六工位回轉(zhuǎn)工作臺設計

-PAGEII-哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-PAGEII-摘要多工位回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床為廣東省東莞力達公司（美國通用電氣公司）專門設計制造的，用于加工電機前后端蓋六工位回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床。在本機床完成上料、粗鏜、鉆孔、攻絲、精鏜止口、下料六工序，生產(chǎn)節(jié)拍20秒鐘。該六工位回轉(zhuǎn)工作臺是采用了比較簡單的換位斜板和轉(zhuǎn)向盤來實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和定位，換位斜板與燕尾形導軌的滑塊相連，用氣缸推動，換位斜板只能沿導軌作直線運動。換位斜板是一塊多邊形，在轉(zhuǎn)向盤底下均勻地分布著一些圓柱定位銷，其數(shù)量等于分度工位數(shù)。當擬制活塞推動斜板向前移動時，斜板的一邊推動著定位銷，使轉(zhuǎn)向盤回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)到極限位置時，壓縮氣體進入擬制的另一腔，使活塞桿帶動斜板向后退回。六工位回轉(zhuǎn)工作是該機床的重要組成之一，它對工件的加工精度有直接的影響。主要是它的定位精度對工件精度影響很大。還有是否有可靠的固定，使加工時工作臺能平穩(wěn)。工作臺旋轉(zhuǎn)的快慢，影響機床的工作效率。沖擊的大小又直接影響產(chǎn)生的噪音。所以在設計過程中，即要考慮機床的工作效率，準確的工作定位，沖擊又不能太大，以免產(chǎn)生太大噪音，影響居民的工作和休息。關(guān)鍵詞:多工位;回轉(zhuǎn)工作臺;換位斜板

AbstractSix-PositionRotaryTableMachineToolforthepowerofthecompanyinDongguan,GuangdongProvince(GE)designedandmanufacturedspecificallyfortheprocessingofmotorcoversixstationsaroundtheRotaryTableMachineTool.Inthismachinetocompletethematerial,roughboring,drilling,tapping,fineboringonlythemouth,cuttingsixprocesses,productionbeat20seconds.Thesix-positionrotarytableistousearelativelysimpletranspositiontoachievetherampandturnthesteeringwheelpositionandorientation,withthedovetail-shapedramptranspositionsliderrailconnectedwiththecylinderdrive,transpositionramponlytoastraightlinealongtherail.Transpositionrampisapolygon,evenlydistributedunderthesteeringwheelanumberofcylindricalpins,andtheirnumberisequaltothemediandividingwork.Whendrawingupthepistonmovesforwardtopromotetheramp,therampsideofthedrivingpins,turnthesteeringwheel.Gotothelimitposition,compressedgasintothefictionoftheotherchamber,thepistonrodtodriverampbackwardsreturn.Six-positionrotaryworkisanimportantcomponentofthemachine,theprecisionofitspartshasadirectimpact.Itismainlythepositioningaccuracyofagreatimpactontheaccuracyoftheworkpiece.Thereisareliablefixed,sothatprocessingcansmoothtable.Tablerotationspeed,affectingtheefficiencyofthemachine.Thesizeoftheimpactofadirectimpactonnoise.Sointhedesignprocess,thatis,toconsidertheefficiencyofthemachine,accurateworkpositioning,impactandcannotbetoomuch,toavoidtoomuchnoise,theresidentsworkandrest.Keywords:Six-station;Rotarytable;Transpositionramp-PAGEIVII--目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1課題背景 11.2各設計內(nèi)容簡單介紹 21.2.1工作臺轉(zhuǎn)位和定位原理 21.2.2各構(gòu)件的設計 21.2.3氣壓系統(tǒng)的設計 21.2.4各構(gòu)件的設計 21.2.5計算部分 3第2章總體方案設計 42.1總體結(jié)構(gòu) 42.2原理方案得設計 42.3軸承的選用 62.4動力的選擇 62.5斜板的選用 72.6潤滑方式選擇 9第3章計算分析 113.1工作臺回轉(zhuǎn)運動規(guī)律分析 113.2計算工作臺的轉(zhuǎn)動慣量及所需動力 113.3在各階段的受力分析 123.3.1在推進過程中 123.3.2在回退過程中 133.4行程的計算 14第4章氣壓傳動系統(tǒng) 174.1明確系統(tǒng)要求 174.2分析系統(tǒng)工況 174.3確定執(zhí)行元件的工作壓力 184.3.1初選氣壓缸的工作壓力 184.3.2確定氣壓缸的主要參數(shù) 184.3.3計算液壓缸的流量和功率 184.4擬定系統(tǒng)原理圖 19結(jié)論 21致謝 22參考文獻 23附錄 24-PAGE45--PAGE10-緒論課題背景本人的畢業(yè)設計題目是多工位實驗臺設計即回轉(zhuǎn)臺的設計，回轉(zhuǎn)臺是鏜床、鉆床、銑床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工時轉(zhuǎn)動工作臺，則可加工圓弧面和圓弧槽等。通用轉(zhuǎn)臺按結(jié)構(gòu)不同又分為水平轉(zhuǎn)臺、立臥轉(zhuǎn)臺和萬能轉(zhuǎn)臺。水平轉(zhuǎn)臺：在圓臺面上有工件定位用的中心孔和夾緊用的T型槽。臺面外圓周上刻有360°的等分刻線。