六工位回转工作台设计

-PAGEII-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII-摘要多工位回转工作台式组合机床为广东省东莞力达公司（美国通用电气公司）专门设计制造的，用于加工电机前后端盖六工位回转工作台式组合机床。在本机床完成上料、粗镗、钻孔、攻丝、精镗止口、下料六工序，生产节拍20秒钟。该六工位回转工作台是采用了比较简单的换位斜板和转向盘来实现转位和定位，换位斜板与燕尾形导轨的滑块相连，用气缸推动，换位斜板只能沿导轨作直线运动。换位斜板是一块多边形，在转向盘底下均匀地分布着一些圆柱定位销，其数量等于分度工位数。当拟制活塞推动斜板向前移动时，斜板的一边推动着定位销，使转向盘回转。转到极限位置时，压缩气体进入拟制的另一腔，使活塞杆带动斜板向后退回。六工位回转工作是该机床的重要组成之一，它对工件的加工精度有直接的影响。主要是它的定位精度对工件精度影响很大。还有是否有可靠的固定，使加工时工作台能平稳。工作台旋转的快慢，影响机床的工作效率。冲击的大小又直接影响产生的噪音。所以在设计过程中，即要考虑机床的工作效率，准确的工作定位，冲击又不能太大，以免产生太大噪音，影响居民的工作和休息。关键词:多工位;回转工作台;换位斜板

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--目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1课题背景 11.2各设计内容简单介绍 21.2.1工作台转位和定位原理 21.2.2各构件的设计 21.2.3气压系统的设计 21.2.4各构件的设计 21.2.5计算部分 3第2章总体方案设计 42.1总体结构 42.2原理方案得设计 42.3轴承的选用 62.4动力的选择 62.5斜板的选用 72.6润滑方式选择 9第3章计算分析 113.1工作台回转运动规律分析 113.2计算工作台的转动惯量及所需动力 113.3在各阶段的受力分析 123.3.1在推进过程中 123.3.2在回退过程中 133.4行程的计算 14第4章气压传动系统 174.1明确系统要求 174.2分析系统工况 174.3确定执行元件的工作压力 184.3.1初选气压缸的工作压力 184.3.2确定气压缸的主要参数 184.3.3计算液压缸的流量和功率 184.4拟定系统原理图 19结论 21致谢 22参考文献 23附录 24-PAGE45--PAGE10-绪论课题背景本人的毕业设计题目是多工位实验台设计即回转台的设计，回转台是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等。通用转台按结构不同又分为水平转台、立卧转台和万能转台。水平转台：在圆台面上有工件定位用的中心孔和夹紧用的T型槽。台面外圆周上刻有360°的等分刻线。台面与底座之间设有蜗杆-蜗轮副（见蜗杆传动）,速比为90:1或120:1，用以传动和分度,蜗杆从底座伸出的一端装有细分刻度盘和手轮。转动手轮即可驱动台面，并由台面外圆周上的刻度与细分刻度盘读出旋转角度。分度精度一般为±60″。水平转台的蜗杆伸出端也可用联轴器与机床传动装置联接，以实现动力驱动。立卧转台：底座有两个相互垂直的安装基面，使台面既可水平也可垂直放置。万能转台:台面可以在0°～90°范围内倾斜任意角度,使工件在空间的任何角度都能准确调整。精密转台用于在精密机床上加工或角度计量。常见的有光学转台、数显转台和超精密端面齿盘转台。光学转台：主轴上装有玻璃或金属精密刻度盘，经光学系统将刻度细分、放大，通过目镜或光屏读出角度值。数显转台：转台主轴上装有精密圆光栅或圆感应同步器，由数字显示装置读出角度值。上述两种精密转台的分度精度最高可达±1。超精密端面齿盘转台：利用一对经过精密对研的1440齿、720齿或360齿的端面齿盘分度定位,其分度精度最高可达±0.01″，作精密角度计量用。回转工作台是六工位回转工作台镗床的重要组成部分，本人的毕业设计就以六工位回转工作台镗床的回转工作台为设计目标。