应在设计值的范围以内。当温度在某一范围内变化时，测量值的变化量不应大于其允许值。示例见的附录。测量过程中考虑其他因素对信号示值和零位的影响，例如，电压波动（接触式）、图像处理过程（非接触式）等。在线形位误差检验前应进行系统校准。在线形位误差检验时，除非另有规定，表面粗糙度、划痕、擦伤、塌边等外观缺陷的影响应排除          在外。  在线形位误差测量的方法及操作步骤应依据检验操作集。在线形位误差检验操作集包括提取操作、滤波操作、拟合操作、评估操作等。  在线形位特征测量中，若有测量不确定度评估要求，按照描述的评估方法进行。 在线形位特征的检验操作  在线形位特征的提取操作形位特征的在线提取应确定测量点的布置、数目和测量方法，提取策略应根据零件的几何特征、功          能要求、材料和加工工艺等因素确定。图给出了采用接触式测量被测要素的在线提取示意图。推荐           犌犅犜的形位误差提取策略见附录。犪） 平面提取犫） 截面圆提取图 形位误差在线提取示意图注：考虑到在线测量的实时性和快速性，诸如圆度、平面度、圆柱度、平行度、垂直度、同轴度等形位误差的检测可             以通过对相应的面、圆、圆柱的测量并进行计算得到。注：位置误差检测时基准的体现见附录。  在线形位特征的滤波操作滤波操作不是一个必选的要素操作，目前国家相关标准尚未规定缺省的滤波器及其参数，因此，如          果图样或其他技术文件中没有明确给出滤波器及其参数，则不要求滤波操作；如果图样上或其他技术文          件中给出了滤波器规范，那么按照规范规定的滤波器类型和滤波器指数进行滤波操作。注：接触式测量中的探针球型针尖、激光测量中的光斑等，具有形态滤波器的作用。注：滤波器传输率大于规定比率的正弦轮廓的波带宽，它由上下两端截止波长值定义，通常规定比率为。                注：为了提高测量系统的抗干扰性能，在设计软件时采用数字滤波技术（如高斯滤波器）进行采样数据预处理。  在线形位特征的拟合操作  在线拟合方法形位误差是被测要素的提取要素对其理想要素的变动量。理想要素的形状由理论正确尺寸或和         参数化方程定义，理想要素的位置由对被测要素的提取要素进行拟合得到。拟合的方法有最小区域法         （切比雪夫法）、最小二乘法、最小外接法 和最大内切法等。）                                  对获得理想要素位置的拟合操作缺省：如果工程图样上无相应的符号专门规定，加工中在线获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小二乘法；加工后获得理想要素位置的拟合方法一        般缺省为最小区域法。）                         对获得被测要素过程中的拟合操作缺省：如图样上无相应的符号专门规定，拟合方法一般缺省为最小二乘法。）                                   对基准要素的拟合操作缺省：除非图样上有专门规定，拟合方法一般缺省为实体外约束的最小二乘法（对于包容面、被包容面、平面、曲面等）。  最小二乘拟合数学模型最小二乘拟合法的数学模型见附录。  在线形位特征的评估操作通过在线评估操作获得形位特征值。形位误差值是用切比雪夫法确定位置的理想要素包容被测要         素的提取要素时，具有的最小包容区域的宽度值或直径值。方向位置误差值用定向定位最小包容区          域的宽度值和直径值表示。犌犅犜  合格评定按测量任务和相应的规范要求进行在线形位特征的合格性评定，是将测量结果与该过程形位特征         规范进行符合性比较判定。附录给出了在线圆度误差的检验示例。 形位特征的统计受控判断采用过程控制工具对生产过程中的形位特征进行统计分析，如绘制分析用控制图等，从而对形位特         征进行统计受控状态判断，并对生产过程进行分析评价。注：统计受控状态是指当过程仅受随机因素影响时，过程处于统计控制状态。