山科大钟表的原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,钟表的原理,2010-12,月,19,目录,1.,钟表的定义。,2.,钟表的分类。,3.,钟表的影响因素。,4.,钟表的设计。,5.,钟表设计原理总结。,1.,钟表的定义,钟表是一种计时工具一般有两层含义，一是各类钟和表的总称，另一个是专指体积较大的表，尤指机械结构的有钟摆的表。,2.,钟表的分类,钟表的应用范围很广，品种甚多，可按振动原理、结构和用途特点分类。按振动原理可分为利用频率较低的机械振动的钟表，如摆钟、摆轮钟等；利用频率较高的电磁振荡和石英振荡的钟表，如同步电钟、石英钟表等；按结构特点可分为机械式的，如机械闹钟、自动、日历、双历、打簧等机械手表；电机械式的，如电摆钟、电摆轮钟表等；电子式的，如摆轮电子钟表、指针式和数字显示式石英电子钟表等。,3.,影响机械钟表计时精度的因素,机械手表的走时精度受到很多因素的影响，一般来说，主要是以下,8,大因素：,外部影响。就是来自钟表外部的各种影响，取决于钟表的工作环境。常采用的措施有：防震设计、防水设计、防磁设计、附加保护外壳等。精密航海钟上常采用万向节，使航海钟在颠簸中能够保持水平。,摩擦力。摩擦力通常有正反两方面的作用，它有积极的一方面，如摩擦分轮、自动表发条与条盒间的摩擦、螺钉自锁等；另一方面，摩擦会导致传动效率的降低和零件的摩损，从而影响计时。常用的解决方法：改善润滑条件，根据不同的要求，选用不,同的润滑油；采用宝石轴承或垫片；改善齿轮的齿面条件，包括采用科学的共轭齿形和提高表面光洁度等，但一般齿面无润滑（在这种情况下，润滑油粘性所产生的阻力可能高于摩擦力）。,快慢针。快慢针是一种便于校时的经济结构，但理论和实践都证实它会影响系统的等时性，也可能产生位差，这些计时误差随机性比较大，无法补偿或抵消。解决方法有：尽量减少内外快慢针间距；但最好的办法是没有快慢针，通过调节摆轮的惯量来调节快慢，如劳力士公司的,Mircro stella,调节系统。,擒纵机构。擒纵机构的影响主要是能量传递过程中对摆轮游丝系统产生的影响，摆轮游丝系统只有在自由震荡的情况下，才能维持固定的震荡频率，显然，擒纵机构的能量传递过程会影响震荡频率。理,展,论表明，传递过程接近摆轮平衡点时，这种影响会减小。解决方法有：采用精密擒纵机构，如爪式擒纵机构，它的能量传递过程发生在平衡点附近，传冲的角度也非常小，影响也比较小，而且，它的单向传冲使摆轮游丝系统有更多的自由震荡空间（就这一点，其相对误差可减小一半！）。当然，瑞士杠杆式擒纵机构有工艺性好、易于调整的优点，是目前国际机械表的主流擒纵机构，但在设计中，应尽量减小传冲的角度。瑞士欧米茄公司为减小擒纵机构对计时基准的影响，推出了同轴擒纵机构，这是英国乔治,丹尼尔博士的发明，但从工作原理来看，它是杠杆式擒纵机构和爪式擒纵机构的混合物。,温度影响。温度的影响主要表现在两个方面：首先，温度变化会游丝的工作长度，同时改变摆轮的惯量，可直接影响到计时精度；其次，温度变化会影,响润滑油的粘度，影响传动效率，从而影响计时。对此可以采取以下方法：采用开口双金属温度补偿摆轮游丝系统；采用特殊合金材料制作游丝和摆轮，使之在工作温度区（,8,38,）有一定的温度补偿；采用移动快慢针温度补偿。采用标准的润滑油，对于极限温度情况，如欧米茄的登月表，采用无润滑或固体润滑。,磁场。磁场影响最大的游丝，可改变其弹性模量，也使游丝在磁场的作用下变形，产生附加应力，严重时，磁场可导致游丝粘连，严重影响走时。解决方法是：采用防磁材料游丝平衡。一般的荡框游丝，其重心随摆轮摆角的变化而变化，在重力作用下，它会产生位置误差。