GB/T 40810.1-2021 产品几何技术规范（GPS） 生产过程在线测量 第1部分：几何特征（尺寸、表面结构）的在线检测与验证

　　ICS 17 . 040 . 40 CCS J 42

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40810 . 1—2021

　　产品几何技术规范(GPS)

　　生产过程在线测量

　　第 1 部分：几何特征(尺寸、表面结构)的

　　在线检测与验证

　　Geometricalproductspecifications(GPS)—

　　onlinemeasurementinprocess—Part1：onlineverificationof

　　geometricfeatures(sizeandsurfacetexture)

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　本文件是 GB/T 40810《产品几何技术规范(GPS) 生产过程在线测量》的第 1 部分。 GB/T 40810已经发布了以下部分：

　　— 第 1 部分：几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证;

　　— 第 2 部分：几何特征(形位)的在线检测与验证。

　　本文件由全国产品几何技术规范标准化技术委员会(SAC/TC 240)提出并归口 。

　　本文件起草单位：郑州恩普特科技股份有限公司、中机生产力促进中心、郑州大学、苏州天准科技股份有限公司、杭州长庚测量技术有限公司、西安西谷微电子有限责任公司、山东道先为智能科技有限公司、江苏锐精光电研究院有限公司、中机研标准技术研究院(北京)有限公司。

　　本文件主要起草人：郑鹏、李军伟、明翠新、曹葵康、赵军、郎岩梅、朱悦、白巍、陈刚。

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　　引 言

　　针对生产过程中产品的尺寸、形状、方向、位置等几何精度的数字化测控方法不完善、几何精度的数字化检验方法和测量不确定度评估方法缺失、过程质量精度测控手段被动落后等关键问题，重点研究产品几何精度的数字化测量理论、方法和技术，构建符合新一代 GPS 的几何精度检验操作规范体系和控制策略。

　　GB/T 40810 是基于新一代 GPS产品几何规范体系，运用数字化在线测量技术、统计学习及分析理论、先进制造技术、系统集成及管理技术等，通过理论分析、模型映射和仿真模拟/实验验证等手段开展制定的生产过程在线测量推荐性国家标准。 重点解决在线几何特征检验标准规范的系统性、完整性、统一性问题，为有效解决生产过程中几何特征检测与控制的数字化、自动化和智能化问题奠定了必要的技术基础。

　　GB/T 40810 主要用于规范生产过程中几何特征的检测与验证策略及方法，并给出生产过程中(在线/离线)产品质量精度测量的数字化操作方法与检测规范。 为了方便读者使用，将标准分为两个部分进行编写，两部分内容相互关联又各自独立，共同构成了几何特征的在线检测与验证规范的内容。

　　GB/T 40810 由两部分构成。

　　— 第 1 部分：几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证。 规定了生产过程中几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证规范。 描述了基于 GPS 的在线要素提取、滤波(表面误差分离)、拟合、评估、合格性判断以及缺省操作规范的方法。

　　— 第 2 部分：几何特征(形位)的在线检测与验证。 规定了生产过程中几何特征(形状和位置)的在线检测与验证要求。 描述了形位特征在线检验操作及合格性评定规则。

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　　产品几何技术规范(GPS)

　　生产过程在线测量

　　第 1 部分：几何特征(尺寸、表面结构)的

　　在线检测与验证

　　1 范围

　　本文件规定了生产过程中几何特征(尺寸、表面结构)的在线检测与验证(以下简称“检验”)要求。描述了基于 GPS 的在线要素提取、滤波(表面误差分离)、拟合、评估、合格性判断以及缺省操作规范的方法。

　　本文件适用于生产过程中尺寸、表面结构特征的在线检测与验证。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1182 产品几何技术规范(GPS) 几何公差 形状、方向、位置和跳动公差标注

　　GB/T 1958 产品几何技术规范(GPS) 几何公差 检测与验证

　　GB/T 3177 产品几何技术规范(GPS) 光滑工件尺寸的检验

　　GB/T 3505 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 术语、定义及表面结构参数GB/T 17851 产品几何技术规范(GPS) 几何公差 基准和基准体系

　　GB/T 18777 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 相位修正滤波器的计量特性

　　GB/T 18778 . 1 产品几何量技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 具有复合加工特征的表面

　　第 1 部分：滤波和一般测量条件

　　GB/T 18778 . 2 产品几何量技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 具有复合加工特征的表面

　　第 2 部分：用线性化的支承率曲线表征高度特性

　　GB/T 18778 . 3 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 具有复合加工特征的表面 第 3部分：用概率支承率曲线表征高度特性

　　GB/T 18779 . 1 产品几何量技术规范(GPS) 工件与测量设备的测量检验 第 1 部分：按规范检验合格或不合格的判定规则

　　GB/T 18779 . 2 产品几何量技术规范(GPS) 工件与测量设备的测量检验 第 2 部分：测量设备校准和产品检验中 GPS测量的不确定度评定指南

　　GB/T 18779 . 3 产品几何技术规范(GPS) 工件与测量设备的测量检验 第 3 部分：关于对测量不确定度的表述达成共识的指南

　　GB/T 24637 . 1 产品几何技术规范(GPS) 通用概念 第 1 部分：几何规范和检验的模型

　　GB/T 24637 . 2 产品几何技术规范(GPS) 通用概念 第 2 部分：基本原则、规范、操作集和不确定度

　　GB/T 24637 . 3 产品几何技术规范(GPS) 通用概念 第 3 部分：被测要素

　　GB/T 33523 . 2 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 区域法 第 2 部分：术语、定义及表面结构

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　　参数

　　GB/T 38762 . 1 产品几何技术规范(GPS) 尺寸公差 第 1 部分：线性尺寸

　　JJF 1001 通用计量术语及定义

　　3 术语和定义

　　GB/T 1182、GB/T 1958、GB/T 3177、GB/T 17851、GB/T 18778 . 1、GB/T 18778 . 2、GB/T 18778 . 3 、 GB/T 18779 . 1 、GB/T 18779 . 2 、GB/T 18779 . 3 、GB/T 24637 . 1 、GB/T 24637 . 2 、GB/T 24637 . 3 、 GB/T 33523 . 2 、GB/T 38762 . 1 和 JJF 1001 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　在线尺寸测量 onlinesizemeasurement

