张衡创制浑天仪的成功，是在公元117年 （汉安帝元初4年），那时他 四十岁。为了制造这架仪器，张衡耗费了很多心血，先后用了一年多的时间。 在铸造正式的浑天仪之前，他经过了仔细的研究和观察，设计出了一个图案， 然后用竹条劈成薄薄的竹蔑，把这些竹蔑刻上度数，再把它们编成圆环，穿 联起来，制成一个仪器的模型以作为试验。经过多次修改试验准确了，然后 再用铜铸成正式仪器。因为这个仪器是根据浑天说的理论来制造的，所以张 衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”，铜铸的就定名为“浑天仪”。
据史书记载，这座铜铸浑天仪主体是一个球体模型，代表天球，每弧度 长为4分，圆周长为一丈4尺6寸1分，直径4尺6寸5分。球体里面有个 铁轴贯穿球心，轴的方向就是天球运转的方向，也是地球自转轴的方向。轴 和球面有两个交点——天球上的北极与南极。北极高出地平线36度，表示当 时京师洛阳的地理纬度。球的表面上刻有28宿和中外星官。球的外面有地平 圈和子午圈，天球半露在地平圈之下，天轴即支架在子午圈之上。另外还有 黄道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黄道上，各列有24个节气， 并且从冬至点起，刻分成365．25度，每度又分4格，太阳每天在黄道上移 一度。
为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡把浑天仪和计时用的漏壶联 系起来。滴漏壶是我们祖先用来测知时刻的仪器，它用一个特制的器皿装水， 这器皿下面有小孔，水通过小孔，一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，因而 可以由壶里水的深浅知道是什么时刻。张衡就是利用漏壶滴水的力量来推动 齿轮，齿轮再带动浑天仪，通过恰当地选择齿轮的个数和齿数，巧妙地使浑 象一昼夜转动一周。这样，他就使浑天仪上所刻的天文现象，按时刻自动地 呈现出来。人们要想知道某天某时刻的某颗星所在的位置，只需在屋子里看 浑天仪便知。某颗星出现了，某颗星正在中天，某颗星不见了，这些现象， 同真正的天象完全一样。
浑天仪的贡献是巨大的。首先它把观测天象所在地的地理位置跟天球联 系起来。现在我们已经知道，一个地方的地理纬度等于该地的北极出地高度。 根据后人《浑天仪图注》的说明：“北极乃天之中也，在正北出地36度。” 拿浑天仪上的36度折算现今地理纬度，恰好跟洛阳地区的纬度很相近；其 次，浑天仪上的周天365．25度跟东汉当时的《四分历》所用的岁实365．25 天完全吻合。同时，张衡在浑天仪上所用的黄、赤交角24度也是很接近实际 的；再次，《浑天仪图注》里说：“各分赤道、黄道为24气，一气相去15 度16分之七，每一气者黄道进退一度焉。……三气一节，故46日而差令3 度也。”这3气1节差3度，即黄、赤道差的计算法，一直到隋代都没有改 变，这是张衡的在历法上一项重要贡献。
浑天仪应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。水运浑象 实质上还可以被认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。此 后，张衡还采用漏壶的原理，创造了另外一种仪器，叫做“瑞轮■荚”。这 个瑞轮■荚装有机械，接联在漏壶上，也依靠水力转动。它能够按照阴历上 的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序，一次又一次地循环旋转开合着。 因为在瑞轮上从每月初一起，每天转出一片■荚来，这样到十五日共出现十 五片；然后每天再转入一片，到月底落完。瑞轮■荚可以表示日期，又能告 诉人们月亮的圆缺变化。张衡制造的瑞轮■荚，在世界科学史上算是第一架 具备了机械能的计时器，以后经唐朝的一行、梁令瓒和宋朝的张思训、苏颂、 韩公廉等人的改进和发展，终于制成了世界上最早的天文钟。在1800多年 前，我国就能够制造出这样复杂而精巧的仪器，是很值得我们自豪的。
张衡创制的浑天仪原来被安放在东汉政府观察天象的地方——灵台，一 直保存到魏晋时代。西晋末年发生战乱，浑天仪被移往长安。公元418年， 刘裕率军攻进长安城，获得了这架仪器，但已经残缺不全。此后，它就不知 下落了。
幸亏曾经有人替浑天仪写了两部说明书，一部是《浑天仪图注》，另一 部是《漏水转浑天仪注》。这两部说明书各有一部分保存下来，使后人可以 按照其中的说法，重新制造出浑天仪来。
南朝宋文帝元嘉13年（公元436年），太史令钱乐之曾铸造浑仪和小浑 天，和张衡的浑天仪大体相同；唐朝初年，李淳风、梁令瓒等人重新改制了 浑天仪；北宋苏颂、元代郭守敬都相继制造浑天仪。他们在制法上都有改进， 机械的精巧程度也是一代胜过一代。现今陈列在南京紫金山天文台的浑天仪 是明朝正统3年（公元1438年）钦天监监正皇甫仲仿照元朝郭守敬的浑天仪 造成的。
六、博学多能、全面发展的科学家
天文、历法和数学有着紧密的联系。张衡在天文学方面连连获得成功的 同时，在数学方面也做出了卓越的贡献。
张衡写过一本叫《算罔论》的数学著作，大约是综述当时算学上各类问 题的一种古算通论。可惜 《算罔论》早已失传，我们无法确知它的内容。不 过张衡对算学很有研究，这一点是不容置疑的，我们从三国时代魏国的数学 家刘徽所著作《九章·算术注》引用的《算罔论》中的话便可以知道。
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