针对标题中的设计方案，就我的个人经验来分享一下。
在目前的机床设计中，对于Z轴（即垂向运动的进给轴）的平衡机构主要有三种形式：
1、 电机平衡。这种方式适合快速移动，且要求加工精度较高的机床，垂向进给轴的负载完全由电机的“抱紧”力来平衡，这里就会牵涉到两个问题，如下图所示：
A、电机要适当的选择大一些，因为电机的“抱紧”力必须绝对的大于垂直轴的负载，特别是在电机断电的情况下，电机还能稳定的保持垂直轴的当前位置，所以在这个场合我们通常选择抱闸电机，也称为带刹车电机、带制动保持器电机。但是随之而来的就是成本会上升，因为电机结构中会增加一个电磁机械夹持单元，这是摆在明面的成本增加。
B、 垂向运动部件的结构和重量要尽量走轻型化路径，不能走“傻大笨粗”的套路，这就对设计人员的设计能力和结构处理能力提出了较高的要求，尤其是主轴箱的设计，既要保持稳定的加工刚性，又要尽量减轻重量，因为这牵涉到驱动电机的功率规格选择，所以会直接影响成本。
鉴于以上这两个建议方案，也可以归结为钱这一个问题，只要有钱，一切都不是问题，但是问题就是没钱，所以设计能力就是最大的成本体现。
2、 重锤平衡。这种方式在过去用得比较多，结构也很简单，就是在立柱的内侧吊一块“死铁”，具体的我们可以参考下面的简图：
这种重锤平衡方式也比较常见的，它既有优点，也有缺点，可以分开来讨论：
优点：
A、 结构简单，且结构的可靠性好（指单纯的平衡结构），只要安装调试完成，几乎没有什么后顾之忧，其使用寿命简直可以“万寿无疆”。
B、 平衡力稳定，这里的稳定是指，无论主轴箱处于垂向进给轴的任何位置，其平衡力都是稳定，从结构上来说，丝杆的受力是均匀的，这对于垂向进给轴在加工过程中的稳定性和加工精度都是非常有好处的。
缺点：
A、 该结构会导致垂向进给轴高速运动时的惯量过大，这对电机的连续运行是不好的，对垂向轴的运动控制精度和平稳性都有很大的影响，所以很多机床制造商已经在逐步放弃这种平衡方式（特别是一些尺寸较大的机床），当然这种设计结构依然会在很长一段时间内存在。
B、 装配麻烦，虽然这种平衡方式的结构简单，但是装配的难度却较高，尤其是在设备整体运输过程中，重锤就变成了一个很不稳定的因素，虽然工程师们都设计了重锤固定装置，但是也有难免失效的时候，这对机床的几何精度影响还是挺大的。
我个人也不是很推荐这种结构，因为在做平衡重量计算的时候不大容易做准确，关键点是主轴箱的主轴重量与设计重量有很大的出入。
3、 氮气平衡。这和标题中所提到的方案就有点类似了，当然要更加高端和复杂一些。这种方式也是目前使用最多的一种方式，详细的结构原理可以参考下方的图纸：
同时分享一张氮气瓶的原理图片：
现在市面上很多都是采用这种结构的氮气瓶
该平衡方式是通过一个氮气瓶和液压缸的组合来平衡垂向进给轴的重力，该方式也有其优点和缺点，下面我们也来分析一下：
优点：
A、结构更加单，而且安装方便，就两三个零件，而且这些零件的装配要求和调试步骤也很简单，所以这是装配钳工最接受的安装方式。
B、垂向进给轴的运动惯量小，几乎和第一种方案中电机直接驱动时的惯量一样，这就可以实现垂向进给轴在高速运动下的稳定性和可靠性，同时它还能平衡大部分的垂向质量，为垂向移动结构减轻压力（这种情况下可以直接把电机功率选小）。
缺点：
A、 这种平衡方式有一个明显缺点，那就是长时间使用后氮气会出现泄露现象，通常一两年后就要对氮气瓶补充一次氮气，否则这种平衡方式的平衡效果就会大打折扣，同时基于有平衡选择的垂向进给电机就会出现负载过大的情况，从而导致移动不准，加工不稳定等现象。
B、 平衡力不均匀，从上图中我们可以看到，随着垂向移动机构的上下位置不同，氮气罐内的体积是变化的，这也就意味着其平衡的力也是随之变化的，在垂向轴的上端，平衡力会减小，在垂向轴的下端，平衡力会增大，这对于机床的加工是不好的，特别是精密加工。
最后，要分享两个小诀窍，这个对大家是非常有用的，当然也是这个行业的常识：
A、 垂向进给轴的电机一定要选择抱闸的，这是很多初入行者容易忽略的地方，无论你选择哪种平衡方式，这个轴的电机一定要选择抱闸电机，其实在自动化设计的时候，垂向移动轴的电机最好都选成抱闸的，有一种情况不需要，那就是垂向丝杆选择的是梯形丝杠，因为梯形丝杠是带自锁的，所以这种情况下可以选择不带抱闸的电机。
B、 垂向进给的平衡力的选择，我们通常建议平衡力设置在垂向负载的70%-80%重量，也就是说，如果你的垂向负载有1吨，那平衡力需要700公斤到800公斤就可以了，为什么呢？原因有两个：
1） 机床加工过程中，加工力往往有向上的分力，让垂向负载有一定的向下压力，可以在一定程度上抵消加工力，为电机减轻负担，也是一种节能环保了。
2） 有一定的负载，对丝杆的运动反向间隙可以起到消除的作用，因为始终有向下的负载力，也就意味着丝杆螺母始终是压在丝杆上的，无论垂向向上运动还是向下运动，丝杆螺母与丝杆之间都不会出现间隙，这对于加工精度来说是非常有好处的，当然这个力也不能太大，这就是平衡的作用了。