　　生产过程中进行尺寸特征的测量。

　　3.2

　　在线尺寸测量系统 onlinesizemeasuringsystem

　　由测量装置、驱动器及控制器(或计算机处理系统)等构成的工件尺寸的实时测量系统。

　　3.3

　　被测要素 tolerancedfeature

　　定义 GPS特征的一个或多个几何要素集，或基本被测要素的组合。

　　注 1 ：基本被测要素为完整几何要素的最小组成部分。

　　注 2：被测要素是给出形状和位置公差的要素。

　　[来源：GB/T 24637 . 3—2020,3 . 3]

　　3.4

　　导出要素 derivedfeature

　　对组成要素或滤波要素进行一系列操作而产生的中心的、偏移的、一致的或镜像的几何要素。

　　注：导出要素可从一个公称要素、一个拟合要素或一个提取要素中建立，分别称为公称导出要素、拟合导出要素或提取导出要素。

　　[来源：GB/T 24637 . 1—2020,3 . 3 . 6]

　　3.5

　　拟合要素 associatedfeature

　　通过拟合操作，由非理想表面模型中或从实际要素中建立的理想要素。

　　[来源：GB/T 24637 . 1—2020,3 . 3 . 8]

　　3.6

　　检验操作 verificationoperation

　　实际规范操作所规定的测量过程或测量设备或两者结合的实施过程的操作。

　　[来源：GB/T 24637 . 2—2020,3 . 1 . 5]

　　3.7

　　缺省操作规范 defaultspecificationoperation

　　应用于缺少任何附加信息或修饰符的基本 GPS规范中的规范操作。

　　注：缺省(规范)操作可能是一个国家标准缺省、企业标准缺省或图样缺省规范操作。

　　[来源：GB/T 24637 . 2—2020,3 . 1 . 2]

　　3.8

　　轮廓滤波器 profilefilter

　　把轮廓分离成长波和短波成分的滤波器。

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　　[来源：GB/T 3505—2009,3 . 1 . 1]

　　3.9

　　原始轮廓 primaryprofile

　　通过 λs轮廓滤波器后的总轮廓。

　　注 1：确定存在于表面上的粗糙度与比它更短的波的成分之间相交界限的滤波器为 λs轮廓滤波器;确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器为 λc轮廓滤波器;确定存在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相交界限的滤波器为 λf轮廓滤波器。

　　注 2：原始轮廓是进行轮廓滤波和参数计算的数字轮廓处理的基础。

　　[来源：GB/T 3505—2009,3 . 1 . 5]

　　3 . 10

　　粗糙度轮廓 roughnessprofile

　　对原始轮廓采用λc轮廓滤波器抑制长波成分以后形成的轮廓。

　　[来源：GB/T 3505—2009,3 . 1 . 6,有修改]

　　3 . 1 1

　　波纹度轮廓 wavinessprofile

　　对原始轮廓连续应用 λf和 λc两个轮廓滤波器以后形成的轮廓，采用 λf轮廓滤波器抑制长波成分，而采用λc轮廓滤波器抑制短波成分。

　　[来源：GB/T 3505—2009,3 . 1 . 7,有修改]

　　3 . 12

　　表面缺陷 surfaceimperfection

　　在加工、存储或使用期间，非故意或偶然生成的实际表面的单元体、成组的单元体、不规则体。

　　注 1 ：这些单元体或不规则体的类型，明显区别于构成一个粗糙度表面的那些单元体或不规则体。

　　注 2：缺陷的可接受性取决于表面的用途或功能，并由适当的项目来确定，即长度、宽度、深度、高度、单位面积上的缺陷数等。

　　[来源：GB/T 15757—2002,2 . 4]

　　3 . 13

　　误差分离 errorseparation

　　采用一定的轮廓滤波器将工件表面误差进行分离的操作。

　　3 . 14

　　评估 evaluation

　　用于确定某一特征值或其公称值和其极限值的操作。

　　[来源：GB/T 24637 . 1—2020,3 . 4 . 2]

　　4 一般规定

　　4 . 1 根据工件的功能要求及设备加工技术要求，确定工件几何特征的在线检验操作集。

　　4 . 2 检验操作主要包括被测要素的在线获取过程和基准的体现过程(针对有基准要求的方向公差或位置公差)，以及对测量结果与公差规范符合性的评估过程。

　　4 . 3 检验操作集是在检验过程中为确定特征值而对被测工件进行的一系列操作的有序集合。

　　4 . 4 依据工艺要求、加工条件、测量条件确定要素操作规范，包括在线要素提取、在线要素滤波、在线要素拟合操作等;依据过程中几何误差的要求确定控制界限，进行在线评估操作。

　　4 . 5 在线测量系统一般由信号测量单元(传感器)、信号处理单元、控制单元等构成。 在线测量系统与加工系统构成闭环，加工过程中测量系统将测得的几何特征信息反馈给加工系统实现加工 自动化。 某

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　　一工序完成后，对工件实施在线测量，并根据获取的几何特征评价工艺能力，从而修正加工过程。

　　4 . 6 在线测量方法包括接触式和非接触式两种。 接触式可采用触针式传感器等，非接触式可采用光电式传感器、图像传感器等。 用触针式仪器检验粗糙度的方法见附录 A。

　　注：采用光学方法在位检验光学元件平面度的示例见附录 B、平板玻璃点状缺陷的示例见附录 C。

　　4 . 7 在线测量的条件包括：

　　— 测量条件应在检验规范中规定。 实际操作中，所有偏离规定条件并可能影响测量结果的因素均应在测量不确定度评估时考虑。

　　— 测量力的条件为：对于非接触式测量不考虑该因素;对于接触式测量，测量力的实际值应在设计值的允许变化范围内，例如，内、外圆磨削加工中，测量力的实际值应在推荐设计值(0.7 N~ 2 . 5 N )的 ±15%范围内。

