基于规则和模型的几何量公差标注方法

李儒琼，黄立新，李紫嫣

（1.上海中侨职业技术大学，上海；2.上海师范大学，上海）

引言

随着制造业的全球化和多元化，几何量公差（GD&T）作为产品互换性标准变得越来越重要。几何量公差（G&T）是一种质量控制方法，它使用符号语言让设计工程师、制造商和质量控制人员以高效的方式指定零件和组件的允许尺寸和公差（Hewerdine,Leake, and Brent 2011）。GD&T 是一个基于规则的系统，其主要目的是控制零件上的特征要素，从而控制零件质量。要素是零件的一个基本几何形状。下一节将详细介绍基于基准的模型的设计。有了这个模型，GD&T 的规则和原则可以通过标准流程来实施，以实现对零件的要素的完全控制。

1 基于基准的GD&T 模型

几何量公差是一种图形化的方法，用来准确描述零件的几何形状和尺寸。国标也规定了其特征要素的尺寸和位置的允许公差[1-2]。在GD&T 设计中，有三个主要任务要完成：（1） 指定要素之间的几何关系。（2） 定位要素并定义要素的形状。（3） 注释要素尺寸[3-4]。

基于基准的模型遵循ASME-Y14.5-2009 的指导原则。基于这个模型，一个典型的设计应该经过六个层次：（1） 设置主要、次要和/或三级基准。（2） 利用基本尺寸，参照基准面对需要控制的要素进行定位或定向，确定要素轮廓，基准的分类。（3） 使用尺寸公差要素来定义零件的所有基本尺寸。（4） 应用ASME 规则1（实体原则，包容原则）来规定基准面（和其他要素）所需的形状公差。（5） 应用ASME 规则2（独立原则）来规定二级和三级基准面的方向公差（步骤5）。并规定所有由基本尺寸定位的要素的几何公差（步骤2）。（6） 应用所有细化要求，如平行度、同心度、细化位置公差、螺纹规格等，以保证零件的质量。

本文提出的一个基于基准的模型如图1 所示。它包含了GD&T 的关键知识。该模型的基础（或核心）是要用GD&T 规范定义的工件-零件图。第一层是基准设置层。基准设置是GD&T 中最基本的要求。产品设计师应该做的第一件事是确定基准要素。哪些要素应作为基准，以及选择多少要素作为基准都取决于制造工艺、所用夹具和测量方法，以及装配要求；一个好的基准可以确保零件具有良好的可制造性。易于装配，并节省检查时间。

图1 基于基准的模型

以图2 中所示的零件为例。这个零件的质量要求是：（1） 底角和左上角应该有直角。（2） 坡度应显示所需的30o角度。（3） 孔的位置和大小应准确。（4） 右视图中的两个垂直面应该是平行的。

图2 基准确定

该模型的第二层是识别和定位来自基准面的其他要素。一个基准属于三类中的一类。（1） 被用作基准的要素。（2） 不是基准，但是需要控制的要素。（3）不需要任何控制的要素。第二层的主要目的是定位前两个类别的要素。在图2 中的零件，孔是需要控制的要素之一。在这里如图3 所示，两个基本尺寸（ 即25 mm 和30 mm）被用来定位孔。

图3 标注基本尺寸对孔定位

图4（a）使用基本尺寸从点E 到点F 定义轮廓要素（由顶面、斜面和最右边的垂直面组成）。作为一种替代方案，也可以如图4（b）所示的方式定义轮廓要素。

图4 使用轮廓定义特征

应该指出，在零件的正视图中，可以使用基本尺寸来定义与基准A 相对的垂直面。但是，为了更好地展示模型，此特征将在第4 层中进行控制。

在建立基准和位置特征后，第三层的任务是定义各种尺寸，例如特征尺寸、沉头直径/深度、整体尺寸等。 除了参考尺寸、最大/最小尺寸或原料尺寸外，主要尺寸还应标注公差。

在标注孔公差时，应考虑按照ASME 标准给出。在图5 中，使用了基于孔的基准，并使用了ASME B4.1-1967 RC1 标准控制孔的尺寸公差。对于厚度公差，没有特定的标准可以遵循。因此，这里只是简单地选择了+/- 0.1 作为公差。

