公差的规范设计是保证产品功能要求的重要因素之一。目前的公差设计方法大都是经验设计,没有统一的规范设计方法,导致在产品的合格性评定过程中缺乏统一的标准。为了有效地解决目前公差规范设计过程中存在的问题,新一代产品几何技术规范与认证(GPS)标准体系提出了表面模型、几何要素、操作算子等一系列全新的概念,其中规范表面模型和规范操作算子是指导公差设计,实现规范设计过程与测量认证过程的对偶性的前提。但是这些理论和技术尚处在概念阶段,还没有具体的实施方法。本文在新一代GPS标准体系下,研究形状公差的规范设计方法,主要作了以下几个方面的工作:第一,研究设计方法。研究了设计与认证过程中的对偶性原理,包括:规范设计过程、测量认证过程及其相应的表面模型与操作算子的对应关系。第二,建立表面模型。根据规范表面模型的基本定义,依据零件的功能要求和加工工艺对规范表面模型的影响,提出了规范表面模型的生成方法。重点研究了单一柱面、平面要素的规范表面模型生成方法。分析了柱面、平面的典型加工方法、建立了误差模型。依据此模型生成模拟实际工件表面的模拟点,通过对模拟点的插值或拟合操作得到规范表面模型。第三,实现操作算子。在规范表面模型生成之后,根据柱面、平面要素的特点分别设计了相应的操作算子,柱面要素的规范操作算子包括:提取、拟合、集成、拟合、评估。平面要素的操作算子包括:提取、拟合、评估。通过计算机编程实现了各种规范操作,可以确定在满足功能要求前提下该要素的最大偏差,用来指导公差设计。第四,开发原型系统。以MATLAB7.0为平台,开发了形状公差的规范设计原型系统,系统可以实现对平面度、直线度、轴线直线度等的规范设计,规范产品的设计与认证过程。本文得到国家自然科学基金项目“基于新一代GPS标准的公差模型和测量认证方法(NO.50865003)”的资助。