犌犅犜犃  栅格提取方案附   录 犃（资料性）在线形位误差提取操作方案栅格提取方案是指在分离获得的提取区域内，由在多个方向上分别平行且等距分布的轮廓所构成         的提取方案。轮廓相交形成的是封闭栅格，提取时，顺序在栅格的角点处进行提取。根据栅格形状的不同将栅格提取方案划分为矩形、鸟笼、极坐标、三角形栅格和米字形栅格等。表给出了栅格提取方案的示例。表犃  栅格提取方案的示例类型示例说明特征矩形栅格用于矩形平面的情况可评定双向或多向谐波成分， 谐波评定能力强，多用于需要获取整个表面信息的场合鸟笼用于圆柱面的情况极坐标栅格用于圆形平面的情况三角形栅格用于矩形平面的情况米字形栅格用于矩形平面的情况犃  分层提取方案分层提取方案是指在分离获得的提取区域内，由沿单一指定方向等间距分布的轮廓组成的提取方         案。它形成的是一系列如层状的平行轮廓，通常在平行轮廓上等长度或角度间距地进行提取。分层提取方案根据轮廓形状和适用的表面类型的不同可分为圆周线、平行线、母线提取方案，如表所示。犌犅犜表犃  分层提取方案的示例类型示例说明特征圆周线用于圆柱面的情况仅能评定单向谐波成分，多用 于只需获取表面局部信息的场合平行线用于矩形平面的情况母线用于圆柱面的情况犃  特殊曲线提取方案特殊曲线提取方案是指在分离获得的提取区域内，由单一特殊曲线（如螺旋线、渐开线等）或特殊曲          线与直线轮廓共同组成的提取方案，通常沿特殊曲线等角度或等长度距离或在特殊曲线与直线的相交处进行提取。其常见类型如表所示。表犃  特殊曲线提取方案的示例类型示例说明特征螺旋线用于圆柱面的情况不论提取路径单一与否，均能 获得多个方向的谐波成分，多用 于获取特殊表面信息的场合渐开线用于圆形端面的情况蜘蛛网用于圆形端面的情况犃  布点提取方案布点提取方案是指在分离获得的提取区域内，由在非理想表面模型上以随机方式或布点方式得到的一组点组成的提取方案，典型的有用于平面的和用于圆柱面的布点提取方案，如图所示。这种方案提取点的密度比上面列出的种方案明显要少，这限制了对要素轮廓谐波成分的评定能力，提取点           犌犅犜过少，对于后续操作滤波也会有相应的影响，因此，除非只是对几何参数近似估计，一般不宜使用这种          方案。犪） 用于平面犫） 用于圆柱面图犃  布点提取方案的典型示例犌犅犜附   录 犅（资料性）在线形位误差拟合操作的最小二乘模型最小二乘拟合的基本思想是使残差的平方和为最小。假设理想要素与其等距图形的距离为，则残差可表示为：犲犻犻 犻，犿。典型形位误差的最小二乘模型见表。表犅  典型形位误差的最小二乘模型误差项目数学模型参数意义素线直线度犿犿犿犿犿犿犿犿犻犡犻 犻犡犻犻犡 犡犻犻犡犻犻  犻犻  犻， 犻  犻犻犻犿犿犿犿犿犿犿犡 犡犻犡犻犿犡 犡犻犡犻犻  犻犻犻犻  犻犻犻残差表达式：犲犻犻犡犻犻是实测误差值，犡犻是测点坐标值， 是绕轴的回转角，犿为测点总数空间直线度 犿 ，狓 犿 ，狔 犿 犿犻 犻犿犻 犻犻犿犻 犻犻犿犿 犻犣犻犻， 犻犣犻犻犻犻犿犿犣犣犻 犻犻 犻残差表达式：犲犓 犻（犼犻）犣犻犼犣犻犼狓犼狔犼犻，犿 犼，犘犣犻 为测量点犣 坐标值，（犻，犻）为实际测量误差的极坐标，犼为等距线性化所引入的参数，一般取犼   犼犘；犲犓 中的犓 为统一序号， 犓（犻）犘犼，犘为犼的分点数，犿为测点总数圆度 犿 ，狓 犿 ，狔 犿 犿犻 犻犿犻 犻犻犿犻 犻犻残差表达式：犲犻犻狓犻狔犻（犻，犻）为实测误差的极坐 标，（狓，狔）为拟合圆的圆心坐 标值，犿为测点总数平面度 犿犿 犿 ， 犻 犢犻犻 犻犡犻犻 犿犻 犻犿  犡  犿 犢犻  犻犻 犻残差表达式：犲犻犻犢犻犡犻犻为实测误差值，（犡犻，犢犻） 为测量点的直角坐标值，、分别为拟合平面绕坐标轴 犡、犢的旋转角，犿为测点总数圆柱度 犿 ，狓 犿 ，狔 犿 犿犻 犻犿犻 犻犻犿犻 犻犻犿犿 犻犣犻犻， 犻犣犻犻犻犻犿 犣犿 犣 犻 犻犻 犻残差表达式：犲犻犻犣犻犻犣犻犻狓犻狔犻（犻，犻）为实测误差的极坐标；犣犻为测量点的犣     