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作者:蔡宗成(2002-07-03);推薦:徐業良(2002-07-03)

慈濟希望鐘敲擊機構設計與網路系統整合計畫書

1. 計畫緣由與動機

慈濟慈善事業基金會成立「希望工程」來重建因地震而受損的中小學學校,並委託觀想藝術有限公司設計,配合當地的地形、文化,設計規畫符合學校需求的九二一紀念鐘塔-「慈濟希望鐘」,有整點報時與曲目演奏等功能,計畫裝設在五十五所災區學校,希望能融入災區學生的日常生活,成為一種精神象徵。

觀想藝術有限公司目前已委託相關廠商完成鐘體設計與電腦控制敲鐘程式,希望由電腦控制12件不同尺寸鐘體敲擊出不同音階,產生整點報時與曲目演奏等功能,但是鐘體敲擊機構所表現的音色效能不盡理想。本計畫「慈濟希望鐘敲擊機構設計與網路系統整合」共分三階段規劃,第一階段為完成單一音階鐘體敲擊機構設計,確認音色效能表現合乎理想與需求;第二階段為不同尺寸鐘體敲擊機構設計,整合現有電腦控制程式,達成整點報時與曲目演奏等功能;第三階段則考慮實際裝置在五十幾所學校時繁雜的維護問題,而提出網際網路遠端監控構想,在所有設置慈濟希望鐘的中小學裡建立感測回饋系統,透過網際網路將鐘體運作狀況傳至監控中心,並能從監控中心作統一控制。

2. 設計需求

已完成之慈濟希望鐘外型如圖1,屬於由內敲擊方式,所以敲擊機構必須裝置於鐘體內部,表112件不同鐘體尺寸規格表,鐘體規格直徑尺寸介於200~388mm,寬度尺寸介於368~620mm,高度尺寸介於202~392mm,不同鐘體尺寸而有不同的敲擊機構尺寸設計需求。

1. 慈濟希望鐘外型

1. 12件不同尺寸鐘體規格

編號

音階

鐘體規格

備註

直徑

寬度

高度

1

So

338

620

392

 

2

La

338

620

392

 

3

Si

318

585

373

 

4

Do

300

552

354

 

5

Re

284

520

337

 

6

Mi

268

491

321

 

7

Fa

252

463

306

 

8

So

238

437

291

 

9

La

224

412

277

 

10

Si

212

390

265

 

11

Do

200

368

252

 

12

Re

200

368

202

 

根據觀想藝術有限公司委託相關廠商所提出的鐘體設計、電腦控制程式等相關需求,以及與觀想公司設計人員討論,對鐘體敲擊機構初步擬定設計需求如下:

(1)   鐘體敲擊聲音應圓潤與自然

(2)   根據不同鐘體尺寸規格而有不同敲鐘機構設計

(3)   與現有電腦控制程式進行整合

(4)   敲擊機構反應時間能配合敲擊歌曲節拍

(5)   強健性機構設計以維持使用壽命

(6)   模組化機構設計以利於組裝與後續維修

3. 鐘體敲擊機構相關專利搜尋

為了解鐘體敲擊機構相關技術特點,此處進行一簡單之國內專利搜尋,背景設定如表2,經過適當篩選處理,找出對於慈濟希望鐘體敲擊機構設計有幫助的專利資料,建立專利資料摘要表進行分析如表3、表4與表5,圖2、圖3與圖4為專利圖形說明。

2. 專利分析背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

不限

搜尋年份

1990~2002

搜尋語言

中文

資料庫名稱

中華民國專利公報資料庫

關鍵字

鐘、敲、擊、機構、設計

3. 專利分析摘要表

專利號碼

317943

國際專利分類

G04B21/02

摘要表編號

001

申請日

19970430

專利名稱

鐘錶敲鐘聲發生裝置

申請人

尹信雄(韓國)

公開日

19971011

技術分類

新型

分析人員

蔡宗成

 

 

分析日期

2001/06/18

專利目的:一種鐘錶敲鐘聲發生裝置

達成效果:用在通過電子式模擬機構設定時間和敲鐘次數的鐘錶中

技術手段:

在錶盒內側安裝有齒輪座,齒輪座內上部有馬達支座,馬達支座上安裝有馬達,馬達的轉軸上安裝有蝸桿,並有一與上述蝸桿嚙合旋轉的蝸輪,和在該蝸輪的背面用銷與其連成一體而且外緣一側突出形成一個凸輪突緣的凸輪,該凸輪套裝在齒輪軸上,並用止動支架以防止其脫離齒輪軸地支持著。

在由凸輪突緣驅動的回轉板上,鑽有一個錶盒上的鉸鏈套的鉸鏈銷插入的鉸鏈孔,以該鉸鏈孔為中心在下側鐘錘固定部的末端插接有帶有鐘錘的錘棒,並具有固緊用固定螺絲,在與此相連的回轉板的末端突出形成有回轉板突緣。

在上述敲鐘控制器上所安裝的計數器開關的內置復原彈簧的開關推桿與開關臂未端的底面接觸,在振動板中央的振動鋼絲固定部上鐘錘敲擊的位置固定在能被敲擊的振動鋼絲。

2. 專利圖形說明

專利號碼

250946

國際專利分類

G04B21/00

摘要表編號

002

申請日

19940910

專利名稱

馬達鐘座結構之改良

申請人

東昇精密工業股份有限公司

公開日

19950701

技術分類

新型

分析人員

蔡宗成

分析日期

2001/06/18

專利目的:一種馬達鐘座結構之改良

達成效果:將一基座體的一端製成具有彈性組扣機能的容置槽組扣一馬達,並將基座體的另一端延製成一扇形護罩懸置一鐘杯

技術手段:

