機械鐘表現(xiàn)代設(shè)計方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機械機心設(shè)計的現(xiàn)代方法瀏覽次數(shù)：1084 發(fā)布日期：2013-7-22 9:44:59瑞士品牌康斯登Frederique Constant推出的“心跳”系列機心FC910。機心尺寸30.5mm，28800 V/h，17鉆，97個零件，手動上鏈，48小時能量儲備，機心上飾有Côtes de Genève條紋裝飾。眾所周知，機械是一個經(jīng)典的機械裝置。經(jīng)過數(shù)百年來無數(shù)制表師與工程師們的不斷努力，機械的設(shè)計已臻完美。時至今天，一方面每年都有不少新的設(shè)計推出；另一方面新的工程設(shè)計方法也不斷進步。如何利用新的工程方法來輔助設(shè)計機械表心？本文介紹了一些我們的經(jīng)驗

2、。 首先是選用計算機輔助設(shè)計 ( CAD ) 軟件，我們選用的是SolidWorks，這主要是基于方便的考慮，其3維建模功能基本能滿足要求，其它功能更強的CAD軟件也許會更好。3維建模對于機械機心的設(shè)計十分重要，因為一個機心通常有上百個部件，這些部件之間的關(guān)系可以在3維模型中清楚的表示出來。然而，3維模型不能表示工差與配合的信息，所以3維模型還必須結(jié)合2維工程圖來使用，因此，2維工程圖最為重要。工差與配合是機械機心質(zhì)量控制的關(guān)鍵。 按照現(xiàn)代設(shè)計理論，設(shè)計應(yīng)從產(chǎn)品功能要求開始，逐步深入直到每一個部件、每一個尺寸。作為機械，成功的設(shè)計已有不少。所以，設(shè)計可以從分析現(xiàn)有的成功設(shè)計出發(fā)。當然，我們必須

3、尊重版權(quán)，不能抄襲。另外，工差與配合也是抄襲不了的。機械表心的特點是結(jié)構(gòu)緊湊。效法現(xiàn)有的成功設(shè)計，主要是效法其結(jié)構(gòu)。 機心的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，尤其是需要批量生產(chǎn)時，設(shè)計師對機心的原理、各部件的制造工藝、裝配、質(zhì)量控制等各個環(huán)節(jié)都要有深刻的認識。因而，一個全新的機心通常需要數(shù)年時間反復(fù)測試調(diào)整才能完成。而設(shè)計中的幾個關(guān)鍵步驟包括定型、布局、確定主要參數(shù)、確定尺寸及公差及校驗。 1. 定型 機心的定型主要包括幾個方面：機心尺寸、功能及擺頻。對這幾方面進行選擇之后才能進行進一步的設(shè)計。主要的機心尺寸參數(shù)包括機心的直徑和厚度。直徑越小、厚度越薄越難以實現(xiàn)。還要提到的是機心的設(shè)計有一系列標準 ( 例如

4、標準ISO 114 ) ；一些尺寸例如面腳 (即時、分、秒針的輸出軸) 的大小及長度有一定的規(guī)范。這些標準有助于機心制造與成表制造的接軌。 帶有硅擒縱輪的蕭邦表機心機心中最常見的功能及特點有以下幾種： 1) 小三針：有時、分、秒三針，結(jié)構(gòu)最為簡單； 2) 大三針：由于秒輪與分輪同軸，比小三針稍微復(fù)雜； 3) 日歷：在時輪上附加一組機構(gòu)顯示日期； 4) 周歷：在時輪上附加一組機構(gòu)顯示星期； 5) 自動上鏈：通過重錘慣性將運動時能量收集起來儲存到發(fā)條中，可代替手動上鏈；有些產(chǎn)品只有自動上鏈； 6) 月相：通過一組機構(gòu)顯示月相； 7) 秒表：具有計時功能； 8) 萬年歷：可處理閏年； 9) 陀飛輪：

