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作者:謝佩均、曾梓松、蔡宗成(2003-10-25);推薦:徐業良(2003-10-27)

相思豆計時儀原型設計

1.         相思豆計時儀設計之背景與目的

慈濟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,時時想起師父的教誨。圖1為委託單位觀想藝術公司提供之「想師塔」設計草圖與相思豆循環流程,主輪軸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,累積一刻鐘時會將此盆相思豆再向下倒,而累積四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半天,此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,完成一次的循環。底層的相思豆再次循環回最上面儲存相思豆的儲存槽。如此的設計可以讓想師塔中的相思豆不斷的循環,而且還可以計時。生生不息的作動,讓人們更能知道時間的寶貴。整體相思豆計時儀的動力來源希望能夠利用自然力來驅動,並配合使用機械機構作動來達到所要達到的分、刻、小時計時。本計畫即是對此相思豆計時儀作概念設計,同時完成一縮小模型以證實設計概念之可行性。

1. 「想師塔」大致概念圖

2.         相思豆計時儀設計概念

2.1 利用自然力與機械方式計時之裝置

中國古代有許多的計時器具,如水鐘、水運儀象臺即是利用自然力以及機械方式計時的裝置。水鐘在中國又叫做「刻漏」、「漏壺」。如圖2,古代計時是用銅壺滴漏,它使水從高度不等的幾個容器裏依次滴下來,最後滴到最低的有浮標的容器裏,根據浮標上的刻度,相對的刻度對應相對的時刻,如此就能根據最低容器裏的水位來讀取時間[http://www.time.ac.cn/museum/c_clock/3.htm]

     

2. 銅壺滴漏[http://www.time.ac.cn/museum/c_clock/3.htm]

3為中國古代水運儀象臺,其是一座集渾儀、渾象、和報時器於一身的高臺建築物,其功能相等於一個濃縮的小型天文臺。水運儀象臺利用類似銅壺滴漏的恆定水流作動力來轉動樞輪,由樞輪轉動配合齒輪帶動主樞軸,而主樞軸轉動不同層的齒輪,讓報時窗口顯示不同的時辰與時刻,且主樞軸繼續帶動上方的渾儀與渾象,使它達到「貫以一機,激水轉輪,不假人力」,如此永不停歇的計時。其中頂層設有「渾儀」,作觀星及測量之用,中層設有「渾象」,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。[http://www.sinorama.com.tw/8506/506116c1.html]

  

3. 水運儀象台[http://www.nmns.edu.tw/New/Introduction/nmns/c/6-3.htm]

4是說明水運儀象台的內部機械結構圖,由此圖可以大致知道其運作之方式,其是利用天池儲存水,在天池的旁邊有一些小的低漏,讓天池裡的水量能保持一定的數量,如此穩定的水量由水道流到帶動主軸轉動的水車,即可以產生穩定的動力。有了穩定的動力來源,可讓主軸能以穩定的速度轉動,接著利用齒輪的搭配,先讓整個軸轉了九十度立起來,再來還是使用齒輪做一些減速機構,在這些減速機構的另一端,即是報時的窗口,如此就能再報窗口看到相對的報時。而沿著立起來的軸,繼續將動力往上傳,即可帶動天儀和渾儀。由這些常用的機械機構,即可做到計時、記天文的計時裝置。

4. 水運儀象臺內部結構[http://www.sinorama.com.tw/8506/506116c1.html]

由以上探討可知古代的計時器具大多以恆定水流作為一穩定的動力來源,並以齒輪搭配設計計時機構,再添加各種周邊、裝飾性機構。相思豆計時儀概念設計中,亦將設定水流為動力源,但原型製作上以電動馬達暫時代替,且以達到計時功能為主要目標,暫不考慮周邊裝飾性機構。

2.2 相思豆計時儀之整體設計概念

5為相思豆計時儀之整體設計概念示意圖。整體系統以恆定水流帶動「水車主軸」轉動,供應各機構所需動力。「供給機構」以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入由「減速機構」和「下倒機構」組成的計時器中;計時器依分、刻、小時分成三層,藉由減速機構讓每層轉盤產生不同的旋轉速度,依分、刻、小時三種不同時間要求的旋轉速度運轉,下倒機構則依分、刻、小時設定將相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之總收集桶中,「回收機構」再將最下層的相思豆送回供給機構,讓相思豆計時的動作能持續的進行。

