Способ контроля кварцевых электронно-механических часов с шаговым двигателем Советский патент 1992 года по МПК G01L3/26 G04D7/00 

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано в часовой промышленности при проектировании и производстве кварцевых часов с аналоговой индикацией.

Известен способ контроля электронно- механических часов с использованием магнитного поля, с помощью которого могут

быть проверены только электронные блоки часов 1.

Известен также способ контроля кварцевых электронно-механических часов с шаговым двигателем путем воздействия на них магнитного поля параллельно плоскости циферблата, обеспечивающий контроль часов в целом 2.

Однако этот способ не обеспечивает объективного контроля, гарантирующего надежность функционирования часов в процессе эксплуатации из-за возможного зна- чительного разброса момента, создаваемого шаговым двигателем с одной стороны и значительными комбинациями момента нагрузки, создаваемой всей колесной системой часов, с другой стороны.

Некоторые из причин, вызывающих названные колебания момента двигателя и момента нагрузки или их сочетания при определенных обстоятельствах особенно сильно влияют на возрастание момента нагрузки и на изменение соотношения моментов двигателя и нагрузки. Например, при определенных положениях часов в пространстве превышение зазором допустимых норм приводит к сбоям в работе часов. Все выше перечисленное многообразие факторов при любых сочетаниях самых неблагоприятных условий и обстоятельств не должно приводить к тому, чтобы минимальное значение упомянутого соотношения моментов снижалось ниже (3-5), в то время как максимальное значение отношения может достигать нескольких десятков.

На сегодняшний день отсутствуют способы и средства контроля, способных обеспечить определение отношение момента вращения шагового двигателя к моменту торможения нагрузки при любом положении часов в пространстве в интервале времени, равном одному обороту часового колеса, позволяющим выявить взаимодействие всех зубьев колес друг с другом.

Это приводит к тому, что несколько процентов от всего количества выпускаемых кварцевых часов с аналоговой индикацией характеризуются отказами в работе у потребителя в силу того, что при неблагоприятных стечениях условий и обстоятельств моменты вращения и торможения становятся соизмеримы, т.е. минимальное значение отношения становится значительно меньше (3-5).

Целью данного изобретения является повышение надежности контроля часов за счет отбраковки часов с минимальным значением отношения и тем самым снижению поступления некачественных часов к потребителю.

Данная цель достигается за счет того, что в способе контроля кварцевых электронно-механических часов с шаговым двигателем путем воздействия на них магнитного поля паралельно плоскости циферблата геометрическую ось обмотки шагового двигателя ориентируют вдоль вектора напряженности магнитного поля, устанавливают обмотку в заданном угловом положении в пространстве относительно ее оси,

запитывают электронный блок внешний на -.„ .« i

пряжением и следят за током потребления

шагового двигателя, к которому п&дТШбча- ют механизм часов, при этом поочередно изменяют направление напряженности магнитного поля каждого импульса, подают на обмотку шагового двигателя внешнее пряжение в виде импульсов чередующейся полярности с частотой, равной частоте йз- менения направления напряженности внешнего поля и с длительностью и фазой, заданным17Гтормбзящим воздействием маг5 нитного поля и соответствующими ему, устанавливают начальное заданное значение напряженности импульса магнитного поля и фиксируют момент времени, показываемый часами, после чего по току потребления

0 шагового двигателя в течение одного оборо- та часового колеса следят за отработкой шага двигателя и в случае отсутствий неотработки шага за этот период увеличивают значение напряженности импульса маг5 нитного поля на заданную величину и повторяют слежение за отработкой шага в течение следующего оборота часового колеса, указанную последовательность увелич - ния значения напряженности и слежения з а

0 отработкой заканчивают при появлении неотработки шага, при котором фиксируют значение напряженности магнитного поля, затем отключают от дЪигател За с51зШ ме1- ханизм и повторяют вышеописанный про15 цесс в режиме холостого хода, причет фиксируют напряженность, вызвавшую не1- отработку шага, после чего определяют па1- раметр, характеризующий качество часов как отношение момента вращения шагового

0 двигателя к моменту сопротивления механизма часов через отношение зафиксированного значения напряженности магнитного поля , соответственно зафиксированных при работе шагового двигателя в

