山科大鐘表的原理.ppt

1、鐘表的原理,2010-12月19,目錄 1.鐘表的定義。 2.鐘表的分類(lèi)。 3.鐘表的影響因素。 4.鐘表的設(shè)計(jì)。 5.鐘表設(shè)計(jì)原理總結(jié)。,1.鐘表的定義,鐘表是一種計(jì)時(shí)工具一般有兩層含義，一是各類(lèi)鐘和表的總稱(chēng)，另一個(gè)是專(zhuān)指體積較大的表，尤指機(jī)械結(jié)構(gòu)的有鐘擺的表。 2.鐘表的分類(lèi) 鐘表的應(yīng)用范圍很廣，品種甚多，可按振動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)和用途特點(diǎn)分類(lèi)。按振動(dòng)原理可分為利用頻率較低的機(jī)械振動(dòng)的鐘表，如擺鐘、擺輪鐘等；利用頻率較高的電磁振蕩和石英振蕩的鐘表，如同步電鐘、石英鐘表等；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為機(jī)械式的，如機(jī)械鬧鐘、自動(dòng)、日歷、雙歷、打簧等機(jī)械手表；電機(jī)械式的，如電擺鐘、電擺輪鐘表等；電子式的，如擺輪電

2、子鐘表、指針式和數(shù)字顯示式石英電子鐘表等。,3.影響機(jī)械鐘表計(jì)時(shí)精度的因素 機(jī)械手表的走時(shí)精度受到很多因素的影響，一般來(lái)說(shuō)，主要是以下8大因素： 外部影響。就是來(lái)自鐘表外部的各種影響，取決于鐘表的工作環(huán)境。常采用的措施有：防震設(shè)計(jì)、防水設(shè)計(jì)、防磁設(shè)計(jì)、附加保護(hù)外殼等。精密航海鐘上常采用萬(wàn)向節(jié)，使航海鐘在顛簸中能夠保持水平。 摩擦力 。摩擦力通常有正反兩方面的作用，它有積極的一方面，如摩擦分輪、自動(dòng)表發(fā)條與條盒間的摩擦、螺釘自鎖等；另一方面，摩擦?xí)?dǎo)致傳動(dòng)效率的降低和零件的摩損，從而影響計(jì)時(shí)。常用的解決方法：改善潤(rùn)滑條件，根據(jù)不同的要求，選用不,同的潤(rùn)滑油；采用寶石軸承或墊片；改善齒輪的齒面條件

3、，包括采用科學(xué)的共軛齒形和提高表面光潔度等，但一般齒面無(wú)潤(rùn)滑（在這種情況下，潤(rùn)滑油粘性所產(chǎn)生的阻力可能高于摩擦力）。 快慢針?？炻樖且环N便于校時(shí)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，但理論和實(shí)踐都證實(shí)它會(huì)影響系統(tǒng)的等時(shí)性，也可能產(chǎn)生位差，這些計(jì)時(shí)誤差隨機(jī)性比較大，無(wú)法補(bǔ)償或抵消。解決方法有：盡量減少內(nèi)外快慢針間距；但最好的辦法是沒(méi)有快慢針，通過(guò)調(diào)節(jié)擺輪的慣量來(lái)調(diào)節(jié)快慢，如勞力士公司的Mircro stella調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 擒縱機(jī)構(gòu)。擒縱機(jī)構(gòu)的影響主要是能量傳遞過(guò)程中對(duì)擺輪游絲系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，擺輪游絲系統(tǒng)只有在自由震蕩的情況下，才能維持固定的震蕩頻率，顯然，擒縱機(jī)構(gòu)的能量傳遞過(guò)程會(huì)影響震蕩頻率。理,展,論表明，傳遞過(guò)程接

