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石英钟表

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石英 钟表
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机电一体化技术 产品实例 石英钟表 1.引言 v机电一体化技术是近几年来 随着微电子技术的发展而形 成的一门综合性强的高新技 术,在机械、电子、轻工等 行业有着广泛的应用和发展 前景。机电一体化的出现标 志着机和电两个系统的有机 结合,它使机械产品的精确 度显著提高,将使机械本身 产生许多过去无法实现的新 功能,乃至智能化。 2.机电一体化技术的应用 v机电一体化技术是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体,构成 最佳系统。在机械技术中从各方面引进“信息”,使机械与信息相结合, 而不是将机械技术与电子技术简单地叠加。今天,机电一体化技术产品 不断涌现并迅速实用化,如各类数控机床、柔性制造系统、机器人、现 代化电讯设备、办公室机械、电子钟表、电子玩具等。机电一体化的应 用和影响几乎已遍及传统机械制造业的各个领域。一个典型的例子就是 钟表的机电一体化,传统的机械钟表结构元器件、大规模集成电路相结 合,产生了石英电子表,它用体积小,寿命长,输出电压稳定的银电池 和锂电池代替了传统的机械发条作为动力源.并用石英振荡器代替机械 摆轮,使钟表的计时精度和走时持续时间可达数年,使钟表的计时精度 和走时持续时间大幅度提高,更利于实现小型化和大幅度降低成本,这 是机械表难以达到的。 3.石英电子表的机电一体化 3.1 钟表的发展 钟表的发展历史是追求走时更准确, 体形更小型的发展历史。传统的机械钟表 与电子学、电子元件、大规模集成电路相 结合,出现了石英振荡式电子钟表。 这即是典型的机电一体化技术的应用 ,它给钟表带来了重大的革新。其进步体 现在:时间精度和持续时间大幅度提高, 可靠性明显提高而免去了维修,能实现小 型,薄型化,便利制造和商品出售的服务 。 石英电子表起初有模拟(指针)式, 其后是用液晶显示的数字式手表,至今已 发展成数字石英表。本文仅以指针式石英 电子表为例。 3.石英电子表的机电一体化 v3.2指针式石英电子钟表的基本构成与工作原理 基本构成 3.石英电子表的机电一体化 v3.2指针式石英电子钟表的基本构成与工作原理 工作原理图 3.石英电子表的机电一体化 指针式石英电子表以电池为能源,以石英 振荡器的谐振频率为频率基准,通过CMOS 集成电路驱动步进电动机,从而带动了一系 列齿轮,最后用指针表示时间。 3.石英电子表的机电一体化 v (1)动力系统 这是指电子表的能源,主要是银电池与锂电池。这 类电池具有体积电容量密度高,输出电压稳定,贮 存性能优良三个特点。使用寿命一般2-3年,长可 达5年,不用维修更换。而机械表发条上满持续时 间一般为40h。 3.石英电子表的机电一体化 v (2)调速系统 电子表的时间标准源即石英振荡器。它是利用石英晶体的压电效应 与电子振荡回路组合而成的,能得到极其稳定的振动。一般在电路板上 装有石英振子、CMOS集成电路和微调电容器。 石英振子是由物理性能非常稳定的人造二氧化硅单晶体制成。一般 采用频率为32768Hz。用石英振子作时间标准源,使时间精度显著提高 。一般月差为几秒至20秒,高精度的年差为几秒至20秒。而机械表的调 速机械摆轮,由于摆轮加工误差,与擒纵机构交换能量时产生的振动周 期误差,摆轮的惯性矩和游丝的弹性系数受温度的影响以及带在手腕上 受振动和冲击的影响等都使其振动周期受到影响,时间误差一天就达数 十秒。 3.石英电子表的机电一体化 集成电路采用功耗低、开启 电压低、集成度高的CMOS 集成电路。电路中包括有( 1)振荡回路。使石英振子 持续振动。(2)分频回路 。石英振子的振动分频为 1Hz(或0.5Hz)。(3)驱动 回路。用以对分频信号进行 整形放大,产生使步进电机 旋转的输出信号。 3.石英电子表的机电一体化 如图给出了指针式石英电子表基 本逻辑。图中F1是反相器。它与 石英振子、微调电容器C组成石英 振荡器、产生32768Hz的方波。 反向器F2和F3组成缓冲器,将振荡 器与后面的分频回路隔开,以防 止负载(分频器)状态的变化影 响振荡回路。C1至C10是16级二分 频器(或15级)构成分频回路, 以将振荡器的信号最后分频成为 0.5Hz(或1Hz)脉冲信号。YF1 和YF2窄脉冲形成回路,将分频回 路输出的占空系数为50%的脉冲 信号转换为脉宽为0.8的窄脉冲, 以减少步进电机的功耗。 3.石英电子表的机电一体化 v (3)驱动系统 在这里驱动系统的含义是指执行器件二相步进电机 。从集成电路来的脉冲使其回转,从而最后使指针 走动。它是一个小型高效的电——机变换器。作为 机械表控制系统的驱动机构,机械结构复杂,加工 精度要求高,需要高的调整技术。而电子表采用的 是步进电动机作为驱动结构,这种结构具有结够简 单、易于控制启动迅速(1/100s)及使用命长的特 点。便于小型化设计安装,易于大量生产。 3.石英电子表的机电一体化 v (4)执行系统 指针式电子表的传递系统与机械表无大差别,亦由 轮系组成。但由于石英表动力源不同于机械表,轮 系所承受的负荷减少了一个数量级。如分针轮的回 转扭矩上满发条时约0.98N·m,而运行后约 0.78N·m。而石英表只有在日期和星期变换时才需 较大扭矩,约是0.049N·m。 4.机电一体化优点 v从石英电子表可以看出,机电一体化有许多优点,如 具有存储、运算、控制、信息处理等功能从而达到产 品的高性能、多功能化和智能化;具有结构简化的特 点,使产品向着轻、薄、细、巧的方向迅速发展,易 采用标准化、模块化的方法进行设计、制造;具有节 能的特点;可具有自动控制、自动监视、诊断功能及 某些智能,使安全可靠性大幅度提高。 5.结束语 v总之,石英电子表将机电技术有机结合起来,是一个 典型的机电一体化产品。它能获得传统机械产品难以 实现的高精度、高性能。机电一体化技术也使机械工 业生产自动化取得突破性的成效,如多品种、中小批 量的生产能够实现自动化,大批大量生产也增加了柔 性,产品质量得到保证,精度得到提高。作为高新技 术的一部分,它对新产品的开发、产业的技术改造、 促进技术经济的发展正在起着越来越大的作用。
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