1．四处寻找 在做三坐标测量机的时候，Z轴的设计采用了直线电机驱动。 因为直驱有传动链短，刚性足的好处，这有利于运动控制。 但是直驱Z轴，没有自锁性，为了防止断电时运动轴下落，所以需要加一个重力平衡器（Counterbalance）。 又因为行程太大，需要500毫米，所以选了很久，也没选到合适的平衡器。 首先，质量平衡法一开始就被抛弃了，因为太重了，我们的目的是要做小，做轻。 当然，质量平衡法，也还有其他缺点，比如应答特性差，需要定期维护等。 再者，机械拉簧（Extension Spring）是不可能了，因为行程大的载荷小，载荷大的行程又不够，或者弹簧力变化范围太大了。 例如，目前我了解到最大行程有494mm的拉簧，但是它最大载荷也只有16.3N，因为其弹簧系数是0.03N/mm，整个行程中，弹力变化14.8N，加上初始长度力1.5N，总共也才16.3N，太小了，不满足35Kg重量平衡的要求。 通常情况下，拉簧也不适合用来做平衡器，因为平衡器要求弹簧系数越小越好，最好是力不随位移变化而变化，也就是恒力。 说到恒力，恒力弹簧（Constant Spring）看起来是个不错的选择，但是，因为目前的大行程可选型号还是太少了，而且标准型号提供的力通常不是需要的，需要定制。 例如，Leespring，行程大于500毫米的恒力弹簧中，大部分力都小于48N，即使最大载荷也只有16.5lb=74.8N。 然后，常用的来自Linmot的磁性弹簧，这次也无法发挥其作用了，因为也没有这么大行程的，目前，可以选择到的最大行程也就350mm，而且力最大也只能达到60N，而我们需要的力达到350N。 怎么办呢？再去搜寻。 发现了一家做机床平衡器的厂家，Pascal，他们专门供应氮气平衡器（N2 Gas Balancer）。 其原理是在密闭的缸径中充入氮气，形成初始压力，当活塞杆被压缩时，密闭缸体中气体遵循气体状态方程，也就是玻义耳定律（Boyles‘s Law），来达到平衡重力的作用。 之所以充入氮气，是因为氮气稳定，不发生爆炸，无色无味也没有毒，总之就是安全，当然还有一点，就是获取氮气比较经济。 其实，氮气平衡器的原理和氮气弹簧是一样的，区别仅在于初始压力不同，氮气弹簧一般初始压力比较大，主要应用于模具领域。 如果你对气体弹簧基本理论感兴趣，可以在我公众号后台回复“气体弹簧”，我给你一份原汁原味的文档《气体弹簧基本理论》，里面包含了气体弹簧在特定行程时，出力的计算方法，也包含了不是标准初始充气时，出力的计算方法和算例。 拿这个厂家型号为DNG20C的氮气平衡器来举例，充入气压是3.5Mpa时，其初始载荷是1.1kN，满行程800毫米时，其载荷是1.2kN。 但是，也就是因为他家弹簧初始载荷太大，所以也不适合用在我们的案例中。 虽然后面，我们有和供应商见面聊需求，希望减小初始压力，但是，他们还是说初始压力不能减小，因为会影响产品的表现。 也罢，毕竟他家产品主要是用于机床平衡的。
2．开始有点眉目 所以，后面又通过搜索，发现了另外一种可以用来平衡重力的产品，来自Airpot的: 空气轴承气缸。 那么，什么是空气轴承气缸？ 我们知道，普通气缸的原理是，气缸活塞和气缸内壁之间需要密封，以保证通气时，气压推动活塞运动。 空气轴承气缸与普通气缸的不同之处在于，气缸活塞和气缸内壁之间不密封。 取而代之的是，它们之间有非常微小的间隙，通气后，气体流过此间隙，形成支撑活塞杆的压力（最小通入34.47Kpa的压力气体，才可以产生空气浮力，支撑活塞杆），加之截面正压力的推动，从而实现活塞杆无摩擦运动，这点类似于空气轴承，所以叫空气轴承气缸。 Airpel-AB系列气缸，结构上还有一些特点，气缸外侧分为内外两层，外层用不锈钢做的，内层采用派莱克斯玻璃，Pyrex（常用的餐具玻璃），这种玻璃具有热膨胀系数低（3.25 um/m/°C），吸水性低的特点。 这两个特点，使得内壁具有很好的尺寸稳定性，从而可以通过研磨活塞，使得活塞与玻璃层内壁具有相当小的间隙。 另外，气缸活塞是用石墨做的，起到自润滑的作用。 如果将压缩空气通入空气轴承的气缸内，就会在活塞周围产生真正的空气轴承气流效果。 所以，其显著特点是，近乎无摩擦的动力输出（活塞杆球铰链处有非常低的摩擦），对气压反应迅速，通入3.79Kpa的压力便可有反应。Airpel-AB不同的产品型号，对应的活塞杆和气缸壁之间，绝对摩擦力小于1g到8g。 