5. 相思豆計時儀設計佈置圖

3.         第一代相思豆計時儀設計

在做相關子系統設計之前,首先隨機取樣50顆相思豆(如圖6)實際量測其尺寸,得知相思豆每一顆的平均重量為0.271g,而平均標準差是0.027g,長度為9.123mm,平均標準差為0.478mm,寬為6.043mm,平均標準差為0.264mm,此尺寸將作為各子系統設計之依據。

6. 相思豆

3.1 計時器設計

如前所述,計時器由「減速機構」和「下倒機構」組成,依分、刻、小時分成三層,藉由減速機構讓每層轉盤產生不同的旋轉速度,依分、刻、小時三種不同時間要求的旋轉速度運轉,下倒機構則依分、刻、小時設定將相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之儲存槽中。

為求一次輸出有分、刻、小時,60:15:1的減速比,且動力由同一軸輸入,首先設計了如圖7之概念,使用行星式齒輪來達成多層減速比,且動力由同一軸輸入。但由於體積過大,且製作與加工上成本過高,所以放棄此設計概念。

7. 太陽行星齒輪

為讓相思豆計時儀三層轉軸圓盤達成分、刻、小時轉速比為60:15:1的高減速比,且而為了要有效地配置空間,第二代設計概念減速機構使用蝸桿搭配蝸齒輪。圖8為減速機構示意圖,主軸末端連接水車,再由蝸桿蝸齒輪或是傘齒輪的搭配,分、刻、時這三種不同轉速的軸可以達到相對的轉速比,同時將動力的傳遞轉了九十度。圖中可看到,帶動第二、三層,「刻」和「小時」兩圓盤的這兩個軸採用蝸桿蝸齒輪組,以提供高減速比以及較高的動力。而在帶動第一層「分」圓盤的這一個軸,使用傘齒輪來將動力源做九十度的垂直傳遞。

8. 減速機構各層輪軸示意圖

9是下倒機構示意圖,主要功能是為了讓每一層的相思豆能夠順利的從上一層到達下一層。下倒機構主要是由一個儲存相思豆的容器和有著開關卡筍的容器蓋子所組成,圖10是下倒機構和減速機構間的觸發介面,在平常底蓋卡筍頂著圓盤底層,所以桶子是關著的,相思豆不會掉下來。而等到減速機構帶動圓盤凹槽轉到開關卡筍的位置,底蓋卡筍沒有被圓盤底層卡著,且此時容器裝滿沈重的相思豆,所以底蓋就會順勢打開,如此及可以讓上層的相思豆倒到下層的容器裡。之後開關卡筍順著凹槽的導軌回到圓盤蓋底即可以將容器蓋子關起來。

為了節省空間的配置,圖9中下倒相思豆的桶子都設計在同一個平面上,而且將桶子配置成一直線,讓下倒的相思豆能動得更加流暢。圖11所示為了將桶子佈置在同一直線,所以將第二層和第三層的底蓋卡筍用一個連桿拉了出來,但是桶子蓋子作動的方式還是相同。

9. 下倒機構示意圖

10. 下倒機構和減速機構間的觸發介面

11. 第二、三層下倒桶連桿示意圖

3.2 相思豆回收機構設計

回收機構主要功能在將最下層的相思豆送回供給機構,讓相思豆計時的動作能持續的進行。圖12為回收機構設計示意圖。如圖所示,相思豆逐層下倒,最後傾倒於底層之總收集桶中,傳輸用桶子由馬達帶動傳動輪下降,觸發下倒卡筍後(如圖13),總收集桶中的相思豆倒到傳輸用桶子中,再由馬達經行走軌道將傳輸用桶子拉回上端,觸發卡筍後打開蓋子(如圖14),將相思豆經斜板倒入供給機構,完成循環。

12. 回收機構設計示意圖

13. 回收機構下端設計示意圖

14. 回收機構上端設計示意圖

3.3 相思豆供給機構設計

供給機構主要功能在以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入計時器中。圖15為供給機構設計示意圖。如圖所示,以固定軸為中心的旋轉鼓,四周配置60個凹槽;當鼓旋轉時會順勢將上方漏斗的相思豆帶到出口處落下,而只須設定旋轉鼓旋轉的速度為每分鐘一轉,就可以控制以每秒鐘一顆的速度,將相思豆掉入計時器中。