本机床为广东省东莞力达公司（美国通用电气公司）专门设计制造的，用于加工电机前后端盖六工位回转工作台式组合机床。在本机床完成上料、粗镗、钻孔、攻丝、精镗止口、下料六工序，生产节拍20秒钟。该工作设计得好坏直接影响到机床的整体质量，正因为其重要性，所以我在设计过程中以十分认真的态度来对待，尽量满足六工位回转工作台组合机床的性能要求。在整个设计过程中，主要的工作是：工作台转位和定位原理；各构件的设计；气压系统的设计。在这篇论文中，我主要分为：总体方案设计；计算；各构件设计；气压系统设计；外文资料翻译。图1-1六工位回转工作台式组合机床各设计内容简单介绍1.2.1工作台转位和定位原理该六工位回转工作台是采用了比较简单的转位斜板和转向盘来实现转位和定位，转位斜板与燕尾形导轨的划板相连，用汽缸推动，转位斜板只能沿导轨作直线运动。换位斜板是一块多边形，在转向盘底下均匀地分布着一些圆柱定位销，其数量等于分度工位数。当拟制活塞推动斜板向前移动时，斜板的一边推动着定位销，使转向盘回转。转到极限位置时，压缩气体进入拟制的另一腔，使活塞杆带动斜板向后退回。这时斜板的另一边推着另一个定位销，使分度盘继续朝同一方向回转，当斜板移动后退到重点位置时，斜板上的两个边分别靠在相邻两个定位销上，此时分度盘得以正确定位锁紧。1.2.2各构件的设计主要设计的结构有：换位斜板的设计，分度圆盘的设计，轴承的选择，主轴的设计，燕尾形导轨的设计等，这些构件的具体设计见图纸。1.2.3气压系统的设计本工作台所选的动力为气压推动，气压传动与电机传动和液压传动相比，主要有反应快速、流动阻力低，压力损失小，便于集中供气和远距离运送、对工作环境适应性好等优点。在传动过程中，主要分为推进、停留、回程。所以在设计气压传动时，气流过程分为这三个阶段进行控制。1.2.4各构件的设计所需的设计的主要构件有：上板、立柱、底座、左挡板、右挡板、滑座、滑块、支架、接头、销轴、换位斜板、转盘、滚子轴、滚子、轴承座、中轴、圆盘、上盖。每个零件的设计说明在后面且每个零件的详细资料见图纸。1.2.5计算部分在这部分中主要包括换位斜板在各阶段的所需受力、速度、换位斜板的行程等，主要是为气压传动系统的设计做准备。总体方案设计总体结构1-圆锥滚子轴承2-立柱3-底座4-左挡板5-滑座6-滑块7-右挡板8-气缸9-换位斜板10-分度圆盘11-主轴12-圆盘13-油杯图2-1六工位实验台装配图原理方案的设计方案1：采用了比较简单的转位斜板和转向盘来实现转位和定位。转位斜板与带燕尾形导轨的滑板相连，用气缸推动，转位斜板只能沿导轨作直线运动。1前推起始位置2前推中间位置3前推终止位置4后退起始位置5后退中间位置6后退终止位置图2-2换位斜板与转向盘原理图工作台转位和定位的原理见上图，转位斜板是一块多边形板，在转向盘底下均匀地分布着一些圆柱定位销，其数量等于分度工位数，当气缸活塞推动斜板向前移动时，斜板的一边推动着定位销１。使转向盘回转，如上图的（１）、（２）两图所示。（３）图表示斜板向前终了的位置，然后压缩空气进入气缸的另一腔，使塞杆带动斜板后退。这时，协办的另一边推动着定位销２。使转向盘继续朝同一方向回转，如图（４）、（５）所示。当斜板移到后退极限位置时，斜板上的两个边分别靠在两个相邻定位销上。如图（６）所示。这时，转向盘得以正确定位并锁紧。这种利用斜板回转定位的分度回转工作台，结构比较简单。工作也比较可靠，特别适用于小型分度回转工作台和分度夹具，但由于转位斜板的边都是直线，导致原盘受到不恒定的力矩。很难实现预定的运动规律，而且转位时有较大的冲击现象。方案2：采用圆柱形凸轮间歇运动机构，六个滚子均匀分布在转盘端面，当凸轮转过角度2时，转盘以图（2）的运动规律运动。这种方案只要能设计出圆柱形凸轮。就能获得所需的运动规律。与方案1项比较，减少了冲击，运动规律能严格按照要求实现。但圆柱形凸轮设计比较复杂，更不好加工。方案1虽然有些冲力，而且不能严格按照所需的运动规律运动。但由于该工作台工作时，负载不大，而且也不需要严格的运动规律。综合考虑，我选方案1。