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。

發現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，是因為氮氣穩定，不發生爆炸，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。

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，發現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，我又發現了另外一種產品，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）。

其原理和傳統氣缸一樣。

線繩氣缸相比于傳統氣缸，最大的好處就是節省空間，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，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，來實現幾乎連續的控制。

當然，缺點也很明顯，就是可能在某些地方漏氣，發生意外，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，我發現一個有趣的現象。

品牌KALLER做了一個氮氣彈簧數據庫，里面包含有競爭對手的名單和數據。

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，難免有不恰當的地方，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，系統的分析了，也有很多我不知道的

羅羅日記

|wsqlv發表于 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發表于 12-11 08:54這個帖子好，系統的分析了，也有很多我不知道的

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