Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 水運渾象儀為原理

2007年6月10日 星期日

水運渾象儀為原理


我是B94611033劉德一
大致上來說就是以水車為動力帶動齒輪裝置,以相思豆的數目來計時,由於其原理參考至我國古代水運渾象儀,故還找了些水運渾象儀資料,這是一項頗有趣的機構設計希望大家會喜歡.

相思豆計時儀之整體設計概念

圖5為 相思豆計時儀之整體設計概念示意圖。整體系統以恆定水流帶動「水車主軸」轉動,供應各機構所需動力。「供給機構」以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入由「減速機構」和「下倒機構」組成的計時器中;計時器依分、刻、小時分成三層,藉由減速機構讓每層轉盤產生不同的旋轉速度,依分、刻、小時三種不同時間要求的旋 轉速度運轉,下倒機構則依分、刻、小時設定將相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之總收集桶中,「回收機構」再將最下層的相思豆送回供給機構,讓相思豆計時的 動作能持續的進行。

圖5. 相思豆計時儀設計佈置圖

3.第一代相思豆計時儀設計
在做相關子系統設計之前,首先隨機取樣50顆相思豆(如圖6)實際量測其尺寸,得知相思豆每一顆的平均重量為0.271g,而平均標準差是0.027g,長度為9.123mm,平均標準差為0.478mm,寬為6.043mm,平均標準差為0.264mm,此尺寸將作為各子系統設計之依據。
3.1 計時器設計
如前所述,計時器由「減速機構」和「下倒機構」組成,依分、刻、小時分成三層,藉由減速機構讓每層轉盤產生不同的旋轉速度,依分、刻、小時三種不同時間要求的旋轉速度運轉,下倒機構則依分、刻、小時設定將相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之儲存槽中。
為求一次輸出有分、刻、小時,60:15:1的減速比,且動力由同一軸輸入,首先設計了如圖7之概念,使用行星式齒輪來達成多層減速比,且動力由同一軸輸入。但由於體積過大,且製作與加工上成本過高,所以放棄此設計概念。



圖7. 太陽行星齒輪

為讓相思豆計時儀三層轉軸圓盤達成分、刻、小時轉速比為60:15:1的高減速比,且而為了要有效地配置空間,第二代設計概念減速機構使用蝸桿搭配蝸齒輪。圖8為減速機構示意圖,主軸末端連接水車,再由蝸桿蝸齒輪或是傘齒輪的搭配,分、刻、時這三種不同轉速的軸可以達到相對的轉速比,同時將動力的傳遞轉了九十度。圖中可看到,帶動第二、三層,「刻」和「小時」兩圓盤的這兩個軸採用蝸桿蝸齒輪組,以提供高減速比以及較高的動力。而在帶動第一層「分」圓盤的這一個軸,使用傘齒輪來將動力源做九十度的垂直傳遞。



圖8. 減速機構各層輪軸示意圖

圖9是下倒機構示意圖,主要功能是為了讓每一層的相思豆能夠順利的從上一層到達下一層。下倒機構主要是由一個儲存相思豆的容器和有著開關卡筍的容器蓋子所組成,圖10是 下倒機構和減速機構間的觸發介面,在平常底蓋卡筍頂著圓盤底層,所以桶子是關著的,相思豆不會掉下來。而等到減速機構帶動圓盤凹槽轉到開關卡筍的位置,底 蓋卡筍沒有被圓盤底層卡著,且此時容器裝滿沈重的相思豆,所以底蓋就會順勢打開,如此及可以讓上層的相思豆倒到下層的容器裡。之後開關卡筍順著凹槽的導軌 回到圓盤蓋底即可以將容器蓋子關起來。

為了節省空間的配置,圖9中下倒相思豆的桶子都設計在同一個平面上,而且將桶子配置成一直線,讓下倒的相思豆能動得更加流暢。圖11所示為了將桶子佈置在同一直線,所以將第二層和第三層的底蓋卡筍用一個連桿拉了出來,但是桶子蓋子作動的方式還是相同。




圖9. 下倒機構示意圖





圖10. 下倒機構和減速機構間的觸發介面






圖11. 第二、三層下倒桶連桿示意圖

3.2 相思豆回收機構設計

回收機構主要功能在將最下層的相思豆送回供給機構,讓相思豆計時的動作能持續的進行。圖12為回收機構設計示意圖。如圖所示,相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之總收集桶中,傳輸用桶子由馬達帶動傳動輪下降,觸發下倒卡筍後(如圖13),總收集桶中的相思豆倒到傳輸用桶子中,再由馬達經行走軌道將傳輸用桶子拉回上端,觸發卡筍後打開蓋子(如圖14),將相思豆經斜板倒入供給機構,完成循環。




圖12. 回收機構設計示意圖




圖13. 回收機構下端設計示意圖



圖14. 回收機構上端設計示意圖


3.3 相思豆供給機構設計

供給機構主要功能在以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入計時器中。圖15為供給機構設計示意圖。如圖所示,以固定軸為中心的旋轉鼓,四周配置60個凹槽;當鼓旋轉時會順勢將上方漏斗的相思豆帶到出口處落下,而只須設定旋轉鼓旋轉的速度為每分鐘一轉,就可以控制以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入計時器中。




