CN103674742A - 一种动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量的方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量的方法及测量装置，包括下列步骤：A.将测量状态调整到和手表的工作相似的振动状态，与手表的工作频率接近；B.动态测量摆轮游丝振动系统的振动周期TB、TY；C.计算待测摆轮转动惯量和待测游丝刚度；已知摆动体中标准摆轮转动惯量JB和标准游丝刚度MB,
公式（1）
公式（2）式中：M：待测硅游丝刚度，J：待测摆轮的转动惯量。有益效果是：由游丝和摆动体组成的摆轮游丝振动系统，是在工作状况相同的情况下测量，消除了非线性误差对测量的影响，测量速度快，精度高；属一种动态测量方法。另外，只需要通过更换摆动体即可通过一台仪器测量游丝刚度和摆轮转动惯量。
Description
技术领域
本发明涉及一种游丝刚度和摆轮转动惯量的测量方法，特别是涉及一种动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量的方法及测量装置。
背景技术
硅材料具有质量小、硬度高、摩擦系数低可自润滑、且不受磁场影响，温度稳定性好，便于着色处理等特点，使其在高档机械手表上得到越来越多的应用。如用硅材料制作擒纵轮片、擒纵叉、夹板和游丝 ，并受到世界各手表制造商的重视和竞相开发。尤其是硅游丝具有温度稳定性好，不受磁场干扰，便于着色提高手表的观赏性的显著优点，而成为研发应用的重点。
在机械手表中，游丝和摆轮的频率一定要匹配，现有对普通金属游丝和摆轮的频率匹配，是在生产中采用分档仪对摆轮和游丝进行分档，再根据档号匹配摆轮和游丝，使其基本满足标准频率，也就是配频后误差落在快慢针调整范围以内。调整快慢针本质上是调整游丝长度，调整范围较大，但快慢针和游丝在工作中会发生接触和碰撞，造成接触处游丝表面的磨损，这对金属游丝影响较小，对硅游丝的影响就不可忽视。快慢针在计时理论上将对摆轮游丝系统产生等时性误差。
由于硅游丝较脆，不易在分档仪上分档，目前生产中是先装表测量节拍，再根据误差更换摆轮，摆轮可预先在分档仪上分档，直到满足标频。但效率极低，更换过程中硅游丝易损坏，不符合批量生产的要求。但由于硅游丝组成的摆轮游丝系统，具有温度稳定性好，不受磁场干扰等特点，通常采用无快慢针结构，也就是通常所说的无卡度结构，这样可以避免快慢针内外夹对硅游丝的局部接触而造成硬弯，同时去掉快慢针也提高了摆轮游丝系统的等时性。无快慢针摆轮游丝系统必须通过调整摆轮的转动惯量来调整振动频率，也就是调整手表的走时精度，通常在摆轮上设置偏心锤或在摆轮轮幅上设置调整螺丝等机构，通过对称调整偏心锤的偏心量和对称调整螺丝的旋进旋出量，从而改变摆轮的转动惯量；硅游丝相对于金属游丝较脆，离散性也较大，因结构上的限制，摆轮上的调整机构也不易设置太多，这样摆轮和硅游丝配对达到要求的标准频率就有一定难度。
关于游丝刚度的测量，现有技术一般是采用扭矩转角方法。该方法是将测头和游丝内桩接触，游丝外桩固定，转动仪器测头，由扭矩传感器测量测头所受到的游丝扭矩，用角度传感器测量测头转过的转角。如果扭矩用N表示，游丝刚度用M表示，转角用β表示，那么 。该方法受游丝非线性误差的影响，游丝被测量时的状态与工作状态不同，属静态测量，测量误差较大。摆轮游丝配频后，频率误差往往超出摆轮惯量的微调范围，满足不了生产需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量的方法及测量装置。
本发明所采用的技术方案是：一种动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量的方法，包括下列步骤：
A. 将测量状态调整到和手表的工作相似的振动状态，与手表的工作频率接近；
B. 动态测量摆轮游丝振动系统的振动周期TB、TY；
C. 计算待测摆轮转动惯量和待测游丝刚度；
已知摆动体中标准摆轮转动惯量JB和标准游丝刚度MB,
公式（1）
式中： M：待测硅游丝刚度，J：待测摆轮的转动惯量。
步骤A由气鼓产生的间歇气流通过气嘴吹气使摆动体振动，并逐步提升摆幅，其振动系统的工作频率与手表的工作频率相近；振动系统包括被测游丝与游丝刚度测量摆动体组成的振动系统和被测摆轮与摆轮惯量测量摆动体组成的振动系统；
