在古代，渾儀和渾象都是最重要的天文觀測儀器和皇家禮器，因此歷代政權都是比較重視的，歷代的天文學家也在不斷改進和完善這些儀器。
漢代張衡創造了"水運渾天儀"，其主體是渾象，直徑不到5尺，球面上標有28宿、黃道、赤道、眾多星辰、24節氣、北極常顯圈，南極常隱圈等，渾象的轉動軸北出地平36度，南入地平36度，這相當於當時洛陽的地理緯度。
張衡還在渾象上安裝了一套齒輪系統，利用具有穩定性的漏壺流水推動渾象均勻地繞著極軸轉動。根據史書記載，渾象的轉動與真實的晝夜交替完全一樣，渾象製成後做了示範演示，一個人在屋子裡看渾象的轉動，另外一個人在室外觀看星空的變化，看守人報告星星的位置，與實際的星星升落完全一樣。
複製的水運儀象臺
張衡之後，三國時期吳國的葛衡，宋代的太史令錢樂之和梁代的陶宏景等人，都製造過"水運渾天儀"。
唐代開元十一年（723年），一行和梁令瓚等人制造了一架"水運渾天"，不但可以演示天體的視運動，還安裝了兩個木人按刻擊鼓，按辰敲鐘。
北宋太平興國四年（979年），天文學家張思訓製造了一臺大型"水運渾天"，高一丈有餘，如同一座小樓，具有鈴、鍾、鼓三種報時信號，設有12個木人手持時辰牌，循環出來搖鈴、擊鼓、打鐘報告時刻。另外，這架儀器使用水銀代替水作為動力，而克服了水在夏天和冬天因流動速度不同而造成的不穩定缺點。
而將水運渾天的製造水平發展到最高峰的是宋代的蘇頌和韓公廉，他二人在元祐七年（1092年）製成了中國古代最為複雜的水運渾天-水運儀象臺，這個最複雜是唯一的，沒有之一。
古人使用水運儀象臺觀測天象
這臺儀器包括渾儀、渾象、報時三大部分，最上層是渾儀，而且具有可開合的屋頂，已經具有現代天文臺的雛形。中間一層是渾象，最下一層是報時系統。這三大部分用一套傳動裝置連接起來，並用漏壺水帶動機輪產生動力，進而帶動三個部分一起運轉起來。而報時裝置除了時刻外，還增加了昏旦時刻和夜間的更點等，是古代科技綜合水平的巔峰。
儀象臺主要各部
水運儀象臺整體為一疊置式的四方臺，上窄下寬，分三層。渾儀安放在上隔層上，有三重環組，即六合儀、三辰儀、四遊儀。渾儀上方用可以拆去的木板屋頂覆蓋，六合儀中有陽經雙規，作為天規，垂直安裝；有陰緯單規，作為地渾，水平安裝。三辰儀的南部裝有天運環，這個是之前沒有的。
最上層的渾儀
渾象同木製的地櫃一直安放在臺子的中間隔層上，渾象也有天經雙規，該規垂直安裝在地櫃中，一半在地平之上，另一半在地平下。另外有地渾單規，安裝在地櫃的上表面，作為地平。
臺子最下層中自上而下依次設置晝夜機輪八重，八重輪穿裝在一根機輪軸上。第一重為"天輪"，位於天束上方，與渾象的赤道牙齧合；第二重為"撥牙機輪"，輪上安裝齒牙，該輪跟隨天柱軸上的中輪轉動，用來運轉其餘的上下七個輪子；第三重為"時刻鐘鼓輪"，輪上安裝時初、時正、百刻撥牙，用來撥擊鐘、鼓、鈴；第四重為"時初正司辰輪"，輪上安裝報時初的12個司辰木人，報時正的12個司辰木人；第五重為"報刻司辰輪"，輪上安裝報百刻的司辰木人；第六重為"夜漏金鉦輪"，輪上安裝撥牙，用來撥擊夜漏金鉦；第七重為"夜漏更籌司辰輪"，輪上安裝報日出、日入、昏、曉、待旦、更、籌等司辰木人；最下的第八重為"夜漏箭輪"用來裝載撥擊金鉦的夜漏箭。機輪軸上面用天束來約束，下面用鐵製的樞臼來支撐。
