機(jī)械鐘表現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)械機(jī)心設(shè)計(jì)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(jī)心FC910。機(jī)心尺寸30.5mm，28800 V/h，17鉆，97個(gè)零件，手動(dòng)上鏈，48小時(shí)能量?jī)?chǔ)備，機(jī)心上飾有Côtes de Genève條紋裝飾。眾所周知，機(jī)械是一個(gè)經(jīng)典的機(jī)械裝置。經(jīng)過(guò)數(shù)百年來(lái)無(wú)數(shù)制表師與工程師們的不斷努力，機(jī)械的設(shè)計(jì)已臻完美。時(shí)至今天，一方面每年都有不少新的設(shè)計(jì)推出；另一方面新的工程設(shè)計(jì)方法也不斷進(jìn)步。如何利用新的工程方法來(lái)輔助設(shè)計(jì)機(jī)械表心？本文介紹了一些我們的經(jīng)驗(yàn)

2、。 首先是選用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ( 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(qiáng)的CAD軟件也許會(huì)更好。3維建模對(duì)于機(jī)械機(jī)心的設(shè)計(jì)十分重要，因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)心通常有上百個(gè)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(lái)。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(lái)使用，因此，2維工程圖最為重要。工差與配合是機(jī)械機(jī)心質(zhì)量控制的關(guān)鍵。 按照現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)應(yīng)從產(chǎn)品功能要求開(kāi)始，逐步深入直到每一個(gè)部件、每一個(gè)尺寸。作為機(jī)械，成功的設(shè)計(jì)已有不少。所以，設(shè)計(jì)可以從分析現(xiàn)有的成功設(shè)計(jì)出發(fā)。當(dāng)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(jī)械表心的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。效法現(xiàn)有的成功設(shè)計(jì)，主要是效法其結(jié)構(gòu)。 機(jī)心的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，尤其是需要批量生產(chǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)師對(duì)機(jī)心的原理、各部件的制造工藝、裝配、質(zhì)量控制等各個(gè)環(huán)節(jié)都要有深刻的認(rèn)識(shí)。因而，一個(gè)全新的機(jī)心通常需要數(shù)年時(shí)間反復(fù)測(cè)試調(diào)整才能完成。而設(shè)計(jì)中的幾個(gè)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(yàn)。 1. 定型 機(jī)心的定型主要包括幾個(gè)方面：機(jī)心尺寸、功能及擺頻。對(duì)這幾方面進(jìn)行選擇之后才能進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。主要的機(jī)心尺寸參數(shù)包括機(jī)心的直徑和厚度。直徑越小、厚度越薄越難以實(shí)現(xiàn)。還要提到的是機(jī)心的設(shè)計(jì)有一系列標(biāo)準(zhǔn) ( 例如

4、標(biāo)準(zhǔn)ISO 114 ) ；一些尺寸例如面腳 (即時(shí)、分、秒針的輸出軸) 的大小及長(zhǎng)度有一定的規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于機(jī)心制造與成表制造的接軌。 帶有硅擒縱輪的蕭邦表機(jī)心機(jī)心中最常見(jiàn)的功能及特點(diǎn)有以下幾種： 1) 小三針：有時(shí)、分、秒三針，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)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(shí)輪上附加一組機(jī)構(gòu)顯示日期； 4) 周歷：在時(shí)輪上附加一組機(jī)構(gòu)顯示星期； 5) 自動(dòng)上鏈：通過(guò)重錘慣性將運(yùn)動(dòng)時(shí)能量收集起來(lái)儲(chǔ)存到發(fā)條中，可代替手動(dòng)上鏈；有些產(chǎn)品只有自動(dòng)上鏈； 6) 月相：通過(guò)一組機(jī)構(gòu)顯示月相； 7) 秒表：具有計(jì)時(shí)功能； 8) 萬(wàn)年歷：可處理閏年； 9) 陀飛輪：

5、擒縱機(jī)構(gòu)以固定頻率繞某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，從而抵消重力的影響； 10) 問(wèn)表：經(jīng)觸發(fā)可通過(guò)聲音顯示時(shí)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(lái)表示外，更普遍的是采用每小時(shí)的嘀噠數(shù)量，常見(jiàn)的擺頻有18000、21600、28800、36000，其對(duì)應(yīng)的頻率為2.5Hz、3Hz、4Hz與5Hz。 ETA的經(jīng)典基礎(chǔ)機(jī)心ETA2824-2另外要提到的是，這些頻率太低，是聽(tīng)不見(jiàn)的，我們聽(tīng)到的聲音其實(shí)是擺輪游絲系統(tǒng)在碰撞時(shí)振動(dòng)發(fā)出的聲音。總的來(lái)說(shuō)，擺頻越高，機(jī)心受外界影響越小，準(zhǔn)確度也越高。但擺頻越高，零件尺寸越小，加工難度越大，同時(shí)由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作速度提高，磨損和疲勞加劇，對(duì)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(dòng)鏈。目前蕭邦表已開(kāi)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(zhǎng)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(shí)。 2. 布局 確定機(jī)心的基本參數(shù)后可以開(kāi)始布局，講到布局，首先要講到基礎(chǔ)機(jī)心。基礎(chǔ)機(jī)心指的是簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的機(jī)心，這類機(jī)心設(shè)計(jì)成熟，加工工藝與裝配過(guò)程經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證，可以達(dá)到批量生產(chǎn)的要求。在其基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整即可衍生出

