專利名稱：一種基于gps的虛擬量規(guī)設計與應用方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械制造業(yè)中標準與計量技術領域，主要用于解決幾何產品的數(shù)字化計量與 認證的關鍵技術問題。特別介紹了一種虛擬量規(guī)的設計與應用方法。
背景技術：
線性尺寸作為產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 產品的整個生命周期，在很大程度上決定著產品的功能和性能特點。傳統(tǒng)的線性尺寸規(guī)范設 計及圖樣表達，僅僅考慮了功能要求與公差值大小之間的關系，而往往忽視了檢驗認證方法 對功能特征的影響，規(guī)范的定義簡單且類型單一，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造技術和尺寸方面交
流的需求；傳統(tǒng)的線性尺寸計量體系主要是面向手工環(huán)境、實體計量(儀器)系統(tǒng)。隨著科 學技術和制造水平的不斷提高，這種單一的計量系統(tǒng)構建模式受到了挑戰(zhàn)，其硬件結構復雜、 儀器設計制造及操作維護不便、資源共享較差，功能擴展困難等問題，嚴重制約著計量水平 的發(fā)展和計量精度的提高。
現(xiàn)代產品幾何技術規(guī)范(GPS)以計量數(shù)學為基礎，著力于解決傳統(tǒng)計量認證體系中存在 的上述問題，實現(xiàn)幾何產品的數(shù)字化計量認證及實體計量系統(tǒng)與虛擬計量系統(tǒng)的有機結合。
因此，在幾何產品的檢驗認證中，應用GPS技術設計相應的虛擬計量工具，可以很方便地 根據(jù)工件測量的需要創(chuàng)建各種形狀和尺寸的量規(guī)模型,而毋需顧慮制造問題；除存在一定的可 忽略不計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題。這樣不僅 可以滿足線性尺寸精密計量的要求，確保產品的功能特征的實現(xiàn)，而且可以實現(xiàn)虛擬計量， 避免實體量規(guī)設計、制造和使用維護的麻煩。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為實現(xiàn)幾何產品的數(shù)字化計量與認證，提出了一種基于GPS的虛擬量規(guī)的 設計及應用方法。其應用體現(xiàn)在兩個方面， 一是作為實際零件合格性的評價工具(即工作量 規(guī))，用于驗證實際形位誤差和尺寸誤差是否與設計的形位公差和尺寸公差相符合；二是作 為軸用工作量規(guī)的校對量規(guī)，判斷實體的軸用工作量規(guī)是否可用。
本發(fā)明的技術思路是，應用新一代GPS操作技術，實現(xiàn)線性尺寸的數(shù)字化計量，運用GPS 特征技術實現(xiàn)虛擬量規(guī)的設計及應用。
本發(fā)明的有益效果是，解決了傳統(tǒng)計量儀器存在的一些弊端，以及實體工作量規(guī)和校對量規(guī)由于設計、制造及使用等帶來的誤差；解決了實體量規(guī)(特別是校對量規(guī))的制造困難， 降低了檢測的費用。采用新一代GPS中基于計量學的操作技術及特征技術，規(guī)范了線性尺寸設 計與計量過程的數(shù)學描述，提出了線性尺寸實體計量系統(tǒng)與虛擬計量技術的互補的計量認證 思路和方法，具有很強的系統(tǒng)性、理論性、集成性、可操作性和技術經(jīng)濟性，為幾何產品的 檢驗認證提供了新思路，對于促進標準計量領域的技術進步和現(xiàn)代化有重要意義。



具體實施例方式
為了保證產品的使用要求， 一般同時提出局部線性尺寸和全局線性尺寸檢測規(guī)范。如果 根據(jù)產品的功能要求，產品的設計要求采用了包容要求，那么在檢驗認證階段必須使局部尺 寸不超越最小實體尺寸LMS (least material size)，全局線性尺寸不超越最大實體尺寸 MMS(maxium material size)。如果產品的設計要求采用的是最大實體要求，那么在檢驗認證 階段必須使局部尺寸不超越最小實體尺寸，全局線性尺寸不超越最大實體實效尺寸 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，以被測零件的醒S (或麗VS)為本質特征所形成的內(或外)圓柱面。虛擬止規(guī)(兩 點式的)是以擬合要素的方位特征為軸線，以被測零件的LMS為本質特征所形成的內(或外) 圓柱面。
局部尺寸即是實際測量得到尺寸，而全局線性尺寸需由擬合操作得到。新一代GPS理論中 對線性尺寸的檢驗規(guī)定了三種擬合目標最小二乘擬合、最大內接擬合、最小外接擬合，可 根據(jù)不同的要求選取不同的擬合目標。其中，全局線性尺寸的最小二乘擬合、最大內接擬合、 最小外接擬合的數(shù)學模型分別為-
