孫駿馳 胡志翔 方詩(shī)懿 魏金澤 邱祁 張俊

摘要：隨著新技術(shù)新材料不斷地更迭，自制工科教具設(shè)計(jì)越來(lái)越豐富，涌現(xiàn)了一批批具有創(chuàng)新實(shí)用性的自制工科教具。本論文設(shè)計(jì)了一種用于教師在公差課程中教學(xué)使用的教具。通過(guò)更換不同基準(zhǔn)制的尺寸配合塊以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，研制出相對(duì)完善、可涉及日常公差教學(xué)中使用的尺寸公差教具。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括間隙、過(guò)盈兩種配合方式在零部件裝配時(shí)的效果展示，感受細(xì)微尺寸變化所帶來(lái)的影響，對(duì)于理解尺寸公差概念有著顯著的提升作用。

Abstract： With the continuous change of new technology and new materials， the design of self-made engineering teaching AIDS is more and more abundant， and a batch of innovative and practical self-made engineering teaching AIDS have emerged. This paper designs a kind of teaching aid for teachers to use in the tolerance course. By changing the size fitting blocks of different datum system to carry out experimental analysis， a relatively perfect size tolerance teaching tool is developed which can be used in daily tolerance teaching. The design content mainly includes the effect display of clearance and interference in the assembly of parts and components. To feel the influence brought by subtle size changes， it has a significant role in improving the understanding of the concept of size tolerance.

關(guān)鍵詞：尺寸公差;拉壓力傳感器;公差配合;數(shù)顯儀

Key words： dimension tolerance;pull pressure sensor;tolerance coordination;digital display

中圖分類號(hào)：TG8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0253-04

0 ?引言

目前在尺寸公差課程中的教學(xué)中，一般老師只是單純地依靠PPT和黑板板書授課，形式單一，課程中涉及到內(nèi)容繁多且復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，是需要學(xué)生具有足夠良好的空間想象力和空間思維能力才能夠去理解這些知識(shí)點(diǎn)并運(yùn)用它們。所以在涉及公差的教學(xué)中，遇到了許多問(wèn)題[1]，對(duì)于經(jīng)常與各種機(jī)械打交道的學(xué)生來(lái)說(shuō)，必須牢牢掌握與尺寸公差相關(guān)的課程知識(shí)[2]。這時(shí)就迫切需要一種尺寸公差教具，將尺寸公差的概念以及涉及到的知識(shí)點(diǎn)可視化地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生能夠直觀地了解到老師所講授的知識(shí)點(diǎn)中大概的意思，能夠快速消化理解并深刻地記入腦海，運(yùn)用到具體的實(shí)例中去，為將來(lái)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。如果能讓學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段透徹掌握公差的相關(guān)概念以及檢測(cè)方法和理念，也有利于提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。譚偉林等人在此之前也發(fā)現(xiàn)了類似問(wèn)題的存在，其設(shè)計(jì)了一款具備全面檢測(cè)形位公差項(xiàng)目的教具[3]以有效提升學(xué)生對(duì)形位公差的檢測(cè)能力。

鮑艷等人曾在其發(fā)表的一篇文章中提出，自制教儀必須以教學(xué)實(shí)際需要為出發(fā)點(diǎn)，一切研究工作都圍繞體現(xiàn)專業(yè)知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力去開展[4]。本文主要研究設(shè)計(jì)一種尺寸公差教具的具體內(nèi)容。研制出相對(duì)完善可涉及日常公差教學(xué)中使用的尺寸公差教具。設(shè)計(jì)中主要包括間隙、過(guò)度、過(guò)盈三種配合方式在零部件裝配時(shí)的差異，使用拉壓力傳感器親自操作，以感受實(shí)踐中細(xì)微的尺寸差距帶來(lái)的影響，讓學(xué)生對(duì)于理解尺寸公差概念以及公差大小帶來(lái)的裝配效果有顯著的提升效果。

1 ?儀器研制

此尺寸公差教具主要由尺寸配合部分（尺寸配合塊）、加壓部分（直線滑臺(tái)）、傳感顯示部分（拉壓力傳感器、數(shù)顯儀）和其他部分（電源、底座、箱子）組成。（圖1、圖2）

