專利名稱：日動式環(huán)儀和環(huán)儀鐘的制作方法
技術領域：
一種日動式環(huán)儀和一種環(huán)儀鐘，同屬于教學儀器技術領域，主要用于天文地理知識的教學中，也將用于日常工作生活中，分別用以演示全球各地任意時刻的日期、星空、光照情況和顯示全球任一地點現(xiàn)時的晝夜、日期、光照、星空等情況。
在已有技術中，用來演示天文地理現(xiàn)象的儀器設備有地球運行儀、三球儀、天球儀、天象儀等。但已有儀器設備不僅有的作用單一，有的不能明確顯示出天文地理現(xiàn)象的具體時刻、方位、數(shù)量，有的價格昂貴，且總的來說都不能直接明確顯示出地球上任一地點所處節(jié)氣時刻與可見星空、晝夜長短、太陽高度等的對應關系。為此本申請人發(fā)明了普及型環(huán)球日光星象儀，并獲得94240564.1號專利。普及型環(huán)球日光星象儀，適于做為天文地理教學中演示全球各地可見星空，太陽光照周年周日變化的儀器，但其重心偏于一端，穩(wěn)定性差、演示時占空間大，造價較高不適宜做為益智玩具觀賞陳列品和服務于生活工作的日用品，隨著國際交往的日益頻繁和普及，人們更需要能自動隨時顯示全球各地時刻、日期、晝夜等情況的環(huán)儀鐘。
本實用新型的目的在于提供一種既能演示全球各地時刻、日期、晝夜、太陽高度，可見星空、中天星時的周年和周日變化，又美觀穩(wěn)定，占面積小，造價更低，除適用于做教學儀器外，還適于做益智玩具，服務于生活工作的日用品及陳列觀賞品的環(huán)儀，同時提供一種所顯示內(nèi)容與客觀天文地理現(xiàn)象同步，地球向日面方向不變的環(huán)儀鐘。
根據(jù)天文學和地理學的基本原理，結合甲物體繞乙物體轉，與乙物體同面同向繞甲物體轉所產(chǎn)生的兩種物體間方位變化結果相同的道理，針對不同用途的需要，本實用新型的基本構思是借鑒已有環(huán)球日光星象儀，加以補充改造，將用球體表示的天球、地球、太陽(以上合稱三球)和以空心圓薄片表示的黃道圈，子午圈、晨昏圈、赤道圈、經(jīng)線圈(以上合稱五圈)組合在一起，做為顯示因地球自轉、公轉使地球上產(chǎn)生陽光分布和星宿視位進行變化的部件，三球五圈的中心同在黃道面上，除太陽固定在黃道圈外邊的一點外，其余二球五圈，圓心是同一個點。最外邊是天球，最里面是地球，儀器用節(jié)氣盤指示三球五圈顯示現(xiàn)象所處節(jié)氣(或說太陽黃經(jīng)位置)，節(jié)器盤和儀器上主要的定位傳動支撐部件的中心及天球中心連成一線，該線垂直于黃道面和儀器底面，儀器通過手捻或機械傳動，使地球自轉和太陽或地球、天球同步繞黃軸轉進行演示。
本實用新型所述日動式環(huán)儀其特征在于除由表示地球的地球儀(以下各部件均直書所表示的事物名)太陽、天球、黃道圈、子午圈、晨昏圈、赤道圈、經(jīng)線圈構成外，還由地向軸、地轉軸、黃道架、天球架，顯節(jié)盤、支撐架、底盤盒、上傳動輪、下傳動輪和附件量天尺構成。上述天球由兩個半球組成，每個半球均自南黃極伸出球柄，球柄由轉軸閂在天球架的架板內(nèi)。上述地球和由空心圓薄片表示的上述五個圈，以及地轉軸、地向軸上段的軸柱，中段的連接片、連接片上的上連動輪、黃道架上段的架弧，均裝在上述天球內(nèi)；地球位于天球中心，天球、地球和五個圈同圓心。上述的黃道架由黃道架弧和黃道架管組成，架弧位于天球內(nèi)，架管由天球南黃極伸出，下端連著支撐架中層中心的齒輪。