作为事实上的钦天监监正，南怀仁还要负责制造天文仪器，修建新观象台等工作——这也是南怀仁为中国天文学的发展作出许多贡献中的主要的一个方面。汤若望在编制历法时，采用了欧洲先进的360度制和60进位制，将一天的时间分为96刻度，代替了以往中国一天分为100刻度的做法，这使中国过去传统的天文仪器不再适用。而且徐光启制造的仪器多为木质，所以南怀仁向朝廷提出制造天文仪器的计划。他在强调仪器在制订历法中的重要性时说：“历之理，由此得以精；历之法，由此得以密。……故作历者，舍测候之仪，而欲求历明效大验，甍由也。”
康熙八年（1669）六月，清政府批准了南怀仁的计划，从此他担当起重新制作仪器的重任。经南怀仁制造的仪器共有五十三件，其中几件专供皇帝使用，所以制作极其精细，上面缀以龙纹。有六件仪器专为北京观象台所制，康熙十二年（1673）观象台建成，新仪器安装完毕，其中包括：黄道经纬仪、赤道经纬仪、地平经仪、地平纬仪、纪限仪和天球仪。但这还不是结束，南怀仁于康熙十三年又编写了《灵台仪象志》，以解释新天文仪器的结构、原理，以及安装、使用方法。与当时欧洲先进的观测仪器相比，这些仪器相对落后一些，但比起传统的中国仪器还算是进步的——毕竟南怀仁不是专业的天文学家。中国的天文学家就是利用这些仪器，进行了二百多年的观测工作，南怀仁可谓是功不可没。《灵台仪象志》中还记载了对中国人来说是很新奇的物理知识和仪器，例如，他称为“垂线球仪”的单摆，他还介绍了伽利略发现的振动原理——如今已是初中物理课本的内容了。书中，南怀仁还介绍了温度计、湿度计，光的折射定律，光的色散现象等。
康熙年间北京观象台的仪器布局
南怀仁另一个重要的科学贡献是他于康熙十七年（1678）编纂了《康熙永年表》。借助于该表，每年历书可以方便地算出，日月蚀的日期也可准确地推算出来。
南怀仁制造的天体仪
南怀仁制造的黄道经纬仪
南怀仁制造的赤道经纬仪
南怀仁的天文学理论遵从的还是第谷理论，即认为太阳围绕着地球转动，而五大行星（水、金、火、木、土）围着太阳转。当时哥白尼的太阳中心理论已经提出，所以有人指责传教士们，说他们向中国输出的是过时的落伍科学。其实，这种责难并不客观。事实上，哥白尼自从1514年有过“日心说”的猜想——只是一种天才的猜想，一直不敢公开发表，因为他也心里没底。而第谷的宇宙体系是占有绝对的统治地位的，欧洲各大学讲授的也都是他的理论。当时，大部分科学家也拒绝哥白尼的学说，大家不能想象如此巨大的地球会飞速地围绕太阳在运动着。直到1609年伽利略用他的望远镜对木星进行观测时，才确认哥白尼的理论是正确的。但是，伽利略于1616年被宗教裁判所指控为“异端”，1633年再次被判处监禁，他也不得不在宗教法庭上宣称放弃自己的科学信念。作为罗马天主教忠实信徒的耶稣会士——他们的身份首先是教士，其次才是从事科学的人，自然不能违背教廷。而且由于当时交通的限制，中国与欧洲的沟通十分不便，根本无法得到欧洲最新的信息，直到1761年，哥白尼学说才由蒋友仁引入到中国。
位于北京建国门附近的古观象台
南怀仁制造的地平经仪和地平纬仪
南怀仁于康熙八年（1669）制造的浑天仪
南怀仁制造的纪限仪(www.xing528.com)
北京古观象台上的象限仪是南怀仁于1674年制造的
更为重要的一点，他们是传教士，主要的任务是传教。
但是，南怀仁绝对是个出色的工程师，他的火炮——晚年他曾试图制造曲射炮，但未成功，他的自动车，即使对现代人都是一直有吸引力的。
从南怀仁负责钦天监起，各种任务就压在他的身上，以至他向老友抱怨说：“我曾希望随着时间的推移，我的工作压力会有所减轻，可是到现在我的工作还是重得让人透不过气来，甚至我的上司必须免除我的日课——而且是经常的。”
朝廷中出了什么难题，人们首先想到的是——找南怀仁去。
康熙九年（1670）夏天，为修建顺治帝的孝陵所需，要将四块巨石——每块重七万斤，以及另外两块各重十二万斤的基石运过卢沟桥。可是，卢沟桥年久失修，能否禁得起如此的重压，使工部官员着实头痛。当时人们提出两个方案，一是加固桥身，二是从干涸的河床里通过，但是都没有把握。工部官员为此特意去请教南怀仁等传教士。南怀仁来到现场考察一番后认为这两个方案都不适用。因为河床的砂石经不起巨大石头的压力，必然会陷入其中。加固桥身费时费钱，似乎也不必要。他提出将巨石放在十个轮子的车上，以多个滑轮和绞盘慢慢地将其拖过桥去。以今天的物理学观点来看，他不过是利用了滑轮组的原理，将力量分散开来，轻轻松松地完成了这一难题。不过，南怀仁在此故弄玄虚，在起动前做了一番祈祷，似乎表明他是依靠天主的神迹而完成这一工作的——这大概也是他传教的需要。适逢康熙帝狩猎归来，获悉此事，立即将捕获的两只鹿赏赐给南怀仁。
康熙九年（1670），葡萄牙国王派遣使者玛肭撒尔达聂（don Emmanuel de Saldagna）至北京商议有关澳门事宜，南怀仁担任翻译。从此康熙帝对南怀仁及其他传教士日益信任。
南怀仁像
南怀仁编订历书后，康熙帝还是授他以“治理历法”，相当于钦天监监正，后来又授予太常寺卿，康熙十七年（1678）负责预测“康熙永年历法”，加通政使司通政使荣誉衔。有的神父为此诉于耶稣会会长，指责他违背四愿，羡慕荣华，自弃于同辈等等。1680年，耶稣会长奥里瓦（Oliva）神父令南怀仁除了钦天监监正之外，辞去一切其他职衔。经耶稣会中国区负责人毕嘉（JeanDominique Gabiani，1623—1696）神父的恳请，暂时先没有辞职。南怀仁遂致书耶稣会的新会长诺耶，解释他的苦衷，他并不是希图这无义的虚衔，而是借此来保护在华的传教士，并举出来他得以保护的诸多奥斯丁会、多明我会、方济各会的教友的例子。会长遂决定，以后，关于是否接受朝廷的授职，由南怀仁自行决定，不再受北京教区首领的约束。
南怀仁在南堂的居所
南怀仁虽然身居高位，但这并非他的追求，作为基督教徒，他仍然奉行其教义，以服务劳苦大众为其最高理想境界。他常对人说，如果将来有了教难发生，他一定首当其冲，绝不以官职作为护身符。他出入宫廷，或是因事外出，必身系一苦行带，或是在腰上缠一铁链，以不忘自己的基督徒身份。虽然朝廷给予他优厚的俸禄，但他拒不接受，自奉甚俭，其住处的床榻用具，都是简陋之极，和他的官位极不相称。
南怀仁书写的《新制仪象图》序
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