坐标值，（狓，狔）为拟合圆柱中心线与坐标平面的交点坐标值， 、 分别为拟合圆柱中心线绕坐标轴犡、犢 的旋转角，犿 为测点总数犌犅犜表犅  典型形位误差的最小二乘模型 （续）误差项目数学模型参数意义面对线的平行度犿犿犿犿犻犡犻 犡犻犡犻犻烌 犻 犻犻犻犿犡 （犡犻）（犡犻）犿犿犿犻犻犻犻烍犿犿犿    犻  犡犻犻 犻 犿犻  犡犻犻 犿 犿犡 （犿 犡 ）（犿 犡 ）烎犻犻犻犻犻犻残差表达式：犲犻犻犡犻犻为实测误差值，（犡犻，犢犻） 为测量点的直角坐标值， 为拟合平面绕坐标轴犢 的旋转角犌犅犜附   录 犆（资料性）磨削加工在线圆度误差测量系统及检验操作示例犆  磨削加工在线圆度误差测量系统构成磨削加工在线圆度误差测量系统主要由信号测量单元、信号处理单元和控制单元等构成。信号测           量单元包括测头、测量装置本体和测头进退油缸，信号处理单元和控制单元功能由主动测量控制器实现，如图所示。测量装置采用单臂式电感式位移传感器，驱动装置驱动测头进入或退出测量工位，通过对前后微调机构的调整，可以使测头对准工件中心或合适位置。测量系统在加工过程中直接实时            测量工件的圆度误差，测量系统将工件半径变化量传递给控制器，再由控制器进行圆度误差计算，并将            结果反馈给数控磨床控制系统。图犆  磨削加工在线测控系统犆  在线圆度误差检验操作示例犆  概述本示例为外圆磨削加工光磨阶段工件圆度误差的在线检测与验证。犆  预备工作明确当前工件转速及测量装置的采样频率。根据磨削加工信号点，当控制器判断进入光磨阶段时，           开始进行工件圆度误差测量。犆  被测要素检测与评估被测要素检测与评估包括：） 分离：根据图样规范要求，确定被测工件表面及测量界限。）                           提取：根据图样规范要求，考虑工件的功能特征、结构特征及加工工艺等确定提取方案，采用测头沿被测件横截面圆周进行测量，并根据工件转速及采样频率值，由测量数据提取得到截        面圆。）                                      滤波：根据图样规范要求，采用相应滤波器对提取截面圆进行滤波，获得滤波截面圆轮廓。若图样没有滤波要求，该操作可省略。） 拟合：根据图样规范要求，缺省情况下，采用最小二乘法对滤波后的提取截面圆进行拟合，获犌犅犜得提取截面圆的拟合导出要素（圆心）。）                                   评估：被测截面圆的圆度误差值为提取截面圆上的点到拟合导出要素（圆心）之间的最大、最小距离值之差。重复上述操作，取其中的最大误差值为圆度误差值。犆  合格评定将得到的圆度误差值与图样上给出的圆度公差值进行比较，判定被测工件圆度是否合格。犌犅犜犇  概述附   录 犇（资料性）与犌犘犛矩阵模型的关系关于矩阵模型的完整细则，见。中的矩阵模型对体系进行了综述，本文件是该体系的一部分。除非另有说明，给出的基本规则适用于本文件，给出的缺省规则适用于按照本文件制定的规范。犇  关于标准及其使用的信息本文件规定了生产过程中形位特征的在线检测与验证规范。给出了形位特征在线检验的检验操作         及合格性评定规则。犇  在犌犘犛矩阵模型中的位置本文件是一项通用标准。本文件给出的规则和原则适用于矩阵中所有标有实心点（）的部分。见表。表犇 犌犘犛标准矩阵模型几何特征链环符号和标注要素要求要素特征符合与不符合测量测量设备校准尺寸距离形状方向位置跳动轮廓表面结构区域表面结构表面缺陷犇  相关的标准表所示标准链涉及的标准为相关的标准。犌犅犜参 考 文 献 产品几何技术规范（） 基础 概念、原则和规则 产品几何技术规范（） 矩阵模型 产品几何技术规范（） 通用概念  第部分：几何规范和验证的模型 产品几何技术规范（） 通用概念  第部分：基本原则、规范、操作集和不确定度 产品几何技术规范（） 生产过程在线测量  第部分：几何特征（尺寸、表面结构）的在线检测与验证