新一代GPS的线性尺寸查询及标注系统设计＊

贾遨宇，张琳娜，赵凤霞

（郑州大学 机械工程学院，郑州450001）

引 言

线性尺寸作为产品几何特征中最基础、最常用的要求，在新一代GPS中占有很重要的地位。根据第一代GPS规范要求，传统的线性尺寸规范在设计图样的表达上，只是给出产品的公差要求，并不给出加工、测量和评定规范，这必然会导致定义不明确，规范不到位，加工、测量随意性大等问题[1]。新一代GPS中关于线性尺寸的规范（ISO14405）则要求设计师应根据产品的功能要求，给出一整套的从加工、测量到评定的规范和方法。实现产品从功能要求、规范设计到计量认证的有机统一，明确清晰[2]。

目前国内对于新一代产品几何技术规范（GPS）中线性尺寸的研究大多停留在理论阶段。郑州大学精密工程研究中心的周鑫等人基于新一代GPS采用VB为开发平台建立了几何精度查询系统，实现了几何精度的智能化设计和查询，对于线性尺寸智能化的设计有着十分重要的推进作用。

本文基于新一代GPS对线性尺寸的规范，以Microsoft Visual Studio 2008为开发平台，采用嵌入式技术以及数据库技术开发了基于新一代GPS的线性尺寸查询及标注应用系统。

1 新一代GPS的线性尺寸规范

1.1 线性尺寸的定义、分类规范

ISO/TC 213针对第一代GPS在线性尺寸规范上所存在的问题，基于“系统、规范、科学、实用”的基本思想，建立了新一代GPS标准体系。新一代GPS从系统规范的角度统筹考虑[3-4]，根据从产品功能（function）要求、规范（specification）设计到检验/认证（verification）的整个过程，拓展了线性尺寸的规范和定义。ISO14450给出了关于线性尺寸的定义，尺寸定义分为默认定义和特殊定义两种。尺寸类型主要有局部尺寸、全局尺寸、计算尺寸和统计尺寸。

①局部尺寸（local size）指两点之间的距离或某一范围内定义的线性尺寸[5]，包括两点尺寸、截面尺寸、部分尺寸、球面尺寸。

②全局尺寸（global size）是对提取要素通过拟合操作所得到拟合要素的本质特征值[6]。拟合操作使用的准则包括最小二乘准则、最大内接准则、最小外接准则。根据拟合操作所使用准则的不同，可以得到最小二乘尺寸、最大内接尺寸、最小外接尺寸。

③计算尺寸（calculated size）指利用数学计算公式得到的尺寸。数学计算公式是用来表达一个要素的本质特征（如圆柱的直径）和其他一些具有相同要素的特征（如圆周的周长、圆柱面的面积）之间关系的。

④统计尺寸（rank-order size）指对相同类型的一系列局部或计算尺寸使用数学统计方法获得的尺寸，包括最大统计尺寸、最小统计尺寸、平均统计尺寸。

新一代GPS充分考虑到实际的需要，对线性尺寸的分类更具体、更全面。在规范设计阶段，根据各线性尺寸类型的特点及适用场合，考虑工件的功能和特征要求，规范设计不同的尺寸类型。

1.2 线性尺寸的图样表达规范

新一代GPS线性尺寸的缺省定义是两点尺寸，拟合操作的缺省准则是最小二乘准则。各尺寸类型的标注代号如表1所列。

表1 线性尺寸的类型及标注代号

当默认定义不能满足产品的功能和特征要求时，需要在产品图纸中标注应用于尺寸要素的尺寸类型，图样标注如图1所示。在有些情况下，要求必须同时控制极限尺寸和最大形状误差，此时需要用局部尺寸和全局尺寸共同控制，图样标注如图2所示。

图1 应用最大内接尺寸的标注实例

图2 同时应用局部尺寸最小外接尺寸的标注实例

2 基于嵌入式技术的线性尺寸查询及标注

嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络的新型技术。与传统的通用计算机和数字产品相比，基于嵌入式智能化的精度设计系统具有集成度高、软件执行速度快、运行速度快、人机界面的控制和设计十分灵活等优点。

2.1 线性尺寸公差信息查询及管理技术

基于新一代GPS的线性尺寸查询及标注系统在设计时，要查询大量信息。单独在程序中一一编写，不仅工作繁琐，而且会造成程序内容过多，因此可以通过建立数据库，方便对其管理。

目前，WinCE系统下比较常用的嵌入式数据库为SQLCE。SQLCE数据库全称为 Microsoft SQL 2000 Windows CE Edition，是微软推出的适于移动设备（手机、平板电脑等）上的小型数据库，是SQL Server的精简产品，可以支持WinCE，也可以在普通Windows中使用。系统采用SQLCE建立一个小型的嵌入式数据库管理系统。数据库基本语句包括创建数据表Create、插入数据Insert、修改数据Update、删除数据Delete、查询数据Select等基本数据操作语句。

在Microsoft Visual Studio 2008环境中实现数据库调用的具体过程为：首先，在编写C＃程序中进行数据库的调用时，要在所创建的WinCE智能设备项目中添加System.Data.SQLCE.dll引用，然后在代码程序中创建SQLCE 的 using 指 令，即 using System.Data.SqlServerCe，之后即可进行数据库的调用。