　　— 当温度在某一范围内变化时，测量值的变化量不应大于其允许值。

　　— 在线检验时，除非另有规定，表面粗糙度、划痕、擦伤、塌边等外观缺陷的影响应排除在外。

　　— 在线检验前需要进行系统校准。

　　注：系统校准是指采用标准器确定测量系统输入和输出的对应关系。

　　4 . 8 在线几何特征测量的方法及操作步骤应依据检验操作集。 在线几何特征检验操作集包括提取操作、滤波操作、评估操作等。

　　4 . 9 采用过程控制工具对生产过程中的几何特征进行分析，如绘制分析用控制图等，从而对几何特征进行受控状态判断，并对生产过程进行分析评价和改进加工工艺。

　　4 . 10 在线几何特征测量中，若有测量不确定度评估要求，其评估方法按照 GB/T 1958 的规定进行。

　　4 . 1 1 表面质量评价的规范内容主要包括：

　　— 误差成分的分离;

　　— 轮廓中线拟合操作;

　　— 误差评价参数;

　　— 表面质量合格性判定。

　　4 . 12 通过误差分离操作获得的原始轮廓、粗糙度轮廓及表面波纹度轮廓是评定对应轮廓参数的基础。

　　4. 13 接触式轮廓滤波器截止波长的标称值的推荐值见 GB/T 6062。粗糙度截止波长 λC、针尖半径和粗糙度截止波长比率 λC/λS之间的关系见附录 D。相位修正滤波器的选择应按 GB/T 18777 的准则进行。

　　4 . 14 工件表面缺陷检测与验证除评价参数外，还应包括缺陷检出率、误判率、缺陷类型识别准确率等参数。

　　5 在线要素的提取、检验操作及缺省操作规范

　　5 . 1 在线要素的提取操作

　　5 . 1 . 1 概述

　　在线提取操作是从无限点集组成的非理想要素中获取离散的有限点集的操作，并用这个点集近似地表示该非理想要素，以便对这些离散数据进行处理。

　　在对被测要素和基准要素进行在线提取操作时，要规定提取操作方案(点数、位置、分布方式)。如果图样未规定提取操作方案，则由操作者根据被测工件的功能要求、结构特点和在线提取操作设备的情况等合理选择。 常见的在线要素提取操作方案如图 1 所示。

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　　a)矩形栅格法提取方案 b)三角形栅格法提取方案 c)平行线提取方案

　　d)米字形栅格法提取方案 e)随机布点法提取方案 f)极坐标栅格法提取方案

　　g)渐开线法提取方案

　　h)蜘蛛网法提取方案

　　i)母线法提取方案

　　j)螺旋法提取方案 k) 圆周线法提取方案 l)鸟笼法提取方案

　　图 1 提取操作方案

　　以磨削加工为例，不同磨床在主动测量过程中的提取操作示例见附录 D。

　　测量方法的选取应考虑工件功能要求、结构形状、材料及加工环境等因素。 根据是否接触被测要素，测量方法包括接触式和非接触式测量方法。 根据传感器类型测量方式包括：机械式、光学式、超声波式、电磁式和气动式等。

　　注 ：圆柱度误差接触式和非接触式在位检验示例见附录 E。

　　5 . 1 . 2 在线尺寸特征的提取操作

　　根据被测工件几何特征及测量方法确定其尺寸特征提取操作方案，并对提取方案可能产生的不确定度予以考虑。

　　在线尺寸接触式和非接触式测量方法如下：

　　a) 接触式

　　接触式在线尺寸测量方式，通常分为单点测量和双点测量。 单点测量装置可用于端面定位或者用两个组合起来测量大的直径等;双点测量装置用于测量外径、内径、槽宽、台阶宽等。

　　单点测量及双点测量的测量位置、提取方式不同，算式组合也不同。

　　注 1 ：接触式磨削加工在线尺寸测量系统见附录 F。

　　注 2 ：曲轴在位尺寸测量系统的示例见附录 G。

　　b ) 非接触式

　　非接触式在线尺寸测量方式分为点、线阵、面阵测量。 非接触式采集信息量与使用测量设备的类型和性能有关。

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　　注：非接触式活塞销外径在线测量系统的示例见附录 H。

　　5 . 2 在线滤波操作

　　5 . 2 . 1 概述

　　滤波操作是通过降低非理想要素特定频段信息水平而获取所需非理想要素的操作。 在线滤波操作不是一个必选的要素操作，根据图样上或其他技术文件中给出的滤波操作规范进行滤波操作。

　　5 . 2 . 2 滤波方法及在线应用规范

　　5 . 2 . 2 . 1 滤波方法

　　滤波方法包括模拟滤波和数字滤波。 模拟滤波采用模拟滤波器对初始采集信号进行滤波，如有源滤波器、无源滤波器。 数字滤波采用数字方式进行测量值的滤波，如高斯滤波器等。

　　5 . 2 . 2 . 2 在线应用规范

　　确认图样上或其他技术文件中给出的滤波操作规范，按照规定的滤波器类型和滤波器指数进行滤波操作。

　　示例 1：图样公差框格为“”，表示需要进行滤波操作。符号 G表示采用高斯滤波器，数值 50 表示嵌套指数为 50UPR,数值后面的“-”表示这是一个低通滤波器。经过对提取截面圆[如图 2a)所示]进行滤波后，获得滤波后的提取截面圆轮廓[如图 2b)所示]。

　　a)滤波前 b)滤波后

　　图 2 圆度检验中的滤波操作示意图

　　示例 2：图样公差框格为“E回”。符号 SW-8 表示采用截止波长为 8 mm 的样条小波高通滤波器对提取

　　要素进行滤波，获得滤波后的提取线。

　　示例 3：图样公差框格为“”。符号 CB 表示采用封闭球形态学滤波器，数值 1. 5 表示球半径为1.5 mm, 数值 1.5 后面的“-”表示这是一个低通滤波器。采用低通滤波器对提取圆柱面进行滤波，获得滤波后的提取圆

