专利名称：一种基于gps的虚拟量规设计与应用方法
技术领域：
本发明属于机械制造业中标准与计量技术领域，主要用于解决几何产品的数字化计量与 认证的关键技术问题。特别介绍了一种虚拟量规的设计与应用方法。
背景技术：
线性尺寸作为产品的主要几何特征之一，影响着工件/要素的尺寸精度、装配精度，以及 产品的整个生命周期，在很大程度上决定着产品的功能和性能特点。传统的线性尺寸规范设 计及图样表达，仅仅考虑了功能要求与公差值大小之间的关系，而往往忽视了检验认证方法 对功能特征的影响，规范的定义简单且类型单一，已经不能满足现代制造技术和尺寸方面交
流的需求；传统的线性尺寸计量体系主要是面向手工环境、实体计量(仪器)系统。随着科 学技术和制造水平的不断提高，这种单一的计量系统构建模式受到了挑战，其硬件结构复杂、 仪器设计制造及操作维护不便、资源共享较差，功能扩展困难等问题，严重制约着计量水平 的发展和计量精度的提高。
现代产品几何技术规范(GPS)以计量数学为基础，着力于解决传统计量认证体系中存在 的上述问题，实现几何产品的数字化计量认证及实体计量系统与虚拟计量系统的有机结合。
因此，在几何产品的检验认证中，应用GPS技术设计相应的虚拟计量工具，可以很方便地 根据工件测量的需要创建各种形状和尺寸的量规模型,而毋需顾虑制造问题；除存在一定的可 忽略不计的量化误差和模型噪声等外,精确的数字量规模型基本上不存在精度问题。这样不仅 可以满足线性尺寸精密计量的要求，确保产品的功能特征的实现，而且可以实现虚拟计量， 避免实体量规设计、制造和使用维护的麻烦。
发明内容
本发明的目的是为实现几何产品的数字化计量与认证，提出了一种基于GPS的虚拟量规的 设计及应用方法。其应用体现在两个方面， 一是作为实际零件合格性的评价工具(即工作量 规)，用于验证实际形位误差和尺寸误差是否与设计的形位公差和尺寸公差相符合；二是作 为轴用工作量规的校对量规，判断实体的轴用工作量规是否可用。
本发明的技术思路是，应用新一代GPS操作技术，实现线性尺寸的数字化计量，运用GPS 特征技术实现虚拟量规的设计及应用。
本发明的有益效果是，解决了传统计量仪器存在的一些弊端，以及实体工作量规和校对量规由于设计、制造及使用等带来的误差；解决了实体量规(特别是校对量规)的制造困难， 降低了检测的费用。采用新一代GPS中基于计量学的操作技术及特征技术，规范了线性尺寸设 计与计量过程的数学描述，提出了线性尺寸实体计量系统与虚拟计量技术的互补的计量认证 思路和方法，具有很强的系统性、理论性、集成性、可操作性和技术经济性，为几何产品的 检验认证提供了新思路，对于促进标准计量领域的技术进步和现代化有重要意义。
具体实施例方式
为了保证产品的使用要求， 一般同时提出局部线性尺寸和全局线性尺寸检测规范。如果 根据产品的功能要求，产品的设计要求采用了包容要求，那么在检验认证阶段必须使局部尺 寸不超越最小实体尺寸LMS (least material size)，全局线性尺寸不超越最大实体尺寸 MMS(maxium material size)。如果产品的设计要求采用的是最大实体要求，那么在检验认证 阶段必须使局部尺寸不超越最小实体尺寸，全局线性尺寸不超越最大实体实效尺寸 廳VS(maxium material virtual size)。因此，虚拟通规(全形的)是以拟合要素的方位特 征为轴线，以被测零件的醒S (或丽VS)为本质特征所形成的内(或外)圆柱面。虚拟止规(两 点式的)是以拟合要素的方位特征为轴线，以被测零件的LMS为本质特征所形成的内(或外) 圆柱面。
局部尺寸即是实际测量得到尺寸，而全局线性尺寸需由拟合操作得到。新一代GPS理论中 对线性尺寸的检验规定了三种拟合目标最小二乘拟合、最大内接拟合、最小外接拟合，可 根据不同的要求选取不同的拟合目标。其中，全局线性尺寸的最小二乘拟合、最大内接拟合、 最小外接拟合的数学模型分别为-
(1)最小二乘数学模型 最小二乘拟合的目标是使余量(理想要素和实际要素之间的法向距离)的平方和最小， 其线性规划模型是
