新一代GPS是面向数字化设计、制造与检验的标准与计量信息体系，基于新一代GPS框架进行公差设计理论与方法的研究是该体系建立亟待解决的重要技术问题。本文在全面总结国内外公差设计最新研究成果的基础上，系统研究了新一代GPS框架下公差设计的若干理论和关键技术，主要研究内容和创新点如下：建立了面向新一代GPS标准体系的公差数学表示模型。根据新一代GPS体系最新的几何要素分类和要素获取的操作方法，借助小位移旋量(Small displacement torsor，SDT)对几何要素的形状、位置、方向和尺寸偏差进行定量的描述，研究了基于SDT的公差数学模型，为进一步探讨一维到三维的公差设计技术奠定了理论基础。提出了面向三维尺寸公差和几何公差的综合设计方法。探讨了各种公差区域和各种连接的SDT的描述方法；基于新一代GPS表面模型的概念，提出用表面模型来实现对装配体的描述，并且借助于小位移旋量确定装配体任意表面之间的相对位置；为了计算任意两表面间的旋量，定义了两种操作规则：顺序运算和并行运算；基于各个功能要素对于整个装配功能要求的影响，创建三维公差设计尺寸链，实现三维尺寸公差和几何公差的综合设计；给出三维公差设计实例对所提出的方法加以验证。研究了基于矢量环模型的包括几何特征变动在内的三维公差分析技术。鉴于新一代GPS体系与CAD／CAPP／CAM／CAQ技术集成的需要，建立了基于矢量环的公差分析模型；研究了零件尺寸特征变动、几何特征变动和装配运动学调整对于整个装配公差累积的影响，并把这些影响集成于公差分析模型以实现包括几何特征变动在内的三维公差分析；分别给出了二维和三维装配工程实例验证所提出公差分析模型的有效性。基于新一代GPS并行设计的思想，提出了面向多重相关特征产品的并行公差设计方法。在对零件的加工工序规划进行深入分析的基础上，重点推导了多重相关特征产品的质量损失与有关零件工序公差的函数关系；建立了基于制造成本-质量损失的设计公差和工序公差的并行优化设计模型，实现基于提高产品质量和降低成本的并行优化公差设计；圆锥齿轮装配的并行公差设计实例验证了所提出的设计方法。提出了新一代GPS面向产品全生命周期的公差优化设计模型。考虑产品质量特征随着时间退化的影响，用多变量质量损失函数在连续复利条件下把产品特征的退化作为一个连续的现金流量函数进行建模，从而建立了相关特征产品的期望质量损失现值与其公差的函数关系；在此基础上把质量损失的现值和产品随时间退化的影响集成到总成本模型中，提出了新的相关特征产品公差优化设计模型；一个板簧公差设计的实例验证了推荐模型的有效性。开发了新一代GPS框架下公差设计原型系统。该系统是以AutoCAD2007为开发平台，采用开发工具是ObjectARX、Visual C++等，并用工程实例验证了该系统的有效性。