5 режиме холостого хода и с нагрузкой, при этом длительность фронта импульсов м а г1- нитного поля задают в пределах 2-3 начинают их с опережением импульсов напряжения на 4-5 мс, а длительность каждо0 го импульса магнитного поля задают н 20-30% больше суммы длительности импульса напряжения и длительности переходных процессов в шаговом двигателе1, амплитуду импульсов напряжения устанав5 ливают в пределах 1,35-1,55 В, частоту следования импульсов выбирают из диапазон 1-40 Гц, начальное заданное значенй «Гна - пряженности импульса магнитного поля устанавливают равным 15 Э, значений напряженности импульса магнитного пол

периодически изменяют на шаг, равный 0,&-1,ОЭ, а также изменяют заданное положение часов в пространстве относительно оси часов, совпадающей с направлением вектора напряженности магнитного поля, и при новом положении определяют отношение момента вращения шагового двигателя к моменту сопротивления механизма часов.

На фиг.1 изображены формы импульсов тока потребления шагового двигателя в ре- жиме подачи от внешнего генератора импульсов напряжения с чередующейся полярностью в условиях воздействия на часы или механизмы внешнего импульсного однородного магнитного поля; на фиг.2 - функциональная схема одного из возможных вариантов реализации способов.

На фиг.1 форма положительного и отрицательного тока потребления шагового двигателя - кривая 1 соответствует случаю, когда внешнее импульсное однородное магнитное поле, воздействующее на часы, является ускоряющим при отработке шага ротором двигателя. Кривая 2 соответствует случаю, когда внешнее импульсное одно- родное магнитное поле, воздействующее на часы, является тормозящим при отработке шага ротором двигателя. Кривая 3 соответствует случаю, когда внешнее импульсное однородное магнитное поле является тор- мозящим при отработке шага ротором, но ротор при этом не смог отработать шаг, т.е. произошел сбой в работе шагового двигателя.

Схема на фиг.2 содержит генераторы 1-4, резисторы 5-8, конденсаторы 9-12, резисторы 13-16, мощный повторитель 17 или буферный усилитель мощности с единичным коэффициентом усиления, повторитель 18, соленоид 19, обмотку шагового двигате- ля 20 часов или механизма, резистор 21, запоминающий осциллограф 22, генератор 23.Г

Сущность изобретения состоит в следующем.

Шаговый двигатель часов или механизма переводится в режим внешнего управления. Для этого снимают крышку часов и отсоединяют обмотку шагового двигателя от выхода электронного блока часов и под- ают на обмотку шагового двигателя от внешнего генератора импульсы напряжения чередующейся полярности с определенной амплитудой и длительностью, причем, частоту следования разнополярных импульсов задают равной 1 Гц. Длительность импульсов устанавливается равной длительности, указанной в ТУ на используемый в часах тип шагового двигателя, а амплитуду устанавливают внутри диапазона,

оговоренного в ТУ, что позволяет определять отношение моментов во всем диапазоне нормируемых стандартом на часы рабочих напряжениях питания.

Произвводят контроль формы импульсов тока потребления шагового двигателя, осуществляемого посредством наблюдения на экране осциллографа сигналов, выделяемых на резисторе, включенном последовательно с обмоткой шагового двигателя.

Затем часы или механизм помещают в зону действия внешнего имульсного однородного магнитного поля. Воздействующее на часы с требуемыми параметрами импульсное однородное магнитное поле может быть обеспечено при размещении часов или механизма внутри соленоида, на катушку которого подают импульсы напряжения чередующейся полярности со следующими параметрами: частоту следования импульсов магнитного поля задают всегда равной частоте следования импульсов управления шаговым двигателем. Длительность фронта импульсов, поступающих на соленоид, задают в пределах 2-3 мс, начало импульса, подаваемого на соленоид, должно опережать начало импульса управления шаговым двигателем на величину, лежащую в пределах 4-5 мс, длительность импульсов, поступающих на соленоид, задают на 20-30% больше суммы длительности импульса управления шаговым двигателем и длительности переходных процессов в шаговом двигателе, устанавливают амплитуду рззнополярных импульсов напряжения такой, чтобы значение тока, протекающего через соленоид, создавало первоначальную амплитуду напряженности импульса магнитного поля равной определенному значению, нормированному стандартом (минимальное значение равно 15 3).

