李明，蘇志勇，韋慶玥

1.上海大學 上海 20444

2.一汽集團 吉林長春 130000

幾何質量是有形產(chǎn)品質量的重要組成部分。對汽車而言，據(jù)美國著名咨詢公司JD.Power的全球調查統(tǒng)計，42%的汽車質量問題與車身的幾何誤差有關。從車身誤差的形成過程來看，涉及到車身幾何質量定義、幾何精度設計、加工過程控制、車身誤差檢測和匹配調整，以及最終的產(chǎn)品驗收等整個過程，這個過程被稱為尺寸工程，其核心目標是產(chǎn)品幾何質量，其實施基礎，包括核心技術和管理過程則是產(chǎn)品幾何技術規(guī)范和驗證（Geometry Product Specification and Verification，GPS&V）系統(tǒng)標準和技術產(chǎn)品文件（Technical Product Documentation，TPD）。

尺寸工程相關標準的現(xiàn)狀

產(chǎn)品的幾何質量是整個企業(yè)質量體系的一個重要組成部分，是以ISO 9000為代表的現(xiàn)代質量體系的理念、思想和方法在尺寸工程領域中的實際應用。從目前國際上最先進的標準體系來看，其主要涉及到兩個方面的標準體系：

1）由ISO/TC213主持制訂的產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證系列標準，目前標準總數(shù)超過了150個，其主要規(guī)范了產(chǎn)品幾何質量規(guī)范（公差）的給出、工程圖樣解讀、誤差過程控制和檢測驗收操作。

2）由ISO/TC10主持制訂的技術產(chǎn)品文件系列標準，這個系列由150多個標準構成，其主要規(guī)范了產(chǎn)品各類技術要求在載體上的表達規(guī)范與方式。這個載體包括文檔、2D/3D工程圖樣和基于模型的定義（Model based Definition，Mbd）。其中，MBD縮寫還有一個意思為基于模型的設計（Model Based Design，MBD），為表示區(qū)別，特將基于模型的定義的縮寫后二個字母寫為小寫。

上述這兩個標準體系被合稱為技術產(chǎn)品規(guī)范（Technical Product Specification，TPS），它規(guī)范地承載了設計（包括產(chǎn)品設計和加工工藝設計）對產(chǎn)品幾何質量的要求，是制造過程控制，質量過程控制與驗收的依據(jù)。這二個標準體系主要給出的規(guī)范有：

1）產(chǎn)品幾何質量標準體系的架構（GPS&V矩陣）和標準體系間各標準的關聯(lián)，核心標準為：《ISO 14638（GB/Z 20308）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）矩陣模型》。

2）產(chǎn)品幾何質量設計的基本思路和相關原則，核心標準為：《ISO 8015（GB/T 4249）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）基礎概念、原則和規(guī)則》，給出了從功能出發(fā)給出的綜合功能要求、制造過程控制要求和最終檢測驗收等整個生命周期中規(guī)范操作的基本思路和規(guī)范方法。

3）產(chǎn)品幾何質量規(guī)范和控制的理論基礎，特別是數(shù)字化過程的基礎。核心標準為：《ISO 17450（GB/T 24637）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）通用概念》系列標準，涉及到幾何規(guī)范和驗證的模式、基本原則、規(guī)范的過程、操作集、不確定度和模糊度等以及風險控制方法。

4）產(chǎn)品幾何質量要求的規(guī)范方法，即公差的標注方法，核心標準為《ISO 1101（GB/T1182）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）幾何公差 形狀、方向、位置和跳動公差標注》和《ISO 14405產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）尺寸公差》系列標準。

5）產(chǎn)品質量測量結果合格性和產(chǎn)品質量符合性判定方法，核心標準為《ISO 14253（GB/T 18779）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）工件與測量設備的測量檢驗》系列標準，給出了檢測驗收的相關原則、測量不確定估算方法和對測量不確定度表述達成共識的規(guī)范流程，以及歸責方法。