臺面與底座之間設有蝸桿-蝸輪副（見蝸桿傳動）,速比為90:1或120:1，用以傳動和分度,蝸桿從底座伸出的一端裝有細分刻度盤和手輪。轉(zhuǎn)動手輪即可驅(qū)動臺面，并由臺面外圓周上的刻度與細分刻度盤讀出旋轉(zhuǎn)角度。分度精度一般為±60″。水平轉(zhuǎn)臺的蝸桿伸出端也可用聯(lián)軸器與機床傳動裝置聯(lián)接，以實現(xiàn)動力驅(qū)動。立臥轉(zhuǎn)臺：底座有兩個相互垂直的安裝基面，使臺面既可水平也可垂直放置。萬能轉(zhuǎn)臺:臺面可以在0°～90°范圍內(nèi)傾斜任意角度,使工件在空間的任何角度都能準確調(diào)整。精密轉(zhuǎn)臺用于在精密機床上加工或角度計量。常見的有光學轉(zhuǎn)臺、數(shù)顯轉(zhuǎn)臺和超精密端面齒盤轉(zhuǎn)臺。光學轉(zhuǎn)臺：主軸上裝有玻璃或金屬精密刻度盤，經(jīng)光學系統(tǒng)將刻度細分、放大，通過目鏡或光屏讀出角度值。數(shù)顯轉(zhuǎn)臺：轉(zhuǎn)臺主軸上裝有精密圓光柵或圓感應同步器，由數(shù)字顯示裝置讀出角度值。上述兩種精密轉(zhuǎn)臺的分度精度最高可達±1。超精密端面齒盤轉(zhuǎn)臺：利用一對經(jīng)過精密對研的1440齒、720齒或360齒的端面齒盤分度定位,其分度精度最高可達±0.01″，作精密角度計量用?；剞D(zhuǎn)工作臺是六工位回轉(zhuǎn)工作臺鏜床的重要組成部分，本人的畢業(yè)設計就以六工位回轉(zhuǎn)工作臺鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺為設計目標。本機床為廣東省東莞力達公司（美國通用電氣公司）專門設計制造的，用于加工電機前后端蓋六工位回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床。在本機床完成上料、粗鏜、鉆孔、攻絲、精鏜止口、下料六工序，生產(chǎn)節(jié)拍20秒鐘。該工作設計得好壞直接影響到機床的整體質(zhì)量，正因為其重要性，所以我在設計過程中以十分認真的態(tài)度來對待，盡量滿足六工位回轉(zhuǎn)工作臺組合機床的性能要求。在整個設計過程中，主要的工作是：工作臺轉(zhuǎn)位和定位原理；各構(gòu)件的設計；氣壓系統(tǒng)的設計。在這篇論文中，我主要分為：總體方案設計；計算；各構(gòu)件設計；氣壓系統(tǒng)設計；外文資料翻譯。圖1-1六工位回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床各設計內(nèi)容簡單介紹1.2.1工作臺轉(zhuǎn)位和定位原理該六工位回轉(zhuǎn)工作臺是采用了比較簡單的轉(zhuǎn)位斜板和轉(zhuǎn)向盤來實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和定位，轉(zhuǎn)位斜板與燕尾形導軌的劃板相連，用汽缸推動，轉(zhuǎn)位斜板只能沿導軌作直線運動。換位斜板是一塊多邊形，在轉(zhuǎn)向盤底下均勻地分布著一些圓柱定位銷，其數(shù)量等于分度工位數(shù)。當擬制活塞推動斜板向前移動時，斜板的一邊推動著定位銷，使轉(zhuǎn)向盤回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)到極限位置時，壓縮氣體進入擬制的另一腔，使活塞桿帶動斜板向后退回。這時斜板的另一邊推著另一個定位銷，使分度盤繼續(xù)朝同一方向回轉(zhuǎn)，當斜板移動后退到重點位置時，斜板上的兩個邊分別靠在相鄰兩個定位銷上，此時分度盤得以正確定位鎖緊。1.2.2各構(gòu)件的設計主要設計的結(jié)構(gòu)有：換位斜板的設計，分度圓盤的設計，軸承的選擇，主軸的設計，燕尾形導軌的設計等，這些構(gòu)件的具體設計見圖紙。1.2.3氣壓系統(tǒng)的設計本工作臺所選的動力為氣壓推動，氣壓傳動與電機傳動和液壓傳動相比，主要有反應快速、流動阻力低，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離運送、對工作環(huán)境適應性好等優(yōu)點。在傳動過程中，主要分為推進、停留、回程。所以在設計氣壓傳動時，氣流過程分為這三個階段進行控制。1.2.4各構(gòu)件的設計所需的設計的主要構(gòu)件有：上板、立柱、底座、左擋板、右擋板、滑座、滑塊、支架、接頭、銷軸、換位斜板、轉(zhuǎn)盤、滾子軸、滾子、軸承座、中軸、圓盤、上蓋。每個零件的設計說明在后面且每個零件的詳細資料見圖紙。1.2.5計算部分在這部分中主要包括換位斜板在各階段的所需受力、速度、換位斜板的行程等，主要是為氣壓傳動系統(tǒng)的設計做準備。總體方案設計總體結(jié)構(gòu)1-圓錐滾子軸承2-立柱3-底座4-左擋板5-滑座6-滑塊7-右擋板8-氣缸9-換位斜板10-分度圓盤11-主軸12-圓盤13-油杯圖2-1六工位實驗臺裝配圖原理方案的設計方案1：采用了比較簡單的轉(zhuǎn)位斜板和轉(zhuǎn)向盤來實現(xiàn)轉(zhuǎn)位和定位。轉(zhuǎn)位斜板與帶燕尾形導軌的滑板相連，用氣缸推動，轉(zhuǎn)位斜板只能沿導軌作直線運動。1前推起始位置2前推中間位置3前推終止位置4后退起始位置5后退中間位置6后退終止位置圖2-2換位斜板與轉(zhuǎn)向盤原理圖工作臺轉(zhuǎn)位和定位的原理見上圖，轉(zhuǎn)位斜板是一塊多邊形板，在轉(zhuǎn)向盤底下均勻地分布著一些圓柱定位銷，其數(shù)量等于分度工位數(shù)，當氣缸活塞推動斜板向前移動時，斜板的一邊推動著定位銷１。使轉(zhuǎn)向盤回轉(zhuǎn)，如上圖的（１）、（２）兩圖所示。（３）圖表示斜板向前終了的位置，然后壓縮空氣進入氣缸的另一腔，使塞桿帶動斜板后退。這時，協(xié)辦的另一邊推動著定位銷２。使轉(zhuǎn)向盤繼續(xù)朝同一方向回轉(zhuǎn)，如圖（４）、（５）所示。當斜板移到后退極限位置時，斜板上的兩個邊分別靠在兩個相鄰定位銷上。如圖（６）所示。這時，轉(zhuǎn)向盤得以正確定位并鎖緊。這種利用斜板回轉(zhuǎn)定位的分度回轉(zhuǎn)工作臺，結(jié)構(gòu)比較簡單。工作也比較可靠，特別適用于小型分度回轉(zhuǎn)工作臺和分度夾具，但由于轉(zhuǎn)位斜板的邊都是直線，導致原盤受到不恒定的力矩。很難實現(xiàn)預定的運動規(guī)律，而且轉(zhuǎn)位時有較大的沖擊現(xiàn)象。方案2：采用圓柱形凸輪間歇運動機構(gòu)，六個滾子均勻分布在轉(zhuǎn)盤端面，當凸輪轉(zhuǎn)過角度2時，轉(zhuǎn)盤以圖（2）的運動規(guī)律運動。這種方案只要能設計出圓柱形凸輪。就能獲得所需的運動規(guī)律。與方案1項比較，減少了沖擊，運動規(guī)律能嚴格按照要求實現(xiàn)。但圓柱形凸輪設計比較復雜，更不好加工。方案1雖然有些沖力，而且不能嚴格按照所需的運動規(guī)律運動。但由于該工作臺工作時，負載不大，而且也不需要嚴格的運動規(guī)律。綜合考慮，我選方案1。