Обеспечение наличия установившегося значения внешнего магнитного поля определенной напряженности а течение всего отрезка времени от подачи управляющего импульса на обмотку шагового двигателя до успокоения ротора после отработки шага осуществляется за счет введения опережения начала возникновения магнитного поля отнсительно управления шаговым двигателем и перекрытия длительностью импульса магнитного поля вышеуказанного всего отрезка времени.

Часы ориентируют в магнитном поле так, чтобы направление между цифрами 6 и 12 или цифрами 3 и 9 на циферблате всегда было параллельно вектору напряженности импульса магнитного поля при любом произвольном положении часоп в пространстве относительно оси. совпадающей с направлением вектора напряженности импульса магнитного поля или иными словами относительно оси, совпадающей с направлением между цифрами 6 и 12 или 3 и 9. Задавая произвольное положение часоо или механизма о пространстве - циферблатом вниз или вверх для направлений между 6 и 12 или между 3 и 9, цифрой 9 вниз и вверх для направления между цифрами б и 12, цифрой 12 вниз и вверх для направления между цифрами 3 и 9, можно определять отношение моментов для всех возможных положений часов в пространстве. Некоторые из положений в пространстве для данных контролируемых часов в силу имеющихся в них дефектов приведут к выявлению фактз существенного повышения момента сопротивления и тем самым позволит определить минимальное значение отношения, которое меньше допустимой нормы (3-5)

Обеспечение параллельности вектора напряженности магнитного поля с направлениями между цифрами б и 12 или цифрами 3 и 9 обусловлено следующим:

Размещение шагового двигателя в часах у различных моделей часов различно. У одних часов ось сбмотки шагового двигателя параллельна направлению между цифрами 6 и 12 на циферблате. У других часов ось обмотки параллельна направлению между цифрами 3 и 9 на циферблате. В тех случаях, когда ось обмотки шагового двигателя параллельна вектору напряженности внешнего магнитного поля, то параллельны и векторы напряженности магнитного поля внешнего и внутреннего, создаваемого обмоткой шагового двигателя в моменты подачи на обмотку импульса напряжения. При этом в зависимости от направления тока в катушке шагового двигателя, которое поочередно меняется от импульса к импульсу, подаваемых на обмотку, внешнее импульсное магнитное поле либо суммируется с внутренним импульсным магнитным полем, либо вычитается из внутреннего импульсного поля

В первом случае внешнее поле является ускоряющим Оно увеличивает поле, вызывающее поворот ротора на 180°, что ведет к возрастанию момента вращения.

Во втором случае внешнее поле является тормозящим. Оно уменьшает поле, вызывающее поворот ротора на 180°, что ведет к уменьшению момента вращения. Таким образом, в рассматриваемом случае появление дополнительного тормозящего усилия, приводящего к уменьшению момента вра щения связано с уменьшением магнитного потока воздействующего на покоящейся

ротор и вызывающего поворот ротора на 180о.(В тех случаях, когда ось обмогки шагового двигателя перпендикулярна вектору

напряженности внешнего магнитного поля, то внешнее поле не оказывает влияния на внутреннее импульсное магнитное поле, воздействующее на покоящийся ротор, Здесь появление дополнительного тормозящего усилия, приводящего к уменьшению момента вращения, связано с воздействием внешнего магнитного поля на вращающийся ротор шагового двигателя.

Поскольку внешнее импульсное магнит5 ное поле характеризуется поочередным от импульса к импульсу изменением направления вектора напряженности поля на180о,то п зависимости от соотношения полярности согзпздающих во времени импульсов напря0 женил для управления шаговым двигателем

и внешнем магнитным полем, внешнее магнитное поле может быть либо тормозящим,

либо ускоряющим для каждого шага ротора.