　　柱面。

　　5 . 2 . 3 在线滤波操作缺省

　　如果图样或其他技术文件中没有明确给出滤波器及其参数，则不要求进行滤波操作。

　　除非图样上有专门规定，一般不对基准要素的提取要素进行滤波操作。

　　注：接触式测量中的探针球型针尖、激光测量中的光斑等，具有形态滤波器的作用。

　　5 . 2 . 4 在线尺寸特征的滤波操作

　　通过滤波操作分离并获取有效的尺寸特征信息。

　　为了提高测量系统的抗干扰性能，提高其测量精度，在设计软件时采用数字滤波技术进行采样数据

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　　预处理。 通过滤波消除或减弱干扰和噪声的影响，提高测量的可靠性和精度。 考虑到加工系统自身的特点，可选用不同的滤波算法。

　　注：数字滤波算法示例见 F. 3 。

　　5 . 2 . 5 误差分离操作

　　5 . 2 . 5 . 1 误差分离方法

　　在线进行误差分离操作推荐采用高斯滤波器，其特性见附录 I。 图 3 给出了不同轮廓的传输特性。

　　图 3 不同轮廓的传输特性

　　a) 粗糙度轮廓分离操作：采用由λs-λc组成的带通滤波器滤掉高频和低频成分，提取获得粗糙度轮廓。

　　b) 波纹度轮廓分离操作：采用由λc-λf组成的带通滤波器滤掉高频和低频成分，提取获得波纹度轮廓。

　　c) 原始轮廓分离操作：采用短波长滤波器λs滤掉高频成分，提取获得原始轮廓。

　　5 . 2 . 5 . 2 误差分离操作流程

　　表面误差分离操作流程如图 4 所示。

　　图 4 误差分离操作流程示意图

　　5 . 3 在线拟合操作

　　5 . 3 . 1 概述

　　依据特定准则用理想要素逼近非理想要素的操作。 拟合操作过程实质上是一个目标约束优化的过程，目的是通过目标约束优化，完成非理想要素到替代理想要素的转换，从而实现对非理想要素特征的描述和表达。

　　5 . 3 . 2 拟合方法及在线应用规范

　　拟合操作使用的拟合准则给出了特征目标和约束。 约束决定了特征值或者对特征给出了极限。 约束可应用于本质特征、理想要素间的方位特征或理想要素和非理想要素间的方位特征。 用理想要素拟

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　　合非理想要素。

　　对于尺寸特征，根据图样规范，采用不同的拟合准则得到不同尺寸特征类型的尺寸特征值。 拟合准

　　则包括最小二乘、最大内切、最小外接四以及最小区域准则。

　　对于形状误差，获得理想要素位置的拟合操作方法有最小区域法 C(切比雪夫法)、最小二乘法 G 、最小外接法 N 和最大内切法 X等。 对于方向和位置误差，理想要素的方向和位置由基准(和理论正确尺寸)确定，基准拟合方法见 5 . 3 . 3 。

　　示例 1 ：以圆柱为例，应用拟合准则得到圆柱的直径，也可用于评定圆柱度形状误差。 在线拟合准则可为：

　　— 非理想要素的各点到理想圆柱面的距离的平方和为最小(最小二乘法);

　　— 内切圆柱面的直径最大(最大内切法，如图 5 所示);

　　— 外接圆柱面的直径最小(最小外接法);

　　— 两同轴线圆柱面之间半径差值最小(最小区域法)。

　　图 5 拟合操作示例

　　示例 2：图样公差框格为“”，按图样规范，符号 N 表示对滤波后的提取截面圆采用最小外接法进

　　行拟合，获得提取截面圆的拟合导出要素(圆心)，进而评估获得其圆度误差值。

　　5 . 3 . 3 基准拟合方法

　　对基准要素进行拟合操作以获取基准或基准体系的拟合要素时，该拟合要素要按一定的拟合方法与实际组成要素相接触，且保证该拟合要素位于其实际组成要素的实体之外，可用的拟合方法有最小外接法、最大内切法、实体外约束的最小区域法和实体外约束的最小二乘法。

　　5 . 3 . 4 拟合操作的缺省操作规范

　　拟合操作的缺省操作规范如下：

　　a) 对获得理想要素位置的拟合操作缺省：如图样上无相应的符号专门规定，加工中在线获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小二乘法;加工后获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小区域法。

　　b) 对于有方向或位置公差要求的被测要素，缺省情况下，方向或位置公差规范是对被测实际提取组成要素或导出要素的要求。

　　c) 对基准要素的拟合操作缺省：如图样或技术文件中无专门规定或说明，拟合方法一般缺省规定为：最小外接法(对于被包容面)、最大内切法(对于包容面)或最小区域法(对于平面、曲面等);缺省规定也允许采用实体外约束的最小二乘法(对于包容面、被包容面、平面、曲面等)，若有争议，则按一般缺省规定仲裁。

　　5 . 3 . 5 表面质量评价中的拟合操作应用

　　对于原始轮廓的形状误差检验，理想要素的形状由理论正确尺寸或/和参数化方程定义，理想要素的位置由对被测要素的提取要素进行拟合得到。 拟合的方法有最小区域法(切比雪夫法)、最小二乘法、最小外接法和最大内切法等。 如果工程图样上无相应的符号专门规定，加工中在线获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小二乘法;加工后获得理想要素位置的拟合方法一般缺省为最小区域法。

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　　对于粗糙度、波纹度轮廓误差成分，依据评定长度和拟合原则分别进行拟合操作，得到相应轮廓中线，即粗糙度轮廓中线、波纹度轮廓中线。 各误差成分的拟合轮廓中线作为参数评定的基准。 中线的拟合缺省为最小二乘法。

