机械设计中的形位公差（机械工程师应该了解几何公差）

1 GD&T 历史及其演化

零件公差产生于十九世纪后期，初衷是为了保证零件的互换性，初期只有尺寸正负公差，给定公差一般都比较大，当时的制造设备和能力不能保证高精度产品的加工。随着产品性能要求的不断提高，和批量生产，产品公差逐步缩小，从而导致产品的可装配性逐渐成了问题，随后泰勒先生提出了装配功能要求的“泰勒原则”，也就是现在公差标准中的包容原则，它有效地解决了零件的大小和形状的关系，从而保证了产品的可装配性。

直到二战期间，零件的制造逐渐分包给供应商，设计部门和制造部门越来越远，设计与制造部门之间的随时交流就不太可能，另外一方面产品公差越来越小，零件的可装配性和互相性问题越来越突出。因此各种定义几何公差的几何语言的标准就应运而生，随着这些标准的发展，演化及合并，到今天世界上的几何公差标准只有两大标准：ASME Y14.5和ISO 1101, 两大标准在基本原理上是一至的，都是为了解决零件的功能和可装配性问题。

2. GD&T国际标准及其对比

2.1 标准的使用情况简介

前面提到当今世界上主要的两大标准，美国ASME Y14.5标准仍然是是世界上尺寸和公差最流行的标准之一，目前最新版版本是2018年版。另外一个是欧洲标准ISO 1101,目前最新版本是2017年版，中国的尺寸公差标准主要是翻译等效ISO标准，具体使用情况如下：

美国ASME Y14.5-2018-Dimensioning andTolerancing (GD&T)标准ASME(美国机械工程师协会),Y14.5 标准编号，2018标准批准年份。它是ASME Y14.5-2009的升级版， ASME Y14.5-2009是ASME Y14.5-1994标准的升级版。主要应用于北美，如美国、加拿大的公司及其在全球的公司使用, 日本、韩国、欧洲等一些国家公司也在广泛使用。

欧洲ISO 1101 –Geometrical product specification 系列标准ISO(欧洲国际标准委员会)，1101标准编号，主要在欧洲公司及其全球公司使用。

中国GB/T 1182-2018—产品几何技术规范GPS标准系列此标准等同于ISO 1101， 主要在中国国内一些公司使用，几大标准对比见下表。

这两个标准大约 80 ％的内容重叠。大多数工程图纸要求遵守重叠部分标准，这将允许创建世界各地都能理解图纸，其它主要国家的几何公差标准都是翻译等效ISO 1101标准的。

2.2 GD&T标准的优势分析

GD&T(美标)与传统的正负尺寸公差比较，主要有以下几个优点，所以要想设计一张好图纸，建议除尺寸大小外，其它如形状，方向和位置用形位公差来控制。

1）采用正负尺寸公差控制位置时，由于没有基准，测量结果不确定，从而导致把不合格的零件接收。如下例所示：产品要求板件支架小端安装在支撑平台上，要求产品上表面到安装面的距离为最大、最小为11.6和12.4，图１按照国标正负公差标准，由于没有基准就会出现两种测量结果，分别以大端和小端作为测量起点，见图２所示，以大端作为测量起点产品符合图纸要求，如以小端作为测量起点，产品不符合图纸要求，这样就会引起歧义。解决此类问题的唯一办法就是用GD&T(美标)来标注图纸，选择安装面作为基准，用轮廓度控制位置，如图３所示。这样测量就只有一种结果，及下端作为测量基准。

２）用正负尺寸公差控制孔的位置时，公差带是方形且固定，这样就有可能把满足装配功能的零件拒绝掉，如果改用ＧD&T的 位置度，公差带变成圆形，且公差带面积增大57%，从而产品合格率增大，如图4所示 ：

3） 用正负尺寸公差标注孔的位置会引起公差的累计，GD&T控制孔的位置，标准理论尺寸，不会有公差的累计，如图5所示，正负尺寸公差标注孔3到B端位置公差为正负1.5mm, GD&T图纸标注3到B端位置公差为正负0.5mm。

4） 不用正负尺寸公差，而用GD&T位置度去控制孔，槽的位置，并且在位置公差后面加M圈，如图6所示，这样就可以带来两大优势，一方面位置度公差可以得到补偿，及当孔，槽尺寸偏离最大实体尺寸时，位置度公差可以放大，从而可以在满足装配功能的前提下，放大制造公差，如图7所示的动态公差图，蓝色三角公差区域为公差补偿区，及产品合格率提高区，对于孔、槽合格率分别提高66%和50%（蓝色三角形面积比黄色矩形面积）。另一方面可以方便做检具进行产品的快速在线检测，先用A、B、C基准对零件进行定位，在理论位置插入直径为11.5的销和13.9厚板分别检测孔和槽的位置度，能插入位置度就算合格，检测非常方便，快捷。