軸承的選用選擇滾動軸承類型時，必須了解軸承的工作載荷（大小、性質(zhì)、方向）、轉(zhuǎn)速及其他使用要求，以下是選用滾動軸承的基本原理：1）轉(zhuǎn)速較高、載荷較小、要求旋轉(zhuǎn)精度高時宜選用球軸承：轉(zhuǎn)速較低、載荷較大有沖擊載荷時則選用滾子軸承。2）軸承上同時受徑向和軸向載荷，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；若精細那個載荷大，軸向載荷小，可選用深溝球軸承的組合結(jié)構(gòu)。綜上所述，由中軸，中軸上零件及工作臺上負載的重力作用，使中軸產(chǎn)生較大的軸向力，軸向力的全部由軸承支承，在眾多的軸承中，圓錐滾子軸承能支承較大的軸向力，故選用圓錐滾子軸承。因為滾子軸承能同時承受較大的徑向力，軸向聯(lián)合載荷。又內(nèi)外可分離，裝拆方便。動力的選擇方案1：電動機，由后面計算可知，要帶動該工作臺回轉(zhuǎn)，所需的功率不大，可以采用一小電機。但由于該工作臺是間歇式工作的，不適合用電機。方案2：采用液壓，其優(yōu)點是：１）同其他傳動方式相比，傳動功率相同，液壓傳動裝置的重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。２）可實現(xiàn)無級變速，調(diào)整范圍大。３）運動間的慣性小，能夠頻繁迅速換向，傳動工作平穩(wěn)；系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸震，并能自動防止過載。４）與電氣設備配合，容易實現(xiàn)動作和操作和自動化；與微電子技術(shù)和計算機配合能實現(xiàn)各種自動控制工作。５）原件已基本上系列化，通用化和標準化，適于CAD技術(shù)的應用，提高工效，降低成本。其缺點：１）容易產(chǎn)生泄露，污染環(huán)境。反映速度慢。２）引有泄露和彈性變形大，不易做精確的定比傳動。３）系統(tǒng)內(nèi)混入空氣，會引起爬行，噪音和振動。４）使用的環(huán)境溫度比機械傳動小。５）故障診斷與排除要求較高技術(shù)。方案3：采用氣壓傳動，氣壓傳動與液壓傳動相比，雖遠不及液壓傳動應用那樣廣泛，但它卻具有許多其他能源所不能比擬的優(yōu)點。1）空氣可以從大氣中取之不盡，無介質(zhì)費用和供應上的困難；同時，可以將用過的空氣直接放入，處理方便；與液壓傳動相比較慢不必設置回收液壓油的油箱和管道。萬一空氣管道有泄漏處引起部分能量損失外，不致引起環(huán)境污染。２）空氣的粘度很小，在管道中流動時壓力損失較小，一般其阻力損失不到油的千分之一，因此，壓縮空氣便于集中供應和遠距離傳送。３）壓縮空氣的工作壓力較低，一般在0.4到0.8Mpa，可降低對氣動原件的材質(zhì)和制造精度的要求，因而結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低。４）氣壓傳動動作迅速，反應快。因此，適用于一般機械設備的控制上。５）氣壓傳動維護簡單，工作介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，已不使用安全，可靠?？梢栽诟邷亍⒄駝?、腐蝕、易燃、多灰塵、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作、便于實現(xiàn)過載自動保護。此外，氣壓傳動上具有液壓傳動的一些優(yōu)點，如操作控制方便，元件便于標準化，易于控制和實現(xiàn)供需自動化等。存在介質(zhì)變質(zhì)，補充和更換等問題。氣壓傳動的缺點：1）由于空氣的可壓縮性，使工作速度不易穩(wěn)定，外載變化對速度影響較大，也難于準確地控制與調(diào)節(jié)工作速度。2）由于工作壓力較低使結(jié)構(gòu)尺寸較大，氣壓傳動裝置的總推力較小，一般約到10到40KN。3）氣壓傳動的總功率低，僅為電機的1/6到1/7。因為機構(gòu)所需的推力不大，對精度也要求不高，有較快的反應速度，也適合間歇式的工作。所以該工作臺的動力采用氣壓傳動。斜板的選用方案1：斜板各邊都是直線的。斜板各邊設計成直線的，最大的問題就是沖擊問題，下面對沖擊的現(xiàn)象進行分析。對分度回轉(zhuǎn)工作臺來說，沖擊現(xiàn)象可分為兩種：一種是開始回轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)終了及定位是的沖擊。現(xiàn)在先分析后一種現(xiàn)象。當斜板的邊推動銷使回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)時，斜板作用力的方向垂直于斜板失去一邊的斜面，定位銷的運動方向垂直于回轉(zhuǎn)中心O及定位銷中心O1的連線，如圖2-3所示。斜板作用方向與定位銷運動方向之間的夾角A為壓力角。當斜板為直線，如圖2-3中所示的協(xié)辦推動定位銷的邊與水平成75度和30度的直線時，用圖2-3直線邊換位斜板原理圖01點相似的方法可用作圖法求出O2，O3，O4點的壓力角，可以看出這種壓力角都是不一樣的，由于在回轉(zhuǎn)過程中，定位銷運動方向的分力也是一樣的。由于在回轉(zhuǎn)過程中，定位銷中心與協(xié)辦的相對位置一直在變化。因此沿定位銷運動方向也一直在變化，也推動工作臺回轉(zhuǎn)的力一直在變化。所以在回轉(zhuǎn)過程中有不平穩(wěn)現(xiàn)象，就要把這種壓力角設計成不變的。另外一種是開始回轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)終了及定位銷的沖擊現(xiàn)象。開始回轉(zhuǎn)時的沖擊現(xiàn)象是由于斜板板面與定位銷之間有一段不小的距離，斜往前（往后）推動定位銷有一定的沖擊力，由于斜板的質(zhì)量較小，這些沖力也不會太大，要消除也不很方便?；剞D(zhuǎn)終了時的沖擊是由于回轉(zhuǎn)終了時工作臺轉(zhuǎn)盤的速度并不等于零，所以有一定的慣性和沖擊力。這種沖擊力可以用液壓緩沖有剛來吸收，也可以把斜板做成比較復雜的曲線來消除。這種斜板各邊都是直線的，雖存在以上問題，但由于會回轉(zhuǎn)速度小，且轉(zhuǎn)動慣量不大，所以影響不大。該斜板設計和制造比較簡單。方案2：斜板邊設計成等壓力角斜板曲線的設計方法，為了消除工作臺回轉(zhuǎn)過程中的不平衡現(xiàn)象，可以把壓力欠妥設計成相等的。下面用一個六工位的實例來說明（見圖2-4）。壓力角就在70度到75度之間，在本例中選用了72度。把定位銷直徑d和回轉(zhuǎn)半徑R按比例繪好。圖2-4曲線邊換位斜板原理圖將兩次回轉(zhuǎn)角度α和β(這里是取六等分的1/2，所以各為30度)分別繪出，并將30度分為六等分，分別繪出定位銷中心1~7，并以1~7為中心分別繪出定位銷直徑，再分別繪出斜板作用力方向的直線，分別與徑向成18度角（因為壓力角為72度）。此直線與定位銷分別相交于1＇~7＇點，通過1＇~7＇點作水平方向的平行線。再通過1＇點作與斜板作用力方向成90度的直線，與第二條水平線相交于2＂（1＂點與1＇點重點），從2＂點作與定位銷中心2處于與斜板作用方向成90度的直線，與第三條水平線相交于3＂點：其余依此類推，做出4＂~7＂點。