　　5 . 4 测量数据预处理

　　5 . 4 . 1 粗大误差剔除

　　对于异常因素造成的测量数值超出正常测量误差范围，采用拉伊达准则、肖维纳准则等实现数据粗大误差的剔除。

　　5 . 4 . 2 非连续工件表面测量数据处理

　　对于实际加工过程中常遇到测量如齿轮、带键槽轴等断续表面的情况，为了保证系统的测量精度和测量效率，测量断续表面时应进行相应的数据处理，见 F. 4 。

　　5 . 5 在线评估操作

　　5 . 5 . 1 在线尺寸特征的评估操作

　　通过对测量得到的尺寸特征信息进行必要的相关操作(如拟合等)，从而得到尺寸特征值。 根据图

　　样规范要求，获得对应尺寸特征类型的尺寸值。如，10±0.1 ,轴尺寸为最小外接尺寸。如果无规

　　范修饰符时，则缺省为两点尺寸。

　　5 . 5 . 2 表面质量评价

　　5 . 5 . 2 . 1 表面形状误差

　　原始轮廓的形状误差包括平面度误差、圆度误差、圆柱度误差、轮廓度误差等，其评定应符合最小条件原则，详细评定过程应符合 GB/T 1958 的规定。

　　5 . 5 . 2 . 2 表面粗糙度

　　表面粗糙度评价参数主要包括：轮廓参数、幅度参数、间距参数、曲线和相关参数。 参数定义及评定按照 GB/T 3505 描述的方法进行。

　　5 . 5 . 2 . 3 表面波纹度

　　表面波纹度评价参数主要包括：轮廓参数、幅度参数、间距参数、曲线和相关参数。 参数定义及评定按照 GB/T 3505 描述的方法进行。

　　5 . 5 . 2 . 4 表面缺陷

　　表面缺陷评价参数主要包括：表面缺陷长度、表面缺陷宽度、混合表面缺陷深度、表面缺陷总面积等 。表面缺陷类型包括：凹缺陷、凸缺陷、混合表面缺陷、区域缺陷。 在线表面缺陷评价还包括缺陷检出率、缺陷类型识别准确率等技术参数。 GB/T 15757 给出了参数的定义及评定的方法。 附录 C 给出了平板玻璃点状缺陷的检验示例。

　　5 . 6 尺寸特征的补偿操作

　　由于在线测量系统及加工设备存在系统误差，会引起工件的加工尺寸误差。 通过对尺寸误差的统

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　　计分析，在后续的加工中进行适时尺寸补偿以消除影响。

　　注 1 ：补偿的方式可采用内部补偿或外部补偿。

　　注 2 ：内部补偿由操作者直接输入给测量控制器，由测量控制器补偿尺寸值。

　　注 3：外部补偿由操作者直接在加工设备(数控机床)软件系统中修改补偿值。

　　5 . 7 在线数据传输

　　将在线测量得到的几何特征信息以某一特定的数据格式实时传输给加工设备或系统，数据格式主要有 BCD、二进制等。

　　5 . 8 合格评定

　　按测量任务和规范要求进行在线几何特征的合格性评定，将测量结果与该过程的特征规范要求进行符合性比较判定。

　　6 几何特征的统计受控判断

　　采用过程控制工具对生产过程中的几何特征进行统计分析，如绘制分析用控制图等，从而对几何特征进行统计受控状态的判断，并对生产过程进行分析评价。

　　注 1 ：若过程控制采用预报模型进行在线几何特征预报，可超前预判几何特征是否受控，并实施自动补偿。

　　注 2：统计受控状态是指当过程仅受随机因素影响时，过程处于统计控制状态。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 A

　　(资料性)

　　用触针式仪器检验粗糙度的方法

　　用触针式仪器检验粗糙度应确定截止波长、取样长度等相关参数，并符合相应的方法。 表 A. 1 给出了用触针式仪器检验粗糙度的方法。

　　表 A.1 用触针式仪器检验粗糙度的方法

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　表 A.1 用触针式仪器检验粗糙度的方法(续)

　　表 A.2 测量非周期性轮廓的 Ra值的粗糙度取样长度

　　表 A.3 测量非周期性轮廓的 Rz值的粗糙度取样长度

　　表 A.4 测量周期性和非周期性轮廓的 Rsm 值的粗糙度取样长度

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 B

　　(资料性)

　　平面光学元件在位检验示例

　　B.1 平面光学元件在位测量系统构成

　　平面光学元件在位测量系统由信号测量单元(干涉仪、测量架、精调机构)、信号处理单元(主控计算机)及控制单元(机床控制台)等组成，如图 B. 1 所示。

　　磨床和检测装置采用分离式结构集成一体共用同一个工作平台，相互独立运动。 工件在检测时可

　　保持在其加工位置实现在位检测。龙门测量架可沿导轨纵向移动(x 轴线)，检测时靠近磨床，加工时

　　远离磨床，中间加设隔离装置。 干涉仪通过精调机构吊装在测量架上，可沿测量架横梁移动(Y轴线)，

　　与工作平台的 x 向移动结合，组成了可实现扫描的二维移动系统。精调机构可调节干涉仪与被测面之

　　间 Z 向的距离。 由于干涉仪孔径有限，光学元件尺寸大于干涉仪孔径时，采用多孔径干涉拼接技术进行检测。

　　图 B.1 平面光学元件在位测量系统示意图

　　B.2 平面光学元件在位平面度误差检验操作示例

　　B.2 . 1 预备工作

　　清洁被测工件表面，移动工作台和测量架，调整干涉仪使出射光对准被测件中心孔径。

　　B.2 . 2 被测要素测量与评估

　　被测要素测量与评估包括以下内容：

　　a) 分离：根据图样规范要求，确定被测工件表面及测量界限。

　　b) 提取：根据图样规范要求，考虑工件的功能特征、结构特征及加工工艺等，采用多孔径测量方式对被测表面进行提取，并通过多孔径拼接算法获得被测工件的提取平面。

　　c) 误差分离：根据图样规范要求，采用滤波器对提取平面进行滤波，获得误差分离后的平面轮廓。

　　d) 拟合：根据图样规范要求，缺省情况下，采用最小区域法对误差分离后的平面轮廓进行拟合，得到拟合平面。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　e) 评估：平面度误差值为提取表面上的最高峰点、最低谷点到拟合平面的距离值之和。

