專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于gps的虛擬量規(guī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，主要用于解決幾何產(chǎn)品的數(shù)字化計(jì)量與 認(rèn)證的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。特別介紹了一種虛擬量規(guī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
線(xiàn)性尺寸作為產(chǎn)品的主要幾何特征之一，影響著工件/要素的尺寸精度、裝配精度，以及 產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，在很大程度上決定著產(chǎn)品的功能和性能特點(diǎn)。傳統(tǒng)的線(xiàn)性尺寸規(guī)范設(shè) 計(jì)及圖樣表達(dá)，僅僅考慮了功能要求與公差值大小之間的關(guān)系，而往往忽視了檢驗(yàn)認(rèn)證方法 對(duì)功能特征的影響，規(guī)范的定義簡(jiǎn)單且類(lèi)型單一，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代制造技術(shù)和尺寸方面交
流的需求；傳統(tǒng)的線(xiàn)性尺寸計(jì)量體系主要是面向手工環(huán)境、實(shí)體計(jì)量(儀器)系統(tǒng)。隨著科 學(xué)技術(shù)和制造水平的不斷提高，這種單一的計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)建模式受到了挑戰(zhàn)，其硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 儀器設(shè)計(jì)制造及操作維護(hù)不便、資源共享較差，功能擴(kuò)展困難等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著計(jì)量水平 的發(fā)展和計(jì)量精度的提高。
現(xiàn)代產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)以計(jì)量數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，著力于解決傳統(tǒng)計(jì)量認(rèn)證體系中存在 的上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)幾何產(chǎn)品的數(shù)字化計(jì)量認(rèn)證及實(shí)體計(jì)量系統(tǒng)與虛擬計(jì)量系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。
因此，在幾何產(chǎn)品的檢驗(yàn)認(rèn)證中，應(yīng)用GPS技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬計(jì)量工具，可以很方便地 根據(jù)工件測(cè)量的需要?jiǎng)?chuàng)建各種形狀和尺寸的量規(guī)模型,而毋需顧慮制造問(wèn)題；除存在一定的可 忽略不計(jì)的量化誤差和模型噪聲等外,精確的數(shù)字量規(guī)模型基本上不存在精度問(wèn)題。這樣不僅 可以滿(mǎn)足線(xiàn)性尺寸精密計(jì)量的要求，確保產(chǎn)品的功能特征的實(shí)現(xiàn)，而且可以實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)量， 避免實(shí)體量規(guī)設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為實(shí)現(xiàn)幾何產(chǎn)品的數(shù)字化計(jì)量與認(rèn)證，提出了一種基于GPS的虛擬量規(guī)的 設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法。其應(yīng)用體現(xiàn)在兩個(gè)方面， 一是作為實(shí)際零件合格性的評(píng)價(jià)工具(即工作量 規(guī))，用于驗(yàn)證實(shí)際形位誤差和尺寸誤差是否與設(shè)計(jì)的形位公差和尺寸公差相符合；二是作 為軸用工作量規(guī)的校對(duì)量規(guī)，判斷實(shí)體的軸用工作量規(guī)是否可用。