用曲線或幾段弧把1＂~7＂連接起來。斜板雖然消除了不平衡現(xiàn)象，但斜板各邊用了較復雜的曲線，設計和制造都比較困難。所以我認為方案1更可取。潤滑方式選擇因最上面的圓盤面積比較大，又是旋轉(zhuǎn)的，所以不便于對圓錐滾子軸承進行潤滑。故在上面放一油杯，油杯經(jīng)過中軸的小孔流入軸承，從而對軸承取到潤滑的作用。因為本工作臺的受力比較小，速度也很小，所以也可用脂潤滑。圖2-5油杯計算分析工作臺回轉(zhuǎn)運動規(guī)律分析按照工作臺的運動要求，工作臺每回轉(zhuǎn)π/3時，工作停下來工作一次，在這π/3時間內(nèi)的運動規(guī)律如下：0~0.5s圓盤以恒定加速度旋轉(zhuǎn)0.5~1.5s恒角速度旋轉(zhuǎn)1.5~2s圓盤以恒角加速度減速，直到停止。所以原盤的角速度在π/3內(nèi)隨時間變化規(guī)律如下圖3-1：00.51.22t（s）圖3-1因為在2s內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度為π/3。所以：（1+2）Wmax/2=π/3得出：Wmax=2/9π顯然0~0.5s和1.5~2s間的角加速度大小都等于計算工作臺的轉(zhuǎn)動慣量及所需動力把旋轉(zhuǎn)部分按層來分，分為多個圓柱來求。對單個底面半徑r、高為h的圓柱，其轉(zhuǎn)動慣量如表3-1：表3-1部分零件尺寸表12345R(mm)503008550130H(mm)815178117另外，在工作時，工作臺有20kg的負載放在離中心位置190mm處，必須考慮進去。由于還有油杯，圓錐滾子軸承，摩擦等在計算轉(zhuǎn)動慣量時都沒有考慮。所以總轉(zhuǎn)動慣量I總?cè)?.2kg/所以在加速減速時，所需要的力矩為M=I·β=2.2×4/9π=3.07Nm從而圓盤在圓柱銷處所需的切向力F=3.07/0.08=38.375N在各階段的受力分析這是設計過程中很重要的部分，只有準確的受力分析，才能合理地選擇氣壓動力。并保證工作臺按照要求的運動規(guī)律運動，既要準確，又要保證動力足夠大，能推動圓盤轉(zhuǎn)動。動力太大，會增加沖擊，產(chǎn)生較大的噪音，對環(huán)境造成污染，尤其是在大城市，嚴重影響居民的工作和休息；另外，沖擊太大，會嚴重影響整機的壽命，造成零件過早地失效。所以在這部分，我們要作嚴格的受力分析，為各設計打好基礎(chǔ)。3.3.1在推進過程中要使圓盤以β=4/9π的角加速度加速，必須受到F=38.375N的圓周力（前面已算出）。由上圖的受力分析圖3-2及公式（3-1）可知：Fn=Ft/cosθ（3-1）圖3-2推進過程位置1和3的受力由于Ft恒定，所以Fn與θ成正比。所以在推進過程中（從位置1到位置3）。θ角逐漸增大，又因為位置3是推進的極限位置，所以在位置3處的Fn最大。Fn的方向始終不變，所以在位置3處的動力應需最大。=×=143.2N注：為推進過程中的最大壓力角，即＝75°3.3.2在回退過程中由上圖的受力分析可知：Ｆn在位置６上力最大才能保證Ｆt恒定=Ft×cos55°/cos65°＝52.3Ｎ在這過程中，最大壓力角為＝30°＋35°＝65°如下圖3-3圖3-3回程過程位置4和6的受力分析行程的計算行程計算在設計過程中是一項很重要的計算，它決定著T型槽的長度選擇。太長的話，會造成尺寸過大，對整個結(jié)構(gòu)設計帶來不便，同時也浪費材料，從而增加成本；太小的話，更是不行，導致分度圓盤無法在整個圓周上回轉(zhuǎn)，不能實現(xiàn)預期的設計要求。另外，行程的計算是選擇氣缸的主要參數(shù)來源，只有確定了換位斜板的最大行程，才能正確選擇氣缸。以下是行程計算過程：如下圖3-4，引入未知數(shù)d0、d1、d2、d3、d4、d5。圖3-4未知數(shù)假設由換位斜板的已知尺寸可知44+d2·cos35°=178Sin35°·d2+4+d3·sin30°=113由以上兩式可解出：d2=163.58d3=30.35由上圖可知：d4·tan35°+4+d3·sin30°=100–r–r/sin55°得出：d4=67.87又有：15+(44–76cos75°)+(178–44)·cos55°=d5得出：d5=145.09又：d6=110+110·sin60°=205.26mm所以行程為：l=d6–d5+d4=128.04mm氣缸使用場合與其使用場合及工作機構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與氣缸蓋相碰撞，所以按計算行程多加10~20mm的行程余量氣壓傳動系統(tǒng)明確系統(tǒng)要求據(jù)加工的需要，該系統(tǒng)的工作循環(huán)是：推進—暫?！爻?。調(diào)查結(jié)果及計算結(jié)果表明，推進和回程的速度為41.9m/min推進速度就能在0~41.9m/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，速度最大行程為128.04mm，在這近給方向最大力為143.2。在回程過程上，氣缸所需的最大力為16.7N。中間要停留1秒。在這過程中，氣缸所受的負載為0。分析系統(tǒng)工況氣壓在工作過程各階段的負載為：啟動加速階段受力圖如圖4-1：圖4-1啟動加速階段受力圖啟動時，分度圓盤的角加速度為β=4/9πrad/s,此時受到Ft=38.375N的圓周力(后面有計算過程)。所以=Ft·tan=88.9N推進過程中：由前面計算可知：=143.2N回程過程中：由前面計算可知：F氣缸max=52.3N;將氣壓在各階段的速度和負載列于下表中。表4-1氣壓缸在各階段的速度和負載值工作階段速度v(m/s)負載F/N啟動加速88.9推進0.698143.2回程0.69852.3確定執(zhí)行元件的工作壓力4.3.1初選氣壓缸的工作壓力由上表可知參考同類型組合機床，取氣壓缸工作壓力P為0.1MP4.3.2確定氣壓缸的主要參數(shù)由上表可看出，最大負載為推進終止位置的負載F=143.2N查找設計手冊，按液壓缸內(nèi)徑徑系列將以上計算圓整為標準直徑，取D=70mm4.3.3計算液壓缸的流量和功率1）計算氣壓缸的輸入流量因推進時的速度為0.698m/s，則液壓缸各階段的輸入流量為推進和回程過程的速度相同，所以這兩階段的流量相同。q=π·d2·v=3.14×452×0.698×10-4=26.6L/min2）計算氣壓缸的輸入各階段的輸入功也是相等的。P=p·q=0.1×106×26.6×10-2/60=0.44kw通過查機械設計手冊：選用氣壓缸型號：QCJ2B16-1304.4擬定系統(tǒng)原理圖根據(jù)組合機床的設計任務和工況分析，該機床對調(diào)整范圍，低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機床要解決的主要問題。速度的換接，穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機床氣壓系統(tǒng)設計的核心。速度控制回路的選擇:本機訂的推進運動要求有較好的低速穩(wěn)定性和速度負載特性，故采用調(diào)速閥調(diào)速，有三種方案可供選擇，即進口節(jié)流調(diào)速，出口節(jié)流調(diào)速。