从理论上来看，来自Airpot的Airpel-AB系列产品可以用来做重力平衡，因为它可以把力控制得相当精准，分辨率高达0.5g，也就是0.005N，力的控制范围也从2g到58Kg，也就是0.02N到580N。 从产品型号MAB32的参数来看，在0.7Mpa供压时，确实可以提供581N的平衡力。 但是，我们这边只能提供0.4Mpa的压力，折算过来差不多有33.2Kg的力，是小于我们要求的35Kg的，所以载荷不达标。 不过后面，我们有和他们探讨，定制合适的产品，他们也给我们发来了图纸和报价，价格还是比较高，作为我们的一个备选。 就在定制设计期间，我又发现了另外一种产品，它实质上也是气缸。 只不过没有活塞杆，取而代之的是一根钢绳连接在气缸活塞上，所以这种气缸称为线绳气缸（Cable Cylinder）。 其原理和传统气缸一样。 线绳气缸相比于传统气缸，最大的好处就是节省空间，因为不需要活塞杆伸出去，钢绳可以绕滑轮转动，大概可以节省一半的空间。 另外，钢绳可以在任意角度和滑轮相切，所以气缸的安装位置和角度也比较灵活。 我找到的比较知名的厂家有三个，Tolomatic，GREENCO，还有W.C.Branham。 有产品适合我们的应用，比如Tolomatic的SA15，在0.4Mpa时，提供的力是448.7N，设计余量约为28%＝（448.7－350）/350。 最后，我们的决定是先买一个钢绳气缸，因为不用定制，可以很快到货，用来测试。 因为后面项目的耽搁，最近才下单买了钢绳气缸，过一段时间就会测试了，我会跟踪测试数据，到时候有测试结果我会贴上来。 另外，磁性弹簧和空气轴承气缸，我们也在和供应商洽谈定制产品。 我个人比较倾向于磁性弹簧，因为它不用提供能源，是被动式平衡器，相比于气缸来说可靠性要高一些，也不消耗那么多能源。 3.总结一下 重力平衡系统，目前常用的有6种方法。 第一， 质量块配重 需要滚轮和链条或者钢绳，这种配重方法的优点是可以配高重量，缺点是质量变化后需要修改配重块的重量，不适合高动态的运动，另外很占空间，对磨损敏感，需要定期维护。 这种方法常用在老式机床上。 第二，传统机械式拉簧 好处是设计简单，价格便宜，缺点是不完全平衡，因为力随位移变化而变化，特别是较大行程使用时，力变化范围大，太大的行程往往没有合适的弹簧。 且弹簧用久了有疲劳问题，另外重量变化时也需要更换弹簧。 第三，恒力弹簧 恒力弹簧有很多优点，比如省空间，重量轻，行程大等。但是缺点就是提供的力不是很大，用在低重量平衡中比较适合。 第四，磁性弹簧 磁性弹簧最大的好处是，被动平衡无需能源，免维护，高可靠性，且力和位置关系也接近线性(因为材料及公差控制的原因，大约有+/-5%的力波动范围)，因为其原理是，通过永磁场和铁心的吸引来提供平衡力。 缺点就是，力的大小不是很大，目前有供应商可以做到60N的平衡力，行程也最多可以做到350毫米。 磁性弹簧，可以用在大部分平衡系统中。 第五，氮气平衡器 氮气平衡法有高重量平衡，大行程，高可靠性等优点，因为初始压力大，平衡重量高，一般用于机床和模具领域。 第六，气缸平衡方法（包括普通气缸和钢绳气缸） 气缸平衡方法，最大的好处是行程可以很长，比如钢绳气缸，行程可以做到7112毫米，这是其他方法所不能比的。 而且平衡力可以通过压力来调节，来实现几乎连续的控制。 当然，缺点也很明显，就是可能在某些地方漏气，发生意外，可靠性不是很高，同时，也需要经常维护，且需要通压缩空气，导致消耗能源，成本高。 4.题外话 最后说个题外话，在做气体弹簧调研时，我发现一个有趣的现象。 品牌KALLER做了一个氮气弹簧数据库，里面包含有竞争对手的名单和数据。 直接在其网站上就可以选择对手的型号，然后他们会推荐自家匹配的型号给你，大大减少了工作量。 这里也可以看出，他们对竞争对手是十分了解的，应该是把对手的产品目录研究了个遍，然后建立了数据库，这一思维太厉害了。 对了，关于重力平衡方法，我写了个PPT。 你可以在我公众号后台回复“重力平衡”，领取《机械设计中，重力平衡有哪些方法？》报告。 好了，今天就写到这里吧，一家之言，难免有不恰当的地方，欢迎你留言指正和补充。
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发表于 2019-12-10 21:19:27
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