4、近擺輪平衡點(diǎn)時(shí)，這種影響會(huì)減小。解決方法有：采用精密擒縱機(jī)構(gòu)，如爪式擒縱機(jī)構(gòu)，它的能量傳遞過(guò)程發(fā)生在平衡點(diǎn)附近，傳沖的角度也非常小，影響也比較小，而且，它的單向傳沖使擺輪游絲系統(tǒng)有更多的自由震蕩空間（就這一點(diǎn)，其相對(duì)誤差可減小一半?。?。當(dāng)然，瑞士杠桿式擒縱機(jī)構(gòu)有工藝性好、易于調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際機(jī)械表的主流擒縱機(jī)構(gòu)，但在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小傳沖的角度。瑞士歐米茄公司為減小擒縱機(jī)構(gòu)對(duì)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)的影響，推出了同軸擒縱機(jī)構(gòu)，這是英國(guó)喬治丹尼爾博士的發(fā)明，但從工作原理來(lái)看，它是杠桿式擒縱機(jī)構(gòu)和爪式擒縱機(jī)構(gòu)的混合物。 溫度影響 。溫度的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，溫度變化會(huì)游絲的工作長(zhǎng)度，同時(shí)改變擺輪的

5、慣量，可直接影響到計(jì)時(shí)精度；其次，溫度變化會(huì)影,響潤(rùn)滑油的粘度，影響傳動(dòng)效率，從而影響計(jì)時(shí)。對(duì)此可以采取以下方法：采用開(kāi)口雙金屬溫度補(bǔ)償擺輪游絲系統(tǒng)；采用特殊合金材料制作游絲和擺輪，使之在工作溫度區(qū)（838）有一定的溫度補(bǔ)償；采用移動(dòng)快慢針溫度補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑油，對(duì)于極限溫度情況，如歐米茄的登月表，采用無(wú)潤(rùn)滑或固體潤(rùn)滑。 磁場(chǎng) 。磁場(chǎng)影響最大的游絲，可改變其彈性模量，也使游絲在磁場(chǎng)的作用下變形，產(chǎn)生附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)，磁場(chǎng)可導(dǎo)致游絲粘連，嚴(yán)重影響走時(shí)。解決方法是：采用防磁材料。 游絲平衡 。一般的蕩框游絲，其重心隨擺輪擺角的變化而變化，在重力作用下，它會(huì)產(chǎn)生位置誤差。解決方法是：采用寶璣游絲

6、，中心收縮，,重心不隨擺角改變；采用菲利普末端曲線(xiàn)的圓柱游絲并上下對(duì)稱(chēng)使用；采用直線(xiàn)游絲；歷史上有人用過(guò)球形游絲，性能優(yōu)越，但工藝性很差，很少實(shí)際應(yīng)用。 擺輪平衡 。擺輪元件的平衡問(wèn)題直接影響位元差，擺輪元件的靜平衡是一個(gè)基本要求。 4.鐘表的設(shè)計(jì) 依鐘表表盤(pán)的形狀，其指針顯示器可分為圓形、弧形和直線(xiàn)形（見(jiàn)下表）。,設(shè)計(jì)鐘表時(shí)應(yīng)考慮安全人機(jī)工程學(xué)的問(wèn)題。,鐘表的大小與觀察距離是否比例適當(dāng)； 鐘表刻度盤(pán)的形狀與大小是否合理； 鐘表刻度盤(pán)的刻度劃分、數(shù)字和字母的形狀、大小以及刻度盤(pán)色彩對(duì)比是否便于監(jiān)控者能迅速而準(zhǔn)確地識(shí)讀； 根據(jù)監(jiān)控者所處的位置，指針式儀表是否布置在最佳視區(qū)范圍內(nèi)。,刻度盤(pán)的設(shè)計(jì)。