6）面向測量任務的測量不確定度估算方法，核心標準為《ISO 15530（GB/T 24635）產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS）坐標測量機（CMM）確定測量不確定度的技術》，給出了運用多次多方面檢測、相似原理、經(jīng)驗方法和大數(shù)據(jù)方法估算現(xiàn)場測量不確定度的規(guī)范方法。

7）2D工程圖樣的規(guī)范表達方法，包括投影、視圖、剖切面、向視、透視、線型、字體、圖幅、注釋及公差標注等方面，ISO在幾年前已停止更新2D工程圖樣，把主要精力放在基于模型的3D表達規(guī)范和標準的制訂。

8）基于模型的產(chǎn)品幾何質量要求3D表達方法，其核心標準是《ISO 16792（GB/T 24734）產(chǎn)品技術文件（TPD）數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義通則》，給出了基于3D模型，如何進行3D標注的規(guī)范方法。

在產(chǎn)品幾何質量方面，美國有一個獨立于ISO標準的完整標準體系，其以《ASME y14.5 Geometry Dimension and Tolerancing（GD&T））標準為核心，給出了產(chǎn)品幾何質量的定義和規(guī)范標注方法。美國ASME標準除在質量要求的具體表達方面與ISO標準有所不同外，數(shù)字化方面與ISO存在著代差。這方面將是美國GD&T標準今后修制訂的努力方向，這一點可以從美國的《ASME Y14.5-2018 Dimensioning and Tolerancing》標準中看到。

但美國在質量要求規(guī)范表達與信息化技術融合方面走在了ISO標準的前面，其主要是以《ASME Y14.41－Digital Product Definition Data Practises》為核心的基于模型的設計系統(tǒng)標準，這個標準給出了基于CAD模型的產(chǎn)品質量要求信息化標注方法。

同時，美國還在美軍標準《MIL-STD-31000 Technical Data Package》的基礎上制訂全新的面向MBD的《ASME y14.47 Technical Data Package》

根據(jù)產(chǎn)品幾何質量要求信息化規(guī)范和應用的目標，美國還制訂了《ANSI/DMSC QIF 3.0–2018 Quality Information Framework (QIF)–An Integrated Model for Manufacturing Quality Information》給出了產(chǎn)品質量信息規(guī)范和應用的規(guī)范流程和應用方法。

國內在產(chǎn)品幾何質量要求規(guī)范表達、過程控制和信息化方面的標準制訂與國外存在著較大的差距，目前國內基本上沒有能力獨立制訂這些基礎性的系列標準和前沿標準，主要是通用等同采用ISO標準的方式轉化制訂相關的標準，其主要工作和標準包括：

1）對產(chǎn)品幾何技術規(guī)范與驗證（GPS＆V）標準的轉化率約為70%，但在標準年號方面，至少存在著5年差距。

2）有部分企業(yè)直接采用美國ASME的GD&T標準，這些企業(yè)主要為美資企業(yè)和部分自主品牌的車企。

3）在標準的應用方面基本上停留在表面，即質量要求的規(guī)范表達中，深層次的應用，特別是在設計、控制和驗收中全面應用ISO GPS&V標準的企業(yè)幾乎沒有。

4）基于MBD的標注方法僅在個別企業(yè)中有初步的應用，但總體上還處于初級階段，信息化的流轉和傳遞還沒有真正開展。

標準的全面落后只是表象，其實質是我們對現(xiàn)代產(chǎn)品幾何質量在理解方面的差距。從ISO標準制訂的流程，特別是前期的工程實踐與驗證過程來看，我國在產(chǎn)品幾何質量方面在理念、思路、方法和工具應用方面的差距至少有三十年。

尺寸工程相關標準的發(fā)展方向

質量已從指標質量時代進化到文化質量時代，產(chǎn)品幾何質量同樣面臨著文化和技術的挑戰(zhàn)，而所有這一切都將體現(xiàn)在未來產(chǎn)品幾何質量的相關標準中。在未來10-15年內，其主要的發(fā)展將有：