Поэтому устанавливают такое сочета5 мне полярности совпадающих по времени импульсов напряжения, подаваемых на ка- тушки шагового двигателя и соленоида, при котором на экране осциллографа наблюдается Форма сигнала тока потребления шагб- J

0 вого двигателя, соответствующая кривой 2, те. иными словами шаговый двигатель ра-| ботает в режиме воздействия дополнительного тормозящего усилия.

После этого фиксируют текущее время,

5 показываемое часами или Механизмом и начинают с помощью осциллограмм проводить контроль и запоминание факта отработки и не обработки шага шаговым двигателем посредством селекции по фор0 ме запомненных импульсов токи потребления шагового двигателя в течение одного оборота часового колеса часов или механизма -

Сигнал о форме импульса тока потреб5 ления поступает на вход осциллографа с резистора, включенного последовательное обмоткой шагового двигателя, на общую цепь которых подают разнополярные импульсы от внешнего генератора

0 При контроле формы сигТПзла тока потребления в условиях воздействия внешнего магнитного поля для случая нормального функционирования шагового двигателя на экране осциллографа будет наблюдаться

5 либо положительная и отрицательная кривая 2 в режиме торможения, либо положительная и отрицательная кривая 1 в режиме ускорения -v

Отметим, что показания на фиг. 1 кривые 1 и 2 соответствуют определенному значению напряженности магнитного поля. С увеличением значения напряженности поля кривые 1 и 2 удаляются друг от друга, а с уменьшением напряженности наоборот приближаются друг к другу и при нулевом значении напряженности внешнего поля обе кривые 1 и 2 сливаются в одну кривую. Эта кривая расположена между кривыми 1 и 2.

Появление и запоминание на экране осциллографа кривой 2 свидетельствует о факте отработки ротором шага. Наоборот, появление и запоминание на экране осциллографа кривой 3 свидетельствует о факте не отработки ротором шага.

Если в течение одного оборота часового колеса часов или механизма будет отсутствовать факт не отработки шага (т.е. появление кривой 3), то это свидетельствует о том, что общий момент сопротивления, противодействующий моменту вращения шагового двигателя и равный сумме дополнительного тормозящего усилия, обусловленного внешним магнитным полем и момента сопротивления колесной системы, изменяющегося в широких пределах в течение одного оборота часового колеса, не достаточен для останова ротора. Факт совершения часовым колесом одного оборота определяется следующим образом.

От значения зафиксированного текущего времени, показываемого часами или механизмом, необходимо отсчитать 12 часов.

Пусть было зафиксировано текущее время часов или механизма в начальный момент контроля, например, 9 ч 16 мин. Следовательно при значении текущего времени часов или механизма, равным 21 ч 16 мин, часовое колесо совершит один оборот и на этом заканчивается контроль в отношении отсутствия факта не отработки ротором шага в течение одного оборота часового колеса.

После каждого цикла контроля увеличивают напряженность внешнего магнитного поля на 0,5-1 Э и повторяют цикл контроля.

.Этот процесс последовательного увеличения напряженности поля на определенную величину и контроля форм тока потребления при каждом новом значении будет продолжаться до тех пор, когда появится факт не отработки ротором шага.

Если при первоначальном значении напряженности поля, например, при 15 эрстедах, в течение времени одного оборота часового колеса появится не отработка ротором шага, то в этом случае процесс определения максимального тормозящего усилия будет протекать следующим образом.

Фиксируют текущее время, показываемое часами или механизмом. После этого снижают на определенную величину (например, 0,5 или 1,0 Э) напряженность поля и 5 повторяют контроль факта наличия или отсутствия не отработки ротором шага в тече- ние времени одного оборота часового колеса. При этом, в качестве мерила времени одного оборота часового колеса, прини10 мается отрезок времени длительностью в 12 ч, отсчитываемого относительно зафиксированного текущего времени, показываемого часами, при котором произошел сбой при предыдущем значении напряженности по15 ля. Если при новом значении напряженности опять будет зафиксирован факт не отработки ротором шага в течение времени одного оборота часового колеса, то снова уменьшают на ту же самую определенную

0 величину (например, 0,5 или 1,0 Э) напряженность поля и повт ор яют Контроль в от- ношении наличия или отсутствия не отработки ротором шага в течение времени одного оборота часового колеса. Этот про5 цесс последовательного уменьшения напряженности поля на определенную величину и контроля форм тока потребления при каждом новом значении напряженности будет продолжаться до тех пор, когда в

0 течение времени одного оборота часового колеса будет отсутствовать не отработка ротором шага.

