新一代GPS的線性尺寸查詢及標(biāo)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

賈遨宇，張琳娜，趙鳳霞

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

引 言

線性尺寸作為產(chǎn)品幾何特征中最基礎(chǔ)、最常用的要求，在新一代GPS中占有很重要的地位。根據(jù)第一代GPS規(guī)范要求，傳統(tǒng)的線性尺寸規(guī)范在設(shè)計(jì)圖樣的表達(dá)上，只是給出產(chǎn)品的公差要求，并不給出加工、測量和評定規(guī)范，這必然會導(dǎo)致定義不明確，規(guī)范不到位，加工、測量隨意性大等問題[1]。新一代GPS中關(guān)于線性尺寸的規(guī)范（ISO14405）則要求設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，給出一整套的從加工、測量到評定的規(guī)范和方法。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從功能要求、規(guī)范設(shè)計(jì)到計(jì)量認(rèn)證的有機(jī)統(tǒng)一，明確清晰[2]。

目前國內(nèi)對于新一代產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）中線性尺寸的研究大多停留在理論階段。鄭州大學(xué)精密工程研究中心的周鑫等人基于新一代GPS采用VB為開發(fā)平臺建立了幾何精度查詢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了幾何精度的智能化設(shè)計(jì)和查詢，對于線性尺寸智能化的設(shè)計(jì)有著十分重要的推進(jìn)作用。

本文基于新一代GPS對線性尺寸的規(guī)范，以Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)平臺，采用嵌入式技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)了基于新一代GPS的線性尺寸查詢及標(biāo)注應(yīng)用系統(tǒng)。

1 新一代GPS的線性尺寸規(guī)范

1.1 線性尺寸的定義、分類規(guī)范

ISO/TC 213針對第一代GPS在線性尺寸規(guī)范上所存在的問題，基于“系統(tǒng)、規(guī)范、科學(xué)、實(shí)用”的基本思想，建立了新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)體系。新一代GPS從系統(tǒng)規(guī)范的角度統(tǒng)籌考慮[3-4]，根據(jù)從產(chǎn)品功能（function）要求、規(guī)范（specification）設(shè)計(jì)到檢驗(yàn)/認(rèn)證（verification）的整個過程，拓展了線性尺寸的規(guī)范和定義。ISO14450給出了關(guān)于線性尺寸的定義，尺寸定義分為默認(rèn)定義和特殊定義兩種。尺寸類型主要有局部尺寸、全局尺寸、計(jì)算尺寸和統(tǒng)計(jì)尺寸。

①局部尺寸（local size）指兩點(diǎn)之間的距離或某一范圍內(nèi)定義的線性尺寸[5]，包括兩點(diǎn)尺寸、截面尺寸、部分尺寸、球面尺寸。

②全局尺寸（global size）是對提取要素通過擬合操作所得到擬合要素的本質(zhì)特征值[6]。擬合操作使用的準(zhǔn)則包括最小二乘準(zhǔn)則、最大內(nèi)接準(zhǔn)則、最小外接準(zhǔn)則。根據(jù)擬合操作所使用準(zhǔn)則的不同，可以得到最小二乘尺寸、最大內(nèi)接尺寸、最小外接尺寸。

③計(jì)算尺寸（calculated size）指利用數(shù)學(xué)計(jì)算公式得到的尺寸。數(shù)學(xué)計(jì)算公式是用來表達(dá)一個要素的本質(zhì)特征（如圓柱的直徑）和其他一些具有相同要素的特征（如圓周的周長、圓柱面的面積）之間關(guān)系的。

④統(tǒng)計(jì)尺寸（rank-order size）指對相同類型的一系列局部或計(jì)算尺寸使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法獲得的尺寸，包括最大統(tǒng)計(jì)尺寸、最小統(tǒng)計(jì)尺寸、平均統(tǒng)計(jì)尺寸。

新一代GPS充分考慮到實(shí)際的需要，對線性尺寸的分類更具體、更全面。在規(guī)范設(shè)計(jì)階段，根據(jù)各線性尺寸類型的特點(diǎn)及適用場合，考慮工件的功能和特征要求，規(guī)范設(shè)計(jì)不同的尺寸類型。

1.2 線性尺寸的圖樣表達(dá)規(guī)范

新一代GPS線性尺寸的缺省定義是兩點(diǎn)尺寸，擬合操作的缺省準(zhǔn)則是最小二乘準(zhǔn)則。各尺寸類型的標(biāo)注代號如表1所列。

表1 線性尺寸的類型及標(biāo)注代號

當(dāng)默認(rèn)定義不能滿足產(chǎn)品的功能和特征要求時，需要在產(chǎn)品圖紙中標(biāo)注應(yīng)用于尺寸要素的尺寸類型，圖樣標(biāo)注如圖1所示。在有些情況下，要求必須同時控制極限尺寸和最大形狀誤差，此時需要用局部尺寸和全局尺寸共同控制，圖樣標(biāo)注如圖2所示。