轴承的选用选择滚动轴承类型时，必须了解轴承的工作载荷（大小、性质、方向）、转速及其他使用要求，以下是选用滚动轴承的基本原理：1）转速较高、载荷较小、要求旋转精度高时宜选用球轴承：转速较低、载荷较大有冲击载荷时则选用滚子轴承。2）轴承上同时受径向和轴向载荷，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；若精细那个载荷大，轴向载荷小，可选用深沟球轴承的组合结构。综上所述，由中轴，中轴上零件及工作台上负载的重力作用，使中轴产生较大的轴向力，轴向力的全部由轴承支承，在众多的轴承中，圆锥滚子轴承能支承较大的轴向力，故选用圆锥滚子轴承。因为滚子轴承能同时承受较大的径向力，轴向联合载荷。又内外可分离，装拆方便。动力的选择方案1：电动机，由后面计算可知，要带动该工作台回转，所需的功率不大，可以采用一小电机。但由于该工作台是间歇式工作的，不适合用电机。方案2：采用液压，其优点是：１）同其他传动方式相比，传动功率相同，液压传动装置的重量轻，结构紧凑。２）可实现无级变速，调整范围大。３）运动间的惯性小，能够频繁迅速换向，传动工作平稳；系统容易实现缓冲吸震，并能自动防止过载。４）与电气设备配合，容易实现动作和操作和自动化；与微电子技术和计算机配合能实现各种自动控制工作。５）原件已基本上系列化，通用化和标准化，适于CAD技术的应用，提高工效，降低成本。其缺点：１）容易产生泄露，污染环境。反映速度慢。２）引有泄露和弹性变形大，不易做精确的定比传动。３）系统内混入空气，会引起爬行，噪音和振动。４）使用的环境温度比机械传动小。５）故障诊断与排除要求较高技术。方案3：采用气压传动，气压传动与液压传动相比，虽远不及液压传动应用那样广泛，但它却具有许多其他能源所不能比拟的优点。1）空气可以从大气中取之不尽，无介质费用和供应上的困难；同时，可以将用过的空气直接放入，处理方便；与液压传动相比较慢不必设置回收液压油的油箱和管道。万一空气管道有泄漏处引起部分能量损失外，不致引起环境污染。２）空气的粘度很小，在管道中流动时压力损失较小，一般其阻力损失不到油的千分之一，因此，压缩空气便于集中供应和远距离传送。３）压缩空气的工作压力较低，一般在0.4到0.8Mpa，可降低对气动原件的材质和制造精度的要求，因而结构简单，易于制造，成本低。４）气压传动动作迅速，反应快。因此，适用于一般机械设备的控制上。５）气压传动维护简单，工作介质清洁，管道不易堵塞，已不使用安全，可靠。可以在高温、振动、腐蚀、易燃、多灰尘、强磁、辐射等恶劣环境下工作、便于实现过载自动保护。此外，气压传动上具有液压传动的一些优点，如操作控制方便，元件便于标准化，易于控制和实现供需自动化等。存在介质变质，补充和更换等问题。气压传动的缺点：1）由于空气的可压缩性，使工作速度不易稳定，外载变化对速度影响较大，也难于准确地控制与调节工作速度。2）由于工作压力较低使结构尺寸较大，气压传动装置的总推力较小，一般约到10到40KN。3）气压传动的总功率低，仅为电机的1/6到1/7。因为机构所需的推力不大，对精度也要求不高，有较快的反应速度，也适合间歇式的工作。所以该工作台的动力采用气压传动。斜板的选用方案1：斜板各边都是直线的。斜板各边设计成直线的，最大的问题就是冲击问题，下面对冲击的现象进行分析。对分度回转工作台来说，冲击现象可分为两种：一种是开始回转和回转终了及定位是的冲击。现在先分析后一种现象。当斜板的边推动销使回转台回转时，斜板作用力的方向垂直于斜板失去一边的斜面，定位销的运动方向垂直于回转中心O及定位销中心O1的连线，如图2-3所示。斜板作用方向与定位销运动方向之间的夹角A为压力角。当斜板为直线，如图2-3中所示的协办推动定位销的边与水平成75度和30度的直线时，用图2-3直线边换位斜板原理图01点相似的方法可用作图法求出O2，O3，O4点的压力角，可以看出这种压力角都是不一样的，由于在回转过程中，定位销运动方向的分力也是一样的。由于在回转过程中，定位销中心与协办的相对位置一直在变化。因此沿定位销运动方向也一直在变化，也推动工作台回转的力一直在变化。