4.GD&T的技术框架

GD&T是一种面向产品功能的图纸设计语言，图纸设计的终极目标是保证产品的功能，通过GD&T的图纸公差标注，让图纸只有一种解释，从而保证不同人读图纸不会引起歧义，另外通过GD&T图纸的标注，可以在满足产品功能的前提下，放大制造公差，从而提高产品的合格率。GD&T主要是通过下面三步来完成图纸的定义的：

第一步：定功能，分析产品怎么装配的，那些是定位与配合面，那些是产品的关键功能面等。

第二步：定基准，基准一般选择在产品的装配面，根据产品装配的先后次序定出第一，第二和第三基准。

第三步：定公差：这里包括三部分，首先选择公差类型，如一般是孔的推荐使用位置度，表面推荐使用轮廓度。另外公差值的大小需要通过尺寸链公差计算来确定。最后加上相应的公差修饰因子从而达到在满足产品功能的前提下，放大制造公差和方便检测。

5 基于GD&T的MBD实施

现代产品开发过程（产品设计、工艺设计、工装设计、产品制造、检验检测）不再像以往的各模块分立（首先产品设计，然后工艺设计，接着工装设计，进行产品制造，最后检验检测，各模块之间只负责自己的工作，很少协同工作，产品开发过程不仅周期长，而且质量得不到保证），现代产品开发更强调的是一种协同，实现产品设计（含工艺设计）、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同、融合，建立三维数字化设计制造一体化集成体系。因此，很多国家的企业已经开始运用第三代产品设计语言—MBD技术（基于模型的产品数字化定义）。

MBD(Model BasedDefinition)是波音公司最新推行的新一代产品定义方法，美国机械工程师协会ASME在此基础上把它发展成国际标准ASMEY14.41-2019，欧洲在借鉴美国标准基础上也指定了相应的MBD标准ISO16792-2021。美国军方，国防部为了加快企业数字化建设，建立基于模型的企业MBE，要求旗下的供应商采用MBD技术设计产品，并指定了相应的标准MIL-STD-31000A,对产品定义数据包TDP(TechnicalData Package)进行了详细的规定。其目的是想把企业从传统的以图纸为中心，逐步发展到以模型为中心的企业。实现数字化，智能制造.基于MBD的三维自动化测量方案如下视频所示。

，时长02:31

想要借助MBD技术打通设计、质量、工艺。实现数据的重用，产品研发的数字化和自动化流程，缩短研发周期，降低出错和返工率，让机器和软件自动识别MBD的三维标注，GD&T是基石。

6.目前企业状况与建议

目前在国内的一些制造业里，比如汽车、航空、家电、电动工具、医疗等，工程师们对图纸几何公差和国际标准应用的理解还有很多不足的地方，比如：

1 研发设计人员

标注图纸无从下手，没有思路和步骤指导先标注什么，再标注什么，往往是东标标，西描描，一张图纸稀里糊涂就标注完了，图纸最后到底怎样，自己心里都没底，具体体现在下面几点。

1. a) 图纸基准标在哪里？标注基准首要考虑是工艺定位，还是检测定位，还是功能装配定位，三者相互冲突，应该首先保证那个？以及基准的先后顺序怎么定？基准的顺序是否影响后期的产品检测也不清楚，基准后面加不加最大实体MMC修饰以及什么情况下该加也不明白。基准之间的相互管控关系不清楚。
2. b) 对图纸的尺寸和公差标注往往也是凭着感觉走，比如，理论尺寸怎么标？公差大小怎么定？孔的位置和表面的位置怎样管控？MMC什么意思？保证了什么功能？什么情况应该加？加上MMC后怎么算公差？怎么检测产品？工程师们往往对上面的问题搞不明白或者一知半解，尤其对方位的管控，目前国内大部分工程师还是采用传统的正负尺寸公差，这样标注图纸会引起一系列的问题。
3. c) 其他人员（质量、工艺、供应商及管理）

质量工程师 不理解设计研发人员以及客户图纸表达意思，看不懂图纸，图纸上标注的符号无法理解。产品不知道怎么检测，检具设计无从下手，经常把不合格的产品判断合格，或者合格的产品判断不合格。

工艺工程师看不懂客户图纸，导致转换错误的工艺图纸，导致产品加工不满足客户要求。

7 建议与解决方案：

1.普及性培训：最新版本GD&T标准培训，缩小工程师和国际标准的差距。

2.针对性培训：结合典型的实际产品和问题展开的实操性培训和答疑，让工程师从实际。应用的角度来系统掌握GD&T在产品的应用。

4.程师GD&T 能力的评估、提升和考试。

5.GD&T尺寸工程的深入应用，应用到更多产品。

6.设计公司的图纸模板、公差分析、图纸评审等流程和企业技术规范的标准。

7.开展三维 MBD的应用推广。

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