浅谈主轴箱重力平衡方式

在机床的使用过程中，主轴箱需在垂直方向上运动，重力作用下，向下运动时的驱动力与重力方向相同，向上运动时驱动力与重力方向相反。这样下运动状况下，如不采取措施平衡重力，机床传动部件将一直负担着主轴箱的重量，将增大导致运动部件的负载造成单面磨损，加剧电机和丝杆的发热，降低其使用寿命，且会影响机床的加工精度。

实际应用中，机床上常见的主轴箱重力平衡方式有：重锤配重平衡、氮气平衡缸平衡、液压平衡、制动器锁紧。

1、 重锤配重平衡

重锤平衡的原理较为简单，只需按主轴箱部分的重量配以同等重量的重锤即可。重锤的传动部件，一般采用链条链轮传动，立式加工中心多采用此种方式。也可选用钢丝绳传动，但需要注意传动轮的直径需尽量大些，避免在钢丝绳传动轮所允许的最小曲率半径选用传动轮，否则易造成钢丝绳疲劳破坏。
这种形式结构简单，故障率低，不需要经常性的维修，可适用于恶劣环境下缺少维护的场景。但速度和加速度较大时重锤的部分重量失重，平衡主轴单元的重量的效果降低，应答特性差，使得机床的速度和加速度受限，不适合高速切削的场景。另一方面重锤占用空间较大，会增加机床的总体重量。
2、 氮气平衡缸平衡
氮气平衡缸平衡是利用蓄能器的原理，是当主轴上升时，蓄能器中的液压油进入平衡油缸后，平衡缸体上部的压缩空气排出，这时氮气气膨胀，将油液压入平衡缸，产生一个向上的压力平衡主轴箱自重；当主轴箱下降时，经由蓄能器分流，进入主轴箱两侧平衡油缸，以此平衡主箱自重的影响。卧加多采用此种方式来平衡主轴箱重力。这种形式成本低，维修方便，安装简单。且无需动力系统，节省能源。可适应高速时需要快速平衡主轴箱提升和下降的场景。可以在加工过程中使精度和表面粗糙度大幅提升。

3、液压平衡

液压平衡式将油缸固定在连接到机床立柱上，再将活塞杆的一端连接到主轴箱上，通过压力油使活塞杆产生一个竖直向上的拉力，从而平衡主轴箱的重力。油缸平衡的结构形式较多，按照布置形式分为双油缸对称布置、单油缸布置，按照压力控制方式分为蓄能器平衡和泵阀平衡，组合起来便有4种形式。
使用液压平衡时，需要油压单元和配管，也必须处理油压回路的油温上升。应答特性也差。而且必须配液压站，立加为了节省成本一般是不配液压站的，故油缸配重不用在立加上，多用于大型龙门加工中心。

4、制动器锁紧平衡
制动器锁紧平衡是利用摩擦力平衡主轴箱重力，主轴箱运动时制动器处于松开的状态，不起平衡作用，停止状态时，制动器的摩擦力才与主轴箱的重力形成平衡关系。一般制动器油两种形式，一种是盘式制动器，安装于伺服电机轴上，来产生制动转矩。一种是直线式制动器，与导轨同向安装，向主轴箱施加一个与重力方向相反的摩擦力。适用于主轴箱重力对驱动控制系统的性能影响不大的场景。