1．四處尋找

在做三坐標(biāo)測量機的時候廓块，Z軸的設(shè)計采用了直線電機驅(qū)動厢绝。

因為直驅(qū)有傳動鏈短，剛性足的好處带猴，這有利于運動控制昔汉。

但是直驅(qū)Z軸，沒有自鎖性拴清，為了防止斷電時運動軸下落靶病，所以需要加一個重力平衡器（Counterbalance）。

又因為行程太大口予，需要500毫米娄周，所以選了很久，也沒選到合適的平衡器苹威。

首先昆咽，質(zhì)量平衡法一開始就被拋棄了，因為太重了牙甫，我們的目的是要做小掷酗，做輕。

當(dāng)然窟哺，質(zhì)量平衡法泻轰，也還有其他缺點，比如應(yīng)答特性差且轨，需要定期維護等浮声。

再者，機械拉簧（Extension?Spring）是不可能了旋奢，因為行程大的載荷小泳挥，載荷大的行程又不夠，或者彈簧力變化范圍太大了至朗。

例如屉符，目前我了解到最大行程有494mm的拉簧，但是它最大載荷也只有16.3N锹引，因為其彈簧系數(shù)是0.03N/mm矗钟，整個行程中，彈力變化14.8N嫌变，加上初始長度力1.5N吨艇，總共也才16.3N，太小了腾啥，不滿足35Kg重量平衡的要求东涡。

通常情況下冯吓，拉簧也不適合用來做平衡器，因為平衡器要求彈簧系數(shù)越小越好软啼，最好是力不隨位移變化而變化桑谍，也就是恒力。

說到恒力祸挪，恒力彈簧（Constant?Spring）看起來是個不錯的選擇锣披，但是，因為目前的大行程可選型號還是太少了贿条，而且標(biāo)準(zhǔn)型號提供的力通常不是需要的雹仿，需要定制。

例如整以，Leespring胧辽，行程大于500毫米的恒力彈簧中，大部分力都小于48N公黑，即使最大載荷也只有16.5lb=74.8N邑商。

然后，常用的來自Linmot的磁性彈簧凡蚜，這次也無法發(fā)揮其作用了人断，因為也沒有這么大行程的，目前朝蜘，可以選擇到的最大行程也就350mm恶迈，而且力最大也只能達到60N，而我們需要的力達到350N谱醇。

怎么辦呢暇仲？再去搜尋。

發(fā)現(xiàn)了一家做機床平衡器的廠家副渴，Pascal奈附，他們專門供應(yīng)氮氣平衡器（N2 Gas Balancer）。

其原理是在密閉的缸徑中充入氮氣煮剧，形成初始壓力桅狠，當(dāng)活塞桿被壓縮時，密閉缸體中氣體遵循氣體狀態(tài)方程轿秧，也就是玻義耳定律（Boyles‘s Law），來達到平衡重力的作用咨堤。

之所以充入氮氣菇篡，是因為氮氣穩(wěn)定，不發(fā)生爆炸一喘，無色無味也沒有毒驱还，總之就是安全嗜暴，當(dāng)然還有一點，就是獲取氮氣比較經(jīng)濟议蟆。

其實闷沥，氮氣平衡器的原理和氮氣彈簧是一樣的，區(qū)別僅在于初始壓力不同咐容，氮氣彈簧一般初始壓力比較大舆逃，主要應(yīng)用于模具領(lǐng)域。

如果你對氣體彈簧基本理論感興趣戳粒，可以在我公眾號后臺回復(fù)“氣體彈簧”路狮，我給你一份原汁原味的文檔《氣體彈簧基本理論》，里面包含了氣體彈簧在特定行程時蔚约，出力的計算方法奄妨，也包含了不是標(biāo)準(zhǔn)初始充氣時，出力的計算方法和算例苹祟。

拿這個廠家型號為DNG20C的氮氣平衡器來舉例砸抛，充入氣壓是3.5Mpa時，其初始載荷是1.1kN树枫，滿行程800毫米時直焙，其載荷是1.2kN。

但是团赏，也就是因為他家彈簧初始載荷太大箕般，所以也不適合用在我們的案例中。

雖然后面舔清，我們有和供應(yīng)商見面聊需求淘太，希望減小初始壓力翠忠，但是，他們還是說初始壓力不能減小，因為會影響產(chǎn)品的表現(xiàn)瘤运。