На этом заканчивается процесс определения максимального тормозящего усилия

5 (ниже занормированного в стандарте на часы значения), приводящее к не отработке ротором шага в режиме работы шагового двигателя под нагрузкой.

После определения значения напря0 женности, соответствующей максимальному дополнительному тормозящему усилию в режиме работы шагового двигателя под нагрузкой, шаговый двигатель часов переводят в режим холостого хода путем изъятия

5 из часов передаточного колеса, т.е. нагрузка шагового двигателя, представляющая собой колесную систему, отключается. После этого повторяют все вышеописанное для часов или механизма с шаговым двигателем в ре0 жиме нагрузки. При этом определяют и запоминают значение напряженности поля, соответствующее максимальному дополнительному тормозящему усилию, противодействующему вращению ротора, при

5 котором обеспечивается не отработка ротором шага. Отношение момента вращения шагового двигателя к максимальному моменту сопротивления всей колегной системы часов или механизма определчется, как отношение значения напряженности поля.

зафиксированного при контроле шагового двигателя в режиме холостого хода к разности значений напряженности поля, соответственно зафиксированных при контроле работы шагового двигателя без нагрузки и с нагрузкой.

Для ускорения процесса определения отношения моментов можно повысить частоту следования разнополярных импульсов напряжения для управления шаговым двигателем в пределах до 40 Гц. Максимальное допустимое значение частоты управления шаговым двигателем определяется конкретным типом используемого двигателя и различно для разных двигателей. Для одних оно ограничивается 40 Гц, для других меньшим значением.

Для реализации предложенного способа, может быть использовано устройство, один из возможных вариантов которого приведен на фигуре 2. Здесь в качестве генераторов 1-4 могут быть использованы, например, выпускаемые промышленностью генератор импульсов точной амплитуды Г5- 75, при этом генератор 1 работает в режиме внутреннего запуска, а генераторы 2, 3 и 4 в режиме внутреннего запуска, а генераторы 2, 3 и 4 в режиме внешнего запуска. Данный тип генератора позволяет легко обеспечить все перечисленные в способе режимы и параметры работы шагового двигателя и режимы и параметры формирования внешнего импульсного однородного магнитного поля посредством соленоида 19.

Требуемая длительность фронта импульсов магнитного поля обеспечивается посредством установления соответствующих значений номиналов резисторов и емкостей 5, 6, 9, 10, 13. 14. Аналогично, длительность фронта импульсов, подаваемых на обмотку шагового двигателя 20 часов или механизма, посредством выбора соответствующих значений номиналов резисторов и емкостей 7. 8, 11, 12. 15, 16, устанавливается равной длительности фронта импульсов, формируемых электронным блоком часов или механизма.

Подачу на обмотку шагового двигателя 20 и последовательно включенным с ним резистором 21, сопротивление которого выбирается равным приблизительно 1% от сопротивления обмотки шагового двигателя, управляющих разнополярных импульсов от генераторов 3 и 4, осуществляется через повторитель 18 напряжения. Как отмечалось ранее, в качестве блока 22 можно использовать запоминающий осциллограф Се 13 в сочетании с генератором 2 типа Г5- 56.

Предлагаемый способ позволит повысить качество выпускаемых часов и уменьшить возврат потребителем дефектных; часов.

,

Формула изобретения 1. Способ контроля кварцевых электронно-механических часов с шаговым двигателем путем воздействия на них

0 магнитного поля параллельно плоскости ци- . ферблата, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности контроля, геометрическую ось обмотки шагового двигателя ориентируют вдоль вектора

5 напряженности магнитного поля, устанавливают обмотку в заданном угловом положении в пространстве относительно ее оси, запитывают электронный блок внешним напряжением и следят за током потребления