图5 标注厚度和孔的尺寸公差

第四层是控制与尺寸有关的要素的形状。 需要分两步来进行。 第一步是应用ASME Y-14.5 Rule 1。 该规则通过使用尺寸公差来控制形位公差（直线性、平面度、圆柱度和圆度）。

在本文中，假定尺寸公差足够小，以控制与基准A（右视图，图5）平行的垂直面形状。因此，对该面不需要更精确的控制。为了获得更精确的形位公差控制，应使用标注框格。

这是第四层的第二步。产品设计师应该检查所有与尺寸相关的特征，以查看是否需要添加标注控制框来控制形位公差。如图6 所示，在基准点A 上添加了一个平面特征控制框，以精确控制平面度。

图6 基准A 和C 以及轮廓E-F 上定义几何公差

由于基准点与零件的厚度（即24.9 mm 至25.1 mm）相关，ASME Rule 1 和特征控制框中的几何公差共同控制其平面度。

这里注意，如果需要对与基准平行的竖直表面（图5 右视图）进行更精密的形位公差控制，应在该表面添加一个平面度控制框格。

下一层（第5 层）是应用独立原则（ASME 规则2）。这条规则由两部分组成。首先是应用公差控制（圆度，圆柱度，平行度，垂直度，轮廓，圆形径向间隙，总径向间隙，同心度，对称性）到几何特征上（不论特征尺寸大小，不论边界尺寸大小）。

如图6 所示，基准B 和C 以及从点E 到F 的轮廓都被放置了相关的几何公差要求。对于基准B，其与基准A 之间的垂直度和平面度都会被要求控制。

对于基准C，其与基准A 和B 之间的垂直度和平面度都将被定义。而对于从E 到F 的轮廓，将会放置一个轮廓公差要求。

ASME 规则第二部分是将最大（最小）实体原则（MMC 和LMC）应用到与之相关的特性的公差（位置、垂直度、角度）中。

在图7 中，孔是唯一与尺寸相关的特征，MMC 的位置公差被添加到它上面。

图7 加入实体条件后的几何公差

如图8 所示，基准B 是盘外表面的中心轴线。基准C 是中心孔的中心轴线（直径Ø12±0.1 mm）。基准B 容易建立（例如，使用V 型块）而基准C 则不是。必须钻一个直径为Ø12±0.1 mm 的孔来构建基准C。

图8 最大实体边界条件使用在基准轴B 和C 上

因此，为了保持基准B 和基准C 之间的同心度，应将基准B 用作基准C 的参考基准，并在基准C 的特征控制框中放置位置公差。

将最大实体条件应用于基准可能会影响基准的MMB（最大实体边界）。这种做法已经在制造行业中得到广泛使用，因此本文不再重复。在图8 中，MMB 被添加到基准B 和基准C 上。MMB 可计算如下：

基准B（外部特征）的MMB=MMC+垂直度=914+0.25=914.25 mm

基准C（内部特征）的MMB=MMC-垂直度=304-0.5=304.5 mm

最后一层（第6 层）是将ASME 标准应用于标准零件，如螺纹、紧固件、齿轮、焊缝等。在这一层中，还应考虑其他几何公差，如复合公差和投影公差。

2 使用典型的GD＆T 方法和基于基准模型设计方法的对比

前一节介绍的基于基准的模型可使使用者更好地理解设计意图、验证质量规格，并检查现有图纸的错误和缺陷。例如，图9 显示了使用典型的GD&T 方法完成的初始设计。

图9 使用典型的GD&T 方法设计的零件

作为一个对比，基于基准模型的GD&T 模型实施分层标注。

经过纠正所有错误后，修订的设计如图10 所示。改进效果可以很容易地观察到。

图10 基于基准模型的修订设计

3 结论

本文介绍了一种基于基准的GD&T 模型。该模型使用基准和基本尺寸来定位需要控制的要素。尺寸公差和形位公差按照ASME Y-14.5 Rule 1 和Rule 2应用到特征要素上。模型不仅可以使新产品设计的GD&T 过程更准确、更高效，而且还可以帮助完善和发现现有的设计图纸中存在的问题。