7、各種功能復(fù)雜的機(jī)心。目前，國(guó)內(nèi)外各表廠都以基礎(chǔ)機(jī)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(jī)心的主要功能圖示基礎(chǔ)機(jī)心通常包括以下幾個(gè)部分：上鏈機(jī)構(gòu)、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)(能源)、輪系、擒縱機(jī)構(gòu)、擺輪游絲系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)(指針)。 機(jī)心運(yùn)作時(shí)，上鏈機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存的能量通過(guò)發(fā)條以力矩的形式經(jīng)主傳動(dòng)輪系同時(shí)傳遞給擒縱機(jī)構(gòu)和指針，而擒縱機(jī)構(gòu)在獲得能量的同時(shí)按擺輪游絲系統(tǒng)提供的穩(wěn)定頻率控制著整個(gè)輪系的速度，從而使指針按要求的轉(zhuǎn)速顯示時(shí)間。在整個(gè)系統(tǒng)中，擒縱機(jī)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(gè)機(jī)心最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的部分。擒縱機(jī)構(gòu)是機(jī)械鐘表特有的一類機(jī)構(gòu)，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)將擺輪游絲系

8、統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成間歇性的離散運(yùn)動(dòng)，而擺輪游絲系統(tǒng)是一組對(duì)精度要求非常高的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，具有一個(gè)固有頻率，是決定機(jī)心計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)。 布局從發(fā)條盒和擺輪游絲系統(tǒng)的位置開(kāi)始。發(fā)條盒和擺輪游絲系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)心中尺寸最大的兩個(gè)動(dòng)件，其中發(fā)條盒越大，所能安裝的發(fā)條也越大，儲(chǔ)存的能量也越多，機(jī)心運(yùn)作的時(shí)間就越長(zhǎng)。現(xiàn)在許多廠家采用雙發(fā)條盒甚至多發(fā)條盒的設(shè)計(jì)，從而占用了更多的空間。另一方面，擺輪的直徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大，受外界影響就越小，準(zhǔn)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(lái)后，沿徑向可根據(jù)機(jī)心功能確定主傳動(dòng)鏈及上鏈條機(jī)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(guò)三輪傳至中間。 徑向排布完成后，就可以進(jìn)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(guò)優(yōu)化的排布可以進(jìn)一步減少機(jī)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(jī)心布局大致定下后，可以進(jìn)一步確定主要參數(shù)，其中包括輪系的傳動(dòng)比、擺輪游絲、發(fā)條等。 主輪系的傳動(dòng)比選擇其實(shí)不多，如上所敘，擺輪游絲的振蕩頻率只有固定的幾種， 機(jī)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(jiàn)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(dòng)比從而能夠

10、確定。秒輪到分輪的傳動(dòng)比為60:1，中間通常還有一個(gè)三輪。傳動(dòng)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(jī)械機(jī)心中最重要的零件，直接決定了機(jī)心的走時(shí)精度，這兩個(gè)零件構(gòu)成了一個(gè)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，具有一個(gè)固有頻率。在理想狀態(tài)下，這個(gè)固有頻率就是要求的頻率，該系統(tǒng)會(huì)一直在這個(gè)頻率下穩(wěn)定的進(jìn)行振蕩。然而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)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(huì)偏離要求的頻率，從而造成走時(shí)誤差。通常來(lái)說(shuō)，走時(shí)精度是機(jī)心最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照ISO 3158 & NIHS 93-10的標(biāo)準(zhǔn)，日差15秒之內(nèi)的機(jī)心就是非常優(yōu)秀的機(jī)心。根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式，千