1.質量要求

對產(chǎn)品質量要求的全面細致的數(shù)字化定義，這實際上是一個面向功能的誤差建模過程，一個數(shù)字孿生（Digit Twin）的過程，其中主要包括：

（1）感知誤差的精準數(shù)字化定義 其主要在汽車、3C產(chǎn)品等的外觀方面，包括表面結構、紋理、感知、外觀等方面以及基于規(guī)范表達的檢測和評定方法。

（2）基于產(chǎn)品應用功能的精準數(shù)字化定義 其基于零部件裝配應用、不同使用工況下的幾何誤差定義，以及基于規(guī)范表達的檢測和評定方法。

（3）基于加工工藝過程的精準數(shù)字化定義 其主要是對偶于工藝方式和誤差源的幾何誤差定義以及基于規(guī)范表達的檢測和評定方法。

2.質量形成過程和過程控制

對產(chǎn)品質量形成過程和過程控制的全面細致的數(shù)字化定義，這實際上是一個面向過程的建模過程和數(shù)字進程（Digit Thread），其中主要包括以下內容。

1）面向基于模型的設計（MBD）的幾何質量信息化表達方式，即將所有相關質量要求信息加載在以CAD模型為核心的模型中。

2）面向后續(xù)信息無損傳遞、快速獲取、自動關聯(lián)要求的信息化標注和表達方法，包括基于CAD模型和基于3Di PDF的規(guī)范表達方法。

3）面向信息的模型和數(shù)據(jù)包（Technical Data Package，TDP）管理規(guī)范，為模型定義、模型變遷、模型關聯(lián)、模型變更、模型封裝和模型應用等數(shù)字進程提供規(guī)范方法。

3.其他

此外，基于ISO標準體系的研究和發(fā)展，將有一系列相關的工具軟件出現(xiàn)，其中可能出現(xiàn)的有：

1）基于幾何功能表述的公差規(guī)范自動標注軟件（模塊）。

2）基于3D CAD模型的尺寸鏈分析計算和優(yōu)化軟件（模塊），即風險分析與評估操作。

3）基于加工工藝的公差分解和加工過程控制要求自動標注軟件（模塊）。

4）集成誤差模型構建工具軟件，能將設計的公差、加工系統(tǒng)誤差、零件誤差離散度、測量不確定度、應用功能相關模糊度等進行關聯(lián)并建模，并形成相應的分析機制和系統(tǒng)模型。

國內尺寸工程相關標準的發(fā)展途徑

總體上看，國內和國際先進水平之間的差距非常大，這種差距不僅體現(xiàn)在標準的內容上，更體現(xiàn)在對標準內涵的理解以及基于理解的標準制訂、宣傳貫徹和應用中。依據(jù)國內工業(yè)發(fā)展的趕超目標，結合技術的發(fā)展，對國內產(chǎn)品幾何質量標準趕超世界先進水平提出如下建議。

1）用3～5年時間，組織相關專家全面轉化ISO和美國ANSI/ASME的相關標準，并在相關行業(yè)內全面宣傳貫徹使用，用先進標準倒逼中國產(chǎn)品質量的設計、控制水平提升。

2）用3～8年時間，在相關企業(yè)，特別是龍頭企業(yè)構建起一支強大的標準化技術隊伍，形成標準化能力，從而使企業(yè)能在先進標準的理念、思路和方法的指導下，具有構建面向具體產(chǎn)品和過程的標準制訂和實施能力。

3）用5～8年時間，組織相關專家全面學習和深入研討ISO和美國ANSI/ASME標準體系，爭取能跟上ISO和ANSI/ASME的標準研究步伐；

4）爭取用15年內時間，結合我們對標準的深度理解和汽車行業(yè)基于最先進標準的良好工程實踐，形成最前沿標準的提出和制訂能力。

此外，鑒于尺寸工程是一個綜合的技術體系和系統(tǒng)工程，因此建議在現(xiàn)全國產(chǎn)品幾何技術規(guī)范標準化技術委員會（SAC/TC 240）和全國產(chǎn)品技術文件標準化技術委員會（SAC/TC10）的基礎上，構建面向汽車尺寸工程的標準化技術委員會，全面負責和推廣標準的制訂和宣貫工作。該技術委員會的專家應在現(xiàn)有領域中擴大到信息化和CAD建模領域。