7、 懷特（WJWhite）等人對(duì)圓形刻度盤(pán)最優(yōu)直徑作過(guò)實(shí)驗(yàn)，將儀表安裝在儀表盤(pán)上，然后測(cè)試反應(yīng)速度和誤讀率。結(jié)果表明，圓形刻度盤(pán)的最優(yōu)直徑是44mm。關(guān)于圓形刻度盤(pán)的直徑、觀察距離和標(biāo)記數(shù)量的推薦值。（見(jiàn)下表）。,認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確度與直徑大小的關(guān)系（視距750mm）,觀察距離和標(biāo)記數(shù)量與刻度盤(pán)直徑的關(guān)系,鐘表刻度的大小,刻度盤(pán)上最小刻度線(xiàn)間的距離稱(chēng)為刻度。刻度的大小可根據(jù)人眼的最小分辨能力和刻度盤(pán)的材料性質(zhì)及視距而確定。人眼直接讀識(shí)刻度時(shí)，刻度的最小尺寸不應(yīng)小于0.61mm。當(dāng)刻度小于1mm時(shí)，誤讀率急劇增加。因此，刻度的最小尺寸一般在12.5Omm之間選取,必要時(shí)也可采用48mm。采用放大鏡讀數(shù)

8、時(shí)，刻度的大小一般取1X mm（X為放大鏡放大倍數(shù)）。 刻度線(xiàn)的最小值還受所用材料的限制，鋼和鋁的最小刻度為1mm；黃銅和鋅白銅為0.5mm,刻度的類(lèi)型,常見(jiàn)的刻度類(lèi)型有單刻度線(xiàn)、雙刻度線(xiàn)和遞增式刻度線(xiàn)。遞增式刻度線(xiàn)的形象特征可以減少識(shí)讀誤差。,刻度線(xiàn)的寬度,即刻度線(xiàn)的粗細(xì) 刻度線(xiàn)的寬度取決于刻度的大小，當(dāng)刻度線(xiàn)寬度為刻度的10左右時(shí)，讀數(shù)的誤差最小。因此，刻度線(xiàn)寬度一般取刻度的515，普通刻度線(xiàn)通常取0.10.02mm；遠(yuǎn)距離觀察時(shí)，可取0.60.8mm，精度高的測(cè)量刻度線(xiàn)取0.00150.1mm。,鐘表刻度線(xiàn) 圖,鐘表刻度線(xiàn)寬度對(duì)誤差的影響,刻度線(xiàn)長(zhǎng)度,刻度線(xiàn)長(zhǎng)度選擇合適與否，對(duì)識(shí)讀準(zhǔn)確性

9、影響很大?？潭染€(xiàn)長(zhǎng)度受照明條件和視距的限制。當(dāng)視距為L(zhǎng)時(shí)，刻度線(xiàn)最小長(zhǎng)度為： 長(zhǎng)刻度線(xiàn)長(zhǎng)度L90 中刻度線(xiàn)長(zhǎng)度L125 短刻度線(xiàn)長(zhǎng)度L200 刻度線(xiàn)間距L600 刻度線(xiàn)長(zhǎng)度還受刻度大小的影響，不同刻度范圍的刻度線(xiàn)長(zhǎng)度按下表選取。,鐘表刻度線(xiàn)的長(zhǎng)度,刻度線(xiàn)長(zhǎng)度選擇表 （）,刻度方向,刻度盤(pán)上刻度值的遞增順序稱(chēng)為刻度方向?？潭确较虮仨氉裱曈X(jué)規(guī)律，水平直線(xiàn)型應(yīng)從左至右；豎直直線(xiàn)型應(yīng)從下到上；圓形刻度應(yīng)按順時(shí)針?lè)较虬才趴潭戎怠?數(shù)字累進(jìn)法,一個(gè)刻度所代表的被測(cè)值稱(chēng)為單位值。每一刻度線(xiàn)上所標(biāo)度的數(shù)字的累進(jìn)方法對(duì)提高判讀效率、減少誤讀也有非常重要的作用。數(shù)字累進(jìn)法的一般原則如表510所示。這是美國(guó)海軍的