(1)最小二乘數(shù)學模型 最小二乘擬合的目標是使余量(理想要素和實際要素之間的法向距離)的平方和最小， 其線性規(guī)劃模型是
<formula>formula see original document page 4</formula>(2)最大內接數(shù)學模型 最大內接擬合的目標是使理想要素內接于實際要素，且使理想要素的的本質特征值(理想圓柱的直徑)最大，其數(shù)學模型為:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)最小外接數(shù)學模型
最小外接擬合的目標是使理想要素外接于實際要素，且使理想要素的本質特征值(理 想圓柱的直徑)最小，其線性規(guī)劃模型是
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，w是目標函數(shù)，(i ,.， a) (i = 1，2,3…，m)是被測點在X0Y平面內投影點的極坐
標，m是采樣點數(shù)，Zi是被測點的Z坐標值，(x， y)是擬合圓柱的軸線與XOY平面的交點坐 標，a、 e分別是擬合圓柱軸線與YOZ平面和XOZ平面的夾角。
由擬合操作得到相應擬合要素的本質和方位特征，進而根據(jù)擬合要素的特征及功能要求 設計出相應的虛擬量規(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)對零件的 局部尺寸和全局線性尺寸進行比較認證，由此判斷產品合格與否。
權利要求
1、一種基于GPS的虛擬量規(guī)的設計及應用方法。其特征在于，揭示了線性尺寸規(guī)范與產品功能特征之間的關系，以及線性尺寸計量認證與實體、虛擬計量系統(tǒng)之間的內在規(guī)律性；其特征還在于，建立了全局線性尺寸的操作算子及關鍵操作——擬合的數(shù)學描述及線性規(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，能設計出與公差要求配套的虛擬極限量規(guī)和虛擬功能量規(guī)，通過虛擬極限量規(guī)和虛擬功能量規(guī)的本質特征與擬合要素的本質特征(或實際工件局部線性尺寸特征)的比較，以及基于功能特征的相關數(shù)字化判則的應用，實現(xiàn)幾何產品線性尺寸的數(shù)字化認證。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，給出了基于虛擬計量系統(tǒng)與 實體計量系統(tǒng)的有機結合、實現(xiàn)產品幾何特征數(shù)字化綜合計量認證的有效途徑。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，基于計量學和操作技術，給 出了基于功能特征的全局線性尺寸計量認證的綜合數(shù)學模型，拓展了現(xiàn)行線性 尺寸計量認證體系。
4、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，基于實、虛計量系統(tǒng)互補的 原則，運用特征提取、識別、建模及優(yōu)化技術，通過對實測離散數(shù)據(jù)的數(shù)字化 處理，獲得基于產品功能特征的線性尺寸評定基準一--擬合要素的本質特征和 方位特征；進一步根據(jù)擬合要素的方位特征和被測工件的功能極限特征，設計 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)，虛擬軸用兩點式校止通量規(guī)和虛擬軸用兩點式校通損量規(guī)。通過對虛擬量 規(guī)的本質特征與擬合要素的本質特征的比較，以及基于功能特征的相關數(shù)字化 判則的應用，有效地解決了尺寸誤差與形狀誤差綜合控制的問題，實現(xiàn)幾何產 品線性尺寸的數(shù)字化計量認證。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種基于GPS的虛擬量規(guī)的設計與應用方法。本發(fā)明揭示出了線性尺寸規(guī)范與產品功能特征之間的關系，以及基于GPS的線性尺寸計量認證與實體、虛擬計量系統(tǒng)之間的內在規(guī)律性；基于計量學及產品功能特征，綜合運用GPS操作及特征技術，以及數(shù)學建模、線性規(guī)劃及優(yōu)化等知識，給出了全局線性尺寸的操作算子及關鍵操作——擬合的數(shù)學模型及求解方法；提出線性尺寸實體計量系統(tǒng)與虛擬計量技術的互補的計量認證思路和方法，并進一步給出了基于GPS的線性尺寸數(shù)字化計量工具——虛擬量規(guī)的設計方法及認證模式，實現(xiàn)了線性尺寸的數(shù)字化計量認證。
文檔編號G01B3/00GK101303219SQ200710054389
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權日2007年5月11日
發(fā)明者慶科維, 張琳娜, 趙鳳霞, 鵬 鄭 申請人:鄭州大學