　　B.2 . 3 合格评定

　　将得到的平面度误差值与图样上给出的平面度公差值进行比较，判定被测表面的平面度是否合格。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 C

　　(资料性)

　　平板玻璃点状缺陷检验示例

　　C.1 平板玻璃点状缺陷测量系统的构成

　　平板玻璃点状缺陷测量系统由信号测量单元(图像采集系统)、信号处理单元(工业 PC 机)及控制单元(PLC)等构成，如图 C. 1 所示。

　　合理布置光源位置，为图像采集提供均匀的光照环境。 相机采集透过玻璃的光线信号，通过图像数据处理与分析系统传入计算机，计算机接收图像采集处理后的信息，并对检测信息进行数据存储、统计分析和管控。

　　图 C.1 平板玻璃点状缺陷测量系统构成图

　　C.2 平板玻璃点状缺陷检测要求

　　平板玻璃点状缺陷检测要求如表 C. 1 所示，详细技术描述见 GB/T 36404 。

　　表 C.1 检测要求

　　C.3 检验工作

　　C.3 . 1 预备工作

　　调整光源位置及图像采集系统参数。

　　C.3 .2 被测要素测量与评估

　　被测要素测量与评估包括以下内容：

　　a) 分离：根据图样规范要求，确定被测工件表面及测量界限;

　　b) 提取：根据图样规范要求，考虑平板玻璃的加工工艺及点状缺陷特征等，使用图像采集系统采集被测工件表面数字图像信息;

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　c) 误差分离：根据图样规范要求，对提取的图像信息进行滤波操作，分离获得表面缺陷信息;

　　d) 评估：根据检测要求，对表面缺陷信息进行各评价参数计算、统计分析。 C.3 .3 检测结果输出及合格评定

　　检测结果输出及合格评定包括以下内容：

　　a) 输出缺陷的核心尺寸、位置分布、类型及数量，玻璃板质量等级信息。

　　b ) 根据生产需要给出不同时间段的缺陷统计数据。

　　c) 将缺陷检测结果与质量规范要求进行符合性比较判定。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 D

　　(资料性)

　　磨削加工在线几何误差提取方案示例

　　磨削加工在线几何误差提取方案见图 D. 1 。

　　图 D.1 磨削加工在线几何误差提取方案

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 E

　　(资料性)

　　典型形位误差在位检验示例

　　E.1 轧辊在位圆柱度误差接触式测量系统的构成

　　轧辊在位圆柱度误差接触式测量系统由信号测量单元(触针式传感器、弓形测量架)、信号处理单元(工业 PC机)及控制单元(PLC)等构成，如图 E. 1 所示。

　　图 E.1 轧辊在位圆柱度误差接触式测量系统构成图

　　测量装置安装于磨床滑动拖板，并随滑动拖板沿被测轧辊轴向运动完成在位测量。 测量装置结构及测量方式为：在弓形测量架两端相对安装了两个测量传感器，两测头的中心线处在同一直线上，并垂直被测轧辊的中心线。 测量时，弓形测量架沿平行于轧辊中心线的方向移动，分段测量被测轧辊。

　　E.2 轧辊在位圆柱度误差非接触式测量系统的构成

　　轧辊在位圆柱度误差非接触式测量系统由信号测量单元(图像采集系统)、信号处理单元(工业 PC机)及控制单元(PLC)等构成，图像采集系统包括图像传感器(如工业 CCD)、数据采集卡等，如图 E. 2所示。

　　图 E.2 轧辊在位圆柱度误差非接触式测量系统构成图

　　光源由发光体组成，发光均匀，光能利用率高，光源布置有利于圆柱度误差的测量。 图像采集系统由相机和镜头构成，相机采集信号并传输给计算机。 计算机进行图像数据处理及相应的检验操作，并对检验信息进行数据存储、统计分析和管控。 可根据相关标准及图样技术要求，输出圆柱度误差评定结果。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　E.3 轧辊在位圆柱度误差检验操作

　　E.3 . 1 预备工作

　　测量时需进行调整工作(调整测量架、传感器位置等)以及标定工作，以满足测量稳定可靠和测量精度要求。

　　E.3 . 2 被测要素测量与评估

　　被测要素测量与评估包括以下内容：

　　a) 分离：根据图样规范要求，确定被测轧辊圆柱面及其测量界限。

　　b) 提取：根据图样规范要求，考虑轧辊功能及结构特征等，在被测轧辊圆柱面上采用一定的提取方案进行测量，得到提取圆柱面。

　　c) 滤波：根据图样规范要求，采用一定滤波器对提取圆柱面进行滤波，获得滤波后的提取圆柱面。

　　d) 拟合：根据图样规范要求，缺省情况下，采用最小区域法对滤波后的提取圆柱面进行拟合，得到被测圆柱面的拟合导出要素(轴线)。

　　e) 评估：圆柱度误差值为提取圆柱面上各点到拟合导出要素(轴线)的最大、最小距离值之差。

　　E.3 . 3 合格评定

　　将得到的圆柱度误差值与图样上给出的公差值进行比较，判定被测件的圆柱度是否合格。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 F

　　(资料性)

　　磨削加工在线尺寸测量系统及关键检验操作

　　F.1 磨削加工在线尺寸测量系统构成

　　在线尺寸测量系统主要由信号测量单元、信号处理单元和控制单元等构成。 信号测量单元包括测头、测量装置本体和测头进退油缸，信号处理单元和控制单元功能由主动测量控制器实现，如图 F. 1 所示。

　　测量装置采用电感式位移传感器，其结构可是单臂式或双臂式，在磨削加工中，当温度在 20 ℃ ~40 ℃内变化时，测量值的变化量不应大于 3.0 μm。驱动装置驱动测头进入或退出测量工位，通过对前后微

　　调机构的调整，可使触头测量触点对准工件中心或合适位置。

　　图 F.1 磨削加工在线尺寸测量系统

　　在线尺寸测量系统在加工过程中直接实时测量工件尺寸，加工过程和测量过程同时进行，测量系统将工件尺寸变化量随时传递给数控磨床控制系统。

　　F.2 提取操作中的测量算式

　　在磨削加工在线尺寸测量中，采用接触式尺寸测量推荐选用的算式有 6 种，每一个算式表达式对应一个特定的输出尺寸值，算式表达式如表 F. 1 所示。 其中，G1 和 G2 分别表示传感测头 1 和传感测头 2的测量值。

