水轮杠杆擒纵机构是由枢轮、左天锁、右天锁、天关、天衡、天权、天条、关舌所组成。
枢轮、左天锁、右天锁组成一个棘轮机构。枢轮是原动轮，在其轮缘上共夹持三十六个受水壶（别本曰四十八个受水壶），将水的位能转换为整个机器的动能，并具有擒纵轮的功用。左右天锁即是棘爪，左天锁在擒纵枢轮的左转运动，右天锁防止枢轮受左天锁制止时激回右转。
天关、天衡、天权、天条、关舌组成一个天衡机构，亦是一个杠杆机构，其制为衡器，功用则与桔槔相同，目的在于“用力甚寡而见功多”（郭庆藩 等，1991）。天衡机构主要的目的是传递受水壶冲击关舌的动力，以拉动左天锁与天关，来控制枢轮的转动。然而枢轮之大，如何以受水壶对关舌的冲击力来拉动左天锁与天关，是天衡机构的设计要点，因而“用力甚寡而见功多”的桔槔是最佳的选择。在天衡机构的设计参数中，天关和左天锁的施力点与天条的位置皆随枢轮尺寸决定后固定，故只要调节天权的重量与位置，就可使天衡机构达到预期的功用。
图4-3 水运仪象台的天关装置（苏颂，1983）114(www.xing528.com)
天关也是其设计的要点，目的在使天衡的低昂有次第，并使枢轮的擒纵能够确切的运动。为了达到这些功用，并使天衡作动的力量主要是用来拉引天关，而非左天锁，其关键在天关之构形的设计，其与枢轮间的运动接头是一凸轮副。由《新仪象法要》中（图4-3）可知，天关为一截面为“ㄑ”形的横杆，南北方向置于枢轮上方，于西边的下缘以一连杆与天衡西端相连。如此，当天衡上扬时，西边先拨动枢轮时其略向右转，使左天锁与枢轮之间受力减少、甚至不受力，左天锁便轻易被上拉，此时天关西边恰掠过枢轮，故枢轮因而左转，左转后枢轮又碰击天关东边下缘，使天衡低倾，天关与左天锁再拒枢轮次轮辐，故枢轮因而右转再为右天锁拒止，此时天衡机构又回到平衡状态。如此周而复始，天衡机构的运动紧凑有序。《新仪象法要》卷下之描述为：“天衡一，在枢轮之上中为铁关轴于东天柱间横桄上，为驼峰。植两铁颊以贯其轴，常使转动。天权一，挂于天衡尾；天关一，挂于脑。天条一（即铁鹤膝也），缀于权里右垂（长短随枢轮高下）。天衡关舌一，末为铁关轴，寄安于平水壶架南北桄上，常使转动，首缀于天条，舌动则关起。左右天锁各一，末皆为关轴，寄安左右天柱横桄上，东西相对以拒枢轮之辐。”（苏颂，1983）125
定时秤漏装置是采用反复积累能量、定时释放能量的方式，可调节二级浮箭漏均匀的流速，以控制秤漏的周期摆动频率，使水轮杠杆擒纵机构保持精确与规律性的间歇运动，来达到准确计时作用。《新仪象法要》之仪象运水法对其运动有详细的描述：“水运之制始于下壶，……天池水南出渴乌，注入平水壶；由渴乌西注，入枢轮受水壶。受水壶之东与铁枢衡格叉相对，格叉以距受水壶。壶虚，即为格叉所格，所以能受水。水实，即格叉不能胜壶，故格叉落，格叉落即壶侧铁拨击开天衡关舌，挚动天条；天条动，则天衡起，发动天衡关；左天锁开，即放枢轮一辐过；一辐过，即枢轮动。……已上枢轮一辐过，则左天锁及天关开；左天锁及天关开，则一受水壶落入退水壶；一壶落，则关锁再拒次壶，激轮右回，故以右天锁拒之，使不能西也。每受水一壶过，水落入退水壶，由下窍北流入升水下壶。再动河车运水入上水壶，周而复始。”（苏颂，1983）127-129
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