所以在回转过程中有不平稳现象，就要把这种压力角设计成不变的。另外一种是开始回转和回转终了及定位销的冲击现象。开始回转时的冲击现象是由于斜板板面与定位销之间有一段不小的距离，斜往前（往后）推动定位销有一定的冲击力，由于斜板的质量较小，这些冲力也不会太大，要消除也不很方便。回转终了时的冲击是由于回转终了时工作台转盘的速度并不等于零，所以有一定的惯性和冲击力。这种冲击力可以用液压缓冲有刚来吸收，也可以把斜板做成比较复杂的曲线来消除。这种斜板各边都是直线的，虽存在以上问题，但由于会回转速度小，且转动惯量不大，所以影响不大。该斜板设计和制造比较简单。方案2：斜板边设计成等压力角斜板曲线的设计方法，为了消除工作台回转过程中的不平衡现象，可以把压力欠妥设计成相等的。下面用一个六工位的实例来说明（见图2-4）。压力角就在70度到75度之间，在本例中选用了72度。把定位销直径d和回转半径R按比例绘好。图2-4曲线边换位斜板原理图将两次回转角度α和β(这里是取六等分的1/2，所以各为30度)分别绘出，并将30度分为六等分，分别绘出定位销中心1~7，并以1~7为中心分别绘出定位销直径，再分别绘出斜板作用力方向的直线，分别与径向成18度角（因为压力角为72度）。此直线与定位销分别相交于1＇~7＇点，通过1＇~7＇点作水平方向的平行线。再通过1＇点作与斜板作用力方向成90度的直线，与第二条水平线相交于2＂（1＂点与1＇点重点），从2＂点作与定位销中心2处于与斜板作用方向成90度的直线，与第三条水平线相交于3＂点：其余依此类推，做出4＂~7＂点。用曲线或几段弧把1＂~7＂连接起来。斜板虽然消除了不平衡现象，但斜板各边用了较复杂的曲线，设计和制造都比较困难。所以我认为方案1更可取。润滑方式选择因最上面的圆盘面积比较大，又是旋转的，所以不便于对圆锥滾子轴承进行润滑。故在上面放一油杯，油杯经过中轴的小孔流入轴承，从而对轴承取到润滑的作用。因为本工作台的受力比较小，速度也很小，所以也可用脂润滑。图2-5油杯计算分析工作台回转运动规律分析按照工作台的运动要求，工作台每回转π/3时，工作停下来工作一次，在这π/3时间内的运动规律如下：0~0.5s圆盘以恒定加速度旋转0.5~1.5s恒角速度旋转1.5~2s圆盘以恒角加速度减速，直到停止。所以原盘的角速度在π/3内随时间变化规律如下图3-1：00.51.22t（s）图3-1因为在2s内转过的角度为π/3。所以：（1+2）Wmax/2=π/3得出：Wmax=2/9π显然0~0.5s和1.5~2s间的角加速度大小都等于计算工作台的转动惯量及所需动力把旋转部分按层来分，分为多个圆柱来求。对单个底面半径r、高为h的圆柱，其转动惯量如表3-1：表3-1部分零件尺寸表12345R(mm)503008550130H(mm)815178117另外，在工作时，工作台有20kg的负载放在离中心位置190mm处，必须考虑进去。由于还有油杯，圆锥滚子轴承，摩擦等在计算转动惯量时都没有考虑。所以总转动惯量I总取2.2kg/所以在加速减速时，所需要的力矩为M=I·β=2.2×4/9π=3.07Nm从而圆盘在圆柱销处所需的切向力F=3.07/0.08=38.375N在各阶段的受力分析这是设计过程中很重要的部分，只有准确的受力分析，才能合理地选择气压动力。并保证工作台按照要求的运动规律运动，既要准确，又要保证动力足够大，能推动圆盘转动。动力太大，会增加冲击，产生较大的噪音，对环境造成污染，尤其是在大城市，严重影响居民的工作和休息；另外，冲击太大，会严重影响整机的寿命，造成零件过早地失效。所以在这部分，我们要作严格的受力分析，为各设计打好基础。3.3.1在推进过程中要使圆盘以β=4/9π的角加速度加速，必须受到F=38.375N的圆周力（前面已算出）。由上图的受力分析图3-2及公式（3-1）可知：Fn=Ft/cosθ（3-1）图3-2推进过程位置1和3的受力由于Ft恒定，所以Fn与θ成正比。所以在推进过程中（从位置1到位置3）。θ角逐渐增大，又因为位置3是推进的极限位置，所以在位置3处的Fn最大。