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作者:蔡宗成、謝佩均、曾梓松(2003-03-21);推薦:徐業良(2003-03-22)

慈濟希望鐘敲擊機構性能測試、改良設計與
相思豆計時儀設計概念計畫書

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,先前「慈濟希望鐘敲擊機構設計」計畫已完成所有12組不同音階鐘體敲擊機構設計。本期計畫預計時程為九十二年四月一日至九十二年六月三十日,共計三個月,計畫內容共包括三個部分:(1)針對前期設計敲擊機構作長期性能測試;(2)依據新設計需求對敲擊機構作進一步的改良設計;(3)對「相思豆計時儀」作概念設計與縮小原型製作。

1.     慈濟希望鐘敲擊機構長期性能測試

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,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。圖2為第一期計畫所完成的La(6)鐘的新式敲擊機構實體圖,設計重點便在以兩支彈簧(分別為拉伸彈簧與壓縮彈簧)來達成模擬人手“敲擊-縮回”動作,以及使機構復位這兩項功能,經過測試,可達成穩定敲擊動作,且反應時間較舊式機構縮短50%以上,並有強健性機構設計、模組化機構設計以利於組裝與後續維修等優點,且以參數化設計概念,根據不同鐘體尺寸規格而有不同敲鐘機構設計,完成所有12組敲擊機構。

1. 慈濟希望鐘外型

2. 新式敲擊機構設計La(6)

本計畫第一部份「慈濟希望鐘敲擊機構長期性能測試」目的在模擬慈濟希望鐘實際運作時之敲擊時程,作長達一個月之「燒機」測試,檢視現有機構在長期反覆運作之下,是否會發生失效、故障等不預期之操作狀況。根據觀想藝術公司所提供的慈濟希望鐘自動控制需求手冊內容,撞鐘時程安排如下:

(1)    每天有24次最大次數之選擇撞鐘動作。

(2)    星期一到星期五具相同控制次數。

(3)    星期六次數減半為12次。

(4)    星期天及例假日為0次。

(5)    可以選擇每星期或每月設定一次。

(6)    總時程表以半年(6個月)為限。

由上述慈濟希望鐘實際運作時之敲擊時程,敲擊機構長期性能測試規劃如下:

(1)    測試地點在元智大學「老人福祉科技研究中心」儲藏室,測試總時程共四週,每週測試五天(星期一至星期五),星期六、日進行調校動作,記錄測試結果。

(2)    以單晶片程式設定測試循環,每一測試循環敲擊每一音階各24次,每天進行6次測試循環,每一音階四週共敲擊24×6×5×6=4,320次,相當於實際操作半年敲擊次數。

(3)    由於測試敲擊總次數極大(12音階共計4,320×12=51,840),將設計製作一套遠端即時錄音、監控系統,即時自動判斷、紀錄每次敲擊是否穩定,每週並檢查各零件有無鬆脫。

本計畫最後將完成一份完整測試報告,包括測試流程、敲擊記錄、零件狀況記錄、及相關建議。

2.     慈濟希望鐘敲擊機構改良設計

慈濟與觀想藝術設計公司對慈濟希望鐘敲擊機構提出新的設計需求,希望鐘體內部可見區域以一根敲擊棒機構為主,其餘連桿、馬達等組件藏於鐘體底下空間。針對此一新設計需求,初步提出兩個設計概念,說明如下。

設計概念(1)-馬達驅動

3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4

3. 設計概念1-敲擊機構初步設計草圖

4. 敲擊機構連續動作說明

設計概念(2)-電磁鐵驅動

本設計概念與現有機構類似,但進一步加以簡化。如圖5為以電磁鐵驅動之設計概念,在鐘體內部只有一根饒性敲擊棒,其餘機構藏於鐘體底部,電磁鐵吸引鐵塊往下拉動時,彈簧壓縮,拉引鋼線,帶動饒性機構往鐘體敲擊,當電磁鐵斷電時,壓縮彈簧提供所有機構復位功能,等待下一次敲擊。

5. 設計概念2-敲擊機構初步設計草圖

本期計畫中將在上述設計概念擇一進行細部開發,請觀想藝術公司提供一個無機構的鐘體,製作完成單一鐘體鐘體敲擊機構原型進行組裝與測試,並完成一份完整設計書,包含設計原理及設計、組裝圖。待設計獲得認可後,後續計畫再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。

