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机械机心设计的现代方法浏览次数：1084发布日期：2013-7-229:44:59瑞士品牌康斯登FrederiqueConstant推出的“心跳”系列机心FC910。机心尺寸30.5mm，28800V/h，17钻，97个零件，手动上链，48小时能量储备，机心上饰有CôtesdeGenève条纹装饰。众所周知，机械钟表是一个经典的机械装置。经过数百年来无数制表师与工程师们的不断努力，机械钟表的设计已臻完美。时至今天，一方面每年都有不少新的设计推出；另一方面新的工程设计方法也不断进步。如何利用新的工程方法来辅助设计机械表心？本文介绍了一些我们的经验。首先是选用计算机辅助设计(CAD)软件，我们选用的是SolidWorks，这主要是基于方便的考虑，其3维建模功能基本能满足要求，其它功能更强的CAD软件也许会更好。3维建模对于机械机心的设计十分重要，因为一个机心通常有上百个部件，这些部件之间的关系可以在3维模型中清楚的表示出来。然而，3维模型不能表示工差与配合的信息，所以3维模型还必须结合2维工程图来使用，因此，2维工程图最为重要。工差与配合是机械机心质量控制的关键。按照现代设计理论，设计应从产品功能要求开始，逐步深入直到每一个部件、每一个尺寸。作为机械钟表，成功的设计已有不少。所以，设计可以从分析现有的成功设计出发。当然，我们必须尊重版权，不能抄袭。另外，工差与配合也是抄袭不了的。机械表心的特点是结构紧凑。效法现有的成功设计，主要是效法其结构。机心的设计是一个系统工程，尤其是需要批量生产时，设计师对机心的原理、各部件的制造工艺、装配、质量控制等各个环节都要有深刻的认识。因而，一个全新的机心通常需要数年时间反复测试调整才能完成。而设计中的几个关键步骤包括定型、布局、确定主要参数、确定尺寸及公差及校验。1.定型机心的定型主要包括几个方面：机心尺寸、功能及摆频。对这几方面进行选择之后才能进行进一步的设计。主要的机心尺寸参数包括机心的直径和厚度。直径越小、厚度越薄越难以实现。还要提到的是机心的设计有一系列标准(例如标准ISO114)；一些尺寸例如面脚(即时、分、秒针的输出轴)的大小及长度有一定的规范。这些标准有助于机心制造与成表制造的接轨。带有硅擒纵轮的萧邦表机心机心中最常见的功能及特点有以下几种：1)小三针：有时、分、秒三针，结构最为简单；2)大三针：由于秒轮与分轮同轴，比小三针稍微复杂；3)日历：在时轮上附加一组机构显示日期；4)周历：在时轮上附加一组机构显示星期；5)自动上链：通过重锤惯性将运动时能量收集起来储存到发条中，可代替手动上链；有些产品只有自动上链；6)月相：通过一组机构显示月相；7)秒表：具有计时功能；8)万年历：可处理闰年；9)陀飞轮：擒纵机构以固定频率绕某个轴旋转，从而抵消重力的影响；10)问表：经触发可通过声音显示时间。摆频指的是摆轮游丝系统的振荡频率。反映在擒纵系统的嘀哒声，除了用Hz来表示外，更普遍的是采用每小时的嘀哒数量，常见的摆频有18000、21600、28800、36000，其对应的频率为2.5Hz、3Hz、4Hz与5Hz。ETA的经典基础机心ETA2824-2另外要提到的是，这些频率太低，是听不见的，我们听到的声音其实是摆轮游丝系统在碰撞时振动发出的声音。总的来说，摆频越高，机心受外界影响越小，准确度也越高。但摆频越高，零件尺寸越小，加工难度越大，同时由于整个系统运作速度提高，磨损和疲劳加剧，对零件的要求也相应提高。其中难度最大的便是擒纵系统和主传动链。目前萧邦表已开始向72000的高频发起冲击，他们的擒纵系统采用硅材料，具有更好的耐磨性和吸震能力，能够在高频条件下长期稳定的工作。另外传统的擒纵轮齿数为15或20，由于加工方法和精度的限制，难以近一步提高，但硅材料的加工不同于传统加工，突破了其瓶颈，能加工成任意形状零件，且精度更高，从而能做出更多齿数的擒纵轮，将高频变为现实。2.