上述黃道圈，固定在黃道架弧上，上述子午圈由向日弧和背日弧組成，子午圈與黃道圈相交叉，相交線垂直于黃道圈與黃道架弧的相交線，向日弧和背日弧的中點騎在黃道圈上。上述展昏圈由晨弧和昏弧組成，兩弧分別固定在子午圈的東面和西面，晨昏圈面垂直于子午圈與黃道圈相交線。上述經(jīng)線圈由子弧和午弧組成，兩弧北端相交處內(nèi)側有柱插在地球北極內(nèi)，南端相交處有管插在子午圈下端的夾軸孔中。上述赤道圈與經(jīng)線圈上子弧午弧相交線垂直，與兩弧中點固定在一起。上述太陽以小燈管表示，固定在黃道圈與子午圈向日弧相交處的外側。上述底盤盒底方形位于儀器最下面，其一側有二個方孔，露出兩個捻輪的各一部分。上述底盤盒蓋頂部中心為空心園，空心園周圍為隆起的上細下粗的梯形斜坡，坡的外側面標有24節(jié)氣名，底盤盒蓋蓋在底盤盒底上組成底盤盒，盒內(nèi)固定著支持架。上述支撐架分為三層由四條螺絲柱固定為一體，架上頂托著8個下傳動輪，其中心向上伸出盒外五條管柱。上述顯節(jié)盤碟形，扣在底盤蓋的隆起部分上，其坡邊有30度的缺口，與其連為一體的轉管，其下端與支撐架上層中心的齒輪為一體。上述天球架由下部插在顯節(jié)盤轉管內(nèi)，下端固定于支撐架上層中心的中心管和固定于中心管兩側的架板組成，兩塊架板形狀相同，每塊架板左右對稱，中心管兩側各有一個貫穿兩側架板的天球柄轉軸，和一個天球起落口，天球起落口，起始于天球轉軸正上方的上下口，接著上下口上端是以轉軸為圓心的40°孤形口，天球起落口與天球柄上的豎口共同夾持著一根可在口中滑動的圓柱。上述地向軸、由軸柱、連片、和底管組成軸柱插在地轉軸內(nèi)，連片頂托著三個上傳動輪，底管插過黃道架管，下端固定在支撐架中層中心。上述地轉軸套在地向軸軸柱外中部穿過經(jīng)線圈南極管的中心孔，上部與地球固定為一體，下端與以地向軸為中心軸的上傳動輪固定為一體。上述上傳動輪和下傳動輪分別是三個弧形齒輪和8個正齒輪，弧形齒輪傳動鏈兩端齒輪的軸心相距地心角23.5°，正齒輪中位于支撐架中層外側的一個和下層外側的一個分別帶有捻輪。
上述附件量天尺，由順時針標有360度的地平圈和從兩端向中心標0至90度的高度弧組成，弧的兩端與圈上的90度和270度處垂直連接。
本實用新型所述環(huán)儀鐘其特征在于，其由天球、太陽、子午圈、赤道圈、經(jīng)線圈、晨昏圈、地球、地轉軸、地向軸、黃道架、上傳動輪、天球架、節(jié)氣盤、支撐架、下傳動輪、底盤盒蓋、底盤盒底構成。上述天球架及其上面的部件，名稱、構造、連接方式與在日動式環(huán)儀上相同，但上述天球架的中心管，下端與支撐架上層中心的齒輪固定在一起，上述黃道架架管的下端固定在支撐架上層的中心，上述地向軸的底管下端與支撐架中層中心上的齒輪固定在一起，上述底盤盒底槽狀、底邊正方形，位于儀器最底，上述支撐架固定在底盤盒底內(nèi)，分三層擎托著13個下傳動輪，中心向上擎著四條管柱——天球架的中心管、黃道架架管地向軸的底管和貫穿支撐架三層中心的上傳動輪和下傳動論的連動軸柱。上述節(jié)氣盤碟形，碟口扣向支撐架斜邊外側逆時針順序標有24節(jié)氣名，中心固定在天球架中心管下部。上述底盤蓋外圍方形有下折邊扣在底盤底上，中心為空心圓，空心圓周圍有如節(jié)氣盤形狀相同的隆起，唯斜邊上有30度的缺口，隆起扣在節(jié)氣盤上面，上述上傳動輪3個，下傳動輪13個較日動式環(huán)儀上的齒輪特殊要求是上傳動輪鏈兩端齒輪齒數(shù)相等，下傳動輪中起動輪軸，鐘表機械傳動12小時轉一周。


