机械设计中,重力平衡有哪些方法?

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。

[if !supportLists]第一,  [endif]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。


公众号:罗罗日记。


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。

你可能感兴趣的:(机械设计中,重力平衡有哪些方法?)