　　表 F.1 算式表达式

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　F.3 滤波操作中的数字滤波方法示例

　　在磨削加工在线尺寸测量中，考虑到加工系统自身的特点，可选用去极值平均滤波、平均值滤波和滑动平均滤波。

　　a) 去极值平均滤波：每个通道连续采样n次，去掉最大值和最小值，再求余下采样值的平均值，如

　　式(F. 1)所示：

　　D=(DSum - DMax - DMin )/(n- 2) …………………( F.1 )

　　式中：

　　D — 输出结果;

　　DSum —n次连续采样的数值之和;

　　DMax —n次连续采样中的最大值;

　　DMin —n次连续采样中的最小值。

　　b) 平均值滤波：连续采样 n次，然后将 n次采样值的平均值作为一次采样数据输出，如式(F.2)

　　所示：

　　D=DSum /n …………………………( F.2 )

　　c) 滑动平均滤波：顺序存放通道 n采样数据，将这些数据求和取平均，求和结果减去平均值与平滑系数的乘积，与第n+1 次采样的数据求和，最后再取平均值，如式(F.3)所示：

　　D=(DSum - DA × a+D1)/n …………………………( F.3 )

　　式中：

　　DA —n次连续采样的平均值;

　　a — 平滑系数，一般取 0.5~2;

　　D1 — 第 n+1 次采样值。

　　F.4 断续表面数据处理示例

　　在线测量过程中，测量装置连续采集n次数据并进行平均滤波后，作为一次结果输出，设定采集 n次数据所需时间 tv 为一个采样周期。在磨削加工状态及条件不变的情况下，一个采样周期工件尺寸变化值应为 Δd，对应测量装置电压值变化为 Δuv ,即在经过每一个采样周期后，工件尺寸的变化量相等。测

　　量装置测得的电压变化线的斜率为：

　　k …………………………( F.4 )

　　式中，t1 为设定时间，其值由现场磨削加工情况确定，设在 t1 时间段内测量装置检测到的电压变化值为 Δu1;设测量装置的倍率值为 K，尺寸变化值和电压值之间的关系为：

　　Δd=K × Δuv …………………………( F.5 )

　　可得出一定加工条件下的一个采样周期内工件尺寸变化量为：

　　Δd= Δu1 × tv × K/t1 …………………………( F.6 )

　　实现步骤如下：

　　a) 计算一个采样周期内尺寸变化理论值 Δd，设当前测量装置实际测得的尺寸值为 d2 ,上次尺寸输出值为 d1 ,令 c=d2 -d1 ;

　　b) 将 c的绝对值和 Δd进行比较，当|c| ≥Δd时，即当前数据为断续表面数据，则判定需要进行差值修正;

　　c) 当 c>0 时，令 d1 -Δd作为当前输出值进行输出;当 c<0 时，令 d1 +Δd作为输出值输出。

　　F.5 尺寸特征受控判断示例

　　在磨削加工在线尺寸测量中，考虑不同加工阶段状态，设定尺寸控制界限范围，即连续变化的允许

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　误差值的上、下界限(UCL、LCL) 。 以精磨阶段为例，如图 F. 2 所示为过程中的尺寸控制界限示意图。

　　图 F.2 过程中的尺寸控制界限示意图

　　F.6 尺寸预测模型框架示例

　　以数控磨床加工过程尺寸特征的预报为例，其预测模型框架如图 F. 3 所示。

　　图 F.3 在线尺寸预测模型框架

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 G

　　(资料性)

　　曲轴在位尺寸测量系统及检验操作示例

　　G.1 曲轴在位尺寸测量系统构成

　　曲轴在位测量系统由信号测量单元、信号处理单元和控制单元等构成。 其中，信号测量单元包括测量装置和支撑装置。 信号处理单元和控制单元功能通过测量控制器实现。

　　测量装置实现多通道、多方位采集数据;液压驱动装置实现测量装置的收张及移动;伺服运动机构

　　实现测量装置 x 轴及y 轴方向的精确运动;测量控制器实现 AD 转换、数字信号处理及计算、人机交

　　互、驱动装置及伺服系统的控制以及与磨床控制系统的通讯等。

　　测量装置可根据机床具体结构和被测轴径的高度位置是否变化而安装在不同的位置，如图 G. 1a)所示为测量装置及驱动原理示意图，测量装置装在 x、y 向导轨上面，可分别沿 x、y 向移动。在测量装

　　置旁安装有支撑装置，该支撑装置在被测轴径加工时与被测轴径接触，起到支撑作用，不妨碍测量装置沿轴径轴向的测量。

　　如图 G.1b)所示为一个可调节底座，测量装置安装在底座上，该底座可带动测量装置沿 Z 方向的移动和沿x 方向的转动进行测量装置的高度和角度调节，调整测量装置使测头跟随被测轴的中心面位

　　置，实现曲轴上各轴段直径的测量。

　　a)测量装置 b)测量系统的底座

　　图 G.1 曲轴在位尺寸测量系统示意图

　　G.2 曲轴在位尺寸检验操作

　　曲轴在位尺寸检验操作包括以下内容：

　　a) 提取操作。根据图样规范要求确定提取方案。采用曲轴装夹装置及机床数控系统调整曲轴与主轴的相角变化量，实现磨床带动曲轴绕曲轴轴心旋转。 调整测量系统底座及测量装置的位置，确保两个测头能够正确测量被测轴段，旋转曲轴并对被测轴段进行直径测量。

　　b) 滤波操作。根据图样规范要求，采用相应数字滤波器对测量数据进行滤波处理，以消除或减弱干扰和噪声的影响。

　　c) 测量数据预处理。采用特定准则进行粗大误差的判断和剔除。

　　d) 评估操作。根据图样规范要求，计算获得被测轴段直径值。

　　e) 合格评定。根据测量结果判断其是否符合该磨削工序对其尺寸公差的要求。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 H