本發(fā)明的技術(shù)思路是，應(yīng)用新一代GPS操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性尺寸的數(shù)字化計(jì)量，運(yùn)用GPS 特征技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬量規(guī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果是，解決了傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x器存在的一些弊端，以及實(shí)體工作量規(guī)和校對(duì)量規(guī)由于設(shè)計(jì)、制造及使用等帶來(lái)的誤差；解決了實(shí)體量規(guī)(特別是校對(duì)量規(guī))的制造困難， 降低了檢測(cè)的費(fèi)用。采用新一代GPS中基于計(jì)量學(xué)的操作技術(shù)及特征技術(shù)，規(guī)范了線(xiàn)性尺寸設(shè) 計(jì)與計(jì)量過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，提出了線(xiàn)性尺寸實(shí)體計(jì)量系統(tǒng)與虛擬計(jì)量技術(shù)的互補(bǔ)的計(jì)量認(rèn)證 思路和方法，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、理論性、集成性、可操作性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，為幾何產(chǎn)品的 檢驗(yàn)認(rèn)證提供了新思路，對(duì)于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和現(xiàn)代化有重要意義。



具體實(shí)施例方式
為了保證產(chǎn)品的使用要求， 一般同時(shí)提出局部線(xiàn)性尺寸和全局線(xiàn)性尺寸檢測(cè)規(guī)范。如果 根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求采用了包容要求，那么在檢驗(yàn)認(rèn)證階段必須使局部尺 寸不超越最小實(shí)體尺寸LMS (least material size)，全局線(xiàn)性尺寸不超越最大實(shí)體尺寸 MMS(maxium material size)。如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求采用的是最大實(shí)體要求，那么在檢驗(yàn)認(rèn)證 階段必須使局部尺寸不超越最小實(shí)體尺寸，全局線(xiàn)性尺寸不超越最大實(shí)體實(shí)效尺寸 廳VS(maxium material virtual size)。因此，虛擬通規(guī)(全形的)是以擬合要素的方位特 征為軸線(xiàn)，以被測(cè)零件的醒S (或麗VS)為本質(zhì)特征所形成的內(nèi)(或外)圓柱面。虛擬止規(guī)(兩 點(diǎn)式的)是以擬合要素的方位特征為軸線(xiàn)，以被測(cè)零件的LMS為本質(zhì)特征所形成的內(nèi)(或外) 圓柱面。
局部尺寸即是實(shí)際測(cè)量得到尺寸，而全局線(xiàn)性尺寸需由擬合操作得到。新一代GPS理論中 對(duì)線(xiàn)性尺寸的檢驗(yàn)規(guī)定了三種擬合目標(biāo)最小二乘擬合、最大內(nèi)接擬合、最小外接擬合，可 根據(jù)不同的要求選取不同的擬合目標(biāo)。其中，全局線(xiàn)性尺寸的最小二乘擬合、最大內(nèi)接擬合、 最小外接擬合的數(shù)學(xué)模型分別為-
(1)最小二乘數(shù)學(xué)模型 最小二乘擬合的目標(biāo)是使余量(理想要素和實(shí)際要素之間的法向距離)的平方和最小， 其線(xiàn)性規(guī)劃模型是
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)最大內(nèi)接數(shù)學(xué)模型 最大內(nèi)接擬合的目標(biāo)是使理想要素內(nèi)接于實(shí)際要素，且使理想要素的的本質(zhì)特征值(理想圓柱的直徑)最大，其數(shù)學(xué)模型為:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)最小外接數(shù)學(xué)模型
最小外接擬合的目標(biāo)是使理想要素外接于實(shí)際要素，且使理想要素的本質(zhì)特征值(理 想圓柱的直徑)最小，其線(xiàn)性規(guī)劃模型是
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，w是目標(biāo)函數(shù)，(i ,.， a) (i = 1，2,3…，m)是被測(cè)點(diǎn)在X0Y平面內(nèi)投影點(diǎn)的極坐
標(biāo)，m是采樣點(diǎn)數(shù)，Zi是被測(cè)點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，(x， y)是擬合圓柱的軸線(xiàn)與XOY平面的交點(diǎn)坐 標(biāo)，a、 e分別是擬合圓柱軸線(xiàn)與YOZ平面和XOZ平面的夾角。
由擬合操作得到相應(yīng)擬合要素的本質(zhì)和方位特征，進(jìn)而根據(jù)擬合要素的特征及功能要求 設(shè)計(jì)出相應(yīng)的虛擬量規(guī)，如具有全形的虛擬通規(guī)和不全形的虛擬止規(guī)，用虛擬量規(guī)對(duì)零件的 局部尺寸和全局線(xiàn)性尺寸進(jìn)行比較認(rèn)證，由此判斷產(chǎn)品合格與否。
權(quán)利要求