5、擒縱機構(gòu)以固定頻率繞某個軸旋轉(zhuǎn)，從而抵消重力的影響； 10) 問表：經(jīng)觸發(fā)可通過聲音顯示時間。 擺頻指的是擺輪游絲系統(tǒng)的振蕩頻率。反映在擒縱系統(tǒng)的嘀噠聲，除了用Hz來表示外，更普遍的是采用每小時的嘀噠數(shù)量，常見的擺頻有18000、21600、28800、36000，其對應(yīng)的頻率為2.5Hz、3Hz、4Hz與5Hz。 ETA的經(jīng)典基礎(chǔ)機心ETA2824-2另外要提到的是，這些頻率太低，是聽不見的，我們聽到的聲音其實是擺輪游絲系統(tǒng)在碰撞時振動發(fā)出的聲音?？偟膩碚f，擺頻越高，機心受外界影響越小，準確度也越高。但擺頻越高，零件尺寸越小，加工難度越大，同時由于整個系統(tǒng)運作速度提高，磨損和疲勞加劇，對零件

6、的要求也相應(yīng)提高。其中難度最大的便是擒縱系統(tǒng)和主傳動鏈。目前蕭邦表已開始向72000的高頻發(fā)起沖擊，他們的擒縱系統(tǒng)采用硅材料，具有更好的耐磨性和吸震能力，能夠在高頻條件下長期穩(wěn)定的工作。另外傳統(tǒng)的擒縱輪齒數(shù)為15或20，由于加工方法和精度的限制，難以近一步提高，但硅材料的加工不同于傳統(tǒng)加工，突破了其瓶頸，能加工成任意形狀零件，且精度更高，從而能做出更多齒數(shù)的擒縱輪，將高頻變?yōu)楝F(xiàn)實。 2. 布局 確定機心的基本參數(shù)后可以開始布局，講到布局，首先要講到基礎(chǔ)機心?；A(chǔ)機心指的是簡單且穩(wěn)定的機心，這類機心設(shè)計成熟，加工工藝與裝配過程經(jīng)過長期驗證，可以達到批量生產(chǎn)的要求。在其基礎(chǔ)上進行簡單調(diào)整即可衍生出

7、各種功能復(fù)雜的機心。目前，國內(nèi)外各表廠都以基礎(chǔ)機心作為其產(chǎn)品的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。ETA2824就是其中的一例。 基礎(chǔ)機心的主要功能圖示基礎(chǔ)機心通常包括以下幾個部分：上鏈機構(gòu)、能量儲存系統(tǒng)(能源)、輪系、擒縱機構(gòu)、擺輪游絲系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)(指針)。 機心運作時，上鏈機構(gòu)儲存的能量通過發(fā)條以力矩的形式經(jīng)主傳動輪系同時傳遞給擒縱機構(gòu)和指針，而擒縱機構(gòu)在獲得能量的同時按擺輪游絲系統(tǒng)提供的穩(wěn)定頻率控制著整個輪系的速度，從而使指針按要求的轉(zhuǎn)速顯示時間。在整個系統(tǒng)中，擒縱機構(gòu)和擺輪游絲系統(tǒng)構(gòu)成了擒縱調(diào)速子系統(tǒng)，是整個機心最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的部分。擒縱機構(gòu)是機械鐘表特有的一類機構(gòu)，通過巧妙的設(shè)計將擺輪游絲系

8、統(tǒng)的連續(xù)運動轉(zhuǎn)換成間歇性的離散運動，而擺輪游絲系統(tǒng)是一組對精度要求非常高的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，具有一個固有頻率，是決定機心計時的基準。 布局從發(fā)條盒和擺輪游絲系統(tǒng)的位置開始。發(fā)條盒和擺輪游絲系統(tǒng)是整個機心中尺寸最大的兩個動件，其中發(fā)條盒越大，所能安裝的發(fā)條也越大，儲存的能量也越多，機心運作的時間就越長?，F(xiàn)在許多廠家采用雙發(fā)條盒甚至多發(fā)條盒的設(shè)計，從而占用了更多的空間。另一方面，擺輪的直徑越大，轉(zhuǎn)動慣量就越大，受外界影響就越小，準確性就越高，但大的擺輪也占據(jù)了大的位置。 發(fā)條和擺輪位置大體定下來后，沿徑向可根據(jù)機心功能確定主傳動鏈及上鏈條機構(gòu)的位置。例如，小三針的秒輪通常在正下方，這樣二輪作為分輪就