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)最大内接数学模型 最大内接拟合的目标是使理想要素内接于实际要素，且使理想要素的的本质特征值(理想圆柱的直径)最大，其数学模型为:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)最小外接数学模型
最小外接拟合的目标是使理想要素外接于实际要素，且使理想要素的本质特征值(理 想圆柱的直径)最小，其线性规划模型是
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，w是目标函数，(i ,.， a) (i = 1，2,3…，m)是被测点在X0Y平面内投影点的极坐
标，m是采样点数，Zi是被测点的Z坐标值，(x， y)是拟合圆柱的轴线与XOY平面的交点坐 标，a、 e分别是拟合圆柱轴线与YOZ平面和XOZ平面的夹角。
由拟合操作得到相应拟合要素的本质和方位特征，进而根据拟合要素的特征及功能要求 设计出相应的虚拟量规，如具有全形的虚拟通规和不全形的虛拟止规，用虚拟量规对零件的 局部尺寸和全局线性尺寸进行比较认证，由此判断产品合格与否。
权利要求
1、一种基于GPS的虚拟量规的设计及应用方法。其特征在于，揭示了线性尺寸规范与产品功能特征之间的关系，以及线性尺寸计量认证与实体、虚拟计量系统之间的内在规律性；其特征还在于，建立了全局线性尺寸的操作算子及关键操作——拟合的数学描述及线性规划模型；其特征还在于，根据拟合操作得到的拟合要素的特征值，能设计出与公差要求配套的虚拟极限量规和虚拟功能量规，通过虚拟极限量规和虚拟功能量规的本质特征与拟合要素的本质特征(或实际工件局部线性尺寸特征)的比较，以及基于功能特征的相关数字化判则的应用，实现几何产品线性尺寸的数字化认证。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，给出了基于虚拟计量系统与 实体计量系统的有机结合、实现产品几何特征数字化综合计量认证的有效途径。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于计量学和操作技术，给 出了基于功能特征的全局线性尺寸计量认证的综合数学模型，拓展了现行线性 尺寸计量认证体系。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于实、虚计量系统互补的 原则，运用特征提取、识别、建模及优化技术，通过对实测离散数据的数字化 处理，获得基于产品功能特征的线性尺寸评定基准一--拟合要素的本质特征和 方位特征；进一步根据拟合要素的方位特征和被测工件的功能极限特征，设计 出七种虚拟量规型式，即虚拟孔用全形式工作通规，虚拟孔用两点式工作止 规，虚拟轴用全形式工作通规，虚拟轴用工作止规，虚拟轴用全形式校通通量 规，虚拟轴用两点式校止通量规和虚拟轴用两点式校通损量规。通过对虚拟量 规的本质特征与拟合要素的本质特征的比较，以及基于功能特征的相关数字化 判则的应用，有效地解决了尺寸误差与形状误差综合控制的问题，实现几何产 品线性尺寸的数字化计量认证。
全文摘要
本发明介绍了一种基于GPS的虚拟量规的设计与应用方法。本发明揭示出了线性尺寸规范与产品功能特征之间的关系，以及基于GPS的线性尺寸计量认证与实体、虚拟计量系统之间的内在规律性；基于计量学及产品功能特征，综合运用GPS操作及特征技术，以及数学建模、线性规划及优化等知识，给出了全局线性尺寸的操作算子及关键操作——拟合的数学模型及求解方法；提出线性尺寸实体计量系统与虚拟计量技术的互补的计量认证思路和方法，并进一步给出了基于GPS的线性尺寸数字化计量工具——虚拟量规的设计方法及认证模式，实现了线性尺寸的数字化计量认证。
文档编号G01B3/00GK101303219SQ200710054389
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者庆科维, 张琳娜, 赵凤霞, 鹏 郑 申请人:郑州大学