圖15. 供給相思豆機構


3.4 整合與測試

接下來我們製作了第一代相思豆計時儀原型,進行整合與測試。圖16為相思豆計時儀主體,圖17為減速機構,圖18為計時機構主體,圖19為供給機構,圖20為回收機構。經過與觀想公司討論過後,觀想公司接受本設計的想法,並希望將此模型放大。同時在測試過程中發現以下問題:
(1) 相思豆容易在供給機構的漏斗中卡住。
(2) 下倒機構卡筍的觸發經常不順暢。
(3) 回收機構使用傳動輪與纜線,容易打滑且剛性不足。




圖16. 相思豆計時儀主體




圖17. 減速機構




圖18. 計時機構主體




圖19. 供給機構




圖20. 回收機構

資料來源: http://140.138.138.110/article/articles/design/(2003-10-27)%20%AC%DB%AB%E4%A8%A7%ADp%AE%C9%BB%F6%AD%EC%AB%AC%B3%5D%ADp.htm
作者:謝佩均、曾梓松、蔡宗成(2003-10-25)推薦:徐業良(2003-10-27)

水運渾象儀:
水運儀象台之結構分析
蘇頌的水運儀象台可以說是一座自動化的天文台,全部結構可以分成三層,上層是渾儀,中層是渾象,下層則是計時系統與動力系統,它利用水力來帶動報時系統、渾儀及渾象這三樣東西,使它們能均勻轉動。






運轉原理

打水系統:
整個水運儀象台的打水系統是由下列這幾個部份構成:河車、昇水上輪、昇水上壺、昇水下輪、昇水下壺。

首先,將昇水下壺裝滿水轉動河車同時帶動昇水上輪及昇水下輪,將水由下往上逐漸昇高灌入天河中<圖一>。




(圖一)轉動河車,竹斗便可汲水
天河會將水注入天池中,天池是一個蓄水池,天池中的水會定量地流入在它下方的平水壼<圖二>,平水壼的下方設有泄水管以及固定口徑的壼嘴,用來保持固定的水位高度和流量,平水壼的水會注入樞輪上的受水壼。



(圖二)平水壼能使水流平穩
輪軸是一個直徑2.99公尺的大轉輪,在上面均勻放置了36只受水壼,當平水壼的水注入其中一只受水壼的時候會造成樞輪兩邊重量不平衡因而造成樞輪的轉動,樞輪一轉動原來有水的受水壼內的水就會傾倒下來,使水落到下方的退水壼裡,而平水壼的水就會再注入另一個受水壼中,然後又再產生重量不平衡而使樞轉又轉動,樞輪就這樣週而復始不間斷地轉動。而樞輪轉動後又會帶動一系列齒輪的轉動,使整座水運儀象台運轉起來。

擒縱系統:
由於樞輪一轉動並不能保證平水壼的水一定能穩定地注入受水壼中,所以必須有一種裝置保證這種情況一定發生,這種裝置稱為「天衡」也就是「擒縱裝置」。
在受水壼的下方有二組槓桿裝置,其中一組的二端分別是樞衡與格叉,另一組則是樞權與關舌<圖三>。



(圖三)
1:格叉
2:關舌

格叉是用來頂住受水壺的活動橫桿,當受水壺所承受的水重量大於另一端用以平衡重量的樞衡時,格叉便被扳下使得受水壺下傾,而壓下啟動機件─關舌。關舌乃經由「天條」連結位於樞輪上方之「天衡」。當受水壺下傾,壓下關舌時,<圖四>天條帶動天衡而打開「左天鎖」<圖五>。



(圖四)

關舌被壓下而牽動天條



(圖五)
1:天條
2:左天鎖

「左天鎖」是用來阻止樞輪向前轉動的卡軋,此時受水壺內剩餘的水,藉著重力加速度,牽動已鬆開的樞輪,樞輪即往前轉一輪輻,而此壺中的水也同時落入退水壺中。完成上述步驟時,下一個受水壺隨即降至格叉上,此時,左天鎖再度關上,以停住樞輪,並以右天鎖防止樞輪因反作用力而反轉。待受水壺滿水下傾時,壓下關舌,再開始一連串的擒縱動作,如此周而復始使水運儀象台運行不已。整座水運儀象台就是靠著平水壼流出固定水量的水流而以等速均勻的方式一直間歇地運轉不停,所以水力是水運儀象台的動力來源,它帶動齒輪運轉,使整座天文鐘活動起來。
結構圖



傳動系統:

天柱」為傳動系統之主軸,由同貫一中心軸的三個齒輪:天柱下輪、天柱中輪與天柱上輪所組成。當樞輪運轉時,軸心尾端的齒輪隨之運轉,牽動與之囓合的天柱下輪而轉動整支天柱。此時,天柱之中輪又牽動另一軸上的撥牙機輪(大齒輪) <圖七>,使得「晝夜機輪」轉動及同貫一軸的「渾象」開始運轉。天柱上輪亦同步帶動「渾儀」上的三辰儀使其運轉。整座水運儀象台就因此而同步轉動起來。



<圖七>
1:天柱中輪
2:撥牙機輪

資料來源:http://web2.nmns.edu.tw/Web-Title/china/A-1.htm

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