公差与配合直观教学设计说明书.doc

公差与配合直观教学教具设计说明书
设计者：黎塑交、黄帝鹏、凌志文
指导教师：赵昌、王辉

摘要：
在基轴制公差配合教学中设计了一个直观教学展示板，用于说明公差配合的概念。展示板既可采用数字显示的方式直观表现尺寸配合的相对关系，又可通过力度的感觉体验配合的性质。
关键词：
公差与配合；直观教学；数字显示；基轴制

一、研究背景和意义
公差配合与测量技术是机械、机电等相关专业学生必修的主干技术基础课程，是从事机电技术类各岗位人员必备的基础知识和技能。该课程不仅实践性很强，而且有很多概念的理解。例如基轴制公差配合内容中涉及到配合公差带、间隙配合、过渡配合和过盈配合等概念。以往教学中，我们通过书本上的表格了解基轴制配合公差带的分布情况，这种理解是一种抽象的理解，缺乏对概念的直观感受。而在工作中，我们不仅要有数值上的准确定义，还需要有对公差配合有感官上的感受，譬如过盈量的大小的感觉。
通过对我们学过的内容的思考，我们设计了这个直观展示板。通过这个教具，我们不仅能够通过数字对概念有理性的理解，同时还有感性的理解，为学习过程中增添了不少色彩。有了这个教学展示板，学习起来概念理解更加全面、深刻，所涉及知识点易于掌握，且不易遗忘。
二、设计方案
根据对所学知识的理解，从真实体验、灵活模拟等方面考虑，拟定了以下三个不同方案：
1、固定配合件展示
该设计方案先按h6公差带制作Φ25基准轴两个，分别为Φ25和Φ24.987,即轴的上极限尺寸和下极限尺寸。然后依据基轴制优先、常用配合（GB/T1801-2009），分别制作F7、G7、H7、JS7、K7、M7、N7、P7、R7、S7、T7和U7公差带所对应的上极限尺寸Dmax孔和下极限尺寸Dmin孔，共24个孔零件。
教学中，用Φ25和Φ24.987的基准轴分别与某个公差带的上极限尺寸Dmax孔和下极限尺寸Dmin孔配合，从配合的效果对基轴制公差配合进行说明。
该方案能再现工程零件的基轴制配合情况。优点是能真实体现零件配合，与工程实践一致，能形成对不同配合的感性认识。缺点是需要制备较多标准零件，且标准零件尺寸相差不大，无法直观进行区别，展示中缺少对不同配合的区别感受。

图1 方案一的26个标准零件

表1 标准公差数值（摘自GB/T1800.1-2009）
公称尺寸/mm
公 差 等 级
IT01
IT0
IT1
IT2
IT3
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
IT9
IT10
IT11
大于
至
μm
18
30
0.6
1
1.5
2.5
4
6
9
13
21
33
52
84
130
表2 孔的基本偏差数值（摘自GB/T1800.1-2009） （μm）
公称尺寸/mm
基本偏差
下极限偏差EI

上极限偏差ES
公称等级IT7
大于
至
F
G
H
JS
K
M
N
P
R
S
T
U
24
30
+20
+7
0
±IT/2
+6
0
-7
-14
-20
-27
-33
-40
表3 基轴制优先、常用配合（摘自GB/T1800.1-2009）
基准轴
孔
F
G
H
JS
K
M
N
P
R
S
T
U
间隙配合
过渡配合
过盈配合
h6

2、活动配合件展示
该设计方案先按h6公差带制作Φ25基准轴两个，分别为Φ25和Φ24.987,即轴的上极限尺寸和下极限尺寸。然后采用四爪活动机构模拟不同孔径，并通过数显方式实时动态更新所模拟孔径的大小。