圖1為本實用新型最佳實施例之一，日動式環(huán)儀最佳的整體結構，正視和局剖示意圖。
圈中1天球、2太陽、3子午圈、4赤道圈、5黃道圈、6經(jīng)線圈、7晨昏圈、8地球、9地轉軸、10地向軸、11黃道架、12上傳動輪(Z1 Z2 Z3)、13天球架、14顯節(jié)盤、15支撐架、16下傳動輪(Z4-Z11)、17底盤盒蓋、18底盤盒底。
下面對照附圖對本實用新型實施側之一進一步描述如下儀器最底層是方槽形的底盤盒底18，底盤盒底用塑料制成(本儀器上的部件除了非專用件如螺絲和根據(jù)條件改變工藝外，均可用塑料制造)一個側邊上有2個孔分別露出Z10和Z11上捻輪的一部分，蓋在底盤盒底上的底盤盒蓋17，中心是個圓孔，圍繞中心隆起為圓錐形，圓錐斜邊上標有24節(jié)，固定在底盤盒底中的支撐架15，由四條絲柱固定著三層橫梁組成，三層橫梁承托著下傳動輪16(Z4-Z11))和從橫梁中心向上伸出的管柱?？墼诘妆P盒蓋的隆起部分上的顯節(jié)盤14，斜邊上有30度的顯節(jié)口，其轉軸固定在下傳動輪Z4上。位于顯節(jié)盤上的天球架13，由兩塊薄板和夾于其中心的中心管組成，中心管插過顯節(jié)盤轉軸管，下端固定在支撐架上層的中心。位于夭球架上面的天球1，由兩個帶柄的半球組成，兩個柄分別插在天球架中心管兩側的兩塊架板中間，柄兩側架板上有插在柄下部圓孔內(nèi)的軸，柄上部有個上下口和其兩側架板上的弧形口共同夾持著一根滑動柱，天球內(nèi)黃色的黃道圈是一個中心為空心圓的圓片(儀器上五個圈均為空心圓片)與黃道架上半圓的架弧垂直固定在一起；黃道架11由上部的架弧和下部的架管組成，架管穿過天球架中心管，下端固定在下轉動輪Z5上；以紅色小燈管表示的太陽2，固定在黃道圈外側的一點，與黃道圈交叉，騎在黃道圈上的子午圈3，由繪有陽光射線，標有每條射線射點處高度角的白色向日弧和黑色的背日弧組成，子午圈與黃道圈相交線是向日弧中點和背日弧中點所在直徑，在黃道圈上是太陽所在點的那條直徑，向日弧中點與黃道圈相交于太陽所在點的內(nèi)側，由紅色的晨弧和黃色的昏弧構成的晨昏圈7，其晨弧和昏弧分別固定于子午圈上向日弧的東面和西面，其圈面垂直于黃道圈與子午圈的相交線。裝在子午圈昏弧一側的凹槽里；由紅黃白色區(qū)分五帶的午弧和蘭色的子弧組成的經(jīng)線圈6，其北極處有柱插在地球北極孔內(nèi)，其南極有管插在子午圈下端的夾軸孔中；與經(jīng)線圈南北極連線垂直。與經(jīng)線圈固定為一體的紅色赤道圈4，圈面按逆時針方向標有24時又名太陽時圈，圈上的O時線，12時線分別與經(jīng)線圈上的子弧中點線，午弧中點線為垂直相連線。位于天球和上述五圈中心的地球8是國家標準政區(qū)地球儀。與地球為一體的地轉軸9，其軸管從地球南極向外伸出，穿過經(jīng)線圈南極管中心孔，下端固定在下傳動Z3上，地球中心的地向軸10，自上面下由軸柱、連片、定向管三部分組成，軸柱向上插在地轉軸中，連片擎托著三個上傳動輪(Z1 Z2 Z3)定向管插在黃道架管中，下端固定在支撐架中層的中心。儀器上傳動輪Z3，下傳動輪Z5Z4分別與地轉軸、黃道架管、顯節(jié)盤中心管固定在一起，其傳動鏈分別如下地轉軸管Z11→Z9→Z6↑Z1→Z2→Z3黃道架管Z10→Z8→Z5顯節(jié)盤中心管Z10→Z8↑Z7→Z4