現(xiàn)代測量技術及其在汽車行業(yè)的應用

測量是科學的眼睛，更是工程的眼睛，唯有精準的測量數(shù)據(jù)才能確定產(chǎn)品與產(chǎn)品技術規(guī)范和要求相符合的程度，才會有良好的質量、成本和效率的組合體，測量更是未來制造中大數(shù)據(jù)的基礎，是智能制造的基礎之一。

測量操作實際上就是通過已知（已校準）件與被測件比對并賦值的過程，基于這一原理，在實際測量中存在二種具體的方法。

1.基于實物標準器的測量方法

這種測量方法的測量工具皆為實物，常見的實物標準器有卡尺、千分尺、塞尺、通止規(guī)及綜合功能量規(guī)（檢具）等。

2.基于虛擬標準器的測量方法（也稱數(shù)字測量方法）

該方法是通過對被測工件（表面或體）進行離散點獲取并載入基于CAD的測量軟件后，通過對點云的相關操作及與CAD模型的比對和賦值來進行測量和誤差計算。這類測量儀器一般包括了點（點云）測取裝置和測量軟件兩部分。這類測量的常見裝備有：三坐標測量儀、關節(jié)臂、激光跟蹤儀、藍光/白光/激光測量儀、數(shù)字比對儀、圓度儀、輪廓儀以及粗糙度儀等。

在實際應用中，基于精度、效率和成本的綜合考慮，測量操作可能被配置在實驗室、車間（在線、在機）等場合。同時，針對具體的測量和控制要求，還會制作專用測量設備進行測量操作。

此外，目前還有將高精度測頭配置在數(shù)控機床上，配合加工過程中的定位和進給的測量操作。

測量儀器還能與機器人集成，它能極大的提高了測量操作的效率和測量設備的柔性，也能在相當程度上規(guī)范測量的操作。

無論是基于實物標準器和基于虛擬標準器的測量，其標準件或測點拾取裝置（如坐標測量機）的精度都有相應的要求。國家標準給出了在一般情況下，當標準器的精度小于被測公差（精度）要求的1/3～1/10時，標準器的誤差可以忽略。但在實際使用中需要注意，在數(shù)字化時代，對測量結果的置信度已采用測量不確定來表達，這是一個數(shù)字化的方法。同時，要求送檢方和檢測方對測量不確度的表述達成共識后，產(chǎn)品符合性（符合圖樣要求）判定才有價值。

在大批量生產(chǎn)的汽車行業(yè)中，還有一種與測量相關的匹配操作，它是通過被測工件在樣架上的預裝配，將其與匹配檢測標準件（Cubing/Meisterbock）或在工件間進行比對和裝配狀態(tài)賦值的測量操作。目前，基于CAD的虛擬匹配技術也在多家企業(yè)得到了研發(fā)和初步應用。

近年來一種全新的體點測量工具，工業(yè)CT已被應用于工業(yè)現(xiàn)場，它能直接高精度無損地檢測工件內部的幾何質量。

目前，上述所有的測量方法都被廣泛地應用在汽車制造過程中，其主要應用有：

1）在高精度機加工方面應用，大量采用了三坐標測量機，特別是在動力總成關鍵零件加工中，三坐標測量機更是直接被配置在生產(chǎn)線中進行在線的測量和數(shù)據(jù)反饋，以調整和控制加工過程。

2）在車身（鈑金件）方面應用：在白車身整車方面廣泛采用了高精度三坐標測量臂（雙臂/三臂），而在車身零件方面，則采用檢具，或定位樣架與三坐標測量機、關節(jié)臂、激光跟蹤儀、藍光、白光和影像等測量儀相配合的方式進行測量。