解决方法是：采用宝玑游丝，中心收缩，,重心不随摆角改变；采用菲利普末端曲线的圆柱游丝并上下对称使用；采用直线游丝；历史上有人用过球形游丝，性能优越，但工艺性很差，很少实际应用。,摆轮平衡。摆轮元件的平衡问题直接影响位元差，摆轮元件的静平衡是一个基本要求。,4.,钟表的设计,依钟表表盘的形状，其指针显示器可分为圆形、弧形和直线形,（见下表）。,设计钟表时应考虑安全人机工程学的问题。,钟表的大小与观察距离是否比例适当；,钟表刻度盘的形状与大小是否合理；,钟表刻度盘的刻度划分、数字和字母的形状、大小以及刻度盘色彩对比是否便于监控者能迅速而准确地识读；,根据监控者所处的位置，指针式仪表是否布置在最佳视区范围内。,刻度盘的设计。,怀特（,W,J,White,）等人对圆形刻度盘最优直径作过实验，将仪表安装在仪表盘上，然后测试反应速度和误读率。结果表明，圆形刻度盘的最优直径是,44mm,。关于圆形刻度盘的直径、观察距离和标记数量的推荐值。（见下表）。,认读速度和准确度与直径大小的关系（视距,750mm,）,刻度盘直径,mm,观察时间,s,平均反应时间,s,读错率,%,25,0.82,0.76,6,44,0.72,0.72,4,70,0.75,5.73,12,观察距离和标记数量与刻度盘直径的关系,刻度标记的数量,刻度盘的最小允许直径,观察距离,500mm,时,观察距离,900mm,时,38,25.4,25.4,50,25.4,32.5,70,25.4,45.5,100,36.4,64.3,150,54.4,98.0,200,72.8,129.6,300,109.0,196.0,钟表刻度的大小,刻度盘上最小刻度线间的距离称为刻度。刻度的大小可根据人眼的最小分辨能力和刻度盘的材料性质及视距而确定。人眼直接读识刻度时，刻度的最小尺寸不应小于,0.6,1mm,。当刻度小于,1mm,时，误读率急剧增加。因此，刻度的最小尺寸一般在,1,2.5Omm,之间选取,必要时也可采用,4,8mm,。采用放大镜读数时，刻度的大小一般取,1,X mm,（,X,为放大镜放大倍数）。,刻度线的最小值还受所用材料的限制，钢和铝的最小刻度为,1mm,；黄铜和锌白銅为,0.5mm,刻度的类型,常见的刻度类型有单刻度线、双刻度线和递增式刻度线。递增式刻度线的形象特征可以减少识读误差。,刻度线的宽度,即刻度线的粗细,刻度线的宽度取决于刻度的大小，当刻度线宽度为刻度的,10,左右时，读数的误差最小。因此，刻度线宽度一般取刻度的,5,15,，普通刻度线通常取,0.1,0.02mm,；远距离观察时，可取,0.6,0.8mm,，精度高的测量刻度线取,0.0015,0.1mm,。,钟表刻度线,图,钟表刻度线宽度对误差的影响,刻度线长度,刻度线长度选择合适与否，对识读准确性影响很大。刻度线长度受照明条件和视距的限制。当视距为,L,时，刻度线最小长度为：,长刻度线长度,L,90,中刻度线长度,L,125,短刻度线长度,L,200,刻度线间距,L,600,刻度线长度还受刻度大小的影响，不同刻度范围的刻度线长度按下表选取。,钟表刻度线的长度,刻度标记的数量,刻度盘的最小允许直径,观察距离,500mm,时,观察距离,900mm,时,38,25.4,25.4,50,25.4,32.5,70,25.4,45.5,100,36.4,64.3,150,54.4,98.0,200,72.8,129.6,300,109.0,196.0,刻度线长度选择表,（）,刻度大小,长度,刻度线,0.15,0.3,0.3,0.5,0.5,0.8,0.8,1.2,1.2,2,2,3,3,5,5,8,L1,（短）,1.0,1.2,1.5,1.8,2.0,2.5,3.0,4.0,L2,（中）,1.4,1.7,2.2,2.6,3.0,4.5,4.5,6.0,L3,（长）,1.8,2.2,2.8,3.3,4.0,6.0,6.0,8.0,刻度方向,刻度盘上刻度值的递增顺序称为刻度方向。