機(jī)械設(shè)計(jì)中，重力平衡有哪些方法？

羅羅日記

1．四處尋找

在做三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的時(shí)候，Z軸的設(shè)計(jì)采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

因?yàn)橹彬?qū)有傳動(dòng)鏈短，剛性足的好處，這有利于運(yùn)動(dòng)控制。

但是直驅(qū)Z軸，沒(méi)有自鎖性，為了防止斷電時(shí)運(yùn)動(dòng)軸下落，所以需要加一個(gè)重力平衡器（Counterbalance）。

又因?yàn)樾谐烫�大，需�?00毫米，所以選了很久，也沒(méi)選到合適的平衡器。

首先，質(zhì)量平衡法一開(kāi)始就被拋棄了，因?yàn)樘�重了，我們的目的是要做小，做輕。

當(dāng)然，質(zhì)量平衡法，也還有其他缺點(diǎn)，比如應(yīng)答特性差，需要定期維護(hù)等。

再者，機(jī)械拉簧（Extension Spring）是不可能了，因?yàn)樾谐檀蟮妮d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?yàn)槠鋸椈上禂?shù)是0.03N/mm，整個(gè)行程中，彈力變化14.8N，加上初始長(zhǎng)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(lái)做平衡器，因?yàn)槠胶馄饕�求彈簧系�?shù)越小越好，最好是力不隨位移變化而變化，也就是恒力。

說(shuō)到恒力，恒力彈簧（Constant Spring）看起來(lái)是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是，因?yàn)槟壳暗拇笮谐炭蛇x型號(hào)還是太少了，而且標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)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(lái)自Linmot的磁性彈簧，這次也無(wú)法發(fā)揮其作用了，因?yàn)橐矝](méi)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(dá)到60N，而我們需要的力達(dá)到350N。

怎么辦呢？再去搜尋。

發(fā)現(xiàn)了一家做機(jī)床平衡器的廠家，Pascal，他們專(zhuān)門(mén)供應(yīng)氮?dú)馄胶馄?/strong>（N2 Gas Balancer）。

其原理是在密閉的缸徑中充入氮?dú)猓�形成初始�(jí)毫�，�?dāng)活塞桿被壓縮時(shí)，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(lái)達(dá)到平衡重力的作用。

之所以充入氮?dú)�，是因�(yàn)榈獨(dú)夥�(wěn)定，不發(fā)生爆炸，無(wú)色無(wú)味也沒(méi)有毒，總之就是安全，當(dāng)然還有一點(diǎn)，就是獲取氮?dú)獗容^經(jīng)濟(jì)。

其實(shí)，氮?dú)馄胶馄鞯脑�理和氮�(dú)鈴椈墒且粯拥�，區(qū)別僅在于初始?jí)毫Σ煌�，氮�(dú)鈴椈梢话愠跏級(jí)毫Ρ容^大，主要應(yīng)用于模具領(lǐng)域。

如果你對(duì)氣體彈簧基本理論感興趣，可以在我公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“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(shí)，出力的計(jì)算方法，也包含了不是標(biāo)準(zhǔn)初始充氣時(shí)，出力的計(jì)算方法和算例。

拿這個(gè)廠家型號(hào)為DNG20C的氮?dú)馄胶馄鱽?lái)舉例，充入氣壓是3.5Mpa時(shí)，其初始載荷是1.1kN，滿行程800毫米時(shí)，其載荷是1.2kN。

但是，也就是因?yàn)樗�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(yīng)商見(jiàn)面聊需求，希望減小初始?jí)毫�，但是，他們還是說(shuō)初始?jí)毫Σ荒軠p小，因?yàn)闀?huì)影響產(chǎn)品的表現(xiàn)。

也罷，畢竟他家產(chǎn)品主要是用于機(jī)床平衡的。

2．開(kāi)始有點(diǎn)眉目

所以，后面又通過(guò)搜索，發(fā)現(xiàn)了另外一種可以用來(lái)平衡重力的產(chǎn)品，來(lái)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(nèi)壁之間需要密封，以保證通氣時(shí)，氣壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。

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。

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(guò)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(chǎn)生空氣浮力，支撐活塞桿），加之截面正壓力的推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)，這點(diǎn)類(lèi)似于空氣軸承，所以叫空氣軸承氣缸。

Airpel-AB系列氣缸，結(jié)構(gòu)上還有一些特點(diǎn)，氣缸外側(cè)分為內(nèi)外兩層，外層用不銹鋼做的，內(nèi)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(diǎn)。

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

另外，氣缸活塞是用石墨做的，起到自潤(rùn)滑的作用。

如果將壓縮空氣通入空氣軸承的氣缸內(nèi)，就會(huì)在活塞周?chē)�產(chǎn)生真正的空氣軸承氣流效果。

所以，其顯著特點(diǎn)是，近乎無(wú)摩擦的動(dòng)力輸出（活塞桿球鉸鏈處有非常低的摩擦），對(duì)氣壓反應(yīng)迅速，通入3.79Kpa的壓力便可有反應(yīng)。Airpel-AB不同的產(chǎn)品型號(hào)，對(duì)應(yīng)的活塞桿和氣缸壁之間，絕對(duì)摩擦力小于1g到8g。