10、研究成果。,數(shù)字累進(jìn)法,一般應(yīng)采取表中“優(yōu)”的累進(jìn)法，只是在不得已的情況下才使用“可”，而絕對(duì)不能使用“差”的累進(jìn)法。人最易讀取自然增加的數(shù)字。,刻度設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),A、不要以點(diǎn)代替刻度線(xiàn)； B、刻度線(xiàn)的基線(xiàn)用細(xì)實(shí)線(xiàn)為好； C、刻度線(xiàn)不可很長(zhǎng)而且很擠； D、不要設(shè)計(jì)成間距不均勻的刻度，如圖所示。,字符設(shè)計(jì),字符的形體 字符的大小 對(duì)于安裝在儀表盤(pán)上的儀表，視距為710時(shí)，其字符高度可參考下表。 筆劃寬與字高比值的推薦值如下表所示,儀表盤(pán)上儀表的字符高度（）,不同照明條件下字符筆劃粗細(xì)取值,標(biāo)度數(shù)字的原則,指針運(yùn)動(dòng)盤(pán)面固定的儀表標(biāo)度的數(shù)字應(yīng)直排（正立位）； 盤(pán)面運(yùn)動(dòng)指針固定的儀表標(biāo)度的數(shù)字應(yīng)輻射定

11、向安排； 最小刻度可不標(biāo)度數(shù)字，最大刻度必須標(biāo)度數(shù)字； 指針在儀表面內(nèi)時(shí)，如果儀表盤(pán)面空間足夠大，則數(shù)字應(yīng)在刻度的外側(cè)，以避免被指針擋??；指針在儀表外側(cè)時(shí)，數(shù)字應(yīng)標(biāo)在刻度的內(nèi)側(cè)；,開(kāi)窗式儀表的窗口應(yīng)能顯示出被指出的數(shù)字及上下相鄰的兩個(gè)數(shù)字，標(biāo)數(shù)應(yīng)順時(shí)針輻射定向安排。為了不干擾對(duì)顯示信息的識(shí)讀，刻度盤(pán)上除了刻度線(xiàn)和必要的字符外，一般不加任何附加裝飾； 一些說(shuō)明儀表使用環(huán)境、精度的字符應(yīng)安排在不顯眼的地方。,鐘表指針設(shè)計(jì),指針設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題，主要從下列幾方面考慮： 形狀 寬度 長(zhǎng)度 顏色 零點(diǎn)位置 色彩匹配,指針的形狀,指針形狀要單純、明確，不應(yīng)有裝飾。針身以頭部尖、尾部平、中間等寬或狹長(zhǎng)三

12、角形的為好。 圖2為指針的基本形式。 在設(shè)計(jì)指針箭頭時(shí)可參考圖3所示的各種箭頭，以最右端的為最好。,圖2 指針的基本形狀,圖3 各種箭頭形狀的比較,指針的寬度指針針尖寬度應(yīng)與最短刻度線(xiàn)等寬，但不應(yīng)大于兩刻度線(xiàn)間的距離。指針不應(yīng)接觸刻度盤(pán)面，但要盡量貼近盤(pán)面。精度要求很高的儀表，其指針和刻度盤(pán)面應(yīng)裝配在同一平面內(nèi)。 指針的長(zhǎng)度指針的針尖不要覆蓋刻度，一般要離開(kāi)刻度記號(hào)1.6mm左右，圓形刻度盤(pán)的指針長(zhǎng)度不要超過(guò)它的半徑，需要超過(guò)半徑時(shí)，其超過(guò)部分的顏色應(yīng)與盤(pán)面的顏色相同。,指針的顏色指針的顏色與刻度盤(pán)的顏色應(yīng)有較鮮明的對(duì)比，但指針與刻度線(xiàn)的顏色和字符的顏色應(yīng)該相同。 零點(diǎn)位置指針零點(diǎn)位置大都在相