9、在中間；而大三針的秒輪在中間，二輪就在發(fā)條盒的邊上，經(jīng)過三輪傳至中間。 徑向排布完成后，就可以進行軸向的排布，也就是上下疊放。排布影響到空間的利用率，經(jīng)過優(yōu)化的排布可以進一步減少機心厚度，從而更方便搭載復(fù)雜功能模塊。 3. 確定主要參數(shù) 機心布局大致定下后，可以進一步確定主要參數(shù)，其中包括輪系的傳動比、擺輪游絲、發(fā)條等。 主輪系的傳動比選擇其實不多，如上所敘，擺輪游絲的振蕩頻率只有固定的幾種， 機心的上條棘輪，也就是通常被稱作的大鋼輪還有止逆棘爪部分結(jié)構(gòu)。由于擒縱輪片很難加工，常見的齒數(shù)只有15和20兩種，因此擒縱輪的轉(zhuǎn)速很容易就能確定。秒輪的轉(zhuǎn)速為每分鐘一轉(zhuǎn)，擒縱輪與秒輪之間的傳動比從而能夠

10、確定。秒輪到分輪的傳動比為60:1，中間通常還有一個三輪。傳動比確定后，選定齒數(shù)和模數(shù)，就可以確定輪系相鄰齒輪的中心距。 擺輪和游絲是機械機心中最重要的零件，直接決定了機心的走時精度，這兩個零件構(gòu)成了一個質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，具有一個固有頻率。在理想狀態(tài)下，這個固有頻率就是要求的頻率，該系統(tǒng)會一直在這個頻率下穩(wěn)定的進行振蕩。然而在現(xiàn)實當中，由于加工誤差的存在以及一系列外部因素的影響，擺輪游絲系統(tǒng)的頻率會偏離要求的頻率，從而造成走時誤差。通常來說，走時精度是機心最主要的評價指標。按照ISO 3158 & NIHS 93-10的標準，日差15秒之內(nèi)的機心就是非常優(yōu)秀的機心。根據(jù)相關(guān)的計算公式，千

11、分之一點擺輪轉(zhuǎn)動慣量誤差或游絲剛度誤差就會造成10秒以上的日差，對應(yīng)到零件尺寸上所允許的誤差都是在微米級，可見走時精度對于加工誤差是極其敏感的。因此，擺輪和游絲的加工過程都包含了數(shù)十道工藝，以保證要求的尺寸精度，并且在裝配前要用靈敏度極高的儀器分別對擺輪的轉(zhuǎn)動慣量和游絲的剛度進行測量和分檔。裝配時，用轉(zhuǎn)動慣量大的擺輪配剛度大的游絲，以求讓誤差降到最低。另外，外部因素包括溫度、磁場、重力等都對擺輪游絲產(chǎn)生影響。 根據(jù)擺輪游絲系統(tǒng)、擒縱系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的損耗，可以確定所需的發(fā)條力矩，進而確定發(fā)條的參數(shù)，其中發(fā)條的圈數(shù)和主傳動鏈的傳動比共同決定了機心上滿條的工作時間。目前為了增加機心的工作時間，許多廠

12、家紛紛采用了雙發(fā)條甚至多發(fā)條的設(shè)計，發(fā)條之間可以是串聯(lián)也可以是并聯(lián)。另外發(fā)條輸出力矩的穩(wěn)定性是另一個主要因素，該力矩的大小直接影響擺輪的擺幅，從而影響走時精度。通常發(fā)條會隨著機心的運作慢慢降低力矩的輸出，下降幅度越小，機心的走時變化越小。這個下降幅度由發(fā)條本身的材料及形狀所決定，在制作過程中材料的成分以及熱處理都非常重要。 4. 尺寸及公差 主要參數(shù)確定后，可以進一步確定其它零件的尺寸，通常這個步驟需要時間最多。因為需要經(jīng)過反復(fù)計算和調(diào)整，同時還需考慮加工方法及工藝，涉及的方面也甚多，這也是為什么一個機心需要數(shù)年才能開發(fā)出來的原因。下面是我們的一些心得： 首先是選用標準件。一個機心有許多零件，