圖1 應(yīng)用最大內(nèi)接尺寸的標(biāo)注實(shí)例

圖2 同時應(yīng)用局部尺寸最小外接尺寸的標(biāo)注實(shí)例

2 基于嵌入式技術(shù)的線性尺寸查詢及標(biāo)注

嵌入式系統(tǒng)可以稱為后PC時代和后網(wǎng)絡(luò)的新型技術(shù)。與傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)和數(shù)字產(chǎn)品相比，基于嵌入式智能化的精度設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有集成度高、軟件執(zhí)行速度快、運(yùn)行速度快、人機(jī)界面的控制和設(shè)計(jì)十分靈活等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 線性尺寸公差信息查詢及管理技術(shù)

基于新一代GPS的線性尺寸查詢及標(biāo)注系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，要查詢大量信息。單獨(dú)在程序中一一編寫，不僅工作繁瑣，而且會造成程序內(nèi)容過多，因此可以通過建立數(shù)據(jù)庫，方便對其管理。

目前，WinCE系統(tǒng)下比較常用的嵌入式數(shù)據(jù)庫為SQLCE。SQLCE數(shù)據(jù)庫全稱為 Microsoft SQL 2000 Windows CE Edition，是微軟推出的適于移動設(shè)備（手機(jī)、平板電腦等）上的小型數(shù)據(jù)庫，是SQL Server的精簡產(chǎn)品，可以支持WinCE，也可以在普通Windows中使用。系統(tǒng)采用SQLCE建立一個小型的嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫基本語句包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)表Create、插入數(shù)據(jù)Insert、修改數(shù)據(jù)Update、刪除數(shù)據(jù)Delete、查詢數(shù)據(jù)Select等基本數(shù)據(jù)操作語句。

在Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫調(diào)用的具體過程為：首先，在編寫C＃程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的調(diào)用時，要在所創(chuàng)建的WinCE智能設(shè)備項(xiàng)目中添加System.Data.SQLCE.dll引用，然后在代碼程序中創(chuàng)建SQLCE 的 using 指 令，即 using System.Data.SqlServerCe，之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的調(diào)用。

在本設(shè)計(jì)中，將組建好的數(shù)據(jù)庫存入計(jì)算機(jī)某一位置，在使用C＃編寫程序時，將數(shù)據(jù)庫調(diào)用出來即可。調(diào)用數(shù)據(jù)庫的程序?yàn)椋?/p>

private static string connStr＝ ＠"data source＝＼Program Files＼gongche.sdf"

調(diào)用完數(shù)據(jù)庫之后，在程序段中編寫dr.Close（）；conn.Close（），完成數(shù)據(jù)庫的調(diào)用，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫。

2.2 新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)下線性尺寸查詢及標(biāo)注

本系統(tǒng)是在Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境下用C＃語言編寫開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)。C＃相對C＋＋來說，在嵌入式系統(tǒng)的界面和多窗口設(shè)計(jì)方面有著很大優(yōu)勢。用C＃設(shè)計(jì)的界面比用C＋＋設(shè)計(jì)的界面更加美觀、簡潔和方便。但是，在 Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境中的WinCE，只是設(shè)備中控件的屬性比較簡單，并不能完成豐富的界面設(shè)計(jì)。為了美化用戶的操作界面，需要在創(chuàng)建的項(xiàng)目中添加 Open NETCF.Windiws.Forms.dll引用，可以對用戶控件的屬性和方法作較大補(bǔ)充。系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

圖3 智能化系統(tǒng)主界面

本系統(tǒng)主要由3個模塊構(gòu)成，分別是用戶輸入、圖文輔助界面和結(jié)果顯示。每個模塊下分若干個按鈕，分別實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。使用戶在操作系統(tǒng)就能夠清晰明了、簡單方便地使用。

為了實(shí)現(xiàn)需要的功能，程序的編寫是非常重要的。在系統(tǒng)中為了使用戶能夠選擇零件合適的尺寸類型，系統(tǒng)將所有的尺寸類型表示在界面上。用戶選中某一尺寸類型時，界面便會出現(xiàn)對應(yīng)的圖像和文字解釋，這樣使用戶能夠更加清楚、快捷地選出合適的尺寸類型。例如，用戶如果想了解局部線性尺寸中兩點(diǎn)尺寸的含義，即可先單擊局部線性尺寸，然后單擊兩點(diǎn)尺寸的按鈕，系統(tǒng)便會顯示出兩點(diǎn)尺寸的圖像和文字解釋。實(shí)現(xiàn)該功能的主要代碼如下：

textBox2.Text＝ "兩點(diǎn)尺寸指兩點(diǎn)之間的距離，圖樣標(biāo)注代號是LP，即要素（工件）上兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，比如用兩點(diǎn)法測量時的測得值"；｝