为消除吹气对振动系统的周期影响，测量是在自由衰减振动的情况下完成的，当振动系统摆幅达到一个定值时，自动停气，测量数个自由振动周期，并取平均值；
步骤B通过激光光电非接触拾取振动系统振动周期信号，通过两组光电接受器获得振动系统的摆幅信号。
一种用于动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量方法的测量装置，包括，机械测量部分Ⅵ和电控测量部分Ⅶ；所述机械测量部分Ⅵ包括，气鼓、设置在上平板上的摆动体、激光发射接收回路、气鼓喷气嘴和摆动体锁紧装置；气鼓通过软管与气嘴连接，摆动体锁紧装置为偏心轮结构，通过手柄可以旋转偏心轮，实现对摆动体的释放或锁紧；所述电控测量部分Ⅶ包括，主机和液晶显示器；所述激光发射接收回路通过电缆和主机电连接，所述气鼓通过电缆与主机电连接。
所述激光发射接收回路为两组，包括第一激光发射器、第一激光接收器和第二激光发射器、第二激光接收器，两组激光发射接受回路对称或靠近振动系统平衡位置设置，两光路夹角应尽量小；在所述第一激光发射器、第一激光接收器、第二激光发射器和第二激光接收器前端安装有狭缝，狭缝能够提高光路系统对环境光的抗干扰力。
所述摆动体为游丝刚度测量摆动体和摆轮惯量测量摆动体。
所述气鼓安装在上平板和下平板之间，上平板和下平板通过边角的立柱进行固定，下平板的四角安装有水平调节螺丝，水平调节螺丝用于调节上平板的水平位置；在所述主机上安装有液晶显示器和RS232接口。
所述游丝刚度测量摆动体包括，安装在摆轴上的摆轮、双圆盘、平衡游丝和游丝托盘，所述摆轴通过轴承和下轴承获得支撑，所述游丝托盘上放置待测硅游丝被紧固环压紧。
还包括有主夹板，所述主夹板上形成有中心孔和第一定位孔和第二定位孔，所述中心孔和第一定位孔的圆心连线与中心孔和第二定位孔的圆心连线成30度夹角。
还包括有硅游丝外桩固定支架，所述外桩固定支架上安装有硅游丝外桩定位销和偏心螺钉。
所述游丝刚度测量摆动体的摆轮轮缘为齿状，所述双圆盘上固定有红宝石圆盘钉，圆盘钉用于反射激光产生脉冲信号；在所述紧固环和待测硅游丝之间置有垫片，所述上轴承和下轴承的支撑材料为红宝石。
所述摆轮惯量测量摆动体包括，安装在摆轴上的摆轮托盘，摆轮，双圆盘和标准游丝；所述托盘上放置待测摆轮，所述摆轮的上方和下方均设置有标准游丝。
所述电控测量部分Ⅶ由微机控制部分Ⅳ和显示通讯部分Ⅴ组成；包括激光驱动电路，光电转换放大电路，信号整形电路，信号合成电路，摆轮转向判别电路，气鼓吹气换向控制电路，单片微机系统、停气控制电路，气鼓驱动控制电路，液晶显示器和RS232接口；所述机械测量部分Ⅵ包括，气动装置Ⅲ，摆动体Ⅱ和激光发射接收部分Ⅰ；所述气动装置Ⅲ包括气鼓和气嘴；所述单片微机系统分别与停气控制电路，气鼓吹气换向电路连接，气量调节控制单元控制所述气动装置的给气量，气动装置由气嘴喷气驱动测量仪的摆动体振动，所述激光发射接收部分将检测到的随待测摆轮游丝振动的激光信号，由光电转换放大电路，转换成电信号通过放大整形电路处理传送至单片微机系统中，计算处理后由液晶显示器显示结果。
本发明的有益效果是：由游丝和摆动体组成的摆轮游丝振动系统，是在工作状况相同的情况下测量，消除了非线性误差对测量的影响，测量速度快，精度高；属一种动态测量方法。另外，只需要通过更换摆动体即可通过一台仪器测量游丝刚度和摆轮转动惯量。
附图说明
图1为本发明动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量测量装置的平面示意图；
图2为本发明游丝刚度测量摆动体的剖视图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明摆轮惯量测量摆动体的剖视图；
图5是本发明原理框图。
图中：
1.主机 2.气鼓 3.摆动体
4.激光发射接收回路 5.摆动体锁紧装置 6.驱动电缆
7.上平板 8.狭缝 9.下平板
10.水平调节螺丝 11.显示器 12.RS232接口
13.电缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