馬達容置槽具有一頸部座孔對應鐘杯的頸部通孔固定,使該鐘杯的中心能與馬達軸心保持在同一軸心線上定位,並促使馬達軸心凸伸至鐘杯內部中心線上銜接鐘鎚成為一電動發音裝置者界定。

馬達鐘座結構之改良,其中馬達軸心與頸部座孔間可設置吸震環,使能吸收馬達運轉之震盪力,避免基座體受到連帶震動。

4. 專利分析摘要表

3. 專利圖形說明

5. 專利分析摘要表

專利號碼

355070

國際專利分類

G04B21/06 , G04B21/10

摘要表編號

003

申請日

19980526

專利名稱

鬧鐘振鈴結構之改良

申請人

富寶精密股份有限公司

公開日

19990321

技術分類

新型

分析人員

蔡宗成

 

 

分析日期

2001/06/18

專利目的:一種鬧鐘振鈴結構之改良

達成效果:使得敲擊之雜音能夠大幅被掩飾者

技術手段:

在半球型金屬振鈴(1)之底緣設有一道適當長度之割口(11),藉由該割口(11)以令振鎚(2)敲擊振鈴(1)時,振鈴(1)之週波數能夠降低至接近敲擊雜音之週波數,使得敲擊之雜音能夠大幅被掩飾者。

4. 專利圖形說明

由上述相關專利資料分析與自行定義的設計需求,可以歸納整理出以下四點設計思考:

(1)   以馬達為動力源,產生自動敲錘方式

(2)   鐘體材質、敲擊機構設計與聲音品質有關

(3)   敲擊機構設計必須搭配鐘體尺寸規格

(4)   鐘體與動力源之間使用吸震材質以避免震動影響聲音品質

4. 鐘體敲擊機構設計概念

5為模擬手敲鐘動作所得鐘體敲擊機構初步設計概念。分析人手部敲擊動作,接點ab的自由度會影響敲鐘所產生的聲音品質,手部的接點a為動力來源,接點b決定撞錘敲擊鐘體位置,根據經驗,撞錘敲擊鐘體的外緣位置所獲得的音質較佳,音色較圓潤。模擬此手部動作,慈濟希望鐘內部敲擊機構由馬達、連桿、彈簧與撞錘等機構組成,馬達圓盤帶動卡榫旋轉,卡榫牽動連桿1與連桿2往右移動,當移動到一定角度時,連桿1脫離卡榫,並受到彈簧往左的拉力,連桿2前端的撞錘便會敲擊鐘體,產生聲音,馬達圓盤回到定點,等待下一次動作,此敲擊機構連續動作說明如圖6

5. 鐘體敲擊機構初步設計草圖

6. 敲擊機構連續動作說明

根據設計需求與專利分析資料所產生的初步設計概念,歸納出影響慈濟希望鐘敲擊聲音品質的決定因素,包括(1)鐘體尺寸大小、(2)敲擊位置、(3)機構自由度、(4)電腦程式控制與整合等四項影響因素。此四項影響因素可由電腦輔助分析來求得最佳解,運用3D繪圖軟體繪製相關尺寸大小、連桿長度、撞擊高度等條件,再由機構運動模擬軟體來決定彈簧係數與馬達運轉速率,設計初步鐘體敲擊機構原型,與現有慈濟希望鐘進行組裝與測試,依照實際情況進行驗證與修改,最後將此設計原理應用在12件不同尺寸鐘體敲擊機構設計,產生不同音階,達成整點報時與曲目演奏等功能。

5. 網路系統整合構想

慈濟希望鐘共有12件不同尺寸鐘體,可產生不同的音階,藉由電腦程式化控制個別敲擊時間差以產生整點報時與曲目演奏等功能,基本控制架構如圖7,電腦輸入由音階所轉換的控制指令至PLC可程式化控制器,經由馬達模組放大訊號控制鐘體內的馬達進行週期性動作。

7. 慈濟希望鐘基本控制架構

此慈濟希望鐘預期裝設在災區重建後的中小學校區裡,慈濟慈善事業基金會負責五十五所中小學校區重建計畫,如每一所學校都需設置此慈濟希望鐘,其後期安裝與維修工作顯得格外重要。因此可考慮加入網際網路遠端監測功能,使所有慈濟希望鐘整合成一網絡,如圖8所示,在鐘體內加裝感測回饋系統,能將各地鐘體運作狀況透過網際網路傳回至監控中心。此監控中心不僅接收訊息,也能傳送演奏曲目資料,甚至能控制所有慈濟希望鐘同步演奏等。

8. 整合網路與回饋系統架構

6. 研究進行步驟

本計畫「慈濟希望鐘敲擊機構設計與整合」分為三個階段進行,各階段工作內容說明如下:

第一階段(2個月)

(1)   了解現有慈濟希望鐘外型結構、敲擊機構與電腦控制程式等相關資料

(2)   尋找相關類似設計產品,獲得初步設計概念

(3)   訂定設計需求與設計概念

(4)   完成單一音階鐘體敲擊機構設計

(5)   確認音色效果合乎理想與需求

第二階段(4個月,選擇性)

(1)   將單一音階鐘體敲擊機構設計原理應用於12件不同鐘體尺寸敲擊機構設計

(2)   整合現有電腦控制程式

(3)   完成整點報時與曲目演奏功能

(4)   實地裝設進行測試

第三階段(6個月,選擇性)

(1)   加入網際網路遠端監測功能

(2)   完成單一模組進行測試