在本设计中，将组建好的数据库存入计算机某一位置，在使用C＃编写程序时，将数据库调用出来即可。调用数据库的程序为：

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

调用完数据库之后，在程序段中编写dr.Close（）；conn.Close（），完成数据库的调用，关闭数据库。

2.2 新一代GPS标准下线性尺寸查询及标注

本系统是在Microsoft Visual Studio 2008环境下用C＃语言编写开发的嵌入式系统。C＃相对C＋＋来说，在嵌入式系统的界面和多窗口设计方面有着很大优势。用C＃设计的界面比用C＋＋设计的界面更加美观、简洁和方便。但是，在 Microsoft Visual Studio 2008环境中的WinCE，只是设备中控件的属性比较简单，并不能完成丰富的界面设计。为了美化用户的操作界面，需要在创建的项目中添加 Open NETCF.Windiws.Forms.dll引用，可以对用户控件的属性和方法作较大补充。系统的主界面如图3所示。

图3 智能化系统主界面

本系统主要由3个模块构成，分别是用户输入、图文辅助界面和结果显示。每个模块下分若干个按钮，分别实现对应的功能。使用户在操作系统就能够清晰明了、简单方便地使用。

为了实现需要的功能，程序的编写是非常重要的。在系统中为了使用户能够选择零件合适的尺寸类型，系统将所有的尺寸类型表示在界面上。用户选中某一尺寸类型时，界面便会出现对应的图像和文字解释，这样使用户能够更加清楚、快捷地选出合适的尺寸类型。例如，用户如果想了解局部线性尺寸中两点尺寸的含义，即可先单击局部线性尺寸，然后单击两点尺寸的按钮，系统便会显示出两点尺寸的图像和文字解释。实现该功能的主要代码如下：

textBox2.Text＝ "两点尺寸指两点之间的距离，图样标注代号是LP，即要素（工件）上两点之间的实际距离，比如用两点法测量时的测得值"；｝

新一代GPS标准下公差设计的步骤如图4所示。

①设计人机交互界面：在Microsoft Visual Studio 2008编程环境下，设计规划出整个界面。

②规划各模块功能：根据界面上每个控件所能实现的功能，对控件进行程序的编制。

③与用户进行交互：通过与用户的交互，输入零件的基本尺寸、偏差代号、精度等级、尺寸类型等已知参数，进行零件的公差设计。

④查询SQL数据库：通过查询SQL数据库，针对输入的零件信息，查出相应的数据。

⑤将结果显示在界面：根据查询的数据，通过系统所编的计算程序得到最后结果，并将结果显示到界面上。

图5和图6分别是系统的设计界面和运行界面。

图4 查询系统设计步骤

图5 系统设计界面

图6 系统运行界面

系统对于数据的处理过程是：

①将所输入的零件线性尺寸代入数据库，从而得到相应的数据信息。

②将得到的数据通过系统所编的运算程序，最后得到所测零件的各种尺寸信息。

③对每个零件的公称尺寸都进行尺寸类型的标注，以体现新一代GPS标准下线性尺寸的标注。通过系统界面的图文描述，协助用户选择合适的尺寸类型。

通过上述设计，实现了实际加工中检验操作的规范统一，减少了测量结果的随意性和不一致性。

3 应用实例

下面以一个孔类零件的公差计算为例对系统的公差查询板块进行说明。假设已知孔的公称尺寸为50 mm，孔的基本偏差代号为H，精度等级为IT7，根据用户需要查询零件的尺寸特征，显示出查询结果，如图7所示。

图7 应用实例的界面

操作步骤如下：用户首先将零件的已知信息输入到界面中，针对用户需要输入尺寸类型。通过界面右方的图形及文字介绍，根据用户需要查询零件的特征为用户推荐合适的尺寸类型。用户选择合适的尺寸类型之后，根据系统的编写程序读取用户输入的零件参数，然后进行分类判断。最后，通过数据库的查询、提取，将得到的结果显示在界面上，供用户参考。

在该例中，假设用户选择的尺寸类型是统计尺寸中的最大统计尺寸（SX），单击“显示结果”按钮，系统运行后将自动显示出孔的数据。在本例中，孔公差为0.025 0 mm，上偏差为0.025 0 mm，下偏差为0.000 0 mm。

结 语

嵌入式智能化几何精度设计系统，在系统性、集成性和操作的规范性方面有突出的特点，使线性尺寸在数字化表达、操作和控制方面有了质的飞跃。实验表明，该系统操作简单，能够快速、正确地进行零件的尺寸公差设计，能将基于新一代GPS标准的线性尺寸查询信息直观地展现出来，具有较高的实用价值。

[1]孙立平，张琳娜，赵凤霞，等.GPS操作技术在线性尺寸规范设计中的应用研究[J].机械设计与制造，2007（4）：37-39.

[2]张琳娜.精度设计及质量控制基础[M].3版.北京：中国质检出版社，2011.

[3]张琳娜，赵凤霞，李晓沛，等.现代产品几何技术规范（GPS）系的理论基础及关键技术研究[J].机械强度，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].