布局确定机心的基本参数后可以开始布局，讲到布局，首先要讲到基础机心。基础机心指的是简单且稳定的机心，这类机心设计成熟，加工工艺与装配过程经过长期验证，可以达到批量生产的要求。在其基础上进行简单调整即可衍生出各种功能复杂的机心。目前，国内外各表厂都以基础机心作为其产品的基础，其重要性不言而喻。ETA2824就是其中的一例。基础机心的主要功能图示基础机心通常包括以下几个部分：上链机构、能量储存系统(能源)、轮系、擒纵机构、摆轮游丝系统及显示系统(指针)。机心运作时，上链机构储存的能量通过发条以力矩的形式经主传动轮系同时传递给擒纵机构和指针，而擒纵机构在获得能量的同时按摆轮游丝系统提供的稳定频率控制着整个轮系的速度，从而使指针按要求的转速显示时间。在整个系统中，擒纵机构和摆轮游丝系统构成了擒纵调速子系统，是整个机心最关键也是最复杂的部分。擒纵机构是机械钟表特有的一类机构，通过巧妙的设计将摆轮游丝系统的连续运动转换成间歇性的离散运动，而摆轮游丝系统是一组对精度要求非常高的质量-弹簧系统，具有一个固有频率，是决定机心计时的基准。布局从发条盒和摆轮游丝系统的位置开始。发条盒和摆轮游丝系统是整个机心中尺寸最大的两个动件，其中发条盒越大，所能安装的发条也越大，储存的能量也越多，机心运作的时间就越长。现在许多厂家采用双发条盒甚至多发条盒的设计，从而占用了更多的空间。另一方面，摆轮的直径越大，转动惯量就越大，受外界影响就越小，准确性就越高，但大的摆轮也占据了大的位置。发条和摆轮位置大体定下来后，沿径向可根据机心功能确定主传动链及上链条机构的位置。例如，小三针的秒轮通常在正下方，这样二轮作为分轮就在中间；而大三针的秒轮在中间，二轮就在发条盒的边上，经过三轮传至中间。径向排布完成后，就可以进行轴向的排布，也就是上下叠放。排布影响到空间的利用率，经过优化的排布可以进一步减少机心厚度，从而更方便搭载复杂功能模块。3.确定主要参数机心布局大致定下后，可以进一步确定主要参数，其中包括轮系的传动比、摆轮游丝、发条等。主轮系的传动比选择其实不多，如上所叙，摆轮游丝的振荡频率只有固定的几种，机心的上条棘轮，也就是通常被称作的大钢轮还有止逆棘爪部分结构。由于擒纵轮片很难加工，常见的齿数只有15和20两种，因此擒纵轮的转速很容易就能确定。秒轮的转速为每分钟一转，擒纵轮与秒轮之间的传动比从而能够确定。秒轮到分轮的传动比为60:1，中间通常还有一个三轮。传动比确定后，选定齿数和模数，就可以确定轮系相邻齿轮的中心距。摆轮和游丝是机械机心中最重要的零件，直接决定了机心的走时精度，这两个零件构成了一个质量-弹簧系统，具有一个固有频率。在理想状态下，这个固有频率就是要求的频率，该系统会一直在这个频率下稳定的进行振荡。然而在现实当中，由于加工误差的存在以及一系列外部因素的影响，摆轮游丝系统的频率会偏离要求的频率，从而造成走时误差。通常来说，走时精度是机心最主要的评价指标。按照ISO3158&NIHS93-10的标准，日差15秒之内的机心就是非常优秀的机心。根据相关的计算公式，千分之一点摆轮转动惯量误差或游丝刚度误差就会造成10秒以上的日差，对应到零件尺寸上所允许的误差都是在微米级，可见走时精度对于加工误差是极其敏感的。因此，摆轮和游丝的加工过程都包含了数十道工艺，以保证要求的尺寸精度，并且在装配前要用灵敏度极高的仪器分别对摆轮的转动惯量和游丝的刚度进行测量和分档。装配时，用转动惯量大的摆轮配刚度大的游丝，以求让误差降到最低。另外，外部因素包括温度、磁场、重力等都对摆轮游丝产生影响。根据摆轮游丝系统、擒纵系统和传动系统的损耗，可以确定所需的发条力矩，进而确定发条的参数，其中发条的圈数和主传动链的传动比共同决定了机心上满条的工作时间。目前为了增加机心的工作时间，许多厂家纷纷采用了双发条甚至多发条的设计，发条之间可以是串联也可以是并联。另外发条输出力矩的稳定性是另一个主要因素，该力矩的大小直接影响摆轮的摆幅，从而影响走时精度。通常发条会随着机心的运作慢慢降低力矩的输出，下降幅度越小，机心的走时变化越小。