Fn的方向始终不变，所以在位置3处的动力应需最大。=×=143.2N注：为推进过程中的最大压力角，即＝75°3.3.2在回退过程中由上图的受力分析可知：Ｆn在位置６上力最大才能保证Ｆt恒定=Ft×cos55°/cos65°＝52.3Ｎ在这过程中，最大压力角为＝30°＋35°＝65°如下图3-3图3-3回程过程位置4和6的受力分析行程的计算行程计算在设计过程中是一项很重要的计算，它决定着T型槽的长度选择。太长的话，会造成尺寸过大，对整个结构设计带来不便，同时也浪费材料，从而增加成本；太小的话，更是不行，导致分度圆盘无法在整个圆周上回转，不能实现预期的设计要求。另外，行程的计算是选择气缸的主要参数来源，只有确定了换位斜板的最大行程，才能正确选择气缸。以下是行程计算过程：如下图3-4，引入未知数d0、d1、d2、d3、d4、d5。图3-4未知数假设由换位斜板的已知尺寸可知44+d2·cos35°=178Sin35°·d2+4+d3·sin30°=113由以上两式可解出：d2=163.58d3=30.35由上图可知：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所以行程为：l=d6–d5+d4=128.04mm气缸使用场合与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与气缸盖相碰撞，所以按计算行程多加10~20mm的行程余量气压传动系统明确系统要求据加工的需要，该系统的工作循环是：推进—暂停—回程。调查结果及计算结果表明，推进和回程的速度为41.9m/min推进速度就能在0~41.9m/min范围内无级调速，速度最大行程为128.04mm，在这近给方向最大力为143.2。在回程过程上，气缸所需的最大力为16.7N。中间要停留1秒。在这过程中，气缸所受的负载为0。分析系统工况气压在工作过程各阶段的负载为：启动加速阶段受力图如图4-1：图4-1启动加速阶段受力图启动时，分度圆盘的角加速度为β=4/9πrad/s,此时受到Ft=38.375N的圆周力(后面有计算过程)。所以=Ft·tan=88.9N推进过程中：由前面计算可知：=143.2N回程过程中：由前面计算可知：F气缸max=52.3N;将气压在各阶段的速度和负载列于下表中。表4-1气压缸在各阶段的速度和负载值工作阶段速度v(m/s)负载F/N启动加速88.9推进0.698143.2回程0.69852.3确定执行元件的工作压力4.3.1初选气压缸的工作压力由上表可知参考同类型组合机床，取气压缸工作压力P为0.1MP4.3.2确定气压缸的主要参数由上表可看出，最大负载为推进终止位置的负载F=143.2N查找设计手册，按液压缸内径径系列将以上计算圆整为标准直径，取D=70mm4.3.3计算液压缸的流量和功率1）计算气压缸的输入流量因推进时的速度为0.698m/s，则液压缸各阶段的输入流量为推进和回程过程的速度相同，所以这两阶段的流量相同。q=π·d2·v=3.14×452×0.698×10-4=26.6L/min2）计算气压缸的输入各阶段的输入功也是相等的。P=p·q=0.1×106×26.6×10-2/60=0.44kw通过查机械设计手册：选用气压缸型号：QCJ2B16-1304.4拟定系统原理图根据组合机床的设计任务和工况分析，该机床对调整范围，低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接，稳定性和调节是该机床气压系统设计的核心。速度控制回路的选择:本机订的推进运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，故采用调速阀调速，有三种方案可供选择，即进口节流调速，出口节流调速。本系统为小功率系统，效率和发热问题并不突出；在整个旋转过程中，负载和速度都不大，而且是正负载，所以冲击不太大，所以不需要加背压阀。在各阶段的速度和负载都不一样，所以要选用节流阀，通过改变节流口通流面积大小来改变局部受力的大小，从而现实对流量的控制，来改变换位斜板的速度。