手捻下傳動輪Z11則地球自轉，手捻下傳動輪Z10則黃道架，顯節(jié)盤及受黃道架頂托夾持的黃道圈，太陽，子午圈，晨昏圈，經(jīng)線圈同步轉動。Z10和Z11各自帶動一個傳動鏈，兩鏈互不連動，因而兩鏈間沒有齒輪轉速比的要求，整個傳動裝置上，對齒輪轉速的唯一要求是帶動黃道架和顯節(jié)盤同速轉動，同步顯示地球公轉現(xiàn)象的齒輪Z4和Z5的轉速要相等。
附圖2為本實用新型實施例之二環(huán)儀鐘的整體結構正視和局剖示意圖(圖中無剖線處為正視圖，有剖線處為剖視圖，虛線表示天球可變化的方位)。
圖中1天球，2太陽，3子午圈，4赤道圈，5黃道圈，6經(jīng)線圈，7晨昏圈，8地球，9地轉軸，10地向軸，11黃道架，12上傳動輪(Z1-Z3),13天球架，14節(jié)氣盤，15支撐架，16下傳動輪(Z4-Z16),17底盤蓋，18底盤底，
以下結合附圖2對環(huán)儀鐘作進一步描述環(huán)儀鐘的天球架13及其上面的部件——天球1、太陽2、子午圈3、赤道圈4、黃道圈5、經(jīng)線圈6、晨昏圈7、地球8、地轉軸9、地向軸10、黃道架11、上傳動輪12等的構造與相互間的連接方式均與日動式環(huán)儀完全相同。
用定速傳動裝置，使日動式環(huán)儀上帶動地球自轉的齒輪Z3 24小時轉一周，使帶動黃道架和顯節(jié)盤的齒輪Z4,Z5與Z3的轉速比按日與年的時間比進行轉動，就可以造成環(huán)儀鐘，但日動式環(huán)儀鐘恒星時方向固定，太陽時方向隨日期變化，不便于定向觀看，本設計環(huán)儀鐘為天軸和地軸同步繞黃軸轉向式環(huán)儀鐘，鐘上地球中心和太陽的方位不變，它是用地軸和夭軸同步每年繞黃軸向西轉一周的方法來調(diào)整太陽時與恒星時的對應關系和24節(jié)與地球上太陽直射緯度的對應關系，它與日動式環(huán)儀演示部件和部件連結上的差異主要是底盤蓋上無顯節(jié)盤，底盤蓋下有節(jié)氣盤。黃道架管下端固定在支撐架15頂層的中心上。天球架管下端固定在支撐架頂層中心上面的齒輪Z4上?？鄣涡边呁馄律夏鏁r針順序標有24個節(jié)氣名的節(jié)氣盤14固定在天球架管上。地向軸10下部的地向管，其下端固定在支撐架中層上面的齒輪Z5上。
環(huán)儀鐘的傳動裝置是由定速的傳動軸啟動的，它由3個上傳動輪和13個下傳動輪構成。
為詳細說明環(huán)儀鐘傳動裝置的構造，將其變速傳動裝置的構造獨作一圖加以說明。
圖3為環(huán)儀鐘變速傳動裝置圖，圖中9是地轉軸，10是地向軸，13是天球架管，14是節(jié)氣盤，Z1——Z16是傳動輪。
各齒輪的代號和齒數(shù)如下代號Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z1321 21 21 96 96 16 32 21 16 16 16 59 18Z14 Z15 Z1680 78 16齒輪中Z6的軸是轉速等于時鐘上時針轉速的機械軸，它每十二小時轉一周(如改用反時針方向24小時轉一周的軸作為齒輪Z1和Z8的轉軸，則可省去齒輪Z6和Z7)。
帶動地轉軸9,24小時轉一周的齒輪Z3，其受傳動過程是Z6→Z7↑Z1→Z2→Z3帶動天球架管18和節(jié)氣盤14同步每年轉一周的齒輪Z4和Z5，其受傳動的過程分別是Z6→Z7↓Z8→Z9→Z12↑Z13→Z15↑Z16→Z14↑Z10→Z4Z6……………………………·Z14↓Z11→Z5根據(jù)上述傳動裝置，地球每天轉一周，地軸，天軸，節(jié)氣盤每365.2381天，繞黃軸向西轉一周，這比一個回歸年短0.0041天。