图2 方案二的原理图
教学中通过调节活动爪的位置可以模拟不同大小的直径，即从A到Z所有的公差带尺寸均能模拟。然后用Φ25和Φ24.987的基准轴与模拟孔进行配合，以说明配合性质及配合效果。
该方案能通过四爪机构模拟不同孔径与基准轴的配合关系。优点是不需要制备太大的标准零件，配合关系能通过数显直观体现，展示灵活。缺点是四爪机构刚度没有孔零件好，无法模拟过盈配合的松紧程度感觉，缺少部分感官的感受，不利于对配合性质的感性认识。
3、活动配合件与固定配合件综合展示
该设计方案先按h6公差带制作Φ25基准轴两个，分别为Φ25和Φ24.987,即轴的上极限尺寸和下极限尺寸。然后采用四爪活动机构模拟不同孔径，并通过数显方式实时动态更新所模拟孔径的大小。并制作过渡配合、间隙配合、过盈配合三组标准零件，用于体验不同的配合性质的松紧程度。

图3 方案三的原理图及6个标准零件
教学中通过调节活动爪的位置可以模拟不同大小的直径，即从A到Z所有的公差带尺寸均能模拟。然后用Φ25和Φ24.987的基准轴与模拟孔进行配合，以说明配合性质及配合效果。用过渡配合、间隙配合、过盈配合三组标准零件进行配合性质体验。
该方案能通过四爪机构模拟不同孔径与基准轴的配合关系，通过标准件配合实现配合性质体验。该方案综合了前面两个方案的优点，在不需要制作太多标准件的前提下，能实现不同配合性质的感官体验，而且能通过数字显示模拟反映不同的配合。
综合考虑以上三个方案，最终确定方案三“活动配合件与固定配合件综合展示”为最终实施方案。
三、理论设计计算
1、基准轴尺寸
基准轴采用h6公差带，查表1标准公差数值，可知Φ25mm的IT6公差值是0.013mm。根据基轴制公差带分布特点可知上偏差为0，下偏差为-0.013，所以基准轴的尺寸为。加工时基准轴尺寸保证在该尺寸带范围之内。
2、间隙配合孔零件尺寸
查表3基轴制优先、常用配合，间隙配合选用配合公差带。查表1标准公差数值，可知Φ25mm的IT7公差值是0.021mm。查表2孔的基本偏差数值，可知孔的尺寸为。加工时间隙配合孔尺寸保证在该尺寸带范围之内。
3、过渡配合孔尺寸
查表3基轴制优先、常用配合，过渡配合选用配合公差带。查表1标准公差数值，可知Φ25mm的IT7公差值是0.021mm。查表2孔的基本偏差数值，可知孔的尺寸为。加工时过渡配合孔尺寸保证在该尺寸带范围之内。
4、过盈配合孔尺寸
查表3基轴制优先、常用配合，过盈配合选用配合公差带。查表1标准公差数值，可知Φ25mm的IT7公差值是0.021mm。查表2孔的基本偏差数值，可知孔的尺寸为。加工时过盈配合孔尺寸保证在该尺寸带范围之内。

四、工作原理
1、配合性质直观感受的标准零件工作原理。
利用制备好的三组标准零件，它们分别是间隙配合、过渡配合和过盈配合，零件尺寸要求详见理论设计计算部分。由学生自己感觉三组标准零件的配合松紧程度，从而建立起对不同配合性质的直观感受印象，由此展开相关概念的讲解。
2、配合公差带数字直观演示工作原理。
利用微分头驱动四爪机构的活动爪运动，从而在固定爪与活动爪之间模拟出不同直径的孔。固定在活动爪上的光栅尺尺体与固定的读数头之间产生相对位移，由光栅尺产生位移检测脉冲信号，检测信号送入数显装置。数显装置实时动态的将模拟孔径显示出来。这样就可以结合基准轴讲解配合公差带和配合关系性质。