3.     相思豆計時儀概念設計與縮小原型製作

證嚴上人希望設計一座相思豆計時儀,以相思豆循環流動,讓人們知道時間的寶貴。圖6為「相思塔」設計草圖與相思豆循環流程,主輪軸的最上方的儲存槽存放相思豆,每秒掉一顆相思豆在第一層的小瓢子裡,累積一分鐘後倒下一瓢相思豆。累積十五分鐘時會將此盆相思豆再向下倒,而累積八刻鐘時再將這一大桶相思豆再次往下倒。接住這一大桶相思豆的是由中國神話中十二個生肖造型所組成的玩偶,每一個玩偶手上抱著一的大桶子,時間一到就會向前一步接住由上面所傳下來的相思豆,接完後退回原本的位置。而十二個生肖輪完一圈後也就是一天,這時十二個玩偶都會將手上的大桶子向最下方的蓮花座傾倒,完成一天的循環。底層的豆子再次循環回最上面儲存相思豆的儲存槽。整體設計並希望能以機械式,並以自然力驅動。

6. 相思塔外觀草圖

7為相思豆外觀圖,隨機取樣50顆測量其實際尺寸,量測結果得知,平均重量為0.271 g,而標準差是0.027g,長度尺寸為9.123mm,標準差為0.478mm,寬度尺寸為6.043mm,標準差為0.264mm,由此可知,相思豆的外型尺寸是影響相思豆計時儀設計的重要參數。

7. 相思豆

相思豆計時儀設計概念可模仿中國古代的計時科學,如圖8為中國古代水鐘,又名「刻漏」、「漏壺」,以等時性原理設計,滴水記時有兩種方法,一種是利用特殊容器記錄把水漏完的時間(泄水型),另一種是底部不開口的容器,記錄它用多少時間把水裝滿(受水型)。

8. 中國古代水鐘

9為中國古代天文方面的重大發明-水運儀象臺,集渾儀、渾象和報時器於一身的高臺建築物,利用銅壺滴漏的恆定水流作動力來推動樞輪,使它達到「貫以一機,激水轉輪,不假人力」;頂層設有活動頂棚,棚內放置了一臺「渾儀」,作觀星及測量之用;中層設有「渾象」,由晝夜不息的機輪帶動自轉,轉速與天象、星座吻合,達到模擬天體的運行;底層是一報時系統「司辰」,由五層木閣組成,並用多組齒輪傳動,確保機輪以恆定的轉速與天體同步運動。在每個時辰初、正時和每刻鐘時,相應地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓,並可準確地報時。而樞機輪軸等隱藏於木台中;司辰、擊鼓、搖鈴、執牌等的報時設備連於輪軸之上且出沒於五層木閣內。

9. 水運儀象台

11為相思豆計時儀之設計概念模仿水運儀象台,以水力為動力來源,水力是所有自然力中最為穩定且能有效運用的動力,使用水的流動帶動相思豆計時儀主輪軸。每層轉軸以獨立運作方式產生不同的旋轉速度,搭配適當的減速機構,達成秒、刻、天等不同的運轉時差,而相思豆回收裝置以螺旋條紋設計,讓相思豆以旋轉方式往上回收,達成不斷循環的功能。

11. 相思豆計時儀設計佈置圖

本計畫中預計將對相思豆計時儀作概念設計與縮小原型製作,預計完成高約1.6之縮小模型,以證實設計概念之可行性,同時並完成一份完整設計書,包含縮小原型設計原理及設計、組裝圖。

4.     研究進行步驟與預算規劃

本計畫預期執行時間為2003412003630,預計每月進行一次進度報告,研究計畫進行步驟與時程規劃如下:

41431

(1)   設計製作遠端即時錄音、監控系統,並開始進行敲擊機構性能測試。

(2)   完成敲擊機構改良設計規劃。

(3)   完成相思豆計時儀文獻收集、探討。

51531

(1)   完成敲擊機構性能測試結案報告。

(2)   完成敲擊機構改良設計原型製作。

(3)   完成相思豆計時儀初步設計概念並開始進行原型試作。

61631

(1)   完成敲擊機構改良設計性能測試及設計書。

(2)   完成相思豆計時儀縮小原型製作及設計書。