晝夜報時八重機輪
天輪直徑3尺8寸（約1.2米），輪的上端面安有600個齒牙，輪轂套裝在鐵製的機輪軸上。天輪的下端在天束上方與渾象的天運輪承接，通過與其上方的天軸齧合，來運轉天運輪。天運輪對著南極中心傾斜安裝，像一個斜側的圓蓋，用天軸來撥動天運輪上的齒牙，使渾象轉動。所以，天運輪下方機輪上的機輪轉動，則天運輪向西轉動，通過齒輪的齧合，使渾象一同向西轉動。
八重晝夜機輪外有半座五層木閣遮蔽，木閣的每一層都設有小有門，用於顯示木人的出入。第一層：設有三個小門，每逢時初，身著紅衣的木人在左門內搖鈴，每逢時正，身著紫衣的木人在右門內扣鍾，每逢刻至，身著綠衣的木人在中門內擊鼓；第二層：木人依次出現，報時初和時正；第三層：木人依次出現，報十二時中的百刻；第四層：木人擊夜漏金鉦；第五層：木人依次出現，報夜間的更點。
五層木閣及報時木人
另在八重機輪的北側設置樞輪和退水壺，樞輪直徑1丈1尺（約3.48米），上用72塊輻板兩兩相對成36"洪"，並用三道鐵圈在兩側固定，36洪夾持著36個受水壺。（另有一種記載是由96塊輻板組成48個洪，夾持著48個受水壺）樞輪輪轂中沿水平方向穿裝一根鐵製的樞軸，軸的南北兩個方向都伸出輪轂。樞軸南端安裝地轂，用來撥動天柱下輪，然後由天柱轉動臺中的中輪和上部的天輪，分別帶動渾象和渾儀。
退水壺長1丈1尺4寸（約3.51米）寬1尺9寸（約0.6米），置於樞輪下，用來接受水壺中落下的水。每通過一個受水壺，壺中的水就落入退水壺中，退水壺北側下部有一孔，壺中的水由此向北流入升水下壺。
樞輪和退水壺
在樞輪左側設有天池壺和平水壺，平水壺接受天池壺流出的水，再注入樞輪上的受水壺中，用這種方式來驅動樞輪。受水壺中的水落入樞輪下的退水壺中，由退水壺下部北側的孔流入升水下壺，再用升水下輪將水提升到升水上壺。升水上壺內的升水上輪和河車一同轉動，升水上、下輪將水提升到天河內，天河中的水再流入天池，水就這樣循環流動。
天池和平水壺
升水上輪和升水下輪各有一個，輪徑5尺6寸（約1.77米），升水上輪與河車安裝在同一根軸上，軸的南端安裝在天梁下的橫桄正中，北端安裝在臺子北側木閣的橫桄上。另有升水上壺和升水下壺各一個，兩壺分別在兩輪之下，承接兩輪。天河在升水上輪上方，接受上輪所提升的水，升水下壺的南側有水孔，水孔與退水壺的水孔相通。轉動河車，則升水上下兩輪都隨著轉動，河車與升水上輪都由西向東轉動，升水下輪則由東向西反轉。升水下輪將升水下壺中的水從右側提升到升水上壺中，升水上輪將升水上壺中的水從左側提升到天河中，天河中的水再流入天池。
升水上下壺和升水上下輪
河車的直徑為4尺8寸（約1.52米），天河長3尺8寸（約1.2米），寬7寸（約0.22米），高6寸（約0.19米），在東側開有水孔，水孔與天池壺的壺面高度一致。河車盤向外伸出16根撥牙，來撥動升水下輪輪邊的16根撥牙，河車北側安裝8個手柄，用來運轉河車。升水上下輪的外側傾斜安裝24個提水水斗，上輪16個，下輪8個，河車轉動時，升水上下輪都帶著水斗提水入天河，天河再將水注入天池。