本发明动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量的方法，包括下列步骤：A. 将测量状态调整到和手表的工作相似的振动状态，与手表的的工作频率接近；由气鼓产生的间歇气流通过气嘴吹气使摆动体振动，并逐步提升摆幅，其振动系统的工作频率与手表的工作频率相近；振动系统包括被测游丝与游丝刚度测量摆动体组成的振动系统和被测摆轮与摆轮惯量测量摆动体组成的振动系统；为消除吹气对振动系统的周期影响，测量是在自由衰减振动的情况下完成的，当振动系统摆幅达到一个定值时，自动停气，测量数个自由振动周期，并取平均值；
B. 动态测量摆轮游丝振动系统的振动周期TB、TY；通过激光光电非接触拾取振动系统振动周期信号，两组光电接受器获得振动系统摆幅信号。
C. 计算待测摆轮转动惯量和待测游丝刚度；
已知摆动体中标准摆轮转动惯量JB和标准游丝刚度MB,
式中： M：待测硅游丝刚度，J：待测摆轮的转动惯量。
如图1至图5所示，本发明用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，包括激光发射接收部分Ⅰ，测量摆动体Ⅱ与气动装置Ⅲ和微机控制部分Ⅳ及显示接口部分Ⅴ。所述微机控制部分包括激光驱动电路和光电转换放大电路，信号整形处理电路，信号合成电路，摆轮转向判别电路，气鼓吹气换向控制电路，单片微机系统、停气控制电路，气鼓驱动控制电路。气动装置Ⅲ包括气鼓和气嘴及气量调节控制单元。所述单片微机系统分别与停气控制电路，气鼓吹气换向电路连接，气量调节控制单元控制气鼓的给气量，气动装置由气嘴喷气驱动测量装置的摆动体振动，激光发射器在激光驱动电路的作用下，向摆动体摆轮上的红宝石圆盘钉发射和摆轴相平行的窄条激光，两路反射光通过光电接收器前的狭缝，由置于光电接收器暗盒里的光电管接收并转换成电信号。由光电转换放大电路将光电信号放大到一定幅度，再通过信号整形处理电路将信号整理成标准的TTL电平。两路TTL电平信号一方面通过信号合成电路合成为一路信号，送到单片微机系统采集处理和运算，另一方面送到摆轮转向判别电路判别摆轮转向，并输出一个摆动体摆轮顺时针转动的指示脉冲，再通过气鼓吹气换向控制电路，送到气鼓控制电路，实现吹气控制。单片微机可以给气鼓吹气换向控制电路发指令来控制吹气方向，实现对摆轮摆动体的启动和停止。单片微机运算出周期（节拍）和摆幅后，由液晶显示器用数值显示，以便读取。数据也可以通过微机接口和电脑通讯，完成数据交换，实现微机的数据库管理。
如图1所示，所述机械测量部分Ⅵ包括，气鼓2和设置在上平板上7的摆动体3、激光发射接受回路4、气鼓喷气嘴21、摆动体锁紧装置5；激光发射接受回路有2组，每组包括光电接受器41和激光发射器42；气鼓2产生的间歇气流通过气嘴21给摆动体3补充能量；在摆动体3启动提升摆幅期间，摆动体3中的摆轮311逆时针摆动时气鼓2吹气，顺时针摆动时气鼓2停气，测量完成后制动时则相反。所述摆动体3被摆动体锁紧装置5固定，摆动体锁紧装置5为偏心轮结构，通过手柄51可以旋转偏心轮，实现对摆动体3的释放或锁紧。摆动体3包括游丝刚度测量摆动体和摆轮惯量测量摆动体；打开锁紧装置可以在游丝刚度测量摆动体和摆轮惯量测量摆动体之间方便的更换；所述激光发射接受回路4通过电缆13与主机1相连，所述气鼓2通过驱动电缆6与主机1相连，气鼓2通过软管22与气嘴21连接。激光发射接受回路4为两组，包括第一激光发射器41、第一激光接受器，42和第二激光发射器43、第二激光接受器44，两组激光发射接受回路4对称或靠近振动系统平衡位置设置，两光路夹角应尽量小，在所述第一激光发射器41、第一激光接受器42、第二激光发射器43和第二激光接受器44前端安装有狭缝8，狭缝8能够提高光路系统对环境光的抗干扰力。所述气鼓2安装在上平板7和下平板9之间，上平板7和下平板9通过边角的立柱进行固定，下平板9的四角安装有水平调节螺丝10，水平调节螺丝10用于调节上平板7的水平位置；在所述主机1上安装有液晶显示器11和RS232接口12，可与微机交换数据便于微机数据管理。
