三坐标测量机Z轴平衡系统综述

　　三坐标测量机是近几十年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接等优点，使其具有了广泛的发展前景。各大测量机生产厂家都对测量机的研制极其重视。使得三坐标测量机技术不断地发展和完善。

　　在三坐标测量机中的设计中，由于Z轴处于铅直方向，因此对于Z轴需要加一与运动部件重量相同的反向平衡力，以避免Z 轴自行坠落撞坏测头，同时使部件沿导轨上下移动时轻便而平稳，停止时可靠而稳定。因此，平衡系统必须满足无论移动部件在何工作位置时，平衡力的大小和方向应始终保持不变。而且，采用的平衡系统必须最大限度地消除部件的微小摩擦力或者粘合力，因为这些力会引起测量机零件的变形，从而产生测量误差。从国外样机及国内设计的三坐标测量机所采用的Z轴平衡系统来看，Z 轴平衡系统可分为重力平衡、弹力平衡和空气平衡系统三大类。

　　1 重力平衡系统

　　重力平衡系统的原理是砝码产生的力矩大小与Z 轴重力产生的恒力矩相等，但方向相反，从而达到平衡的效果。

　　重力平衡系统的原理就是天平原理，优点是结构简单，加工方便，平衡效果可靠，平衡的精度及灵敏度很高;缺点是增加了系统的质量和体积，使运动部件的摩擦力和惯性增大，而且装调也不方便。随着安装在Z轴上的测头及其附件重量的变化，需要相应地调整平衡力。虽然可以通过增减砝码使其达到平衡状态，但很不方便，而且难以连续调节。

　　2 弹力平衡系统

　　弹力平衡系统的原理用简单的话来说，即用弹簧的拉力代替重力来平衡铅直运动部件的重力。在弹簧的选择上又可分为两种：平面蜗卷螺旋弹簧系统(如图1 所示)和圆柱螺旋拉簧凸轮系统(如图 2所示)。

　　式中P1———弹簧的瞬时拉力，

　　R2———相对应的凸轮瞬时力臂。

　　由图2 可以看出，弹力平衡系统的结构简单、容易控制。但是，由于弹簧的弹力与伸长量成正比,随着Z轴的运动，弹力将会发生变化。特别是弹簧本身伸长范围有限，很难满足大行程三坐标测量机的要求。而图3 中的拉簧凸轮系统解决了弹力(平衡力)不恒定的问题，即采用凸轮机构来补偿弹簧力的变化。由图中可以看出，弹簧’ 的力并不直接作用在需要平衡的Z轴 " 上，而是通过凸轮 % 产生一个转矩。该转矩作用在与凸轮% 同轴的大滑轮 2上，只要凸轮% 与大滑轮 # 的尺寸选得合适，便可以给Z 轴施加一个恒定的平衡力。该种平衡系统的优点是重量轻、体积小;设计的灵活性及选择性比较大;结构简单。缺点是主要件凸轮的加工和检测等工艺较复杂。