天河與河車
水運儀象的整個運行過程是從升水下壺開始，首先給升水下壺裝水，壺滿後就撥動河車上的8個手柄，於是河車開始轉動，升水上下輪跟隨一起轉動，升水下輪上的8個水斗將水提入升水上壺，升水上輪在用其上的16個水斗提水到天河。天河中的水向東流入天池，天池中的水再由南面的洩水管"渴烏"注入平水壺，平水壺的水再向西注入樞輪上的受水壺。受水壺的東側底沿與鐵製的樞衡格叉相對，格叉用來抵拒受水壺。受水壺中無水時，受水壺就被格叉架住，待受水壺中水滿時，格叉就不能架住受水壺，所以受水壺就會滑落。格叉落下，受水壺側的鐵撥牙就擊開格叉下的天衡關舌，關舌拉動天條，天條被拉動，天衡首端便被拉起，並帶動天關。左天鎖被打開時，樞輪的一支輻板就被放過，樞輪就轉動。
樞輪各部結構
樞輪所傳動的對象有兩個，一個是運轉渾儀，一個是運轉動機輪。
運轉渾儀的就是樞輪轉動，則樞輪上的地轂轉動，地轂轉動，則天柱下輪轉動，並傳動到上輪。上輪連接後轂，後轂傳動到前轂，前轂轉動，則帶動天運環轉動，天運環轉動則帶動三辰儀一起隨著運轉，這就是渾儀的傳動。
轉動機輪就是樞軸上的地轂轉動帶動下輪轉動，由天柱傳遞到中輪轉動，中輪帶動撥牙機輪轉動。機輪所傳動的對象有4個：一是天輪來運轉渾象，二是用來轉動鐘鼓輪，三是轉動時初正司辰輪，四是轉動報刻司辰輪。
運轉渾象，由撥牙機輪轉動，則晝時鐘鼓輪跟隨轉動，鐘鼓輪上有撥牙，每逢時初，則有撥牙撥動左側木人所執鈴杆來搖鈴；每逢時正，側撥動右側木人所執撞杆來叩鐘；每逢刻至，則撥動中間木人所執槌來擊鼓。
轉動時初正司辰輪是隨撥牙機輪轉動，每逢時正，則輪上分佈的木人執報時牌出現在木閣第二層的門中報時初和時正。
轉動時初正司辰輪是隨撥牙機輪轉動，每逢刻至，則輪上分佈的木人執報時牌出現在木閣第三層的門中報刻。
報時刻木人
樞輪和報時機輪的傳動機構
前面所說樞輪的一支輻板被放過後，左天鎖和天關關住，則一個受水壺中的水倒入退水壺中，受水壺中的水落下，則天關和左天鎖再次抵住下一支輻板，並使樞輪向右回彈，所以需用右天鎖來阻止，使其不能向西迴轉。每一個受水壺放過後，壺中水就落入退水壺，退水壺中的水再流入升水下壺，繼續撥動河車的手柄，將水提升到上面的水壺，這樣水就可以週而復始的運轉了。
主要結構模型
水運儀象臺在啟動之後，就可以自行運轉，這在1000多年前的時代，可以說是當時世界上最先進的機械系統了。其中的報時機構，涉及了眾多的齒輪、撥杆、平衡等機構，可以算是世界上最早的鐘表原型，比西方最早的鐘表提早了數百年。
只可惜在北宋末年，由於戰亂，水運儀象臺也因此被毀壞，雖然韓公廉留下了《新儀象法要》一書，但很多具體的製作失傳，雖然後世也建造了一些儀象臺，但均不如水運儀象臺那樣完美。
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