刻度方向必须遵循视觉规律，水平直线型应从左至右；竖直直线型应从下到上；圆形刻度应按顺时针方向安排刻度值。,数字累进法,一个刻度所代表的被测值称为单位值。每一刻度线上所标度的数字的累进方法对提高判读效率、减少误读也有非常重要的作用。数字累进法的一般原则如表,5,10,所示。这是美国海军的研究成果。,数字累进法,优,可,差,1 2 3 4 5,5 10 15 20 25,10 20 30 40 50,50 100 150 200 250,2 4 6 8 10,20 40 60 80 100,200 400 600 800 1000,3 6 9 12,4 8 12 16,1.25 2.5 5 7.5,15 30 45 60,一般应采取表中,“,优,”,的累进法，只是在不得已的情况下才使用,“,可,”,，而绝对不能使用,“,差,”,的累进法。人最易读取自然增加的数字。,刻度设计注意事项,A,、不要以点代替刻度线；,B,、刻度线的基线用细实线为好；,C,、刻度线不可很长而且很挤；,D,、不要设计成间距不均匀的刻度，如图所示。,字符设计,字符的形体,字符的大小,对于安装在仪表盘上的仪表，视距为,710,时，其字符高度可参考下表。,笔划宽与字高比值的推荐值如下表所示,仪表盘上仪表的字符高度（）,字母或数字的性质,低亮度下（约,0.103cd/m2,）,高亮度下（约,3.43cd/m2,）,重要的（位置可变）,重要的（位置固定）,不重要的,5.1,7.6,3.6,7.6,0.2,5.1,3.0,5.1,2.5,5.1,0.2,5.1,不同照明条件下字符笔划粗细取值,照明和背景亮度情况,字 体,笔划宽：字高,低照度下,字母与背景的亮度对比比较低时,亮度对比值大于,1:12,（白底黑字）,亮度对比值大于,1:12,（黑底白字）,黑色字母于发光的背景上,发光字母于黑色的背景上,字母具有较高的明度,视距较大而字母较小的情况下,粗,粗,中粗中,中细,粗,中细,极细,粗中粗,1:5,1:5,1:6,1:8,1:6,1:8,1:5,1:8,1:10,1:12,1:20,1:5,1:6,标度数字的原则,指针运动盘面固定的仪表标度的数字应直排（正立位）；,盘面运动指针固定的仪表标度的数字应辐射定向安排；,最小刻度可不标度数字，最大刻度必须标度数字；,指针在仪表面内时，如果仪表盘面空间足够大，则数字应在刻度的外侧，以避免被指针挡住；指针在仪表外侧时，数字应标在刻度的内侧；,开窗式仪表的窗口应能显示出被指出的数字及上下相邻的两个数字，标数应顺时针辐射定向安排。为了不干扰对显示信息的识读，刻度盘上除了刻度线和必要的字符外，一般不加任何附加装饰；,一些说明仪表使用环境、精度的字符应安排在不显眼的地方。,钟表指针设计,指针设计的人机工程学问题，主要从下列几方面考虑：,形状,宽度,长度,颜色,零点位置,色彩匹配,指针的形状,指针形状要单纯、明确，不应有装饰。针身以头部尖、尾部平、中间等宽或狭长三角形的为好。,图,2,为指针的基本形式。,在设计指针箭头时可参考图,3,所示的各种箭头，以最右端的为最好。,图,2,指针的基本形状,图,3,各种箭头形状的比较,指针的宽度,指针针尖宽度应与最短刻度线等宽，但不应大于两刻度线间的距离。指针不应接触刻度盘面，但要尽量贴近盘面。精度要求很高的仪表，其指针和刻度盘面应装配在同一平面内。,指针的长度,指针的针尖不要覆盖刻度，一般要离开刻度记号,1.6mm,左右，圆形刻度盘的指针长度不要超过它的半径，需要超过半径时，其超过部分的颜色应与盘面的颜色相同。,指针的颜色,指针的颜色与刻度盘的颜色应有较鲜明的对比，但指针与刻度线的颜色和字符的颜色应该相同。,零点位置,指针零点位置大都在相当于始终,12,点或,9,点的位置上。,色彩匹配,指针、刻度和表盘的配色关系要符合人的色觉原理，黑色配色的清晰度较高，但不是最高，见表,4,配色时要采取红绿等醒目色，以提高工作环境的美学,效果。在现代生产中，要注意整体效果，即装在仪表板上所有仪表的颜色都要搭配好，使总体颜色看起来协调、淡雅、舒适和明快。,配色的级次,级次,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,清晰程度,底色,被衬色,模糊程度,底色,被衬色,数字显示器的设计,数字显示是直接用数字和字符等显示参数或状态的仪表，除了少量机械式数字显示器外，显示器几乎全是电子显示器，其基本形式有两种：一种是以显示数字为主并有少量字符的显示器，多数为开窗式，如液晶显示器、数码管显示器等；一种是以显示参数表格、模拟曲线或图形，以及数量较多的各种字符为主的显示器，多数为屏幕式，如各种监视器、计算机显示器等。,电子显示的主要问题有两个：一是因字型由直线段组成，因而失去常态的曲线，带来认读的不方便；二是各字间隔会因字的不同而变化，忽大忽小；如下图,4,所示。,实验表明，由亮小圆点阵来构造字符（如图,5,，认读性好，使混淆的可能性大为减小。,图,4,电子数码显示,图,5,圆点阵显示,数字式显示的优点,使用数字式显示不但认读快，而且误读率低,格雷瑟在,1949,年用八个指针式仪表和一个数字显示仪表，作为飞机高度计，显示飞机不同的高度，如,图,6,所示。对受过训练的飞行员和大学生进行认读实验。发现飞机上原来采用的三针式高度计误读率最高并且认读时间最长。,1958,年,4,月晚一架子爵号飞机在准备向在地面上。,普斯威克机场降落时，机长将三针式高度计的,2500,英尺误读为,12500,英尺，结果飞机撞毁,图,6,格雷瑟的实验仪表,(1),图,6,格雷瑟的实验仪表,(2),钟表模拟显示与数字显示的功能比较,比较项目,模拟显示仪表,数字显示仪表,指针活动式,指针固定式,数量信息,中：指针活动时读数困难,中：刻度移动时读数困难,好：能读出精确数值，速度快、差错少,质量信息,好：易判定指针位置，不需读出数值和刻度就能迅速发现指针的变动趋势,差：未读出数值和刻度时，难以确定变化方向和大小,差：必须读出数字，否则难以得知变化的方向和大小,调节性能,好：指针运动与调节活动有简单而直接的关系，便于调节和控制,中：调节运动方向不明显，指示的变动难控制，快速调节时不易读数。,好：数字调节的监测结果精确，数字调节与调节运动无直接关系，快速调节时难以读数,监控性能,好：能很快确定指针位置并进行监控，指针与调节监控活动关系最简单,中：指针无变化有利监控，但指针与调节监控活动的关系不明显,差：不便按变化的趋势进行监控,一般性能,中：占用面积大，照明可设在控制台上，刻度的长短有限，尤其在使用多指针显示时认读性差,中：占用面积小，仪表需局部照明，只在很小一段范围内认读，认读性好,好：占用面积小，照明面积也是最小，表盘的长短只受字符的限制,综合性能,可靠性高,稳定性好,易于显示信号的变化趋向,易于判断信号值与额定值之差,精度高,认读速度快,无差补误差,过载能力强,易与计算机联用,局限性,显示速度较慢,易受冲击和振动的影响,环境因素影响较大,过载能力差,质量控制困难,显示易跳动或失效,干扰因素多,需内附或外附电源,元件或焊接件存在失效问题,发展趋势,提高精度与速度,采用模拟与数字混合型显示仪表,提高可靠性,采用智能化显示仪表,5.,钟表设计原理总结。