【形位公差塔】
作品内容简介
原理上该教具主要由孔轴层、跳动层组成。孔轴层为一孔多轴式，利用更换轴的方式实施，通过具有不同特征的轴与标准孔配合，加以光、电展示，介绍各形位公差项目的定义、公差带、形位误差的分析测量;跳动层用于展示跳动公差的定义和跳动误差的测量。
结构上，通过锥齿轮、丝杠螺母机构使轴上下移动，与孔配合;通过手柄使轴旋转，完成动态展示;通过蜗轮蜗杆机构实现激光灯的倾斜，通过丝杠螺母机构实现激光灯的横向移动;通过电机带动跳动层和激光灯作旋转运动，以全面展示各公差带的形状、大小、位置及方向。
同时，利用摄像头及相关软件将教具与投影设备连接，实现孔轴部分的放大展示及形位误差的测量与分析。
本教具可应用于课堂教学，也可在实验室使用，以形象、直观的展示方式帮助学生建立空间概念，理解并掌握各形位公差项目，方便教师教学和师生互动，从而提高教学的效果。
1.功能模块
为全面展示、讲解各形位公差项目，形位公差塔由跳动层和孔轴层组成，以分别展示跳动公差及其他各形位公差项目。其功能模块如下：
1.1跳动层
跳动层主要讲解各跳动公差项目。跳动层由一个圆柱盘和一个圆锥盘组成(统称跳动盘)，跳动盘置于底座上，可由电机带动旋转。一个固连于支座的滑道放于其周围，千分表可在此滑道上滑动，从而完成径向圆跳动、端面圆跳动、斜向圆跳动、径向全跳动以及端面全跳动误差的测量。
1.2孔轴层
孔轴层主要讲解除跳动公差外的其余形位公差项目。孔轴层采用一孔多轴的理念，采用标准孔与含有各种形位公差表现形式的轴相互配合的方式。且为使展示直观，各轴的形位误差取较大值，从理想要素、公差带、误差测量等角度形象具体地展现各形位公差项目。
1.3 软件
为使学生能清楚地观察到各轴在形状、位置等方面的特征，以及各形位公差项目在公差带、形位误差等方面的知识点，设计软件完成如下功能：在摄像头拍摄的图像或视频内，将各轴的特征部分突出显示，同时完成形位误差范围展示及测量分析。
2.教学演示说明
2.1跳动公差教学
(1)移动滑道上的千分表，将其调整至测量位置;
(2)手动拨动跳动盘，使其旋转起来;
(3)观察千分表指针偏转情况并记录相关数据，讲解各跳动公差的概念、特点及误差测量方式。
2.2孔轴层教学
以直线度圆轴的教学为例，单独讲解某个形位公差项目的使用方法如下：
(1)轴的更换。将具有直线度特征的轴装进套筒内;
(2)孔、轴配合及跟踪拍摄。转动锥齿轮上的手柄，使轴向下移动直至进入孔中，完成孔、轴配合，转动旋转手柄，使已进入孔内的轴旋转，观察轴孔配合现象，并改变摄像头的位置，使其拍摄到整个配合部分;
(3)理想要素的模拟。打开一支激光笔，旋转丝杠手柄调整激光笔的水平位置，旋转蜗杆手柄调整激光笔的倾斜角度，达到指定位置和角度后即可利用本激光束模拟该直线度轴的理想轴线;
(4)公差带形状的展示。打开两个激光笔，保持两支激光笔的角度一致，开启电机使激光束旋转起来，由于人眼的视觉暂留，此时两激光束可形成圆柱面，模拟出直线度轴线的公差带的形状;
(5)公差带大小及公差等级的展示。旋转两个丝杠手柄，使两激光笔之间的距离不断改变，以体现出具有不同公差等级的公差带的大小情况。不同的公差等级公差代表着被测要素允许变动量的不同;
(6)公差带方向、位置的展示。如果所需讲解的形位公差项目为定向公差或定位公差，则还可调整激光笔的倾斜角度以模拟公差带的方向、位置;
(7)形位误差的显示和测量。不断调整两激光束的距离，可在某处刚好达到轴线误差的最小变动区域，通过丝杠上的刻度可得到两支激光笔的距离大小，此数值为该轴线的直线度误差大小;
(8)形位误差与公差的比较。将该误差大小与各个公差等级的公差带大小比较，可观察到不同公差等级对该轴合格情况的影响;
(9)软件的功能实现。整个过程，通过摄像头，利用已设计的软件实现教具与投影设备的连接，将孔、轴配合部分投射到投影幕布上放大，方便学生观察。同时，本软件可完成形位误差的分析与测量。
当需对比不同的关形位公差项目时，教具使用方法与单独讲解时基本相同，只要将不同公差的公差带四要素的模拟情况进行对比即可。以直线度、平面度、平行度的对比为例，这三者分别为形状公差、定向公差、定位公差。教学时，将被测要素的实际情况展示于投影设备上，然后用激光束模拟出被测要素的理想情况，再将这三个公差项目的公差带用两条激光束给模拟出来。
(1)对于直线度，通过蜗杆螺母和丝杠螺母将两条激光束的角度及位置不断改变，直至达到最小包容区域;
(2)对于平面度，两条激光束的角度不得进行调整，必须与理想平面的方向一致，不过其位置可改变，同样达到最小包容区域;
(3)对于平行度，两条激光束的也角度不能进行调整，并且必须位于理想要素的两侧，还需对称配置，再调到最小包容区域。通过观察这一系列的调节过程，以及最终两条激光束在距离大小、方向、位置这些方面的不同，学生可直观地感受、理解到三个公差项目的区别与联系。
作品名称：形位公差塔
完成单位：武汉理工大学