1、一種基于GPS的虛擬量規(guī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法。其特征在于，揭示了線(xiàn)性尺寸規(guī)范與產(chǎn)品功能特征之間的關(guān)系，以及線(xiàn)性尺寸計(jì)量認(rèn)證與實(shí)體、虛擬計(jì)量系統(tǒng)之間的內(nèi)在規(guī)律性；其特征還在于，建立了全局線(xiàn)性尺寸的操作算子及關(guān)鍵操作——擬合的數(shù)學(xué)描述及線(xiàn)性規(guī)劃模型；其特征還在于，根據(jù)擬合操作得到的擬合要素的特征值，能設(shè)計(jì)出與公差要求配套的虛擬極限量規(guī)和虛擬功能量規(guī)，通過(guò)虛擬極限量規(guī)和虛擬功能量規(guī)的本質(zhì)特征與擬合要素的本質(zhì)特征(或?qū)嶋H工件局部線(xiàn)性尺寸特征)的比較，以及基于功能特征的相關(guān)數(shù)字化判則的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)幾何產(chǎn)品線(xiàn)性尺寸的數(shù)字化認(rèn)證。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，給出了基于虛擬計(jì)量系統(tǒng)與 實(shí)體計(jì)量系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何特征數(shù)字化綜合計(jì)量認(rèn)證的有效途徑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于計(jì)量學(xué)和操作技術(shù)，給 出了基于功能特征的全局線(xiàn)性尺寸計(jì)量認(rèn)證的綜合數(shù)學(xué)模型，拓展了現(xiàn)行線(xiàn)性 尺寸計(jì)量認(rèn)證體系。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于實(shí)、虛計(jì)量系統(tǒng)互補(bǔ)的 原則，運(yùn)用特征提取、識(shí)別、建模及優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)離散數(shù)據(jù)的數(shù)字化 處理，獲得基于產(chǎn)品功能特征的線(xiàn)性尺寸評(píng)定基準(zhǔn)一--擬合要素的本質(zhì)特征和 方位特征；進(jìn)一步根據(jù)擬合要素的方位特征和被測(cè)工件的功能極限特征，設(shè)計(jì) 出七種虛擬量規(guī)型式，即虛擬孔用全形式工作通規(guī)，虛擬孔用兩點(diǎn)式工作止 規(guī)，虛擬軸用全形式工作通規(guī)，虛擬軸用工作止規(guī)，虛擬軸用全形式校通通量 規(guī)，虛擬軸用兩點(diǎn)式校止通量規(guī)和虛擬軸用兩點(diǎn)式校通損量規(guī)。通過(guò)對(duì)虛擬量 規(guī)的本質(zhì)特征與擬合要素的本質(zhì)特征的比較，以及基于功能特征的相關(guān)數(shù)字化 判則的應(yīng)用，有效地解決了尺寸誤差與形狀誤差綜合控制的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)幾何產(chǎn) 品線(xiàn)性尺寸的數(shù)字化計(jì)量認(rèn)證。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種基于GPS的虛擬量規(guī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法。本發(fā)明揭示出了線(xiàn)性尺寸規(guī)范與產(chǎn)品功能特征之間的關(guān)系，以及基于GPS的線(xiàn)性尺寸計(jì)量認(rèn)證與實(shí)體、虛擬計(jì)量系統(tǒng)之間的內(nèi)在規(guī)律性；基于計(jì)量學(xué)及產(chǎn)品功能特征，綜合運(yùn)用GPS操作及特征技術(shù)，以及數(shù)學(xué)建模、線(xiàn)性規(guī)劃及優(yōu)化等知識(shí)，給出了全局線(xiàn)性尺寸的操作算子及關(guān)鍵操作——擬合的數(shù)學(xué)模型及求解方法；提出線(xiàn)性尺寸實(shí)體計(jì)量系統(tǒng)與虛擬計(jì)量技術(shù)的互補(bǔ)的計(jì)量認(rèn)證思路和方法，并進(jìn)一步給出了基于GPS的線(xiàn)性尺寸數(shù)字化計(jì)量工具——虛擬量規(guī)的設(shè)計(jì)方法及認(rèn)證模式，實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)性尺寸的數(shù)字化計(jì)量認(rèn)證。
文檔編號(hào)G01B3/00GK101303219SQ200710054389
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者慶科維, 張琳娜, 趙鳳霞, 鵬 鄭 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)