3）在內外飾件和壓澆鑄件方面應用：除了三坐標測量機外，還大量應用藍光、白光、激光等測量設備對形面進行快速測量。此外，工業(yè)CT已被引入，以檢測鑄件內部的質量。

4）在表面結構方面的應用：粗糙度的應用在機加工方面十分普及，波紋度等在缸體、缸蓋、活塞也有深度的應用。

隨著數(shù)字化測量技術的發(fā)展，同時考慮到效率和成本的因素，基于實物標準器的測量方法正在逐步退出生產(chǎn)現(xiàn)場。幾何測量的數(shù)字化時代已經(jīng)來臨。

我國在幾何測量方面與國際先進水平的差距分析

這里以各類測量技術綜合應用最多的汽車行業(yè)為例進行分析。從測量技術和設備的應用層面來看，目前國內外的水平基本相同特別是在一些獨資和合資的企業(yè)，其應用技術水平基本上與國外持平，但從技術內涵及對核心技術的掌握層面來看，國內車企與國外存在著很大的距離，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）所有的高端測量儀器，特別是數(shù)字化的檢測裝備全部來自國外。國內的測量裝備在生產(chǎn)實際中的應用極少，其主要原因在于儀器精度、可靠性、軟件功能等方面。

2）在基于實物標準器的測量領域，包括綜合功能量規(guī)（檢具）、匹配樣架方面，國內已有能力制造并全面替代了國外產(chǎn)品。

3）測量傳感器大多購自國外，這導致在國內自制的專用測量裝備上核心部件受制于國外。

4）測量軟件方面國內測量裝備存在大量使用國際市場化測量軟件的現(xiàn)象，自主開發(fā)軟件功能相對欠缺。

5）在測量數(shù)據(jù)應用方面，盡管汽車領域有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（SPC）的要求，但在實際應用中無論是SPC工具的應用還是最終分析數(shù)據(jù)的反饋應用等，都與國外存在差距，其核心是對質量過程控制的理解以及方法的設計和應用未到位。

6）測量結果的應用存在問題，其主要原因在于測量要求，即GD&T標注和應用未完全體現(xiàn)在功能和控制的要求，導致測量結果無法對應實際工況，引發(fā)測量數(shù)據(jù)無效。

7）測量數(shù)據(jù)的合格性問題突出，主要表現(xiàn)在對測量規(guī)范制訂和測量過程管理的不到位，特別是對測量系統(tǒng)分析（MSA）工具的應用不夠充分，最終引發(fā)測量數(shù)據(jù)的可信度問題，以及測量數(shù)據(jù)的比對問題。

8）在對制造系統(tǒng)能力的評估中，對測量技術和工具遠遠不夠，包括Cmk、Ppk、Cp、Cpk等制造系統(tǒng)能力數(shù)據(jù)的獲取和應用等。

9）對新測量技術的應用不夠，如在國外的汽車發(fā)動機領域和汽車電子領域中，工業(yè)CT已得到了廣泛的應用。這其中一方面是工業(yè)CT的價格問題，更關鍵的是設計對質量的深層次理解和高端測量技術的應用能力問題。

10）測量數(shù)據(jù)管理的信息化程度較低，導致數(shù)據(jù)深層次分析和集成應用問題突出。

汽車幾何測量技術的發(fā)展和對策

從測量技術的發(fā)展來看，在汽車領域，特別是新能源汽車的發(fā)展，測量技術的應用將會有根本性的變化，其主要表現(xiàn)為：

1）測量要求的變化：測量要求將被明確地分為面向零件裝配功能和加工控制，從而使測量結果能夠直接對偶到實際工況，這方面變化已在相應的國際GPS&V標準中體現(xiàn)。