也罷，畢竟他家產(chǎn)品主要是用于機床平衡的飒责。

2．開始有點眉目

所以修械，后面又通過搜索，發(fā)現(xiàn)了另外一種可以用來平衡重力的產(chǎn)品故响，來自Airpot的:?空氣軸承氣缸傀广。

那么，什么是空氣軸承氣缸彩届？

我們知道伪冰，普通氣缸的原理是，氣缸活塞和氣缸內(nèi)壁之間需要密封樟蠕，以保證通氣時贮聂，氣壓推動活塞運動靠柑。

空氣軸承氣缸與普通氣缸的不同之處在于，氣缸活塞和氣缸內(nèi)壁之間不密封吓懈。

取而代之的是歼冰，它們之間有非常微小的間隙，通氣后耻警，氣體流過此間隙隔嫡，形成支撐活塞桿的壓力（最小通入34.47Kpa的壓力氣體，才可以產(chǎn)生空氣浮力榕栏，支撐活塞桿）畔勤，加之截面正壓力的推動，從而實現(xiàn)活塞桿無摩擦運動扒磁，這點類似于空氣軸承庆揪，所以叫空氣軸承氣缸。

Airpel-AB系列氣缸妨托，結(jié)構(gòu)上還有一些特點缸榛，氣缸外側(cè)分為內(nèi)外兩層，外層用不銹鋼做的兰伤，內(nèi)層采用派萊克斯玻璃内颗，Pyrex（常用的餐具玻璃），這種玻璃具有熱膨脹系數(shù)低（3.25 um/m/°C）敦腔，吸水性低的特點均澳。

這兩個特點，使得內(nèi)壁具有很好的尺寸穩(wěn)定性符衔，從而可以通過研磨活塞找前，使得活塞與玻璃層內(nèi)壁具有相當(dāng)小的間隙。

另外判族，氣缸活塞是用石墨做的躺盛，起到自潤滑的作用。

如果將壓縮空氣通入空氣軸承的氣缸內(nèi)形帮，就會在活塞周圍產(chǎn)生真正的空氣軸承氣流效果槽惫。

所以，其顯著特點是辩撑，近乎無摩擦的動力輸出（活塞桿球鉸鏈處有非常低的摩擦）界斜，對氣壓反應(yīng)迅速，通入3.79Kpa的壓力便可有反應(yīng)合冀。Airpel-AB不同的產(chǎn)品型號锄蹂，對應(yīng)的活塞桿和氣缸壁之間，絕對摩擦力小于1g到8g水慨。

從理論上來看得糜，來自Airpot的Airpel-AB系列產(chǎn)品可以用來做重力平衡，因為它可以把力控制得相當(dāng)精準(zhǔn)晰洒，分辨率高達0.5g朝抖，也就是0.005N，力的控制范圍也從2g到58Kg谍珊，也就是0.02N到580N治宣。

從產(chǎn)品型號MAB32的參數(shù)來看，在0.7Mpa供壓時砌滞，確實可以提供581N的平衡力侮邀。

但是，我們這邊只能提供0.4Mpa的壓力贝润，折算過來差不多有33.2Kg的力绊茧，是小于我們要求的35Kg的，所以載荷不達標(biāo)打掘。

不過后面华畏，我們有和他們探討，定制合適的產(chǎn)品尊蚁，他們也給我們發(fā)來了圖紙和報價亡笑，價格還是比較高，作為我們的一個備選横朋。

就在定制設(shè)計期間仑乌，我又發(fā)現(xiàn)了另外一種產(chǎn)品，它實質(zhì)上也是氣缸琴锭。

只不過沒有活塞桿晰甚，取而代之的是一根鋼繩連接在氣缸活塞上，所以這種氣缸稱為線繩氣缸（Cable Cylinder）祠够。

其原理和傳統(tǒng)氣缸一樣压汪。

線繩氣缸相比于傳統(tǒng)氣缸，最大的好處就是節(jié)省空間古瓤，因為不需要活塞桿伸出去止剖，鋼繩可以繞滑輪轉(zhuǎn)動，大概可以節(jié)省一半的空間落君。

另外穿香，鋼繩可以在任意角度和滑輪相切，所以氣缸的安裝位置和角度也比較靈活绎速。

我找到的比較知名的廠家有三個皮获，Tolomatic，GREENCO纹冤，還有W.C.