1.1 尺寸配合部分

尺寸配合部分主要通過(guò)一組尺寸配合塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)零件孔和零件軸來(lái)進(jìn)行尺寸裝配。一組尺寸配合塊由零件孔和零件軸組成，考慮到能夠全面地進(jìn)行課堂展示問(wèn)題，選用基孔制與基軸制兩種配合制。再考慮到制作成本以及加工的難易程度，我們將制作少量的金屬材料的尺寸配合塊和多數(shù)采用3D打印材料制作的尺寸配合塊。3D打印材料有許多不同的種類，如表1所示。

不同的3D打印材料，具有不同的屬性，而對(duì)于制作一個(gè)尺寸公差教具來(lái)說(shuō)，對(duì)關(guān)鍵的尺寸配合塊的配合表面精度要求高，加壓過(guò)程中對(duì)于配合塊受壓強(qiáng)度要求也比較高，所以我們選擇PLA作為制作尺寸配合塊的材料。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了采用基孔制和基軸制兩種加工方案，制作出過(guò)盈配合以及間隙配合程度不同的多種尺寸配合塊，將其進(jìn)行標(biāo)記處理，用以作為之后的教學(xué)示例。

在配合方式方面，榫卯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，適合作為尺寸配合塊的拆卸安裝方式，根據(jù)零件孔和零件軸的裝配方式，我們可以將連接件設(shè)計(jì)做成卯結(jié)構(gòu)，即榫眼，設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽可以將類似于孔和軸的裝置放置于其中，然后用一個(gè)防松件加以固定這樣的一個(gè)榫卯結(jié)構(gòu)，便于拆卸和安裝。如圖3。

1.2 加壓模塊

加壓模塊采用手動(dòng)式滾珠絲杠滑臺(tái)，如圖4。

手動(dòng)式滾珠絲杠滑臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。手動(dòng)式絲杠滑臺(tái)以點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，摩擦力小，運(yùn)動(dòng)損耗少，靈敏度高，可以精密地控制進(jìn)給行程，保證運(yùn)行過(guò)程中的精度要求。②耐用性強(qiáng)。絲杠滑臺(tái)的主體都是采用鋁合金制成，鋁合金強(qiáng)度高，耐腐蝕，不易變形，結(jié)實(shí)可靠，這也使得絲杠滑臺(tái)的使用壽命長(zhǎng)，故障率少，不用對(duì)它進(jìn)行特殊的保養(yǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。③價(jià)格便宜。相對(duì)于其他加壓方式，相同條件下，手動(dòng)式滾珠絲杠滑臺(tái)價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)更實(shí)惠。

手動(dòng)式滾珠絲杠滑臺(tái)的缺點(diǎn)：因?yàn)橐揽咳斯まD(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給，轉(zhuǎn)動(dòng)速度不能完全保持勻速，所以尺寸配合塊的受力會(huì)受到一定的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差，對(duì)之后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有一定的影響。

由于手動(dòng)加壓時(shí)難以察覺用力是否過(guò)大，而導(dǎo)致過(guò)盈配合的兩塊尺寸配合塊被暴力擠壓配合，造成實(shí)驗(yàn)器材損壞，因此我們對(duì)加壓部分的受力進(jìn)行分析：

在轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)力Fa，在絲桿接頭上將產(chǎn)生扭矩Ta，F(xiàn)a與Ta的計(jì)算關(guān)系見公式（1）。（圖5）

Fa×L=Ta（1）

為保證實(shí)驗(yàn)安全，將絲杠滑臺(tái)承受的力控制在Fb≤200N，L=20mm，可以算出Fa≈53N。

為了實(shí)驗(yàn)安全不損壞設(shè)備，該課題在絲杠滑臺(tái)的左端設(shè)計(jì)安裝了拉壓力傳感器，精確測(cè)出Fb的大小且能夠保證實(shí)驗(yàn)安全。

1.3 傳感顯示

傳感顯示部分包括拉壓力傳感器和數(shù)顯儀。拉壓力傳感器是可以通過(guò)感受壓力信號(hào)，按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)輸出的給器件或裝置。由于此次設(shè)計(jì)的尺寸公差教具是要滿足便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，教具各個(gè)零件應(yīng)比較小巧，再考慮到其相比使用其他類型的壓力傳感器所使用的經(jīng)濟(jì)更實(shí)惠的原因，選擇了微型拉壓力傳感器，如圖7。