2）高精度掃描測量技術，特別是高精度CT的全“體”測量技術，將在相當程度上淘汰絕大多數(shù)的測量操作，并將徹底改變現(xiàn)有的幾何質量定義、控制和檢測的方法和流程。

3）測量技術的應用將形成全尺寸、全方位、全過程的特點，同時，數(shù)據(jù)的精準度和可信度、信息的完整度和有效性、大數(shù)據(jù)的價值性，包括數(shù)據(jù)集的關聯(lián)性和可挖掘性等。

4）測量操作的自動化將成為主流，可以預見的是今后在后端的測量操作將以機器人等智能裝備搭載測量裝備和自動測量機為主。

5）對測量系統(tǒng)的數(shù)字建模和優(yōu)化迭代將成為數(shù)字孿生的一個重要組成部分，同時對測量數(shù)據(jù)的管理將成為數(shù)字進程（Digit Thread）的必不可少的一個過程，整個模型將圍繞著測量不確定度展開，測量不確定度管理流程（Procedure for Uncertainty Management,PUMA）將成為系統(tǒng)迭代和優(yōu)化的主要工具。

6）測量系統(tǒng)及測量數(shù)據(jù)都將被集成在智能制造系統(tǒng)中，特別是數(shù)字進程的標準構建和應用是這項工作的核心，目前美國ANSI已構建了兩版的質量信息架構標準，即QIF2.0（Quality Information Framework），從而將測量系統(tǒng)和測量數(shù)據(jù)/信息完全融入到企業(yè)的信息化體系。

基于上述對測量技術現(xiàn)狀的分析和對發(fā)展趨勢的研判，建議我國汽車領域在測量技術研發(fā)和應用方面重點突破和提升途徑為：

1）用3～5年時間，在企業(yè)著力貫徹ISO 9000“循證決策”的原則，充分運用先進測量工具，完成對質量狀態(tài)的全面數(shù)字化，從而使質量狀態(tài)及過程顯性化和可視化。

2）用5～10年時間，結合車企的實際測量與控制需求和國家重在儀器研發(fā)戰(zhàn)略，爭取在高精度數(shù)字化測量裝備這部分有所突破。

3）用3～5年時間，結合車企對質量狀態(tài)數(shù)字化和信息化需求，結合國家工業(yè)軟件研發(fā)戰(zhàn)略，在測量數(shù)據(jù)處理、模型重構、數(shù)據(jù)和模型應用、數(shù)據(jù)管理、實驗室管理等方面軟件和模塊的研發(fā)和應用方面有所突破。

4）用5～10年時間，在測量系統(tǒng)建模和優(yōu)化方面開展工程實踐，并將測量數(shù)據(jù)和測量系統(tǒng)融入到企業(yè)的信息化架構中。

5）用3～5年時間，在學習參考ISO和美標的基礎上，結合我國車企的應用需求，形成具有中國特色的QIF標準體系。

6）用3～5年時間，重點開展工業(yè)CT技術在新能源汽車方面的應用研究，形成相應的測量規(guī)范和評判標準，為新能源汽車質量和安全保駕護航。

總之，還是以標準的宣貫和應用為抓手，從系統(tǒng)角度考慮設計和測量的一體性，這也是GPS&V標準的基本思路。

結語

產(chǎn)品幾何質量是產(chǎn)品質量不可或缺的部分，是中國制造和中國產(chǎn)品立足和發(fā)展的基礎和根本。國內企業(yè)決不能因為其造成后果的隱含性而忽略其重要性。

同時，大型企業(yè)，特別是國企應該承擔起在這方面的社會責任，一方面運用先進標準提升自身的產(chǎn)品質量水平，另一方面也可帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈質量水平提升。

從上面的分析和討論中可以看到，產(chǎn)品幾何質量的背后是一整套標準的全面支撐。只有正確理解、全面學習和全程貫徹了這些標準，才能保證產(chǎn)品的質量?？傊?，標準是唯一的、可行的質量抓手。這也就是李克強總理講的“用先進標準倒逼中國制造能力的提升”的真正內涵。