13、不少零件已成為標準件，如齒軸、輪片、螺絲、寶石等。選得合適的部件，可以事半功倍。 裝配技師正在為此機心組裝自動錘組件其次在安排各零件的位置時，應(yīng)保證各零件與相鄰零件間有合適的間隙，以避免工作時發(fā)生相互擦碰。間隙尺寸要求最高的地方位于主傳動鏈、擒縱系統(tǒng)以及擺輪游絲系統(tǒng)中的軸與軸承之間。在這些位置，間隙過大會影響機心的正常運作，過小又會增大摩擦力，降低能量的傳輸，因此間隙的控制非常嚴格，尤其是高端機心。 另外在生產(chǎn)過程中，每個零件的每一個尺寸都會有一定的誤差，零件進行裝配的時候，尺寸的誤差決定了裝配質(zhì)量，上面提到的間隙大小也由此決定。另外，零件的裝配誤差會進行累積，比如孔較大的軸承配上直徑較小的軸

14、會使得間隙更大，從而影響軸的轉(zhuǎn)動。為了提高質(zhì)量，需要給零件賦予較小的公差，如果誤差超過公差范圍，就視為不合格。然而，公差小將使加工變得十分困難。為了達到小的公差，需要對零件安排多個加工步驟，通過從粗加工到精加工的過程一步步將誤差范圍降低。機械表心的零件通常只有幾毫米甚至零點幾毫米，因此公差帶需在更小的尺寸范圍內(nèi)才能保證運行精度。高級機心零件的尺寸公差帶通常都在微米級，在傳統(tǒng)加工領(lǐng)域中實現(xiàn)起來難度很大。除了對加工設(shè)備的高要求外，還需要考慮溫度、夾具、刀具等各方面因素。目前全世界只有瑞士、德國等少數(shù)幾個國家能夠制造高精度的機床。不言而喻，其價格也十分昂貴。為了得到合適的公差，我們可以參照現(xiàn)有的標準

15、：關(guān)鍵尺寸的公差應(yīng)小于0.01毫米，一般尺寸的公差則在0.05毫米左右。更好的方法是用所謂統(tǒng)計公差法。這一方法近年來已漸成熟，除了理論已經(jīng)完善外，一些高檔的計算機輔助設(shè)計軟件系統(tǒng)都附加了這一功能，使用方便。 高精度的部件也對測量儀器及方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。通常測量儀器的精度要比待測尺寸精度高一個量級，對于手表零件來說也就是亞微米級。普通的三坐標測量儀、卡尺、投影儀等傳統(tǒng)測量設(shè)備精度通常只有微米級甚至更差，因此會影響測量精度。而對于微納米領(lǐng)域常用的測量儀器如掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等，零件名義尺寸又太大，超出了量程 ( 通常這類儀器只能測幾十微米的量程 ) 。 5. 校驗 設(shè)計的最后一個步驟

16、也是最重要的步驟就是校驗。 瑞士維茲(Witchi)的專業(yè)機心測試儀由于機心零件很多，排布又很緊湊，因此需要進行非常仔細的校驗，從而保證機心能夠正常工作。我們的經(jīng)驗是校驗要分三步：第一步是對部件進行尺寸校驗，這可以用三坐標測量儀及專用或特制的量具來做。第二步是對組裝件進行校驗，這主要是靠人工配合特制的量具。第三步是對整個機心進行校驗，這時需用專用的設(shè)備 ( 如左圖所示 ) 按國際標準來做，目前的國際標準是ISO3158 及NIHS93-10。測量包括機心在不同位置、不同溫度時滿弦與半弦時的工作情況，這一標準將機械機心分為三檔，其實能達到第三檔 (平均誤差在每天25秒之內(nèi)) 已經(jīng)不錯了。瑞士的機心大多也要經(jīng)過細心的手工調(diào)校才能做到，由此可見機械機心設(shè)計與制造難度之大。 后記 四百年前，機械鐘表曾是先進科技的象征。外國傳