專利名稱：一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于古代天文儀器模型領(lǐng)域，特別涉及一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要用于科普。
背景技術(shù)：
水運(yùn)儀象臺是北宋元祐年間(1086 1093)設(shè)計的一座大型天文儀器，集計時、
觀測、演示為一體，是中國古代罕見的大規(guī)模的科技杰作，凝聚了中國古代科學(xué)技術(shù)達(dá)到頂
峰時期的天文歷算、冶金鑄造、機(jī)械工藝、建筑工程等多方面的成果，為中國古代具有代表
性的重大發(fā)明創(chuàng)造。水運(yùn)儀象臺主要用于科學(xué)普及，可以展示中國古代天文學(xué)和機(jī)械技術(shù)
的偉大成就，而且可以揭示其背后的科學(xué)思想，弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)科技文明，具有一定的社會效.、
Mo自二十世紀(jì)五十年代開始，國內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)對水運(yùn)儀象臺的復(fù)原投入了極大的關(guān)注。1958年，中國歷史博物館研究員王振鐸按1: 5的縮小比例制作了第一個水運(yùn)儀象臺的復(fù)原模型；J.H.Combridge也在六十年代復(fù)原了水運(yùn)儀象臺的縮小模型；90年代后期，在臺灣臺中的自然科學(xué)博物館產(chǎn)生了水運(yùn)儀象臺原大模型；隨后在日本又制作完成了另一個原大的復(fù)原模型。然而由于古文獻(xiàn)上有限的記載，還存在著很多有爭議的問題。《新儀象法要》里對樞輪控制系統(tǒng)的工作過程有記載:“受水壺之東與鐵樞衡格叉相對，格叉以距受水壺，壺虛即為格叉所格，所以能受水，水實即格叉不能勝壺，故格叉落，格叉落即壺側(cè)鐵拔牙擊開天衡關(guān)舌，制動天條，天條動則天衡起，發(fā)動天衡關(guān)，左天鎖開即放樞輪一輻過?！笨梢?，樞輪控制系統(tǒng)是一個精密的聯(lián)動控制系統(tǒng)。樞輪控制系統(tǒng)有兩個重要作用:輸出轉(zhuǎn)矩，為報時裝置、渾儀和渾象的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動力；控制樞輪轉(zhuǎn)動的節(jié)奏，為整個系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。水運(yùn)儀象臺樞輪控制系統(tǒng)各部分組成在《新儀象法要》里有記載，但是具體的結(jié)構(gòu)記載不詳。目前樞輪控制機(jī)構(gòu)的研究和復(fù)原存在多種結(jié)論和方案。可大致分成兩類:一類采用受水壺固結(jié)在樞輪的兩相對輻板間，李約瑟和王振鐸的復(fù)原采用此方案，李志超在《水運(yùn)儀像志》中也支持這種方案；另一類則是推測受水壺通過轉(zhuǎn)軸和樞輪聯(lián)接，受水壺可相對樞輪擺動，英國的J.H.Combridge于1962年首先提出此方案，臺灣和日本的復(fù)原都是基于此方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種用于古代水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動，精確控制樞輪的轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩，為整個水運(yùn)儀象臺系統(tǒng)提供動力。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:樞輪的樞輪軸與水運(yùn)儀象臺臺體之間通過滑動軸承連接，可相對于水運(yùn)儀象臺臺體旋轉(zhuǎn)；在樞輪的上方設(shè)置左天鎖和右天鎖，左天鎖和右天鎖的末端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，左天鎖為剛性桿，可繞自身末端關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，右天鎖為末端固定的彈性桿；
天衡設(shè)置在樞輪和兩個天鎖之上，天衡的中部設(shè)置關(guān)軸，天衡通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，關(guān)軸將天衡分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端兩部分，天衡可繞自身關(guān)軸轉(zhuǎn)動；天關(guān)掛在天衡左側(cè)的尾端，天關(guān)抵住樞輪上受水壺的鐵拔牙，起阻礙作用；天權(quán)掛在天衡右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)天權(quán)的位置或重量來控制天衡首端相對天衡關(guān)軸的力矩；限位塊在天衡關(guān)軸右側(cè)的首端的上方，且與水運(yùn)儀象臺臺體固定，防止天衡的首端上升太聞;
