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研究生:林聰益
研究生(外文):Tsung-Yi Lin
論文名稱:古中國擒縱調速器之系統化復原設計
論文名稱(外文):A Systematic Reconstruction Design of Ancient Chinese Escapement Regulators
指導教授:顏鴻森顏鴻森引用關係
指導教授(外文):Hong-Sen Yan
學位類別:博士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:128
中文關鍵詞:復原研究復原設計擒縱調速器水輪秤漏裝置水運儀象台新儀象法要機械史
外文關鍵詞:Reconstruction ResearchReconstruction DesignEscapement RegulatorWaterwheel steelyard-clepsydra deviceShui Yun Yi Xiang TaiXin Yi Xiang Fa YaoMachinery History
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古機械的復原是以一古機械原型為本體,根據古代的機械原理、機械工程、以及工藝技術等,重新建構此一機械。本研究以古中國機械為對象,根據史料成分進行分類,並提出一復原研究程序,有系統地建構古機械原型與古代機械科技和工藝,再以「古中國擒縱調速器」的個案研究闡釋此一程序。本研究屬於機械史學領域的創新研究。
古中國擒縱調速器的基本模式是水輪秤漏裝置,由定時秤漏裝置和水輪槓桿擒縱機構所組成,為天文鐘的運動產生與控制裝置。最完整之水輪秤漏裝置的文獻記載於北宋蘇頌的《新儀象法要》一書,為後世留下極具研究價值的天文與機械等科學技術資料。
透過史料研究,由古中國計時科學與技術的探討知:天文之為十二次、漏刻之為百刻建立古中國均等的時刻制度,提供天文鐘發展的客觀環境,秤漏和浮漏的高度發展,滿足水輪秤漏裝置的技術需求。由《新儀象法要》與水運儀象台的剖析著手,再溯其源追其流,以現代鐘錶學重新定義水輪秤漏裝置,並與近代機械鐘擒縱調速器進行比較研究,以建立其設計規範、闡明其設計限制與要求。
在古機械復原研究中最困難的是復原設計。本研究針對此問題提出一復原設計古機械的創新程序,結合機構創新設計方法和機械演化與變異原理,有系統地產生符合復原對象的當代科學理論與技術手段之所有適當可行的設計。古中國擒縱調速器的復原設計是以蘇頌水輪秤漏裝置為原始設計,利用此一程序來進行設計,結果可得8個具四連桿組與2個具繩索滑輪機構之六桿八接頭水輪秤漏裝置的復原設計,可用於古中國歷代機械鐘,對於其復原研究將有極大的助益。再針對復原設計合成出的構形設計,以SolidWorks等電腦輔助設計與工程軟體進行實體模型的建構,作為往後之復原製造的基礎工作。
最後,對本研究提出進一步研究的建議,並展望機械史與科學技術史的研究願景。
The reconstruction of ancient machinery is to rebuild the machinery by applying ancient mechanical principles, mechanical engineering, and technique skills to an original machine design. This research aims at presenting reconstruction research procedures, which are derived from the classifications of historic documentation on ancient machinery, so as to systematically rebuild ancient machinery prototypes as well as ancient mechanical technologies and skills. Furthermore, an “Ancient Chinese Escapement Regulator” is used as a case study to illustrate this procedure. This work is an innovative research in the field of mechanical historiography.
Basically, the ancient Chinese escapement regulator is a waterwheel steelyard-clepsydra device, which was made up of a time steelyard-clepsydra device and a waterwheel lever escapement. It was used to generate and control motions of an astronomical clock. The historic records that can be found in Xin Yi Xiang Fa Yao (New Design for an Armillary Sphere and Celestial Globe), which was written by Su Song in the Northern Song Dynasty, were the most complete ones about the waterwheel steelyard-clepsydra devices. This book provides future generations with valuable information in astronomy and mechanical engineering worth our further investigation.
According to literature study, we know that the time-keeping science and technology in ancient China were based on an equal time system. That is, by dividing the celestial sphere into twelve sections and the indicator-arrow''s scale of the clepsydra into one hundred parts, ancient Chinese people were able to divide a day into several equal parts. This provided an objective condition for the development of astronomical clock in ancient China. In addition, the sophisticated development of steelyard clepsydra and floating clepsydra satisfied the technical demands of waterwheel steelyard-clepsydra devices. Starting from examining “Xin Yi Xiang Fa Yao” and Shui Yun Yi Xiang Tai (Water-Powered Armillary Sphere and Celestial Globe), we tried to figure out the original concepts of the waterwheel steelyard-clepsydra device and redefined it with modern horology. Then, through comparing with the escapement regulators used in modern mechanical clocks, their design specifications as well as the design requirements and constraints can be further established.