这个下降幅度由发条本身的材料及形状所决定，在制作过程中材料的成分以及热处理都非常重要。4.尺寸及公差主要参数确定后，可以进一步确定其它零件的尺寸，通常这个步骤需要时间最多。因为需要经过反复计算和调整，同时还需考虑加工方法及工艺，涉及的方面也甚多，这也是为什么一个机心需要数年才能开发出来的原因。下面是我们的一些心得：首先是选用标准件。一个机心有许多零件，不少零件已成为标准件，如齿轴、轮片、螺丝、宝石等。选得合适的部件，可以事半功倍。装配技师正在为此机心组装自动锤组件其次在安排各零件的位置时，应保证各零件与相邻零件间有合适的间隙，以避免工作时发生相互擦碰。间隙尺寸要求最高的地方位于主传动链、擒纵系统以及摆轮游丝系统中的轴与轴承之间。在这些位置，间隙过大会影响机心的正常运作，过小又会增大摩擦力，降低能量的传输，因此间隙的控制非常严格，尤其是高端机心。另外在生产过程中，每个零件的每一个尺寸都会有一定的误差，零件进行装配的时候，尺寸的误差决定了装配质量，上面提到的间隙大小也由此决定。另外，零件的装配误差会进行累积，比如孔较大的轴承配上直径较小的轴会使得间隙更大，从而影响轴的转动。为了提高质量，需要给零件赋予较小的公差，如果误差超过公差范围，就视为不合格。然而，公差小将使加工变得十分困难。为了达到小的公差，需要对零件安排多个加工步骤，通过从粗加工到精加工的过程一步步将误差范围降低。机械表心的零件通常只有几毫米甚至零点几毫米，因此公差带需在更小的尺寸范围内才能保证运行精度。高级机心零件的尺寸公差带通常都在微米级，在传统加工领域中实现起来难度很大。除了对加工设备的高要求外，还需要考虑温度、夹具、刀具等各方面因素。目前全世界只有瑞士、德国等少数几个国家能够制造高精度的机床。不言而喻，其价格也十分昂贵。为了得到合适的公差，我们可以参照现有的标准：关键尺寸的公差应小于0.01毫米，一般尺寸的公差则在0.05毫米左右。更好的方法是用所谓统计公差法。这一方法近年来已渐成熟，除了理论已经完善外，一些高档的计算机辅助设计软件系统都附加了这一功能，使用方便。高精度的部件也对测量仪器及方法提出了巨大的挑战。通常测量仪器的精度要比待测尺寸精度高一个量级，对于手表零件来说也就是亚微米级。普通的三坐标测量仪、卡尺、投影仪等传统测量设备精度通常只有微米级甚至更差，因此会影响测量精度。而对于微纳米领域常用的测量仪器如扫描电子显微镜、原子力显微镜等，零件名义尺寸又太大，超出了量程(通常这类仪器只能测几十微米的量程)。5.校验设计的最后一个步骤也是最重要的步骤就是校验。瑞士维兹(Witchi)的专业机心测试仪由于机心零件很多，排布又很紧凑，因此需要进行非常仔细的校验，从而保证机心能够正常工作。我们的经验是校验要分三步：第一步是对部件进行尺寸校验，这可以用三坐标测量仪及专用或特制的量具来做。第二步是对组装件进行校验，这主要是靠人工配合特制的量具。第三步是对整个机心进行校验，这时需用专用的设备(如左图所示)按国际标准来做，目前的国际标准是ISO3158及NIHS93-10。测量包括机心在不同位置、不同温度时满弦与半弦时的工作情况，这一标准将机械机心分为三档，其实能达到第三档(平均误差在每天25秒之内)已经不错了。瑞士的机心大多也要经过细心的手工调校才能做到，由此可见机械机心设计与制造难度之大。后记四百年前，机械钟表曾是先进科技的象征。外国传教士用之以敲开中国的大门。到了康熙年间，中国已能制造钟表。勤政的康熙曾经写过一首诗:法自西洋始，巧心授受知，轮行随时转，表指按分移，绛帻休催晓，金钟须报时，清晨勤政务，数问奏章迟。然而，自1947年鸦片战争始，中国的钟表制造业便日趋消亡，直到新中国才得以重新发展。目前中国的钟表业以量来算是世界第一，然而以质量来算却只能排在后面。近年来，随着各种先进技术的飞速发展，为机械机心的设计与制造提供了极大的便利，运用这些先进技术能够使中国钟表制造业早日赶上世界先进水平。宏利源钟表相关产品：运动手表，