Branham洒宝。

有產(chǎn)品適合我們的應(yīng)用购公，比如Tolomatic的SA15，在0.4Mpa時雁歌，提供的力是448.7N宏浩，設(shè)計余量約為28%＝（448.7－350）/350。

最后靠瞎，我們的決定是先買一個鋼繩氣缸比庄，因為不用定制，可以很快到貨乏盐，用來測試佳窑。

因為后面項目的耽擱，最近才下單買了鋼繩氣缸父能，過一段時間就會測試了神凑，我會跟蹤測試數(shù)據(jù)，到時候有測試結(jié)果我會貼上來法竞。

另外耙厚，磁性彈簧和空氣軸承氣缸，我們也在和供應(yīng)商洽談定制產(chǎn)品岔霸。

我個人比較傾向于磁性彈簧薛躬，因為它不用提供能源，是被動式平衡器呆细，相比于氣缸來說可靠性要高一些型宝，也不消耗那么多能源。

3.總結(jié)一下

重力平衡系統(tǒng)絮爷，目前常用的有6種方法趴酣。

[if !supportLists]第一，? [endif]質(zhì)量塊配重

需要滾輪和鏈條或者鋼繩坑夯，這種配重方法的優(yōu)點是可以配高重量岖寞，缺點是質(zhì)量變化后需要修改配重塊的重量，不適合高動態(tài)的運動柜蜈，另外很占空間仗谆，對磨損敏感，需要定期維護淑履。

這種方法常用在老式機床上隶垮。

第二，傳統(tǒng)機械式拉簧

好處是設(shè)計簡單秘噪，價格便宜狸吞，缺點是不完全平衡，因為力隨位移變化而變化，特別是較大行程使用時蹋偏，力變化范圍大便斥，太大的行程往往沒有合適的彈簧。

且彈簧用久了有疲勞問題威始，另外重量變化時也需要更換彈簧椭住。

?

第三，恒力彈簧

恒力彈簧有很多優(yōu)點字逗，比如省空間，重量輕宅广，行程大等葫掉。但是缺點就是提供的力不是很大，用在低重量平衡中比較適合跟狱。

第四俭厚，磁性彈簧

磁性彈簧最大的好處是，被動平衡無需能源驶臊，免維護挪挤，高可靠性，且力和位置關(guān)系也接近線性(因為材料及公差控制的原因关翎，大約有+/-5%的力波動范圍)扛门，因為其原理是，通過永磁場和鐵心的吸引來提供平衡力纵寝。

缺點就是论寨，力的大小不是很大，目前有供應(yīng)商可以做到60N的平衡力爽茴，行程也最多可以做到350毫米葬凳。

磁性彈簧，可以用在大部分平衡系統(tǒng)中室奏。

第五火焰，氮氣平衡器

氮氣平衡法有高重量平衡，大行程胧沫，高可靠性等優(yōu)點昌简，因為初始壓力大，平衡重量高琳袄，一般用于機床和模具領(lǐng)域江场。

第六，氣缸平衡方法（包括普通氣缸和鋼繩氣缸）

氣缸平衡方法窖逗，最大的好處是行程可以很長址否，比如鋼繩氣缸，行程可以做到7112毫米，這是其他方法所不能比的佑附。

而且平衡力可以通過壓力來調(diào)節(jié)樊诺，來實現(xiàn)幾乎連續(xù)的控制。

當(dāng)然音同，缺點也很明顯词爬，就是可能在某些地方漏氣，發(fā)生意外权均，可靠性不是很高顿膨，同時，也需要經(jīng)常維護叽赊，且需要通壓縮空氣恋沃，導(dǎo)致消耗能源，成本高必指。

4.題外話

最后說個題外話囊咏，在做氣體彈簧調(diào)研時，我發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象塔橡。

品牌KALLER做了一個氮氣彈簧數(shù)據(jù)庫梅割，里面包含有競爭對手的名單和數(shù)據(jù)。

直接在其網(wǎng)站上就可以選擇對手的型號葛家，然后他們會推薦自家匹配的型號給你户辞，大大減少了工作量。

這里也可以看出惦银，他們對競爭對手是十分了解的咆课，應(yīng)該是把對手的產(chǎn)品目錄研究了個遍，然后建立了數(shù)據(jù)庫扯俱，這一思維太厲害了书蚪。

對了，關(guān)于重力平衡方法迅栅，我寫了個PPT殊校。

你可以在我公眾號后臺回復(fù)“重力平衡”，領(lǐng)取《機械設(shè)計中读存，重力平衡有哪些方法为流？》報告。

公眾號：羅羅日記让簿。

好了敬察，今天就寫到這里吧，一家之言尔当，難免有不恰當(dāng)?shù)牡胤搅觯瑲g迎你留言指正和補充。