The most difficult task in the reconstruction research of ancient machinery is to create the reconstruction design. In view of this problem, we here present a novel reconstruction design procedure for the ancient machinery. By combining the creative mechanism design methodology with the mechanical evolution and variation theory, we can systematically recreate all feasible and appropriate designs that are consistent with the science theories and techniques of the subject time period. In this work, the waterwheel steelyard-clepsydra device made by Su Song is adopted as the original design for the reconstruction of ancient Chinese escapement regulators. Utilizing the procedure proposed in this paper, the reconstruction designs we recreated included 10 six-bar and eight-joint waterwheel steelyard-clepsydra devices, among them 8 are with four-bar linkages and 2 are with rope-and-pulley mechanisms. These results can be used in the study of ancient Chinese mechanical clocks, especially in reconstruction research. Then, by applying CAD/CAE software, such as SolidWorks, we create solid models of the mechanisms synthesized from the reconstruction design. These models can be adopted as a basis for the reconstruction manufacturing in the future.
Finally, suggestions for the future research directions of this study are presented, and the prospect for the research of machinery history and ancient science is also discussed.
摘要 ………………………………………………………I
Abstract
英文摘要 …………………………………………………II
Abstract (in English)
致謝 ………………………………………………………IV
Acknowledgments
目錄 ………………………………………………………VI
Contents
圖目錄 ……………………………………………………IX
List of figures
表目錄 …………………………………………………...XIII
List of tables
第一章 緒論 ……………………………………………...1
Introduction
1-1古機械分類 ……………………………………………....1
Classification of ancient machinery
1-2古機械復原研究程序 ……………………………………4
Procedure of reconstruction research for ancient machinery
1-3本研究目的與內容 ………………………………………9
Objectives and contents
第二章 古中國時制與計時器的發展 …………………..15
On the development of the time laws and the timekeepers in ancient China
2-1時刻制度 ………………………………………………..15
Time laws
2-2晷表 ……………………………………………………..23
Gnomons and Sundials
2-3漏刻 ……………………………………………………..35
Clepsydras
2-4機械鐘 …………………………………………………..41
Mechanical clocks
2-5結論 ……………………………………………………..44
Summary
第三章 水運儀象台的機構分析 ………………………..45
On the mechanism analysis of Su Song''s clock tower
3-1 構造分析 ………………………………………………..48
Structure analysis
3-2 運動分析 ………………………………………………..59
Kinematic analysis
3-3結論 ……………………………………………………..69
Summary
第四章 蘇頌水輪秤漏裝置與近代機械鐘擒縱調速器
的比較研究 ……………………………………..70
Comparison between Su Song''s waterwheel steelyard-clepsydra device and the escapement regulators of modern clocks
4-1 水輪秤漏裝置 …………………………………………..71
Waterwheel steelyard-clepsydra devices
4-2 近代擒縱調速器的發展 ………………………………..77
Development of modern escapement regulators
4-3 比較研究 ………………………………………………..80
Comparisons
4-4 結論 ……………………………………………………..87
Summary
第五章 古中國擒縱調速器的復原設計 ………………..89
Reconstruction design of ancient Chinese escapement regulators
5-1 古機械的復原設計程序 ………………………………..89
Procedure of reconstruction design for ancient machinery
5-2 水輪秤漏裝置的復原設計 ……………………………..93
Reconstruction design of waterwheel steelyard-clepsydra devices
5-3 實體模型的建構 ………………………………………106
Solid modeling
5-4 結論 ……………………………………………………114
Summary
第六章 結論與展望 ……………………………………..115
Conclusions and prospects
6-1 結論 ……………………………………………………115
Conclusions
6-2 展望 ……………………………………………………117
Prospects
參考文獻 …………………………………………………118
References
作者簡歷 …………………………………………………127
Biographical notes
附錄 論文發表………....…………………………………128
Appendix Publication lists
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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