15. 供給相思豆機構

3.4 整合與測試

接下來我們製作了第一代相思豆計時儀原型,進行整合與測試。圖16相思豆計時儀主體,圖17為減速機構,圖18為計時機構主體,圖19為供給機構,圖20為回收機構。經過與觀想公司討論過後,觀想公司接受本設計的想法,並希望將此模型放大。同時在測試過程中發現以下問題:

(1)   相思豆容易在供給機構的漏斗中卡住。

(2)   下倒機構卡筍的觸發經常不順暢。

(3)   回收機構使用傳動輪與纜線,容易打滑且剛性不足。

16. 相思豆計時儀主體

17. 減速機構

18. 計時機構主體

19. 供給機構

20. 回收機構

4.         第二代相思豆計時儀設計

根據第一代相思豆計時儀整合測試結果,圖21第二代相思豆計時儀設計,主要作了以下改善:

(1)       原設計供給機構的部分,常發生相思豆因漏斗出口孔徑太小卡住相思豆的情形,因此將其換成如圖22所示的新供給設計。做動方式是相思豆直接從上方的儲存槽集中掉入輪股的凹槽中,再經由輪股的帶動將相思豆帶到下倒的出口,且配合輪股上有60個孔洞,一分鐘轉一圈即可做到一秒鐘掉下一顆相思豆。

21. 第二代相思豆計時儀

22. 第二代相思豆計時儀供給機構

(2)       第二代相思豆計時儀將主體放大,下倒時所需的相對時間比例還是60:15:1,因此不變更原設計所使用的蝸桿蝸齒輪組,而將齒輪和齒輪之間的軸距拉長,如圖23,以符合新設計放大的尺寸。

23. 第二代相思豆計時儀減速機構

(3)       第一代相思豆計時儀下倒機構卡筍的觸發經常不順暢,容易造成相思豆卡住的情況。因此第二代相思豆計時儀改採如圖24之檔盤式設計,讓整體下倒的方式更為直接。如圖所示,相思豆會被集中在桶子裡,平時因檔盤擋住所以不會下掉,直到軸帶動檔盤轉到洞口,相思豆就會受重力往下掉,接著再經由導管下倒到下一層桶子。圖25為三層下倒機構之原型。

24. 第二代相思豆計時儀下倒機構

25. 第二代相思豆計時儀三層下倒機構

(4)       回收機構將原設計中使用滑輪、纜線驅動方式,改成使用螺桿帶動,如圖26,可以產生較大的升降力,且可以解決滑輪轉動時打滑的問題。

26. 第二代相思豆計時儀回收機構

第二代相思豆計時儀經整合測試後,發現有大量相思豆堆積時供給機構仍然經常會卡住,此外回收機構極長,剛性不足,容易發生搖晃。針對此二問題,我們再次修改設計,製作了第三代相思豆計時儀。

5.         第三代相思豆計時儀設計

第二代相思豆計時儀的供給機構會因為回收機構送回的相思豆數量一次太多,產生相思豆卡在供給機構的現象。在第三代相思豆計時儀供給機構中,增加一個緩衝槽,使回收機構將相思豆送回儲存槽後不會直接下掉到供給機構,讓供給機構有個緩衝槽以讓相思豆能更順暢的且有規律的下掉到供給機構,如圖27

27. 第三代相思豆計時儀的供給機構

第二代相思豆計時儀回收機構剛性不足,第三代相思豆計時儀回收機構設計,將馬達的布置位置改在下方,且改以鍊條間接驅動螺桿,如圖28,使傳動時輸出更穩定。同時並在回收機構外側增加一檔板,如圖29,使回收機構動作時不會搖晃。

28. 第三代相思豆計時儀回收機構馬達配置更改設計

29. 回收機構外側增加一檔板

第三代相思豆計時儀整體運作已十分順暢經過更改設計,圖3033再次展示最後設計各部分的特點,最後圖34為完成之相思豆計時儀設計原型。

30. 更改設計增加緩衝槽的供給機構

31. 減速機構使用蝸桿蝸齒輪的搭配完成高減速比

32. 下倒機構

33. 下倒機構作動示意圖

34. 相思豆計時儀設計原型