13、當(dāng)于始終12點(diǎn)或9點(diǎn)的位置上。 色彩匹配指針、刻度和表盤(pán)的配色關(guān)系要符合人的色覺(jué)原理，黑色配色的清晰度較高，但不是最高，見(jiàn)表4配色時(shí)要采取紅綠等醒目色，以提高工作環(huán)境的美學(xué),效果。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，要注意整體效果，即裝在儀表板上所有儀表的顏色都要搭配好，使總體顏色看起來(lái)協(xié)調(diào)、淡雅、舒適和明快。,配色的級(jí)次,數(shù)字顯示器的設(shè)計(jì),數(shù)字顯示是直接用數(shù)字和字符等顯示參數(shù)或狀態(tài)的儀表，除了少量機(jī)械式數(shù)字顯示器外，顯示器幾乎全是電子顯示器，其基本形式有兩種：一種是以顯示數(shù)字為主并有少量字符的顯示器，多數(shù)為開(kāi)窗式，如液晶顯示器、數(shù)碼管顯示器等；一種是以顯示參數(shù)、表格、模擬曲線(xiàn)或圖形，以及數(shù)量較多的各種字符為主的顯

14、示器，多數(shù)為屏幕式，如各種監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)顯示器等。,電子顯示的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一是因字型由直線(xiàn)段組成，因而失去常態(tài)的曲線(xiàn)，帶來(lái)認(rèn)讀的不方便；二是各字間隔會(huì)因字的不同而變化，忽大忽??；如下圖4所示。 實(shí)驗(yàn)表明，由亮小圓點(diǎn)陣來(lái)構(gòu)造字符（如圖5，認(rèn)讀性好，使混淆的可能性大為減小。,圖4 電子數(shù)碼顯示,圖5 圓點(diǎn)陣顯示,數(shù)字式顯示的優(yōu)點(diǎn),使用數(shù)字式顯示不但認(rèn)讀快，而且誤讀率低 格雷瑟在1949年用八個(gè)指針式儀表和一個(gè)數(shù)字顯示儀表，作為飛機(jī)高度計(jì)，顯示飛機(jī)不同的高度，如圖6所示。對(duì)受過(guò)訓(xùn)練的飛行員和大學(xué)生進(jìn)行認(rèn)讀實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)飛機(jī)上原來(lái)采用的三針式高度計(jì)誤讀率最高并且認(rèn)讀時(shí)間最長(zhǎng)。 1958年4月晚一架子爵

15、號(hào)飛機(jī)在準(zhǔn)備向在地面上。,普斯威克機(jī)場(chǎng)降落時(shí)，機(jī)長(zhǎng)將三針式高度計(jì)的2500英尺誤讀為12500英尺，結(jié)果飛機(jī)撞毀,圖6 格雷瑟的實(shí)驗(yàn)儀表 (1),圖6 格雷瑟的實(shí)驗(yàn)儀表 (2),鐘表模擬顯示與數(shù)字顯示的功能比較,5.鐘表設(shè)計(jì)原理總結(jié)。,機(jī)械鐘表有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本相同，都是由原動(dòng)系、傳動(dòng)系、擒縱調(diào)速器、指針系和上條撥針系等部分組成。 機(jī)械鐘表利用發(fā)條作為動(dòng)力的原動(dòng)系 ，經(jīng)過(guò)一組齒輪組成的傳動(dòng)系來(lái)推動(dòng)擒縱調(diào)速器工作；再由擒縱調(diào)速器反過(guò)來(lái)控制傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速；傳動(dòng)系在推動(dòng)擒縱調(diào)速器的同時(shí)還帶動(dòng)指針機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速受控于擒縱調(diào)速器，所以指針能按一定的規(guī)律在表盤(pán)上指示時(shí)刻 ；上條撥針系是上緊