图4 工作原理图
3、四爪机构驱动工作原理。
由于各公差带极限尺寸变化量都很小，Φ25h6常用孔配合是从F7至U7，F7的上极限尺寸是Φ25.046，U7的下极限尺寸是Φ24.939，总的变化幅度是25.046-24.939=0.107mm。四爪机构工作时需在0.107mm范围内精确移动，移动位移在1mm以下，所以必须设计合适的微动机构。常用的微动机构一般采用螺旋副传动。为实现精确微动，螺旋副制造精度必须很高，且螺距必须很小。

图5 螺旋副传动
通过调研，满足上述条件的方案有两个，即滚珠丝杆副和微分头。
滚珠丝杆副是精密机床采用的传动元件，其制造精度和传动精度都非常高。但大多用于机床设备，所以长度尺寸比较大，螺距在2~4mm之间，采用步进电机驱动可以获得较好微动效果，但手动驱动的微动效果不佳，且传动机构自锁要靠电机或其它锁紧机构实现，自身的自锁能力不理想。

图6 滚珠丝杆
微分头采用千分尺结构，广泛应用与电子半导体等行业中。其利用螺旋副原理，对测微螺杆轴向移动量进行读数。微分头的位移精度可以控制在0.001mm水平，是一种理想的手动微分机构，且有一定自锁能力。

图7 微分头
综合考虑机构复杂程度、操作方便和机构成本，最终采用微分头对四爪机构进行驱动。
4、活动爪位移检测及数字显示工作原理。
动态检测位移的元件有很多，其中光栅尺是精度很高，且常有的一种。光栅尺是利用光栅的光线原理工作的测量反馈装置。光栅尺其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。综合考虑决定采用光栅尺作为活动爪的位移量检测元件。

图8 光栅尺

五、创新点及应用
1、设计创新点
（1）将直观感受和体验引入课程教学中。通过6个标准零件所组成的三种不同配合性质，学生可以从感觉是去体会三种不同配合性质。利用数字动态显示，让学生更直观的认识配合公差带。直观感受和体验的引入，是教学过程变得更加生动、丰富多彩。
（2）利用四爪机构模拟不同孔径。模拟不同孔径的方法很多，各有优缺点。采用四爪机构模拟孔径，能够很直观的反映孔径的变化，孔径变化的控制方便。只要对机构内零件稍加修改，就可以在展示板上同时模拟公差带的上极限尺寸和下极限尺寸。
（3）光栅数显装置动态反映孔径的变化。光栅尺是一种精度很高的位移检测元件，结合配套的数字显示装置，可以准确、实时地将模拟孔的直径变化显示出来。保证了教具使用中即准确又直观。
（4）采用微分头作为微动机构。微分头是一种成熟工量具，精度高、价格低。微分头的位移精度可以达到0.001mm水平，作为精确的微动机构，非常适合手动操作，而且有自锁能力。采用微分头后，机构的驱动部分变得非常简单。
2、设计应用
该教具在《公差配合与测量技术》课程中得到应用，主要针对课程中关于极限、公差带与配合等概念讲解。《公差配合与测量技术》课程是机电、机械类专业的一门重要课程，教具应用前景广泛。

六、结束语
大学学习生活并不是枯燥乏味的，对一门看似枯燥的课程，只要我们用心去发现、勤思考、运用我们的双手，就能发现原来我们学的知识可以变得这么精彩。在《公差配合与测量技术》课程学习中，对教材上的严谨准确的文字叙述，总想让它们变得生动起来。于是大家都来讨论，发现只要我们去做，课堂可以变得如此丰富多彩，学习也更加轻松。

参考文献
【1】 吕天玉主编 公差配合与测量技术 大连理工大学出版社 2012.7
【2】 陆玉兵主编 机械AutoCAD2010项目应用教程 人民邮电出版社 2012.9
【3】 王金花主编 电子技术 人民邮电出版社 2010.8
【4】 王其昌主编 机械制图（第三版）人民邮电出版社 2012.4
【5】 宋雪臣主编 传感器与检测技术（第2版） 人民邮电出版社 2012.4
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