11、分之一點(diǎn)擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量誤差或游絲剛度誤差就會(huì)造成10秒以上的日差，對(duì)應(yīng)到零件尺寸上所允許的誤差都是在微米級(jí)，可見(jiàn)走時(shí)精度對(duì)于加工誤差是極其敏感的。因此，擺輪和游絲的加工過(guò)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(duì)擺輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和游絲的剛度進(jìn)行測(cè)量和分檔。裝配時(shí)，用轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)、重力等都對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的損耗，可以確定所需的發(fā)條力矩，進(jìn)而確定發(fā)條的參數(shù)，其中發(fā)條的圈數(shù)和主傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比共同決定了機(jī)心上滿條的工作時(shí)間。目前為了增加機(jī)心的工作時(shí)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(jì)，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(gè)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(shí)精度。通常發(fā)條會(huì)隨著機(jī)心的運(yùn)作慢慢降低力矩的輸出，下降幅度越小，機(jī)心的走時(shí)變化越小。這個(gè)下降幅度由發(fā)條本身的材料及形狀所決定，在制作過(guò)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(jìn)一步確定其它零件的尺寸，通常這個(gè)步驟需要時(shí)間最多。因?yàn)樾枰?jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和調(diào)整，同時(shí)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(gè)機(jī)心需要數(shù)年才能開(kāi)發(fā)出來(lái)的原因。下面是我們的一些心得： 首先是選用標(biāo)準(zhǔn)件。一個(gè)機(jī)心有許多零件，

13、不少零件已成為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)心組裝自動(dòng)錘組件其次在安排各零件的位置時(shí)，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(shí)發(fā)生相互擦碰。間隙尺寸要求最高的地方位于主傳動(dòng)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(guò)大會(huì)影響機(jī)心的正常運(yùn)作，過(guò)小又會(huì)增大摩擦力，降低能量的傳輸，因此間隙的控制非常嚴(yán)格，尤其是高端機(jī)心。 另外在生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)零件的每一個(gè)尺寸都會(huì)有一定的誤差，零件進(jìn)行裝配的時(shí)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(huì)進(jìn)行累積，比如孔較大的軸承配上直徑較小的軸

14、會(huì)使得間隙更大，從而影響軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)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(dá)到小的公差，需要對(duì)零件安排多個(gè)加工步驟，通過(guò)從粗加工到精加工的過(guò)程一步步將誤差范圍降低。機(jī)械表心的零件通常只有幾毫米甚至零點(diǎn)幾毫米，因此公差帶需在更小的尺寸范圍內(nèi)才能保證運(yùn)行精度。高級(jí)機(jī)心零件的尺寸公差帶通常都在微米級(jí)，在傳統(tǒng)加工領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大。除了對(duì)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(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠制造高精度的機(jī)床。不言而喻，其價(jià)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(biāo)準(zhǔn)

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(jì)公差法。這一方法近年來(lái)已漸成熟，除了理論已經(jīng)完善外，一些高檔的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(duì)測(cè)量?jī)x器及方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。通常測(cè)量?jī)x器的精度要比待測(cè)尺寸精度高一個(gè)量級(jí)，對(duì)于手表零件來(lái)說(shuō)也就是亞微米級(jí)。普通的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、卡尺、投影儀等傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備精度通常只有微米級(jí)甚至更差，因此會(huì)影響測(cè)量精度。而對(duì)于微納米領(lǐng)域常用的測(cè)量?jī)x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(cè)幾十微米的量程 ) 。 5. 校驗(yàn) 設(shè)計(jì)的最后一個(gè)步驟

16、也是最重要的步驟就是校驗(yàn)。 瑞士維茲(Witchi)的專業(yè)機(jī)心測(cè)試儀由于機(jī)心零件很多，排布又很緊湊，因此需要進(jìn)行非常仔細(xì)的校驗(yàn)，從而保證機(jī)心能夠正常工作。我們的經(jīng)驗(yàn)是校驗(yàn)要分三步：第一步是對(duì)部件進(jìn)行尺寸校驗(yàn)，這可以用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x及專用或特制的量具來(lái)做。第二步是對(duì)組裝件進(jìn)行校驗(yàn)，這主要是靠人工配合特制的量具。第三步是對(duì)整個(gè)機(jī)心進(jìn)行校驗(yàn)，這時(shí)需用專用的設(shè)備 ( 如左圖所示 ) 按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做，目前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是ISO3158 及NIHS93-10。測(cè)量包括機(jī)心在不同位置、不同溫度時(shí)滿弦與半弦時(shí)的工作情況，這一標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)械機(jī)心分為三檔，其實(shí)能達(dá)到第三檔 (平均誤差在每天25秒之內(nèi)) 已經(jīng)不錯(cuò)了。瑞士的機(jī)心大多也要經(jīng)過(guò)細(xì)心的手工調(diào)校才能做到，由此可見(jiàn)機(jī)械機(jī)心設(shè)計(jì)與制造難度之大。 后記 四百年前，機(jī)械鐘表曾是先進(jìn)科技的象征。外國(guó)傳