新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)下公差設(shè)計(jì)的步驟如圖4所示。

①設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面：在Microsoft Visual Studio 2008編程環(huán)境下，設(shè)計(jì)規(guī)劃出整個界面。

②規(guī)劃各模塊功能：根據(jù)界面上每個控件所能實(shí)現(xiàn)的功能，對控件進(jìn)行程序的編制。

③與用戶進(jìn)行交互：通過與用戶的交互，輸入零件的基本尺寸、偏差代號、精度等級、尺寸類型等已知參數(shù)，進(jìn)行零件的公差設(shè)計(jì)。

④查詢SQL數(shù)據(jù)庫：通過查詢SQL數(shù)據(jù)庫，針對輸入的零件信息，查出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

⑤將結(jié)果顯示在界面：根據(jù)查詢的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)所編的計(jì)算程序得到最后結(jié)果，并將結(jié)果顯示到界面上。

圖5和圖6分別是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)界面和運(yùn)行界面。

圖4 查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面

系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的處理過程是：

①將所輸入的零件線性尺寸代入數(shù)據(jù)庫，從而得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

②將得到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)所編的運(yùn)算程序，最后得到所測零件的各種尺寸信息。

③對每個零件的公稱尺寸都進(jìn)行尺寸類型的標(biāo)注，以體現(xiàn)新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)下線性尺寸的標(biāo)注。通過系統(tǒng)界面的圖文描述，協(xié)助用戶選擇合適的尺寸類型。

通過上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際加工中檢驗(yàn)操作的規(guī)范統(tǒng)一，減少了測量結(jié)果的隨意性和不一致性。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面以一個孔類零件的公差計(jì)算為例對系統(tǒng)的公差查詢板塊進(jìn)行說明。假設(shè)已知孔的公稱尺寸為50 mm，孔的基本偏差代號為H，精度等級為IT7，根據(jù)用戶需要查詢零件的尺寸特征，顯示出查詢結(jié)果，如圖7所示。

圖7 應(yīng)用實(shí)例的界面

操作步驟如下：用戶首先將零件的已知信息輸入到界面中，針對用戶需要輸入尺寸類型。通過界面右方的圖形及文字介紹，根據(jù)用戶需要查詢零件的特征為用戶推薦合適的尺寸類型。用戶選擇合適的尺寸類型之后，根據(jù)系統(tǒng)的編寫程序讀取用戶輸入的零件參數(shù)，然后進(jìn)行分類判斷。最后，通過數(shù)據(jù)庫的查詢、提取，將得到的結(jié)果顯示在界面上，供用戶參考。

在該例中，假設(shè)用戶選擇的尺寸類型是統(tǒng)計(jì)尺寸中的最大統(tǒng)計(jì)尺寸（SX），單擊“顯示結(jié)果”按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行后將自動顯示出孔的數(shù)據(jù)。在本例中，孔公差為0.025 0 mm，上偏差為0.025 0 mm，下偏差為0.000 0 mm。

結(jié) 語

嵌入式智能化幾何精度設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在系統(tǒng)性、集成性和操作的規(guī)范性方面有突出的特點(diǎn)，使線性尺寸在數(shù)字化表達(dá)、操作和控制方面有了質(zhì)的飛躍。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)操作簡單，能夠快速、正確地進(jìn)行零件的尺寸公差設(shè)計(jì)，能將基于新一代GPS標(biāo)準(zhǔn)的線性尺寸查詢信息直觀地展現(xiàn)出來，具有較高的實(shí)用價值。

[1]孫立平，張琳娜，趙鳳霞，等.GPS操作技術(shù)在線性尺寸規(guī)范設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（4）：37-39.

[2]張琳娜.精度設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制基礎(chǔ)[M].3版.北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

[3]張琳娜，趙鳳霞，李曉沛，等.現(xiàn)代產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）系的理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004，27（5）：547-551.

[4]ISO 14405 Geometrical product specifications（GPS）-Geometrical tolerancing-Linear size[S].

[5]ISO14660-2：1999 Geometrical product specification （GPS）-Geometrical features：-Extracted median line of a cylinder and a cone，extracted median surface，local size of extracted feature[S].

[6]ISO/TS 17450-1：2000（E）Geometrical product specifications（GPS）-General concepts-Part 2：Model for geometrical specification and verification[S].