该气压系统各阶段工作状况分析：推进过程：此时，电磁阀得电，接通电磁阀的左端，气体从气缸的右腔，推动活塞各左运动。回程过程：此时二位四通电磁阀不得电，电磁阀的右端接入系统，气体经过节流阀进入气缸的左腔，推动活塞向右运动。如图4-3。1-气缸2-单向节流阀3-二位四通电磁阀4-气源4-3气压系统图结论在这一个学期时间内，在孙老师的指导下并通过自己的努力。顺利完成了毕业设计。设计的内容为六工位回转工作台的设计。经过这一个学期做毕业设计，使我在原来理论知识基础上得到了升华。不仅进一步巩固了以前三年所学的理论知识，还让我了解了设计机械产品的整个过程：怎样去收集、理解各种资料、怎样具体设计、怎样去编写、整理论文。同时也让我深深体会到，现实中设计一机械产品是多么艰辛，并不像理论说的那么简单。不仅要扎实的理论知识，还要考虑到许多现实因素。这些收获都为我以后的学习和工作取到很大的指导作用。在设计六工位回转工作台过程中，我采用了论文中的方案。如论文中所诉，该方案由很多优点。但也未必是最好的，其中不可避免地存在一些问题。首先，在推进和回程过程中，推力是不变的，而换位斜板各边都是直线，使在各处的压力角不相等。最后导致分度圆盘所受的圆周力不一样，即旋转的角速度一直在变，从而工作台不能严格实现预期的运动。其次，分度圆盘旋转一工位的开始和结束时，都有比较明显的冲击现象，不过该工作台的负载较小，问题不大，如果负载较大的话，那该方案就不可取了，应该选用等压力角斜板曲线的设计方法。致谢时光的流逝也许是客观的，然而流逝的快慢却纯是一种主观的感受。当自己终于可以从考研、找工作、毕业设计的压力下解脱出来，长长地吁出一口气时，我忽然间才意识到，原来四年已经过去，到了该告别的时候了。一念至此，竟有些恍惚，所谓白驹过隙、百代过客云云，想来便是这般惆怅了。可是怅然之后，总要说些什么。大学四年，生活其实很简单，只是一些读书、写字和考试的周而复始。如果把这种单调的生活看作一场场循环的演出，那么我只是一个安静的演员。这篇毕业设计也绝称不上什么精彩的台词，只不过是这种循环演出即将告一段落时的谢幕词。但是无论多么蹩脚的演员，无论台下有多少观众，即使是只说给自己听，在他谢幕时也总要感激一些人，是这些人帮助他走上舞台，成功或者不那么成功地“演出”。我在这里首先要感谢的是我的毕业设计指导老师——孙全颖老师。这份毕业设计从开题、资料查找、修改到最后定稿，如果没有他的心血，尚不知将以何等糟糕的面目出现。我很自豪有这样一位老师，为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩也值得我感激和尊敬。感谢和我共度四年美好大学生活的哈理工机械07-11班的全体同学。感谢机械学院和其他学院的所有授课老师，感谢他们的教诲，让我知道在社会上懂得怎样去做好自己，端正自己的位置，为社会贡献出我自己的力量。感谢所有关心、鼓励、支持我的家人和朋友。参考文献1邱宣怀编.机械设计.第四版.高等教育出版社2高常识编.液压与气压传动.高等教育出版社3哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学.高等教育出版社.4机械工程手册编委会编.机械设计手册.第二版.北京：机械工业出版社19975姜海，宋锦春等.液压与气压传动.高等教育出版社,2002,1(1)5～3106高鑫,姚玉春,李林贵主编.机械设计.沈阳：东北工学院,1988:10～2137徐瀛主编.机械设计手册第二版.北京：化学工业出版社,1985:1～3158邱宣怀主编.机械设计.第四版.高等教育出版社,1997,(4):1～2509大连理工大学工程画教研室编.机械制图.第四版.高等教育出版社,1995:1～26910徐福玲,陈尧明主编.液压气压传动.机械工业出版社,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附录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