1、第 1 页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
2、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 25 基准轴两个，分别为 25 和 24.
3、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 25 和 24.987 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
4、观进行区别，展示中缺少对不同配合的区别感受。第 2 页图 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 差 等 级公称尺寸/mm IT01 IT0 IT1 IT2 IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 IT10 IT11大于 至 m18 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） （m）基本偏差下极限偏差 EI 上极限偏差 ES公称尺寸/mm公称等级 IT7大于 至 F G H JS K M N P R S T U24 30
5、+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）孔F G H JS K M N P R S T U基准 轴间隙配合 过渡配合 过盈配合h6 67h67hJS67h67h67h67h第 3 页2、活动配合件展示该设计方案先按 h6 公差带制作 25 基准轴两个，分别为 25 和 24.987,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
6、差带尺寸均能模拟。然后用 25 和 24.987 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 25 基准轴两个，分别为 25 和 24.987,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
7、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 所有的公差带第 4 页尺寸均能模拟。然后用 25 和 24.987 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
8、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 25mm 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。013.252、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，67hG可知 25mm 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。03.9253、过渡配合孔尺寸查表 3 基
9、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，67hK可知 25mm 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。06.2754、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，67hP可知 25mm 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。014.352四、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
10、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。第 5 页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，25h6 常用孔配合是从 F7 至 U7，F
11、7 的上极限尺寸是 25.046，U7 的下极限尺寸是 24.939，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 24mm 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
12、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。第 6 页图 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
13、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
14、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、设计应用第 7 页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
15、、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
