1.四處尋找
在做三座標測量機的時候,Z軸的設計採用了直線電機驅動。
因為直驅有傳動鏈短,剛性足的好處,這有利於運動控制。
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,或者彈簧力變化範圍太大了。
例如,目前我瞭解到最大行程有494mm的拉簧,但是它最大載荷也只有16.3N,因為其彈簧係數是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係數越小越好,最好是力不隨位移變化而變化,也就是恆力。
說到恆力,恆力彈簧(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,需要定製。
例如,Leespring,行程大於500毫米的恆力彈簧中,大部分力都小於48N,即使最大載荷也只有16.5lb=74.8N。
然後,常用的來自Linmot的磁性彈簧,這次也無法發揮其作用了,因為也沒有這麼大行程的,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。
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Magspring結構和參數
怎麼辦呢?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,區別僅在於初始壓力不同,氮氣彈簧一般初始壓力比較大,主要應用於模具領域。
如果你對氣體彈簧基本理論感興趣,可以在我公眾號後臺回覆“氣體彈簧”,我給你一份原汁原味的文檔《氣體彈簧基本理論》,裡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。
雖然後面,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於機床平衡的。
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Pascal氮氣平衡器和其他平衡器對比
Pascal氮氣平衡器的好處
Pascal氮氣平衡器參數和連接方法
2.開始有點眉目
所以,後面又通過搜索,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。
那麼,什麼是空氣軸承氣缸?
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於,氣缸活塞和氣缸內壁之間不密封。
Airpel-AB結構和原理
Airpel系列產品對比
Airpel-AB四個產品參數表
取而代之的是,它們之間有非常微小的間隙,通氣後,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,這點類似於空氣軸承,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,外層用不鏽鋼做的,內層採用派萊克斯玻璃,Pyrex(常用的餐具玻璃),這種玻璃具有熱膨脹係數低(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,絕對摩擦力小於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,力的控制範圍也從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,是小於我們要求的35Kg的,所以載荷不達標。
不過後面,我們有和他們探討,定製合適的產品,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。
就在定製設計期間,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。
線繩氣缸的結構及應用
線繩氣缸相比於傳統氣缸,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,設計餘量約為28%=(448.7-350)/350。
最後,我們的決定是先買一個鋼繩氣缸,因為不用定製,可以很快到貨,用來測試。
因為後面項目的耽擱,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製產品。
我個人比較傾向於磁性彈簧,因為它不用提供能源,是被動式平衡器,相比於氣缸來說可靠性要高一些,也不消耗那麼多能源。
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,缺點是質量變化後需要修改配重塊的重量,不適合高動態的運動,另外很佔空間,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,力變化範圍大,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,恆力彈簧
恆力彈簧有很多優點,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,且力和位置關係也接近線性(因為材料及公差控制的原因,大約有+/-5%的力波動範圍),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,一般用於機床和模具領域。
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
最後說個題外話,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,裡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,然後他們會推薦自家匹配的型號給你,大大減少了工作量。
這裡也可以看出,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,然後建立了數據庫,這一思維太厲害了。
對了,關於重力平衡方法,我寫了個PPT。
你可以在我公眾號後臺回覆“重力平衡”,領取《機械設計中,重力平衡有哪些方法?》報告。
好了,今天就寫到這裡吧,一家之言,難免有不恰當的地方,歡迎你留言指正和補充。
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