3.1.3、气压动力源，采用气压传动
气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
优点：
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
缺点：
1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。
2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。
3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。
4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。
综上所述：
芯柱是一种很小的零件，因此机械手的承载能力不要求很大。在本设计中，要更多的考虑机械手的灵活性，因此选用第三种方案是理想之选。
其主要特点是:介质能源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
3.2、 气动机械手的系统工作原理及组成
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。
图2-1机械手的系统工作原理框图
机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)
3、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
(二)驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。
(三)控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
(四)位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
该方案如上图所示，可以达到设计要求的三个自由度。
根据设计的要求，以上三个方案都可以实现三个自由度。其中也各有千秋，相比之下最终我选择使用第一个方案。理由是：
1、相比之下，该方案在整体上结构紧凑所占工作面积较小且易于实现各机构；
2、方案二在旋转的角度有限，最多也就是180°不利于日后该做他用且当整个机械手上升到最高点时，重心太高会降低了整体的刚度；
3、方案二中，旋转装置在滑套上使得在结构设计时不好布置，既要尽量靠近导轨又要尽量避免机械干涉；
4、方案三工作时会有一个机械手的整体移动，能耗上会比方案一多，且地上的固定导轨会占用较大生产面积，同时导轨维护成本增加，最终会导致总成本的增加。
3.3芯柱传送链轮驱动方案选择
2.3.1芯柱传送链轮机构选择
从图1、2可以看出，芯柱传送链轮处于低速轻载的运动链末端，且其转／停时间比为1:2，槽轮机构在时间上可以准确的实现这样的运动要求。因此拟用槽轮机构作为链轮单向间歇转动的核心机构。
四、传送链轮驱动机构设计
4.1 槽轮机构的方案设计
a) 运动系数计算
由图1、2不难看出，槽轮运动系数
的值为：
（3.1）
b)槽轮槽数确定
为避免槽轮在启停时冲受到冲击，应使圆销在开始进入径向槽或从径向槽脱出的瞬间，圆销中心的线速度方向均沿着径向槽的中心线方向，由此，对与单梢的情况，不难得出槽轮的槽数z与系数的关系：
（3.2）
将运动系数代入式2可得，适合的槽轮槽数为z=6。
c)槽轮与曲柄中心距
从图1-1可以看出，轴II到O2的距离为150mm，因此，从结构紧凑的方面考虑，槽轮机构的中心距设为100mm。
d)槽轮驱动机构传动链设置
为了使槽轮运动周期和轴II的转动周期一致，且实现空间上的动力传送，整个槽轮机构需要用一对齿数比为1的锥齿轮将II轴的角速度正交的传进机构。由于槽轮运动系数为定值，应此选用z=6的槽轮后，在槽轮的一个运动周期中，槽轮转过的角度为
的整数倍，而任务要求链轮每个运动周期转过
，在只有一个圆销的情况下，需要一对传动比为5:3的齿轮部置在整个驱动机构的最末端。
e)槽轮驱动机构示意图绘制
图3-1和3-2分别为主视和俯视示意图。
4.2槽轮曲柄机构的力学设计
a)减小冲击的进一步措施
由于圆销有半径，因此槽轮的实际半径Ra应比名义半径R大一些，根据勾股定理，
图3-1槽轮驱动机构示意图主视图
图3-2槽轮驱动机构示意图俯视图
槽轮的实际半径应为：
（3.3）
其中式（3.3）中
为圆销半径，名义半径
。
b) 槽轮的驱动力矩计算
对于本机构，诂计克服摩阻力和生产阻力所需的承载力矩不大于100Nm，则经过末端的传动比为5：3的齿轮后，作用于槽轮轴的承载力矩Mz诂计约为：
（3.4）
由链轮的直径为200mm，诂计折算到槽轮轴上的最大转动贯量Jn不会超过一个直径250mm，厚50mm的钢制圆盘（密度7.85g/mm3），即：
（3.5）
参考文献［1］，六槽槽轮最大类角加速度
，槽轮的驱动力矩
值为：
（3.6）
c) 圆销的半径计算
由文献［1］得，一般取：
（3.7）
式（3.7）中r为曲柄的半径，由几何关系可得，r=50mm,则圆销半径取r=8mm。
d) 槽轮的强度设计
参考文献［1］，六槽槽轮机构圆梢所受最大作用力
的计算公式如下：
（3.8）
式（3.7）中a为中心距，参数c、d的取值查文献［1］为2.000、2.337，代入式（3.8）得
，由以上较小结果得选择接触疲劳强度为设计准则，选择槽轮材料为45钢，感应淬火热处理，热处理等级MQ，表面硬度45HRC，圆销采用ZCuSn10P1锡青铜。由文献［3］得，45钢的弹性模量
，泊松比
，ZCuSn10P1锡青铜的弹性模量
，泊松比
，根据H.Hertz公式，槽轮与圆销的最短接触长度为：
（3.9）
由于圆销较易更换，且为耐磨材料，因此接触强度以槽轮为准，查文献［3］，设
，代入式（3.9）得
，由此得选用10mm厚的槽轮是非常安全的。
e) 各轴的直径诂算
参考文献［2］，按扭转强度计算轴径的最小值d为：
（3.10）
对于45 钢的轴，因为存在一定的冲击，A取较大值120，将各轴所承受扭矩代入式（3.10）得槽轮和曲轴所在轴的最小直径应大于23mm，圆整为25mm，链轮 轴由（3.10）式所计算结果略大于25mm，从设计方便的角度，也取25mm。限于工作台板和轴II的空间位置，本机构所用轴不可能太长，因此在这里不 进行弯扭强度校核。
f) 键连接的强度计算
根据国家标准，直径25mm的轴的键高为7mm，按平键连接的挤压压强计算，最小工作键长l按以下式计算，取
：
（3.10）
将各轴所受扭矩代入式（3.10），槽轮与曲柄所在轴的工作键长的最小值为不到13mm，键轮轴的为不到21mm。
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