機械設計中，重力平衡有哪些方法,？

羅羅日記

1．四處尋找

在做三坐標測量機的時候,，Z軸的設計采用了直線電機驅動。

因為直驅有傳動鏈短,，剛性足的好處,，這有利于運動控制。

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

又因為行程太大,，需要500毫米,，所以選了很久，也沒選到合適的平衡器,。

首先，質量平衡法一開始就被拋棄了,，因為太重了,，我們的目的是要做小，做輕,。

當然,，質量平衡法，也還有其他缺點,，比如應答特性差,，需要定期維護等。

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

例如，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,，因為其彈簧系數(shù)是0.03N/mm，整個行程中,，彈力變化14.8N,，加上初始長度力1.5N，總共也才16.3N,，太小了,，不滿足35Kg重量平衡的要求。

通常情況下,，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，最好是力不隨位移變化而變化,，也就是恒力,。

說到恒力，恒力彈簧（Constant Spring）看起來是個不錯的選擇,，但是,，因為目前的大行程可選型號還是太少了,，而且標準型號提供的力通常不是需要的，需要定制,。

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

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

怎么辦呢？再去搜尋,。

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

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

之所以充入氮氣,，是因為氮氣穩(wěn)定，不發(fā)生爆炸,，無色無味也沒有毒,，總之就是安全，當然還有一點,，就是獲取氮氣比較經濟,。

其實，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,，氮氣彈簧一般初始壓力比較大，主要應用于模具領域。

如果你對氣體彈簧基本理論感興趣,，可以在我公眾號后臺回復“氣體彈簧”,，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,，出力的計算方法,，也包含了不是標準初始充氣時，出力的計算方法和算例,。

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

但是,，也就是因為他家彈簧初始載荷太大，所以也不適合用在我們的案例中,。

雖然后面,，我們有和供應商見面聊需求，希望減小初始壓力,，但是,，他們還是說初始壓力不能減小，因為會影響產品的表現(xiàn),。

也罷,，畢竟他家產品主要是用于機床平衡的。

2．開始有點眉目

所以,，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品，來自Airpot的: 空氣軸承氣缸,。

那么,，什么是空氣軸承氣缸？

我們知道,，普通氣缸的原理是,，氣缸活塞和氣缸內壁之間需要密封，以保證通氣時,，氣壓推動活塞運動,。

空氣軸承氣缸與普通氣缸的不同之處在于，氣缸活塞和氣缸內壁之間不密封,。

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

Airpel-AB系列氣缸，結構上還有一些特點,，氣缸外側分為內外兩層,，外層用不銹鋼做的,，內層采用派萊克斯玻璃,，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）,，吸水性低的特點,。

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

另外,，氣缸活塞是用石墨做的,，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,，就會在活塞周圍產生真正的空氣軸承氣流效果,。

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

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

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

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

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

就在定制設計期間,，我又發(fā)現(xiàn)了另外一種產品,，它實質上也是氣缸。

只不過沒有活塞桿,，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）,。

其原理和傳統(tǒng)氣缸一樣,。

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

另外,，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,。

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

有產品適合我們的應用，比如Tolomatic的SA15,，在0.4Mpa時,，提供的力是448.7N，設計余量約為28%＝（448.7－350）/350。

最后,，我們的決定是先買一個鋼繩氣缸,，因為不用定制，可以很快到貨,，用來測試,。

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

另外,，磁性彈簧和空氣軸承氣缸，我們也在和供應商洽談定制產品,。

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

3.總結一下

重力平衡系統(tǒng),，目前常用的有6種方法,。

第一，  質量塊配重

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

這種方法常用在老式機床上,。

第二，傳統(tǒng)機械式拉簧

好處是設計簡單,，價格便宜,，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,，力變化范圍大，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,，另外重量變化時也需要更換彈簧,。

第三，恒力彈簧

恒力彈簧有很多優(yōu)點,，比如省空間,，重量輕，行程大等,。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。

第四,，磁性彈簧

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

缺點就是,，力的大小不是很大,，目前有供應商可以做到60N的平衡力，行程也最多可以做到350毫米,。

磁性彈簧,，可以用在大部分平衡系統(tǒng)中。

第五,，氮氣平衡器

氮氣平衡法有高重量平衡,，大行程，高可靠性等優(yōu)點,，因為初始壓力大,，平衡重量高,，一般用于機床和模具領域,。

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,，最大的好處是行程可以很長,，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,。

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

當然,，缺點也很明顯,，就是可能在某些地方漏氣，發(fā)生意外,，可靠性不是很高,，同時，也需要經常維護,，且需要通壓縮空氣,，導致消耗能源，成本高,。

4.題外話

最后說個題外話,，在做氣體彈簧調研時，我發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,。

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

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

這里也可以看出,，他們對競爭對手是十分了解的,，應該是把對手的產品目錄研究了個遍，然后建立了數(shù)據庫,，這一思維太厲害了,。

對了，關于重力平衡方法,，我寫了個PPT,。

你可以在我公眾號后臺回復“重力平衡”，領取《機械設計中,，重力平衡有哪些方法,？》報告。

好了,，今天就寫到這里吧,，一家之言，難免有不恰當?shù)牡胤�,，歡迎你留言指正和補充,。

sgxap666

wsqlv

這個厲害了，值得好好學下

小小cb

這個帖子好,，系統(tǒng)的分析了,，也有很多我不知道的

羅羅日記

|wsqlv發(fā)表于 12-11 08:30這個厲害了,，值得好好學下

歡迎來公眾號做客: 羅羅日記

huxiaohua6140

這個不錯，跟我想法類似,，我就是用氣彈簧來做質量平衡的,。不過我用的是最普通的氣彈簧，便宜,。

遠祥

這種配件高大上了,，我們這邊最常用的就是增加配重塊，是設備重心偏移,。

那一抹星空

學習學習,，謝謝了

求知求學者

厲害

羅羅日記

|小小cb發(fā)表于 12-11 08:54這個帖子好，系統(tǒng)的分析了,，也有很多我不知道的

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