,机械钟表有多种结构形式，但其工作原理基本相同，都是由原动系、传动系、擒纵调速器、指针系和上条拨针系等部分组成。,机械钟表利用发条作为动力的原动系，经过一组齿轮组成的传动系来推动擒纵调速器工作；再由擒纵调速器反过来控制传动系的转速；传动系在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构，传动系的转速受控于擒纵调速器，所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻；上条拨针系是上紧发条或拨动指针的机件。,此外，还有一些附加机构，可增加钟表的功能，如自动上条机构、日历,(,双历,),机构、闹时装置、月相指示和测量时段机构等。,原动系是储存和传递工作能量的机构，通常由条盒轮、条盒盖、条轴、发条和发条外钩组成。发条在自由状态时是一个螺旋形或,S,形的弹簧，它的内端有一个小孔，套在条轴的钩上。它的外端通过发条外钩，钩在条盒轮的内壁上。上条时，通过上条拨针系使条轴旋转将发条卷紧在条轴上。发条的弹性作用使条盒轮转动，从而驱动传动系。,传动系是将原动系的能量传至擒纵调速器的一组传动齿轮，它是由二轮,(,中心轮,),、三轮,(,过轮,),、四轮,(,秒轮,),和擒纵轮齿轴组成，其中 轮片是主动齿轮，齿轴是从动齿轮。钟表传动系的齿形绝大部分是根据理论,摆线,的原理，经过修正而制作的修正摆线齿形。,传动系是将原动系的能量传至擒纵调速器的一组传动齿轮，它是由二轮,(,中心轮,),、三轮,(,过轮,),、四轮,(,秒轮,),和擒纵轮齿轴组成，其中 轮片是主动齿轮，齿轴是从动齿轮。钟表传动系的齿形绝大部分是根据理论摆线的原理，经过修正而制作的修正摆线齿形。,擒纵调速器是由擒纵机构和振动系统两部分组成，它依靠振动系统的周期性震动，使擒纵机构保持精确和规律性的间歇运动，从而取得调速作用。叉瓦式擒纵机构是应用最广的一种擒纵机构。它由擒纵轮、擒纵叉、双圆盘和限位钉等组成。它的作用是把原动系的能量传递给振动系统，以便维持振动系统作等幅振动，并把振动系统的振动次数传递给指示机构，达到计量时间的目的。,振动系统主要由摆轮、摆轴、游丝、活动外桩环、快慢针等组成。游丝的内外端分别固定在摆轴和摆,钟表,夹板上；摆轮受外力偏离其平衡位置开始摆动时，游丝便被扭转而产生位能，称为恢复力矩。擒纵机构完成前述两动作的过程，振动系在游丝位能作用下，进行反方向摆动而完成另半个振动周期，这就是机械钟表在运转时擒纵调速器不断和重复循环工作的原理。,上条拨针系的作用是上条和拨针。它由柄头、柄轴、立轮、离合轮、离合杆、离合杆簧、拉档、压簧、拨针轮、跨轮、时轮、分轮、大钢轮、小钢轮、棘爪、棘爪簧等组成。,上条和拨针都是通过柄头部件来实现的。上条时，立轮和离合轮处于啮合状态，当转动柄头时，离合轮带动立轮，立轮又经小钢轮和大钢轮，使条轴卷紧发条。棘爪则阻止大钢轮逆转。拨针时，拉出柄头，拉档在拉档轴上旋转并推动离合杆，使离合轮与立轮脱开，与拨,针轮啮合。此时转动柄头便拨针轮通过跨轮带动时轮和分轮，达到校正时针和分针的目的。,钟表要求走时准确，稳定可靠。但一些内部因素和外界环境条件都会影响钟表的走时精度。内部因素包括各组成系统的结构设计、工作性能、选用材料、加工工艺和装配质量等。例如，发条力矩的稳定性，传动系工作的平稳性，擒纵调速器的准确性等都影响走时精度。,外界环境条件包括温度、磁场、湿度、气压、震动、碰撞、使用位置等。例如，温度变化会引起钟表内润滑油和摆轮游丝性能的变化，从而引起走时性能的变化；环境的磁场强度大于,60,奥斯特时，会引起部分零件磁化而走慢；湿度大会引起部分零件氧化和腐蚀等等。,