天條的上端掛在天衡的首端上,天條的下端與鐵鶴膝連接，并通過鶴膝與兔頭連接；樞衡安裝在在兔頭的下方、樞輪的右側(cè)，且樞衡與兔頭之間存在I 3mm間隙，樞衡的中間位置通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)軸將樞衡分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端，樞衡可繞自身關(guān)軸旋轉(zhuǎn)；樞衡左側(cè)的尾端設(shè)置叉子形狀的格叉，用于抵住樞輪上的受水壺；樞權(quán)掛在樞衡的右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)樞權(quán)的位置或重量來控制樞衡相對樞衡關(guān)軸的力矩；
關(guān)舌在樞衡的下方，其右側(cè)的首端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)舌可繞關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，關(guān)舌中間位置通過軟繩與上方的天衡相連接，關(guān)舌左側(cè)的尾端可抵住受水壺；
所述鶴膝為由兩根長度不同的金屬條構(gòu)成的“X”形結(jié)構(gòu)，兩根金屬條可繞連接軸轉(zhuǎn)動；兩根金屬條的上部各通過一根短桿與天條轉(zhuǎn)動連接；較長金屬條的頂部固接一根用于懸掛兔頭的橫桿，底部伸至關(guān)舌的上方，與關(guān)舌之間存在I 3mm的間隙；兔頭中心為通孔，鶴膝隱于兔頭之中，兔頭頂面上設(shè)置兩根兔耳結(jié)構(gòu)，掛在鶴膝的橫桿上，當(dāng)鶴膝被觸發(fā)后，兩兔耳脫離天條，當(dāng)兔頭復(fù)位后，兩兔耳又掛在天條上。
所述受水壺與樞輪固定連接，樞輪的圓周方向共分布有36個受水壺。
本發(fā)明的有益效果是:
受水壺中的水產(chǎn)生動力轉(zhuǎn)矩，部分動力轉(zhuǎn)矩可通過樞輪軸輸出，為整個水運(yùn)儀象臺提供動力；樞輪在其他零部件的聯(lián)動控制下，可以精確的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，為整個系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為水運(yùn)儀象臺的重要組成部分，為水運(yùn)儀象臺的研究和復(fù)原工作提供了理論依據(jù)和實體支撐，解決了水運(yùn)儀象臺復(fù)原工作中的動力輸出及控制難題。采用本系統(tǒng)，可完美再現(xiàn)史書中對水運(yùn)儀象臺的記載，能夠為中國古代科技和文化的研究工作提供幫助；同時采用本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水運(yùn)儀象臺模型可廣泛應(yīng)用于科普教育工作，可以向世人展示中國古代天文學(xué)和機(jī)械技術(shù)的偉大成就，弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)科技文明。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明兔頭系統(tǒng)示意圖。
圖3是本發(fā)明兔頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明鐵鶴膝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號:
1-樞輪；2_左天鎖；3_天關(guān)；4_右天鎖；5_天衡；6_限位塊；7_天權(quán)；8_天條；9-兔頭；10-樞衡；11-樞權(quán)；12_軟繩；13_關(guān)舌；14_受:水壺；15_鶴膝。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
參照圖1，樞輪I的樞輪軸與水運(yùn)儀象臺臺體之間通過滑動軸承連接，可相對于水運(yùn)儀象臺臺體旋轉(zhuǎn)；樞輪I的圓周方向共分布有36個受水壺14，受水壺14與樞輪I固定連接。在樞輪I的上方設(shè)置左天鎖2和右天鎖4，左天鎖2和右天鎖4的末端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，左天鎖2為剛性桿，可繞自身末端關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，右天鎖4為末端固定的彈性桿。天衡5設(shè)置在樞輪I和兩個天鎖之上，天衡5的中部設(shè)置關(guān)軸，天衡5通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，關(guān)軸將天衡5分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端兩部分，天衡5可繞自身關(guān)軸轉(zhuǎn)動；天關(guān)3掛在天衡5左側(cè)的尾端，天關(guān)3抵住樞輪I上受水壺14的鐵拔牙，起阻礙作用；天權(quán)7掛在天衡5右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)天權(quán)7的位置或重量來控制天衡5首端相對天衡5關(guān)軸的力矩；限位塊6在天衡5關(guān)軸右側(cè)的首端的上方，且與水運(yùn)儀象臺臺體固定，防止天衡5的首端上升太高。