數(shù)顯儀具有精度高、穩(wěn)定性好、質(zhì)量可靠、體積小、安裝使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，一般的有單相、三相、多功能三種規(guī)格之分。此次設(shè)計(jì)只要求數(shù)顯儀能夠顯示配合片所受壓力值，所以對(duì)數(shù)顯儀功能要求不高，因此，比對(duì)市面上的數(shù)顯儀，最后選擇了歐路達(dá)AD2017E稱重測(cè)力數(shù)顯控制儀表，此型號(hào)經(jīng)濟(jì)適用，高亮度數(shù)碼顯示屏顯示數(shù)值清晰，使教學(xué)更為直觀有效，按鍵清晰簡(jiǎn)潔，方便老師課堂演示，如圖8所示。

1.4 ?其他部分

與其他的材料相比，亞克力板材具有優(yōu)良的耐候性，對(duì)自然環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，即便是長(zhǎng)時(shí)間在太陽(yáng)光照射、風(fēng)吹雨淋也不會(huì)使其性能發(fā)生改變，極易作為底座使用。電源選擇使用24V、4.5A的開關(guān)電源LRS-100-24。依據(jù)數(shù)顯儀、絲杠滑臺(tái)、電源的大小，選擇普通的小型鋁合金手提箱作為外殼，長(zhǎng)430mm，寬355mm，高170mm的尺寸剛好可以滿足上述各部分零件的安放。整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2 ?實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗尦叽缗浜蠅K（零件孔與零件軸）的尺寸差距在尺寸配合過(guò)程中所發(fā)生的微小形變，轉(zhuǎn)化為肉眼可視的拉壓力數(shù)值變化，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成折線圖，進(jìn)行不同配合的分析。（圖10、圖11）

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

選擇一組合適的尺寸配合塊（基孔制或是基軸制），通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠滑臺(tái)，將一組尺寸配合塊進(jìn)行尺寸配合，在尺寸配合塊進(jìn)行配合的過(guò)程中，因?yàn)椴煌某叽缗浜隙a(chǎn)生壓力，由壓力傳感器檢測(cè)并傳輸?shù)綌?shù)顯儀上，記錄下這個(gè)過(guò)程中壓力的變化情況，然后轉(zhuǎn)出尺寸配合塊，拉力傳感器檢測(cè)到尺寸配合塊所受的拉力，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)顯儀。記錄拉力的變化情況，然后將不同組的尺寸配合塊繼續(xù)按照上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)并記錄，最終將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，繪制成表，制成折線圖，進(jìn)行分析。（圖12）

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

①基孔制：基孔制下，以零件孔的直徑為14mm，零件軸的直徑為13.9mm為間隙配合，以零件孔的直徑為14mm，零件軸的直徑為14.1mm為過(guò)盈配合，檢測(cè)這兩種配合情況下的受力情況如圖13所示。

②基軸制：基軸制下，以零件孔的直徑為13.9mm，零件軸的直徑為14mm為間隙配合，以零件孔的直徑為14.1mm，零件軸的直徑為14mm為過(guò)盈配合，檢測(cè)這兩種配合情況下的受力情況如圖14所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

此實(shí)驗(yàn)由于ABS打印技術(shù)的精度并不高，所以在尺寸配合塊（零件孔和零件軸）的安裝過(guò)程中，并不能保證零件孔和軸的軸線在同一直線上，所以在配合過(guò)程中存在一定的誤差，導(dǎo)致間隙配合在配合過(guò)程中也能受到力的作用，且拉壓力傳感器測(cè)出的數(shù)值存在波動(dòng)誤差，并不能十分精確地測(cè)出受力情況，但是從大量數(shù)據(jù)繪制的折線圖中，還是能大致看出這兩者配合的不同之處。即過(guò)盈配合比間隙配合更早受到力的作用，在拉出配合過(guò)程中，過(guò)盈配合比間隙配合更晚結(jié)束受力的作用，由此可以通過(guò)折線圖判斷出這兩種不同的配合方式所帶來(lái)的不同影響。

3 ?結(jié)語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的尺寸公差教具，包括間隙、過(guò)盈兩種配合方式在零部件裝配時(shí)的差異，使用拉壓力傳感器親自操作，以感受實(shí)踐中細(xì)微的尺寸差距帶來(lái)的影響，讓學(xué)生對(duì)于理解尺寸公差概念以及公差大小帶來(lái)的裝配效果有顯著的提升效果。既可以用于教師的日常教學(xué)，也可以作為實(shí)驗(yàn)課器材讓學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)使用。

注釋：

由于無(wú)法將互相之間為間隙配合的兩個(gè)零部件以絕對(duì)同軸的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此與其相應(yīng)受力情況的實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)均是由于誤差引起。

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