從理論上來(lái)看，來(lái)自Airpot的Airpel-AB系列產(chǎn)品可以用來(lái)做重力平衡，因?yàn)樗�可以把力控制得相�?dāng)精準(zhǔn)，分辨率高達(dá)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(chǎn)品型號(hào)MAB32的參數(shù)來(lái)看，在0.7Mpa供壓時(shí)，確實(shí)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(guò)來(lái)差不多有33.2Kg的力，是小于我們要求的35Kg的，所以載荷不達(dá)標(biāo)。

不過(guò)后面，我們有和他們探討，定制合適的產(chǎn)品，他們也給我們發(fā)來(lái)了圖紙和報(bào)價(jià)，價(jià)格還是比較高，作為我們的一個(gè)備選。

就在定制設(shè)計(jì)期間，我又發(fā)現(xiàn)了另外一種產(chǎn)品，它實(shí)質(zhì)上也是氣缸。

只不過(guò)沒(méi)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(chēng)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?yàn)椴恍枰�活塞桿伸出去，鋼繩可以繞滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)，Tolomatic，GREENCO，還有W.C.Branham。

有產(chǎn)品適合我們的應(yīng)用，比如Tolomatic的SA15，在0.4Mpa時(shí)，提供的力是448.7N，設(shè)計(jì)余量約為28%＝（448.7－350）/350。

最后，我們的決定是先買(mǎi)一個(gè)鋼繩氣缸，因?yàn)椴挥枚ㄖ疲�可以很快到貨，用�?lái)測(cè)試。

因?yàn)楹竺骓?xiàng)目的耽擱，最近才下單買(mǎi)了鋼繩氣缸，過(guò)一段時(shí)間就會(huì)測(cè)試了，我會(huì)跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)，到時(shí)候有測(cè)試結(jié)果我會(huì)貼上來(lái)。

另外，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。

我個(gè)人比較傾向于磁性彈簧，因?yàn)樗�不用提供能源，是被�?dòng)式平衡器，相比于氣缸來(lái)說(shuō)可靠性要高一些，也不消耗那么多能源。

3.總結(jié)一下

重力平衡系統(tǒng)，目前常用的有6種方法。

第一，  質(zhì)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(diǎn)是可以配高重量，缺點(diǎn)是質(zhì)量變化后需要修改配重塊的重量，不適合高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)，另外很占空間，對(duì)磨損敏感，需要定期維護(hù)。

這種方法常用在老式機(jī)床上。

第二，傳統(tǒng)機(jī)械式拉簧

好處是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是不完全平衡，因?yàn)榱﹄S位移變化而變化，特別是較大行程使用時(shí)，力變化范圍大，太大的行程往往沒(méi)有合適的彈簧。

且彈簧用久了有疲勞問(wèn)題，另外重量變化時(shí)也需要更換彈簧。

第三，恒力彈簧

恒力彈簧有很多優(yōu)點(diǎn)，比如省空間，重量輕，行程大等。但是缺點(diǎn)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(dòng)平衡無(wú)需能源，免維護(hù)，高可靠性，且力和位置關(guān)系也接近線性(因?yàn)椴牧霞肮�差控制的原因，大約有+/-5%的力波動(dòng)范圍)，因?yàn)槠湓�理是，通過(guò)永磁場(chǎng)和鐵心的吸引來(lái)提供平衡力。

缺點(diǎn)就是，力的大小不是很大，目前有供應(yīng)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?dú)馄胶馄?/strong>

氮?dú)馄胶夥ㄓ懈咧亓科胶�，大行程，高可靠性等�?yōu)點(diǎn)，因?yàn)槌跏級(jí)毫Υ�，平衡重量高，一般用于機(jī)床和模具領(lǐng)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(zhǎng)，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(guò)壓力來(lái)調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)幾乎連續(xù)的控制。

當(dāng)然，缺點(diǎn)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(shí)，也需要經(jīng)常維護(hù)，且需要通壓縮空氣，導(dǎo)致消耗能源，成本高。

4.題外話

最后說(shuō)個(gè)題外話，在做氣體彈簧調(diào)研時(shí)，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象。

品牌KALLER做了一個(gè)氮?dú)鈴椈蓴?shù)據(jù)庫(kù)，里面包含有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的名單和數(shù)據(jù)。

直接在其網(wǎng)站上就可以選擇對(duì)手的型號(hào)，然后他們會(huì)推薦自家匹配的型號(hào)給你，大大減少了工作量。

這里也可以看出，他們對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是十分了解的，應(yīng)該是把對(duì)手的產(chǎn)品目錄研究了個(gè)遍，然后建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，這一思維太厲害了。

對(duì)了，關(guān)于重力平衡方法，我寫(xiě)了個(gè)PPT。

你可以在我公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“重力平衡”，領(lǐng)取《機(jī)械設(shè)計(jì)中，重力平衡有哪些方法？》報(bào)告。

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

sgxap666

wsqlv

這個(gè)厲害了，值得好好學(xué)下

小小cb

這個(gè)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(gè)厲害了，值得好好學(xué)下

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huxiaohua6140

這個(gè)不錯(cuò)，跟我想法類(lèi)似，我就是用氣彈簧來(lái)做質(zhì)量平衡的。不過(guò)我用的是最普通的氣彈簧，便宜。

遠(yuǎn)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(shè)備重心偏移。

那一抹星空

學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，謝謝了

求知求學(xué)者

厲害

羅羅日記

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

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