本設計是一種普通型的環(huán)儀鐘，鐘上各節(jié)氣間的時間是等長的，這與實際交節(jié)時刻有時可能差到2天，但對周年變化的天文現(xiàn)象來說2天的差別幾乎看不出來。
權利要求1.一種日動式環(huán)儀，由表示天球、地球、太陽的三個球體和顯示天文地理現(xiàn)象時間、界線方位數(shù)量的五個圓圈一個節(jié)氣盤及支撐傳動球圈盤的裝置構成，其特征在于所述日動式環(huán)儀的組成部件有天球(1)、太陽(2)、子午圈(3)、赤道圈(4)、黃道圈(5)、經(jīng)線圈(6)、晨昏圈(7)、地球(8)、地轉軸(9)、地向軸(10)、黃道架(11)、上傳動輪(12)、天球架(13)、顯節(jié)盤(14)、支撐架(15)、下傳動輪(16)、底盤盒蓋(17)、底盤盒底(18)構成；上述底盤盒底(18)位于儀器最下面，一個邊上有二個露出捻動輪一部分的孔，上述底盤盒蓋(17)，中心為空心圓，空心圓周圍隆起為扣蝶型的節(jié)氣盤，盤的斜邊外表逆時針順序標有24節(jié)氣名，底盤蓋蓋在底盤底上組成底盤盒，上述支撐架(15)由四條絲柱固定著三層橫梁組成，由絲柱固定在底盤盒里，支撐擎托著下傳動輪(16)，其中心向上頂托著五條管柱；上述顯節(jié)盤(14)，是個扣在底盤蓋上的碟形薄片，其斜邊上有30度的缺口，其中心軸管向下穿過底盤蓋中心，與支撐架上層中心上的齒輪(Z4)固定在一起，上述天球架(13)，由兩塊形狀相同的架板和夾在其中心的中心管組成，架板位于顯節(jié)盤上面，其中心管插過顯節(jié)盤中心管，下端固定在支撐架上層中心，上述天球(1)，由兩個帶柄的空心透明半球組成，兩個球柄分別插在天球架中心管兩側，夾在架板中，柄的下端有孔圍繞著架板上的天球轉軸，柄上部有口與天球架上的弧形口共同夾著一根滑動柱；上述地球(8)、太陽(2)和五個演示圈(34567)，黃道架(11)的上部，地向軸(10)的上部上連動輪(16)，地轉軸(9)都裝在天球內(nèi)，上述黃道架(13)由天球內(nèi)的架弧和由南黃極從天球內(nèi)伸出的架管組成，架管穿過天球架中心管下端固定在支撐架中層上的下傳動輪(Z5)上，上述黃道圈(5)，與黃道架上的架弧固定在一起，上述太陽(2)，固定在黃道圈外側的一點，上述子午圈(3)，由向日弧和背日弧組成，向日弧和背日弧的中點騎在黃道圈上，向日弧中點與太陽同在黃道圈的一條半徑上上述晨昏圈(7)，由晨弧和昏弧組成，晨弧、昏弧分別垂直固定于向日弧的西面和東面，晨昏圈垂直于向日弧和背日弧中點的連線，上述經(jīng)線圈(6)，由午弧和子弧組成，其周邊夾持在子午圈上的框槽里，北極處內(nèi)側有柱插在地球北極內(nèi)，南極處有管插在子午圈下端的夾孔內(nèi)，上述赤道圈(4)，逆時針方向標有24時，又名太陽時圈，其0時和12時分別固定在子弧和午弧的中點；上述地球(2)裝在天球與五圈的中心，上述地轉軸(9)，上段圍繞地球南北極連線，固定在地球內(nèi)中段插在子午圈的夾孔中，下端與上傳連動輪(Z3)固定在一起，整體套在地向軸柱上，上述地向軸(10)，由軸柱，連接片，定向管三段組成，其軸柱向上插在地轉軸管內(nèi)，連片頂托著上傳動輪，定向管下端固定在支撐架中層的中心；上述上傳動輪(12)，是以地心為軸線交點的圓錐齒輪，其兩端軸線夾角為23.5度；上述下傳動輪(16)為正齒輪，其中二個(Z10 Z11)帶有捻輪，日動式環(huán)儀改用定速機械傳動，可制成環(huán)儀鐘。