0 шагового двигателя, k которому подключают механизм часов, при этом поочередно изменяют направление напряженности магнитного поля каждого импульса, подают на обмотку шагового двигателя внешнее на5 пряжение в виде импульсов чередующейся полярности с частотой, равной частоте изменения направления напряженности внешнего поля и с длительностью и фазой, заданными тормозящим воздействием маг0 нитного поля и соответствующими ему, устанавливают начальное заданное значение напряженности импульса магнитного поля и фиксируют момент времени, показываемый часами, после чего по току потребления

5 шагового двигателя в течение одного оборота часового колеса следят за отработкой шага двигателем и в случае отсутствия неотработки шага за этот период увеличивают значение напряженности импульса маг0 нитного поля на заданную величину и повторяют слежение за отработкой шага в течение следующего оборота часового колеса, указанную последовательность увеличения значения напряженности и слежения за

5 отработкой заканчивают при появлении неотработки шага, при котором фиксируют значение напряженности магнитного поля, затем отключают от двигателя часов их механизм и повторяют описанный процесс в

0 режиме холостого хода, причем фиксируют напряженность, вызвавшую неотработку шага, после чего определяют параметр, характеризующий качество часов как отношение момента вращения шагового двигателя

5 к моменту сопротивления механизма часов через отношение зафиксированного значения напряженности магнитного поля в режиме холостого хода к разности значений напряженности магнитного поля, соответственно зафиксированных при работе шагового двигателя в режиме холостого хода и с нагрузкой,

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что длительность фронта импульсов магнитного поля задают в пределах 2-3 мс и начинают их с опережением импульсов напряжения на 4-5 мс, а длительность каждого импульса магнитного поля задают на 20-30% больше суммы длительности импульса напряжения и длительности переходных процессов в шаговом двигателе.

3.Способ по п. 1,отличающийся тем, что амплитуду импульсов напряжения устанавливают в пределах 1,35-1,55 В.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем, что частоту следования импульсов в ы- бирают из диапазона 1-40 Гц.

0

5.Способ по п.1, о т л.и ч а ю щ и и с я тем, что начальное заданное значение напряженности импульса магнитного поля устанавливают равным 15 Э.

6.Способ по п.1.отличающийся тем, что значение напряженности импульса магнитного поля периодически изменяют на шаг. равный 0.5-1.0 Э.

7.Способ по п.1,отличающийся тем, что изменяют заданное положение часов в пространстве относительно оси часов, Совпадающей с направлением вектора напряженности магнитного оля, и при новом положении определяют отношение момен- fa вращения шагового двигателя к. моменту сопротивления механизма часов.

Использование: оценка качества разрабатываемых и выпускаемых промышленностью часов. Сущность изобретения: геометрическую ось обмотки шагового двигателя часов ориентируют вдоль вектора на- пряженности воздействующего на них импульсного магнитного поля, меняющего направление на 180° от импульса к импульсу. Устанавливают часы в заданном угловом положении относительно этой оси и подают на обмотку шагового двигателя внешнее напряжение в виде импульсов заданной амплитуды с чередующейся полярностью. Частоту импульсов напряжения устанавливают равной частоте измерения направления напряженности магнитного поля, а их длительность и фазу задают тормозящим воздействием магнитного поля в соответствии с ним. Устанавливают заданное значение напряженности импульса магнитного поля. С зафиксированного момента времени по току потребления в течение одного оборота часового колеса следят за отработкой шага двигателем при подключенном к нему механизме часов. В случае отсутствия неотработки шага за этот период увеличивают значение напряженности импульса магнитного поля и повторяют слежение за отработкой шага в течение следующего оборота часового колеса. Указанную последовательность заканчивают при появлении неотработки шага, при которой фиксируют значение напряженности магнитного поля. Затем отключают механизм часов и повторяют описанный процесс в режиме холостого хода. В этом режиме также фиксируют напряженность, вызвавшую неотработку шага. Качество часов оценивают по отношению зафиксированного значения напряженности магнитного поля, соответственно зафиксированные при работе шагового двигателя в режиме холостого хода и с нагрузкой. 6 з.п. ф-лы, 2 ил. ё VI О VI CJ VI

О

фиг.1..t

V

v

«о

iP

«ч

- ri

r- bo

- -4 -L

to 5

t

ID

N

«M

2

Cb

i

-ta-L

N

I

Гч.