16、發(fā)條或撥動(dòng)指針的機(jī)件。,此外，還有一些附加機(jī)構(gòu)，可增加鐘表的功能，如自動(dòng)上條機(jī)構(gòu)、日歷(雙歷)機(jī)構(gòu)、鬧時(shí)裝置、月相指示和測(cè)量時(shí)段機(jī)構(gòu)等。 原動(dòng)系是儲(chǔ)存和傳遞工作能量的機(jī)構(gòu)，通常由條盒輪、條盒蓋、條軸、發(fā)條和發(fā)條外鉤組成。發(fā)條在自由狀態(tài)時(shí)是一個(gè)螺旋形或 S形的彈簧，它的內(nèi)端有一個(gè)小孔，套在條軸的鉤上。它的外端通過(guò)發(fā)條外鉤，鉤在條盒輪的內(nèi)壁上。上條時(shí)，通過(guò)上條撥針系使條軸旋轉(zhuǎn)將發(fā)條卷緊在條軸上。發(fā)條的彈性作用使條盒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系。 傳動(dòng)系是將原動(dòng)系的能量傳至擒縱調(diào)速器的一組傳動(dòng)齒輪，它是由二輪(中心輪)、三輪(過(guò)輪)、四輪(秒輪)和擒縱輪齒軸組成，其中 輪片是主動(dòng)齒輪，齒軸是從動(dòng)齒輪。鐘表

17、傳動(dòng)系的齒形絕大部分是根據(jù)理論擺線(xiàn)的原理，經(jīng)過(guò)修正而制作的修正擺線(xiàn)齒形。,傳動(dòng)系是將原動(dòng)系的能量傳至擒縱調(diào)速器的一組傳動(dòng)齒輪，它是由二輪(中心輪)、三輪(過(guò)輪)、四輪(秒輪)和擒縱輪齒軸組成，其中 輪片是主動(dòng)齒輪，齒軸是從動(dòng)齒輪。鐘表傳動(dòng)系的齒形絕大部分是根據(jù)理論擺線(xiàn)的原理，經(jīng)過(guò)修正而制作的修正擺線(xiàn)齒形。,擒縱調(diào)速器是由擒縱機(jī)構(gòu)和振動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成，它依靠振動(dòng)系統(tǒng)的周期性震動(dòng)，使擒縱機(jī)構(gòu)保持精確和規(guī)律性的間歇運(yùn)動(dòng)，從而取得調(diào)速作用。叉瓦式擒縱機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣的一種擒縱機(jī)構(gòu)。它由擒縱輪、擒縱叉、雙圓盤(pán)和限位釘?shù)冉M成。它的作用是把原動(dòng)系的能量傳遞給振動(dòng)系統(tǒng)，以便維持振動(dòng)系統(tǒng)作等幅振動(dòng)，并把振動(dòng)系統(tǒng)的

18、振動(dòng)次數(shù)傳遞給指示機(jī)構(gòu)，達(dá)到計(jì)量時(shí)間的目的。,振動(dòng)系統(tǒng)主要由擺輪、擺軸、游絲、活動(dòng)外樁環(huán)、快慢針等組成。游絲的內(nèi)外端分別固定在擺軸和擺 鐘表 夾板上；擺輪受外力偏離其平衡位置開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，游絲便被扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生位能，稱(chēng)為恢復(fù)力矩。擒縱機(jī)構(gòu)完成前述兩動(dòng)作的過(guò)程 ，振動(dòng)系在游絲位能作用下，進(jìn)行反方向擺動(dòng)而完成另半個(gè)振動(dòng)周期，這就是機(jī)械鐘表在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)擒縱調(diào)速器不斷和重復(fù)循環(huán)工作的原理。,上條撥針系的作用是上條和撥針。它由柄頭、柄軸、 立輪、離合輪、離合桿、離合桿簧、拉檔、壓簧、撥針輪、跨輪、時(shí)輪、分輪、大鋼輪、小鋼輪、棘爪、棘爪簧等組成。 上條和撥針都是通過(guò)柄頭部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上條時(shí)，立輪和離合輪處于嚙合狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)柄頭時(shí)，離合輪帶動(dòng)立輪，立輪又經(jīng)小鋼輪和大鋼輪，使條軸卷緊發(fā)條。棘爪則阻止大鋼輪逆轉(zhuǎn)。撥針時(shí)，拉出柄頭，拉檔在拉檔軸上旋轉(zhuǎn)并推動(dòng)離合桿，使離合輪