本系統(tǒng)為小功率系統(tǒng)，效率和發(fā)熱問題并不突出；在整個旋轉(zhuǎn)過程中，負載和速度都不大，而且是正負載，所以沖擊不太大，所以不需要加背壓閥。在各階段的速度和負載都不一樣，所以要選用節(jié)流閥，通過改變節(jié)流口通流面積大小來改變局部受力的大小，從而現(xiàn)實對流量的控制，來改變換位斜板的速度。該氣壓系統(tǒng)各階段工作狀況分析：推進過程：此時，電磁閥得電，接通電磁閥的左端，氣體從氣缸的右腔，推動活塞各左運動?；爻踢^程：此時二位四通電磁閥不得電，電磁閥的右端接入系統(tǒng)，氣體經(jīng)過節(jié)流閥進入氣缸的左腔，推動活塞向右運動。如圖4-3。1-氣缸2-單向節(jié)流閥3-二位四通電磁閥4-氣源4-3氣壓系統(tǒng)圖結(jié)論在這一個學期時間內(nèi)，在孫老師的指導下并通過自己的努力。順利完成了畢業(yè)設計。設計的內(nèi)容為六工位回轉(zhuǎn)工作臺的設計。經(jīng)過這一個學期做畢業(yè)設計，使我在原來理論知識基礎(chǔ)上得到了升華。不僅進一步鞏固了以前三年所學的理論知識，還讓我了解了設計機械產(chǎn)品的整個過程：怎樣去收集、理解各種資料、怎樣具體設計、怎樣去編寫、整理論文。同時也讓我深深體會到，現(xiàn)實中設計一機械產(chǎn)品是多么艱辛，并不像理論說的那么簡單。不僅要扎實的理論知識，還要考慮到許多現(xiàn)實因素。這些收獲都為我以后的學習和工作取到很大的指導作用。在設計六工位回轉(zhuǎn)工作臺過程中，我采用了論文中的方案。如論文中所訴，該方案由很多優(yōu)點。但也未必是最好的，其中不可避免地存在一些問題。首先，在推進和回程過程中，推力是不變的，而換位斜板各邊都是直線，使在各處的壓力角不相等。最后導致分度圓盤所受的圓周力不一樣，即旋轉(zhuǎn)的角速度一直在變，從而工作臺不能嚴格實現(xiàn)預期的運動。其次，分度圓盤旋轉(zhuǎn)一工位的開始和結(jié)束時，都有比較明顯的沖擊現(xiàn)象，不過該工作臺的負載較小，問題不大，如果負載較大的話，那該方案就不可取了，應該選用等壓力角斜板曲線的設計方法。致謝時光的流逝也許是客觀的，然而流逝的快慢卻純是一種主觀的感受。當自己終于可以從考研、找工作、畢業(yè)設計的壓力下解脫出來，長長地吁出一口氣時，我忽然間才意識到，原來四年已經(jīng)過去，到了該告別的時候了。一念至此，竟有些恍惚，所謂白駒過隙、百代過客云云，想來便是這般惆悵了?？墒菒澣恢?，總要說些什么。大學四年，生活其實很簡單，只是一些讀書、寫字和考試的周而復始。如果把這種單調(diào)的生活看作一場場循環(huán)的演出，那么我只是一個安靜的演員。這篇畢業(yè)設計也絕稱不上什么精彩的臺詞，只不過是這種循環(huán)演出即將告一段落時的謝幕詞。但是無論多么蹩腳的演員，無論臺下有多少觀眾，即使是只說給自己聽，在他謝幕時也總要感激一些人，是這些人幫助他走上舞臺，成功或者不那么成功地“演出”。我在這里首先要感謝的是我的畢業(yè)設計指導老師——孫全穎老師。這份畢業(yè)設計從開題、資料查找、修改到最后定稿，如果沒有他的心血，尚不知將以何等糟糕的面目出現(xiàn)。我很自豪有這樣一位老師，為了指導我們的畢業(yè)論文，他放棄了自己的休息時間，他的這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩也值得我感激和尊敬。感謝和我共度四年美好大學生活的哈理工機械07-11班的全體同學。感謝機械學院和其他學院的所有授課老師，感謝他們的教誨，讓我知道在社會上懂得怎樣去做好自己，端正自己的位置，為社會貢獻出我自己的力量。感謝所有關(guān)心、鼓勵、支持我的家人和朋友。參考文獻1邱宣懷編.機械設計.第四版.高等教育出版社2高常識編.液壓與氣壓傳動.高等教育出版社3哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研組編.理論力學.高等教育出版社.4機械工程手冊編委會編.機械設計手冊.第二版.北京：機械工業(yè)出版社19975姜海，宋錦春等.液壓與氣壓傳動.高等教育出版社,2002,1(1)5～3106高鑫,姚玉春,李林貴主編.機械設計.沈陽：東北工學院,1988:10～2137徐瀛主編.機械設計手冊第二版.北京：化學工業(yè)出版社,1985:1～3158邱宣懷主編.機械設計.第四版.高等教育出版社,1997,(4):1～2509大連理工大學工程畫教研室編.機械制圖.第四版.高等教育出版社,1995:1～26910徐福玲,陳堯明主編.液壓氣壓傳動.機械工業(yè)出版社,1999:1～25711Hydraulicpressurepneumaticactuatormachinepartsdesignhandbook(sequel)-hydraulictransmissionandpneumaticactuator-metallurgicalindustrypublishinghouse，1994，(4):56～17512H.LiuJ,ButterfassS,KnochP,MeuselG.Hirzinger.ANewControlStrategyforDLRMultisensoryArticulatedHand.13H.LiuJ,ButterfassS,KnochP,MeuselG.Hirzinger.ANewControlStrategyforDLRMultisensoryArticulatedHand，1989，(5):19～66附錄DevelopmentofaPLCVirtualMachineorientingIEC61131-3StandardAbstract—ProgrammableLogicController(PLC)playsamoreandmoreimportantroleinthefieldofindustry.Todealwiththeheterogeneityofmanufacture-dependentprogramminglanguages,IEC61131-3internationalstandardhaspromotedthePLCopennesstodeveloping.Inthispaper,wepresentaproposaltoimplementtheIEC61131-3standardinaPLCvirtualmachine(VM),whichisanewkindofhigh-levellanguageVMandtakesInstructionList(IL)astheintermediatecode.WediscussthesyntaxandsemanticsofIL,andshowthedesignarchitecturefortheemulationengineusingbothinterpretationandtranslationmethods.ThePLCVMenablesdeveloperstorapidlyportinganIEC-61131-3applicationontodifferentplatforms.WehaveimplementedthePLCVMonaC51basedembeddedPLCplatform.Keywords-Programmablelogiccontroller;virtualmachine;IEC61131-3I.INTRODUCTIONWiththeacceleratingpopularityofnetworkedcontrolsystem,asamaintypeofdiscretecontroller,thePLChasbeenunprecedentedlyappliedinindustryfield.TraditionalprogramminglanguagesforPLChadseveraldrawbacks,including:weaksoftwarestructure,limitedcontroloverprogramexecution,andinparticular,limitedfacilitiesforsoftwareportingduetothelackofunifiedsyntaxandsemanticsbetweenPLCproducts.TheIEC61131-3standardisaglobalstandardthattriestoovercometheseproblemstoimprovesoftwarequality.However,thesoftwareportingproblemisstilloutstandingbecauseofdifferentaddressingschemes,varioustasksscanrates,andalackofstandardfileformattostoreIEC61131-3applications.Inthispaper,wefocusonproposingavirtualizationbasedsolutiontosuchasoftwareportingproblem.Virtualmachineprovidesawayofenhancesoftwareinteroperability,systemimpregnability,andplatformversatility,whichareusedinanumberofdisciplinesrangingfromprogramminglanguagestoprocessorarchitectures.Whenasystem(orsubsystem),e.g.aprocessor,memory,orI/Odevice,isvirtualized,itsinterfaceandallresourcesvisiblethroughtheinterfacearemappedontotheinterfaceandresourcesofarealsystemactuallyimplementingit.Withthisconcept,thePLCVMisthetraditionalPLCsysteminabstract,usingthehardware-independentinstructionsetandshieldingtheapplicationlogicfromhardware.Whenhardwareplatformchanges,onlythePLCVMneedstobetransplanted,andtheuser'sapplicationdoesnotrequireanychangesinprocedures.Hence,TheVMprovidesaneffectivewaytoporttheIEC61131-3basedapplicationlogicontodifferentplatforms.Therefore,ourvirtualmachineisorientingPLCprogrammingstandard-IEC61131-3.Oneofthestandardlanguages-IListakenastheintermediatecodetocopewithhardware-independentcontrollogic.Meanwhile,unifiedlocalAPIinterfacesaredesignedtodealwithhardware-dependentcallsintheinstructioninterpretationprocess.Inshort,Pre-compilingthelocalresources,realtimeinterpretingtheILlogicandon-demandcallingthelocalinterfacesarethemaincharacteristicsofourPLCVM.Therestofthispaperisorganizedasfollows:SectionIIoverviewstherelatedworkintwoaspects:IEC61131-3standardandembeddedvirtualizationtechnology;SectionIIIshowsthevirtualizedsystemarchitectureforPLCVM.SectionIVanalyzesthesyntaxandsemanticsofIL,describestheVMhardware-dependentconfigurationprocessanddetailstheimplementationofinstructionemulationengine.TheimplementationandtestofPLCVMonaC51basedPLCplatformispresentedinSectionV.ThisisfollowedbyaconclusionandfutureworkinsectionVI.II.RELATEDWORKA.IEC61131-3overviewTheIEC61131standardisageneralframeworkthattriestoestablishtherulestowhichallPLCsshouldadhereto,encompassingmechanical,electrical,andlogicalaspects.Thethirdpart,IEC61131-3,dealswiththeprogrammingaspectoftheindustrialcontrollers,definingthelogicalprogrammingblocksandtheprogramminglanguages.IEC61131-3hasstipulatedfivekindsofprogramminglanguages,includinginstructionlist(IL),ladderdiagram(LD),sequentialfunctiondiagram(SFC),functionblockdiagram(FBD)andstructuredtext(ST).ILisasimpletyped,low-level,assemblylanguage,frequentlyusedwheneveritisnecessarytohavecompact,ime-criticalcode.Inparticular,itcanactastheintermediatecarrierfortheotherfourlanguages,LD,SFC,FBDandST.Forinstance,thefamousIEC61131-3compilerOpenPCS[4]takestheILasthebasiccomponenttosupporttheinternaltranslationbetweenhigh-levellanguages.B.EmbeddedvirtualizationtechnologyVMscanbedividedintotwocategories[3]:processvirtualmachineandsystemvirtualmachine.Theformercanonlyprovideavirtualenvironmenttoasinglesystemprocess,suchasJava,Smalltalkandtheotherhigh-levellanguage(HLL)VM.Thelatteristovirtualsystemasawhole,suchasVMWareandVirtualPC.Overtheyears,designershavedevelopedanumberofHLLVMstargetedatspecificlanguages.AwellknownexamplewasJavavirtualmachine(JVM)[5].Todealwithplatformdependent,Javaprogramsshouldfirstbecompiledtojavabinaryclasses,andthenJVMloadsandexecutesit.ByapplyingJavatechnology,Grabner[6]proposedVirtualPLCarchitecturetobeplatformindependent.However,itsimplementationisfocusedonrealizingremotesupervisionandmaintenancethroughgeneralpurposecomputer.PLCisatypicalkindofembeddeddevice,whosearchitectureisdifferentfromgeneralpurposecomputer.YukiKinebuchi[7]hasdiscussedthebenefitsofapplyingvirtualizationtechniquesonembeddedsystems.Muchtoourregret,theperformanceofitsimplementationwasnotenoughtomeetthestrictresourcerequirements,andalsolackinginthesupportofreal-timeguarantee.Heiser[8]arguedthatvirtualizationisunabletomeetthespecialrequirementsofembeddedsystems.Hence,whenwethinkinvirtualmachineswealwaysremembertheoverheadoftheinterpretation.Nowadays,apartfromthisthought,virtualizationconstitutesavalidapproachtobeappliedtoanothertypicalembeddedapplicationfield-wirelesssensornetwork(WSN).TheproofisthebroadrangeofsoftwareproposalsforWSNsbasedonvirtualmachines[9].Aswe’veseen,thereisstilllackofworktoapplyembeddedvirtualizationtechnologiesforPLC.OurworkisfocusedondesigningaHLLVMtosupportIEC61131-3languages,calledPLCVM.Itenablesuserstorapidlyportapplicationstodifferentplatforms,speciallytherestrictedembeddedenvironment.III.PLCVIRTUALMACHINEA.DesigngoalsTheoverallgoalistoenabledeveloperstorapidlyimplementbackendsofPLCapplications.WeidentifiedthetwospecificPLCVMdesigngoals:xProvideprogrammingsupportforIEC61131-3standard,throughinterpretingILcode.xProvideaunifiedsetoflocalresourceinterfacestoshieldthedifferencesbetweenPLCplatforms,suchasaddressingschemes,taskscanrates,peripheraldevicesdriverandsoon.B.SystemArchitectureFullcross-platformportabilityismoreeasilyachievedbydesigningitintooverallsystemarchitecture.Here,astheillustrationofVM-basedsystemarchitecture(Figure.1),theapplicationenvironmentdoesnotdirectlycorrespondtorealplatform.Instead,itisdesignedforeaseofportabilityandtomatchthefeaturesofVM.TheVMisfocusedonminimizinghardware-specificandOS-specificfeatures,whichwouldcompromiseplatformindependence.Specially,acompilerfront-endgeneratesabstractmachinecode,calledportablecode.ThisportablecodeisinessencethemachinecodeforVM.Itcouldbedistributedontodifferentplatforms.Foreachplatform,aninterpreterinVMtakeseachinstruction,decodesit,andthenperformstherequiredstatetransformationsinvolvingmemoryandstack.I/OandperipheralfunctionsareperformedviaasetofstandardAPIcallswhicharedefinedasapartoftheVM.IV.IMPLEMENTATIONOFVIRTUALMACHINEA.Portablecode–ILlanguageIEC61131-3definesfivestandardprogramminglanguagesforPLC.Amongthem,IListheonlyassemblelanguagewhichcouldbedirectinterpretedasanintermediatecode.OthertypeoflanguagescanbetranslatedtoILprogram.Therefore,wechooseILastheportablecodetosupportthefull-setofIEC61131-3.1)SyntaxILisexecutedlinebyline.EachinstructionlineiscorrespondingtoanexecutablePLCorder.Apartfromthevariabledeclarations,ILprogramsaresequencesofstatements.Astatementmainlyconsistsofacommandandaseriesofoperands.Sometimes,astatementbeginswithalabeltodenotethecommandlocationintheprogram.Additionally,programscanbeaugmentedbyannotations.2)SemanticsSemanticsanalysisistodeterminewhatstatementislegitimate.ThematchingrulesarelistedinTableI.Ingeneral,weconsidersthefollowingthreemajorpoints:xReadthecommandlinebylineandrecordthestartandtheendpoint.xIdentifythecommandandoperandtypes.xCheckwhetherthescopeoftheoperationsbeyondthelimit.Firstly,theappearanceofdenotesthebeginningofaninstructionline,and"\n"istheend.Secondly,identifyingtheCOMMANDistomatchthefirst“string”withdefinitionofILCode.FollowingCOMMANDstringsiscategorizedtodifferenttypesofoperands.Forinstance,“LDS1”isidentifiedasthepattern“string+string1”,anindirectoperand,andthentranslatedtothepattern“%+string+num”accordingtovariabledefinitions.“LD%IX1.1”isusuallyinterpretedasthe1stbitofthe1stinputchannel.Iftheoperandpatternisnotmatched,thesemanticsanalyzershouldstepintoerrorprocess.ThemajorcomponentsofaPLCVMareshownin:VMloader:writestheILcodeasinput”data”intoaregionofmemoryholdingtheinterpretationandtranslationroutines.Initialization:allocatesmemoryspaceforthecodecache,operandstackandmatchingruletableusedduringtheemulationprocess.Emulationengine:usesbothinterpretationandbinarytranslationtoemulatetheILinstructions.Theemulationismainlyperformedviainterpretationwithaprerecordedintermediateform.Andthetranslationisresponsiblefordealingwiththelocaloperationswhichhappenedininterpretationprogress.LocalAPImanager:providesaunifiedlocalcallinterfacesforcodeinterpretation,anddecideswhichtranslationsshouldbeflushedouttomakeroomfornewtranslations.OScallemulator:translatestheVMactivityintoanappropriatecallontheOSandthenhandlesanyassociatedinformationreturnedasaresultofthecall.I/O&Peripheralemulator:translatestheI/Oorperipheraloperationsintoanappropriatecallonthelocalresourcecodelibraryandthenhandlesanyassociatedinformationreturnedasaresultofthecall.Moreover,whichhasbeendenotedintheFig.3,toachievetheplatform-independent,therearethreestepsshouldbecompletedbeforetherunofPLCVM:VMenvironmentconfiguration,thatistoallocatememoryforstoringILcodeandsetoperandstack.ReplacementoftheindirectoperandswiththeactualsystemIOaddress,thedecouplingoftherelationshipbetweenthelocalrelatedoperationsandthecontrollogic.Encapsulationoftheperipheraldriverpackageunderaunifiedsetofinterfaces,toallocatethespecialcodecacheforoperationofthelocalresourcelibrary.C.EmulationengineThefollowingdetailedthePLCVMdesign(Figure.4).PLC_VMisafactoryclass,whichisresponsibleforthecreationoftheotherfourcomponentsofVM,whileaninterfacefunctionInterpretCodestoexplaintheIL-code,usingthepointerCcodeBasedforthelocationofeachcommandtocallthecommandexecutionfunction.AstheIL-codeinterpretationisdesignedbasedonobject-orientedidea,eachcommandisasubclasswhichisderi