　　(资料性)

　　活塞销外径在线测量系统及检验操作示例

　　H.1 活塞销外径在线测量系统构成

　　H.1 . 1 测量系统基本构成

　　活塞销外径在线测量系统主要由信号测量单元(外径测量装置)、信号处理单元(工业 PC 机)和控制单元(PLC等)构成，测量系统的辅助机构包括传送机构和吹干机构。

　　H.1 . 2 活塞销传送机构

　　加工后的活塞销经前级传送装置传送到本系统的传送轨道上。 为了防止活塞销因摩擦产生划痕，

　　传送轨道由两条圆柱状皮带组成。活塞销由皮带支撑，在电机驱动控制下匀速运动，如图 H.1a)所示。

　　H.1 . 3 活塞销吹干机构

　　活塞销吹干机构是为了将活塞销在无心磨床内加工时带来的磨削液、磨削残渣等污物去除，以防止在测量时因工件表面的不透明污迹带来的测量误差。 采用高压气枪将活塞销表面快速吹干，将污水及

　　残渣吹净。如果工件表面有透明的水渍，不会对激光光幕测量带来影响。吹干机构如图 H.1b)所示。

　　H.1 . 4 外径测量装置

　　活塞销通过传送带传送到检测位置，匀速通过激光外径测量仪的激光光幕的测量区域，激光束与活

　　塞销的轴线垂直，通过控制其垂直度保证测量定位精度，如图 H.1c)所示。激光测量仪实现对活塞销外

　　径的高速、高精度扫描测量。

　　a)传送机构 b)吹干机构 c)外径测量装置

　　图 H.1 活塞销外径在线测量系统示意图

　　H.2 活塞销外径在线检验操作

　　H.2 . 1 提取操作

　　根据图样规范要求，确定提取方案。 活塞销外径在线测量系统采用激光外径测量仪实现活塞销外径的连续自动测量，即按一定的采样间隔实现沿活塞销轴向的外径高密度扫描测量。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　H.2 . 2 滤波操作

　　根据图样规范要求，采用相应数字滤波器对测量数据进行滤波处理。

　　H.2 . 3 测量数据预处理

　　采用特定准则进行粗大误差的判断和剔除。

　　H.2 . 4 评估操作

　　根据图样规范要求，计算被测活塞销外径的最大值、最小值、平均值、直径变动量。

　　H.2 . 5 合格评定

　　将测量结果与设定的公差值进行比较，判断活塞销是否超差，并根据检验结果和分选要求，将不合格的活塞销分选处理。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 I

　　(资料性)

　　轮廓滤波器特性

　　I.1 相位修正轮廓滤波器的加权函数

　　符合高斯密度分布的相位修正滤波器加权函数(见图 I. 1)如式(I. 1)所示：

　　s …………………………( I.1 )

　　式中：

　　狓 — 相对加权函数中心的位置;

　　λco — 轮廓滤波器的截止波长(co 是 cut-off 的缩写); 常数，α=槡

　　图 I.1 轮廓滤波器的加权函数

　　I.2 传输特性

　　I.2 . 1 长波轮廓成分的传输特性

　　滤波器的特性如图 I. 2 所示，是加权函数经傅里叶变换确定的。 中线的滤波特性符合式(I. 2) :

　　…………………………( I.2 )

　　式中：

　　a0 — 滤波前正弦波粗糙度轮廓的幅值;

　　a1 — 滤波后这个正弦轮廓的幅值;

　　λco — 轮廓滤波器的截止波长;

　　λ — 正弦轮廓的波长。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　图 I.2 长波轮廓成分的传输特性

　　I.2 .2 短波轮廓成分的传输特性

　　短波轮廓成分的传输特性如图 I. 3 所示，与长波轮廓成分的传输特性是互补的。

　　短波轮廓成分是表面轮廓和长波轮廓成分之差，它是截止波长 λco的函数，如式(I.3) :

　　式中：

　　a2 — 滤波后正弦波粗糙度轮廓的幅值。

　　图 I.3 短波轮廓成分的传输特性

　　I.3 粗糙度截止波长λc、针尖半径和粗糙度截止波长比率λc/λs之间的关系

　　如果没有其他规定，针尖半径rtip的标准值与对应于截止波长标准值的粗糙度截止波长比率之间的

　　关系见表 I. 1 。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　表 I.1

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　附 录 J

　　(资料性)

　　与 GPS矩阵模型的关系

　　J.1 概述

　　关于 GPS矩阵模型的完整细则，见 GB/T 20308 。

　　GB/T 20308 中的 GPS矩阵模型对 GPS体系进行了综述，本文件是该体系的一部分。 除非另有说明，GB/T 4249 给出的 GPS基本规则适用于本文件，GB/T 18779 . 1 给出的缺省规则适用于按照本文件制定的规范。

　　J.2 关于标准及其使用的信息

　　本文件规定了生产过程中尺寸特征的在线检验规范，给出了尺寸特征的在线检验操作、尺寸合格性评定规则。

　　J.3 在 GPS矩阵模型中的位置

　　本文件是一项 GPS 通用标准。 本文件给出的规则和原则适用于 GPS矩阵中所有标有实心点( · )

　　的部分。见表 J.1 。

　　表 J.1 GPS标准矩阵模型

　　J.4 相关的标准

　　表 J.1 所示标准链涉及的标准为相关的标准。

　　GB/T 40810 . 1—202 1

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 131 产品几何技术规范(GPS) 技术产品文件中表面结构的表示法

　　[2] GB/T 4249 产品几何技术规范(GPS) 基础 概念、原则和规则

　　[3] GB/T 6062 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 接触(触针)式仪器的标称特性

　　[4] GB/T 15757 产品几何量技术规范(GPS) 表面缺陷 术语、定义及参数

　　[5] GB/T 20308 产品几何技术规范(GPS) 矩阵模型

　　[6] GB/T 36404 平板玻璃点状缺陷在线检测