天條8的上端掛在天衡5的首端上,天條8的下端與鐵鶴膝15連接，并通過鶴膝15與兔頭9連接；樞衡10安裝在在兔頭9的下方、樞輪I的右側(cè)，且樞衡10與兔頭9之間存在I 3mm間隙，樞衡10的中間位置通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)軸將樞衡10分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端，樞衡10可繞自身關(guān)軸旋轉(zhuǎn)；樞衡10左側(cè)的尾端設(shè)置叉子形狀的格叉，用于抵住樞輪I上的受水壺14 ;樞權(quán)11掛在樞衡的右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)樞權(quán)11的位置或重量來控制樞衡10相對樞衡10關(guān)軸的力矩。
參照圖2，關(guān)舌13在樞衡10的下方，其右側(cè)的首端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)舌13可繞關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，關(guān)舌13中間位置通過軟繩12與上方的天衡5相連接，關(guān)舌13左側(cè)的尾端可抵住受水壺14。
參照圖3和圖4，所述鶴膝15為由兩根長度不同的金屬條構(gòu)成的“X”形結(jié)構(gòu)，兩根金屬條可繞連接軸轉(zhuǎn)動；兩根金屬條的上部各通過一根短桿與天條8轉(zhuǎn)動連接；較長金屬條的頂部固接一根用于懸掛兔頭9的橫桿，底部伸至關(guān)舌13的上方，與關(guān)舌13之間存在I 3_的間隙；兔頭9中心為通孔，鶴膝15隱于兔頭9之中，兔頭9的頂面上設(shè)置兩根兔耳結(jié)構(gòu)，掛在鶴膝15的橫桿上，當(dāng)鶴膝15被觸發(fā)后，兩兔耳脫離天條8，當(dāng)兔頭復(fù)位后，兩兔耳又掛在天條8上。
本發(fā)明的工作原理為:開始時，樞輪I在天關(guān)3和格叉10的作用下保持靜止，向受水壺14里注水；當(dāng)受水壺14中的水到一定量時，左天鎖4對樞輪I的拔牙開始有阻力，隨著注水量的增多，左天鎖4對拔牙的力逐漸增大；當(dāng)受水壺14中注滿水時，樞輪I的拔牙沖過左天鎖4，樞輪I推著樞衡10和天關(guān)3開始轉(zhuǎn)動，此時左天鎖4對樞輪I的力消失；當(dāng)樞輪I轉(zhuǎn)過一定角度后，拔牙壓下關(guān)舌13，天衡5的天權(quán)7端下降，天關(guān)3端上升，天關(guān)3脫離拔牙，與此同時，兔頭9被觸發(fā)，兔頭9下落到樞衡10之上，樞衡10的格叉脫離拔牙，此時天關(guān)3、樞衡10對樞輪I都沒有力，樞輪I開始加速轉(zhuǎn)動；當(dāng)樞輪I又轉(zhuǎn)過一定角度后，兔頭9、樞衡10、天衡5、天關(guān)3都已經(jīng)復(fù)位，此時天關(guān)3、樞衡10對樞輪I開始有阻力產(chǎn)生，樞輪I開始減速轉(zhuǎn)動；當(dāng)樞輪I轉(zhuǎn)過樞衡10時，樞輪I以很小的速度接觸左天鎖4，速度降為O，開始下一個循環(huán)。
兔頭的工作原理為:當(dāng)樞輪I靜止時，鶴膝的上端支撐端與兔頭9掛上，兔頭9的重量完全由天條8承擔(dān)，樞衡10在樞權(quán)13與受水壺14之間的作用下平衡，隨后樞輪開始轉(zhuǎn)動，樞衡10和關(guān)舌13被壓下，軟繩12被拉緊，由于軟繩12的作用，兔頭9與樞衡10之間有I 3mm的距離；當(dāng)樞輪I轉(zhuǎn)過一定角度后，樞輪I的拔牙壓下樞衡10繞關(guān)軸轉(zhuǎn)過一定角度，從而帶動鶴膝最下端部分觸碰到關(guān)舌13，此時觸發(fā)兔頭9，兔頭9下落到樞衡10上，將重量加到樞衡10的格叉端，樞衡10加速轉(zhuǎn)動，與拔牙脫離，此時樞輪I加速轉(zhuǎn)動；當(dāng)樞輪I又轉(zhuǎn)過一定角度后，樞權(quán)11壓下樞衡10轉(zhuǎn)動，樞衡10托著兔頭9向上翹起，使得鶴膝的上端支撐端再次掛住兔頭，兔頭9重量又由天條8承擔(dān)，兔頭9完成復(fù)位；之后，樞輪I減速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過10后，速度降為O，開始下一個循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于， 