如图2和图3所示，所述游丝刚度测量摆动体包括，主夹板318、硅游丝外桩固定支架323和安装在摆轴310上的摆轮311、双圆盘312、平衡游丝313和游丝托盘314；摆轮311与游丝组成摆轮游丝振动系统，同时接受气鼓喷出的气流，获得摆动和摆幅提升所需要的能量，为有效的接受喷气流获得更多的能量，摆动体摆轮311轮缘制作成齿状。所述双圆盘上固定有红宝石圆盘钉，红宝石圆盘钉用于反射激光，当摆动体摆轮振动时，圆盘钉通过平衡位置和与平衡位置成30度角度的位置时，分别反射激光产生两个光脉冲信号。在一个振动周期内圆盘钉两次通过摆轮游丝振动系统的平衡位置，将产生两组光脉冲信号。该信号由光电管接受并转换成电脉冲信号，这些信号包含有摆动体的振动周期和摆幅信息；平衡游丝调整该游丝的外桩位置可以调整圆盘钉的位置，当摆轮游丝振动系统静止时，圆盘钉处于激光发射接受回路上；在所述紧固环和待测硅游丝之间置有垫片，所述上轴承和下轴承的材料为红宝石，红宝石支撑摩擦力小，便于提高提高测量精度。所述摆轴通过上轴承和下轴承获得支撑，所述游丝托盘上放置待测硅游丝被紧固环压紧；所述主夹板上的中心孔和第一定位孔与第二定位孔，所述中心孔和第一定位孔与测量装置上平板上的定位销配合，实现摆动体的定位和固定，所述中心孔和第一定位孔的圆心连线与中心孔和第二定位孔的圆心连线成30度夹角；光路调整时，中心孔和第二定位孔定位摆动体，圆盘钉调整在通过两孔圆心连线的延长线方向上，调整激光发射接受光路方向，使激光发射接受信号最强。再用中心孔和第一定位孔定位摆动体，调整激光发射接受光路方向，使激光发射接受信号最强。这样就保证了用基角法测量摆幅时的基角精度，从而保证了摆幅测量精度；所述外桩固定支架上安装有硅游丝外桩定位销和偏心螺钉；硅游丝制作时在外端预留带定位孔和定位槽的长方形附加结构，定位孔和定位槽与定位销配合，用偏心螺丝压紧硅游丝外桩，实现硅游丝外桩的固定。由于弹片327的作用，上轴承支架323与下夹板328的平行度可以通过支架两侧的固定螺丝326调整，保证了硅游丝的准确安装。
如图4所示，摆轮惯量测量摆动体与游丝刚度测量摆动体基本相同。其中，所述摆轮惯量测量摆动体包括，安装在摆轴上的摆轮托盘330，摆轮311，双圆盘和标准游丝327；所述托盘上放置待测摆轮332，所述摆轮的上方和下方均设置有标准游丝327。在气鼓气流的作用下，起振并逐步提升摆幅，当达到一定摆幅值后，停气。在振动系统自由衰减的情况下完成测量。测量完成并显示后，反向吹气，使振动系统快速停振，提高测量效率。待测摆轮由摆轴和摆轮托盘的中心孔定位，由摆轮托盘与待测摆轮轮辐的摩擦力提供待测摆轮的驱动转矩，测量完成后待测摆轮可以方便的更换。
Claims (12)
1.一种动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量的方法，其特征在于，包括下列步骤：
A. 将测量状态调整到和手表的工作相似的振动状态，与手表的工作频率接近；
B. 动态测量摆轮游丝振动系统的振动周期TB、TY；
C. 计算待测摆轮转动惯量和待测游丝刚度；
已知摆动体中标准摆轮转动惯量JB和标准游丝刚度MB,
式中： M：待测硅游丝刚度，J：待测摆轮的转动惯量。
2.根据权利要求1所述的动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量的方法，其特征在于，
步骤A由气鼓产生的间歇气流通过气嘴吹气使摆动体振动，并逐步提升摆幅，其振动系统的工作频率与手表的工作频率相近；振动系统包括被测游丝与游丝刚度测量摆动体组成的振动系统和被测摆轮与摆轮惯量测量摆动体组成的振动系统；
为消除吹气对振动系统的周期影响，测量是在自由衰减振动的情况下完成的，当振动系统摆幅达到一个定值时，自动停气，测量数个自由振动周期，并取平均值；
步骤B通过激光光电非接触拾取振动系统振动周期信号，通过两组光电接受器获得振动系统的摆幅信号。
3.一种用于动态测量硅游丝刚度和摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，包括，机械测量部分Ⅵ和电控测量部分Ⅶ；所述机械测量部分Ⅵ包括，气鼓（2）、设置在上平板（7）上的摆动体（3）、激光发射接收回路（4）、气鼓喷气嘴（21）和摆动体锁紧装置（5）；气鼓（2）通过软管（22）与气嘴（21）连接，摆动体锁紧装置（5）为偏心轮结构，通过手柄（51）可以旋转偏心轮，实现对摆动体（3）的释放或锁紧；所述电控测量部分Ⅶ包括，主机（1）和液晶显示器（11）；所述激光发射接收回路（4）通过电缆（13）和主机（1）电连接，所述气鼓（2）通过电缆（6）与主机（1）电连接。