2.根據(jù)權利要求1所述日動式環(huán)儀，其特征在于上述天球架，由中心管和固定于中心管兩側的架板組成，兩側架板形狀相同，每塊架板左右對稱，兩天球柄分別夾于中心管兩側的架板中，每個天球柄下部有一個貫穿球柄橫連兩側架板的轉軸；每塊架板兩側傍外邊各有一條以轉軸正上方為起點，以轉軸為圓心長40度的弧形口，弧形口起點處略向下延長；天球柄上部有一個口，該口當球柄直立時，與架板上弧形口起點處上下方向的口重合，該口與其兩側弧形口共同含著一根可在口中滑動的圓柱。
3.一種環(huán)儀鐘，其特征在于所述環(huán)儀鐘由天球(1)、太陽(2)、子午圈(3)、赤道圈(4)、黃道圈(5)、經(jīng)線圈(6)、晨昏圈(7)、地球(8)、地轉軸(9)、地向軸(10)、黃道架(11)、上傳動輪(12)、天球架(13)、節(jié)氣盤(14)、支撐架(15)下傳動輪(16)、底盤蓋(17)、底盤底(18)構成，上述天球(1)、太陽(2)、子午圈(3)、赤道圈(4)、黃道圈(5)、經(jīng)線圈(6)、晨昏圈(7)、地球(8)、地轉軸(9)、地向軸(10)、黃道架(11)、上傳動轉(12)、天球架(13)的構造及相互連接方式與日動式環(huán)儀上完全相同，唯上述天球架(13)的中心管下端與支撐架(15)上層中心上的齒輪(z4)連為一體；上述黃道架(13)的架管下端固定在支撐架(15)上層中心，上述地向軸(10)下部的定向管與支撐架(15)中層中心上的齒輪(Z5)連結為一體，上述上傳動輪(12)中傳動鏈兩端的齒輪(Z1 Z3)齒數(shù)相等，上述底盤蓋(17)，位于天球架板下，上部扣碟形隆起的斜坡上有30度的缺口，上述節(jié)氣盤(14)，斜邊外表按逆時針順序標有24節(jié)氣名，扣在底盤蓋的碟形隆起內(nèi)，中心固定在天球架中心管上，上述支撐架(15)位于節(jié)氣盤(14)下面，由四條絲柱固定著三層橫梁組成，橫梁上頂托著上述下傳動輪(16)，和從中心向上伸出的五條管柱，上述底盤底(18)，由支撐架上的螺絲將其與底盤蓋固定在一起，組成盛著支撐架和節(jié)氣盤的底盤盒；上述下傳動輪(16)中起動輪(Z6)的軸由機械驅(qū)動每12小時轉一周，上傳動輪(12)和下傳動輪(16)組成帶動演示部件進行運轉的傳動鏈，上述下傳動輪(16)各齒輪齒數(shù)如下代號Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16齒數(shù)96 96 16 32 21 16 16 16 59 18 80 78 1專利摘要日動式環(huán)儀和環(huán)儀鐘,屬于教學儀器。主要用于演示和自動顯示全球各地時刻、日期、晝夜、光照、星空對應變化等。其共同特征是由裝于天球內(nèi)的太陽、黃道圈、子午圈、晨昏圈、赤道圈、經(jīng)線圈、地球和天球下的底盤盒、節(jié)氣盤、支撐架、傳動輪構成。底盤盒中心向上伸出管柱擎托傳動著演示部件,日動式環(huán)儀用手捻動,環(huán)儀鐘以定時機械傳動,二者較已有環(huán)儀有穩(wěn)定、美觀、運轉占空間小、造價低和準確自動,與客觀現(xiàn)象同步等優(yōu)點。
文檔編號G09B27/06GK2311817SQ9621316
公開日1999年3月24日 申請日期1996年6月6日 優(yōu)先權日1996年6月6日
發(fā)明者劉云興, 劉玉宏, 劉玉益 申請人:劉玉會