樞輪(I)的樞輪軸與水運(yùn)儀象臺臺體之間通過滑動軸承連接，可相對于水運(yùn)儀象臺臺體旋轉(zhuǎn)；在樞輪(I)的上方設(shè)置左天鎖(2)和右天鎖(4)，左天鎖(2)和右天鎖(4)的末端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，左天鎖(2)為剛性桿，可繞自身末端關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，右天鎖(4)為末端固定的彈性桿； 天衡(5)設(shè)置在樞輪(I)和兩個天鎖之上，天衡(5)的中部設(shè)置關(guān)軸，天衡(5)通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體上的橫梁相連，關(guān)軸將天衡(5)分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端兩部分，天衡(5)可繞自身關(guān)軸轉(zhuǎn)動；天關(guān)(3)掛在天衡(5)左側(cè)的尾端，天關(guān)(3)抵住樞輪(I)上受水壺(14)的鐵拔牙，起阻礙作用；天權(quán)(7)掛在天衡(5)右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)天權(quán)(7)的位置或重量來控制天衡(5)首端相對天衡(5)關(guān)軸的力矩；限位塊(6)在天衡(5)關(guān)軸右側(cè)的首端的上方，且與水運(yùn)儀象臺臺體固定，防止天衡(5)的首端上升太高； 天條(8)的上端掛在天衡(5)的首端上，天條(8)的下端與鐵鶴膝(15)連接，并通過鶴膝(15)與兔頭(9)連接；樞衡(10)安裝在在兔頭(9)的下方、樞輪⑴的右側(cè)，且樞衡(10)與兔頭(9)之間存在I 3mm間隙，樞衡(10)的中間位置通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)軸將樞衡(10)分為左側(cè)的尾端和右側(cè)的首端，樞衡(10)可繞自身關(guān)軸旋轉(zhuǎn)；樞衡(10)左側(cè)的尾端設(shè)置叉子形狀的格叉，用于抵住樞輪(I)上的受水壺(14);樞權(quán)(11)掛在樞衡的右側(cè)的首端，通過調(diào)節(jié)樞權(quán)(11)的位置或重量來控制樞衡(10)相對樞衡(10)關(guān)軸的力矩； 關(guān)舌(13)在樞衡(10)的下方，其右側(cè)的首端通過關(guān)軸與水運(yùn)儀象臺臺體相連，關(guān)舌(13)可繞關(guān)軸旋轉(zhuǎn)，關(guān)舌(13)中間位置通過軟繩(12)與上方的天衡(5)相連接，關(guān)舌(13)左側(cè)的尾端可抵住受水壺(14)； 所述鶴膝(15)為由兩根長度不同的金屬條構(gòu)成的“X”形結(jié)構(gòu)，兩根金屬條可繞連接軸轉(zhuǎn)動；兩根金屬條的上部各通過一根短桿與天條(8)轉(zhuǎn)動連接；較長金屬條的頂部固接一根用于懸掛兔頭(9)的橫桿，底部伸至關(guān)舌(13)的上方，與關(guān)舌(13)之間存在I 3mm的間隙；兔頭(9)中心為通孔，鶴膝(15)隱于兔頭(9)之中，兔頭(9)的頂面上設(shè)置兩根兔耳結(jié)構(gòu)，掛在鶴膝(15)的橫桿上，當(dāng)鶴膝(15)被觸發(fā)后，兩兔耳脫離天條(8)，當(dāng)兔頭復(fù)位后，兩兔耳又掛在天條(8)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述受水壺(14)與樞輪(I)固定連接，樞輪(I)的圓周方向共分布有36個受水壺(14)。
全文摘要
一種用于水運(yùn)儀象臺的樞輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于古代天文儀器領(lǐng)域。樞輪的樞輪軸與臺體之間通過滑動軸承連接；右天鎖和左天鎖在樞輪之上，天衡在兩個天鎖之上；天關(guān)掛在天衡的尾端，天權(quán)掛在天衡的首端，限位塊在天衡的首端方向；天條掛在天衡的首端，天條穿過兔頭內(nèi)部，兔頭掛在天條底部；樞衡在兔頭之下，樞輪右側(cè)；格叉位于樞衡的尾端，可抵住受水壺；樞權(quán)掛在樞衡的首端；關(guān)舌在樞衡之下，關(guān)舌尾端可抵住受水壺；關(guān)舌中間位置通過軟繩與天衡相連接；受水壺通過鐵銷固定在樞輪圓周上。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為水運(yùn)儀象臺的重要組成部分，為水運(yùn)儀象臺的研究和復(fù)原工作提供了理論依據(jù)和實體支撐，解決了水運(yùn)儀象臺復(fù)原工作中的動力輸出及控制難題。
文檔編號G09B27/00GK103137004SQ20111037505
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者唐曉強(qiáng), 孫小淳, 王宜, 李志超, 汪克敏, 牛西嶺, 梅苞, 李鐵民, 郝晉新, 寧曉玉, 劉志華, 陳國楨, 唐樂為, 王廣超, 張靖, 屯開智, 劉偉, 程燕 申請人:清華大學(xué), 中國科學(xué)院國家天文臺, 中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所, 開封市科學(xué)技術(shù)局