4.根据权利要求3所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述激光发射接收回路（4）为两组，包括第一激光发射器（41）、第一激光接收器（42）和第二激光发射器（43）、第二激光接收器（44），两组激光发射接受回路（4）对称或靠近振动系统平衡位置设置，两光路夹角应尽量小；在所述第一激光发射器（41）、第一激光接收器（42）、第二激光发射器（43）和第二激光接收器（44）前端安装有狭缝（8），狭缝（8）能够提高光路系统对环境光的抗干扰力。
5.根据权利要求3所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述摆动体（3）为游丝刚度测量摆动体和摆轮惯量测量摆动体。
6.根据权利要求3所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述气鼓（2）安装在上平板（7）和下平板（9）之间，上平板（7）和下平板（9）通过边角的立柱进行固定，下平板（9）的四角安装有水平调节螺丝（10），水平调节螺丝用于调节上平板（7）的水平位置；在所述主机（1）上安装有液晶显示器（11）和RS232接口（12）。
7.根据权利要求5所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述游丝刚度测量摆动体包括，安装在摆轴（310）上的摆轮（311）、双圆盘（312）、平衡游丝（313）和游丝托盘（314），所述摆轴（310）通过上轴承（315）和下轴承（316）获得支撑，所述游丝托盘（314）上放置待测硅游丝被紧固环（317）压紧。
8.根据权利要求7所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，还包括有主夹板（318），所述主夹板（318）上形成有中心孔（319）和第一定位孔（320）和第二定位孔（321），所述中心孔（319）和第一定位孔（320）的圆心连线与中心孔（319）和第二定位孔（321）的圆心连线成30度夹角。
9.根据权利要求7所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，还包括有硅游丝外桩固定支架（323），所述外桩固定支架（323）上安装有硅游丝外桩定位销（327）和偏心螺钉（329）。
10.根据权利要求7所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述游丝刚度测量摆动体的摆轮（311）轮缘为齿状，所述双圆盘上固定有红宝石圆盘钉，圆盘钉用于反射激光产生脉冲信号；在所述紧固环（317）和待测硅游丝之间置有垫片（325），所述上轴承（315）和下轴承（316）的支撑材料为红宝石。
11.根据权利要求5所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述摆轮惯量测量摆动体包括，安装在摆轴（310）上的摆轮托盘（330），摆轮（311），双圆盘（312）和标准游丝（327）；所述托盘上放置待测摆轮，所述摆轮（311）的上方和下方均设置有标准游丝（327）。
12.根据权利要求3所述的用于动态测量硅游丝刚度和测量摆轮转动惯量方法的测量装置，其特征在于，所述电控测量部分Ⅶ由微机控制部分Ⅳ和显示通讯部分Ⅴ组成；包括激光驱动电路，光电转换放大电路，信号整形电路，信号合成电路，摆轮转向判别电路，气鼓吹气换向控制电路，单片微机系统、停气控制电路，气鼓驱动控制电路，液晶显示器和RS232接口；所述机械测量部分Ⅵ包括，气动装置Ⅲ，摆动体Ⅱ和激光发射接收部分Ⅰ；所述气动装置Ⅲ包括气鼓和气嘴；所述单片微机系统分别与停气控制电路，气鼓吹气换向电路连接，气量调节控制单元控制所述气动装置的给气量，气动装置由气嘴喷气驱动测量仪的摆动体振动，所述激光发射接收部分将检测到的随待测摆轮游丝振动的激光信号，由光电转换放大电路，转换成电信号通过放大整形电路处理传送至单片微机系统中，计算处理后由液晶显示器显示结果。
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