加工中心（xīn）的換刀方式，一般可以分為有機械手換（huàn）刀和無機械手換刀。有機械手換刀（dāo）方式的刀（dāo）庫，一（yī）般為鏈式；無機械手（shǒu）換刀方式的刀庫，一般為盤式。無機械手換刀（dāo）方式，一般適用於（yú）立式加工中心，原因是它運動集中，運動部件少。但受（shòu）立式加（jiā）工中心機床尺寸大小（xiǎo）的（de）限製，刀庫鼓輪盤尺寸一般不宜（yí）太大，即刀庫的容量不能太大（dà）。鬥笠式（shì）刀庫，顧名思義，形狀像鬥笠，結（jié）構（gòu）上為盤式刀庫，換刀方式屬於無機械手換刀係統，它由刀庫橫移（yí）裝置、刀庫分度選刀裝置以及主軸上的刀具自動裝卸機構組成[1]。

      鬥笠式刀庫換刀時，第一步，是（shì）刀庫橫移裝置移（yí）動到主軸（zhóu）箱可以達到的位置；第二步，是刀庫分度裝置進行選刀（dāo），它通過精準的分（fèn）度、定位，把下個工序（xù）所需的刀具送到指定位置；第三步，是主軸上的自動裝卸（xiè）機構準確取刀、送刀。所以橫移裝置和分（fèn）度裝置，是（shì）鬥笠式刀庫的重要組成（chéng）部件。

      1 鬥（dòu）笠式刀庫裝置的設（shè）計

      1.1 刀（dāo）庫橫移（yí）裝（zhuāng）置的設計

      刀庫的橫移裝置（zhì），是在進行換刀的整個過程中，刀庫從遠離主軸的位置直線移動到主軸軸線位置，以實現（xiàn）換刀。該機構運動的動力部件是刀庫電動機，電機軸實現旋轉運動，使刀庫實現直線移動。本文闡述了一種利用正弦機構運動原（yuán）理的換刀橫移機構，可讓電機（jī）軸的旋轉運動順利地轉化（huà）為可控的刀庫直線運動。

      鬥笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導軌（滑杆）支撐（chēng），每根圓柱導軌（guǐ）由（yóu）兩個支架固定在連接板上，連接板固定在（zài）機床立柱上，實現刀庫與機床立柱的連接。整個（gè）刀庫可以在兩根圓柱導軌（guǐ）上滑動，實現刀庫（kù）前（qián）後運動，以完成抓刀和返回動（dòng）作。而刀庫前後運動的原（yuán）動力是由電機通過撥杆和滑塊實現的（如圖1）。

      當加工中心進行零（líng）件加工的時候，刀庫遠離主軸，停留在最左邊極限位置1，即刀庫（kù）處於原（yuán）位。收到換刀指令（lìng）後，電機通過電（diàn）機軸逆時針方向旋轉，帶動撥（bō）杆轉動（撥杆（gǎn）上帶有滑

      塊），滑塊與（yǔ）撥杆聯接，跟隨撥杆回繞電機軸旋轉，滑座上開有滑槽，滑塊（kuài）在滑槽中上下移動，帶動滑座（即刀（dāo）庫）向右移動，從而使刀庫運動到右極限位置2，到達換刀位置，等待取刀（dāo）及放刀電機軸順時針方向（xiàng）旋轉時，使刀庫返回。

      1.2 刀庫分度裝置的設計

      本文（wén）設（shè）計的鬥（dòu）笠（lì）式刀庫的分度（dù）裝置（zhì），使用的是經典的槽（cáo）輪機構（即馬氏機構），它具（jù）有（yǒu）結構簡單、外形尺寸小、機械效率高，以及能較平穩地、間歇地進行轉（zhuǎn）位等優點。但槽數的多少，直接（jiē）影響到機構的柔性衝擊和準確定位。本節闡述了槽數與機（jī）構平穩性的關係。

      鬥笠式刀庫的分度裝置，由刀庫鼓輪（lún）、分度盤、定位法蘭、圓柱滾子等零部件組成，分度裝置的電機輸出軸軸線與定位法蘭、分度盤、刀庫鼓輪盤（pán）的回轉軸線平行。刀庫選刀時，首先由（yóu）刀庫回轉電機得（dé）到旋轉指令，輸入軸（zhóu）通過聯軸器帶動定位法蘭（lán）旋轉，從而使在定位法蘭上（shàng）的（de）圓柱滾子廻繞法蘭中心轉動；當圓柱滾子轉動一定角度，進入分度盤的分（fèn）度（dù）槽中，撥動（dòng）分度盤開（kāi）始作（zuò）轉位運動；當分度盤轉過一定的角度後，圓柱滾子從分度槽中脫出，刀庫鼓輪盤（分度盤通過螺（luó）釘與刀庫鼓輪（lún）連在一起轉動，見圖2）即靜止不動，並由定位法（fǎ）蘭的鎖止半軸定位。

      定位法蘭每回（huí）轉一圈，就驅動分度盤（pán）轉過一個槽。電機是連續勻速運動的，從而帶動定（dìng）位法蘭與圓柱滾子連續勻速（sù）轉動。但圓柱滾子是間斷性的轉入分度槽的（de），從而（ér）使刀庫輪轂得到周期性（xìng）間歇運動，起到了刀庫的分度作用（如圖2）。分度盤與刀庫鼓輪同軸，分度（dù）盤的分度槽數與刀庫鼓輪上（shàng）的刀數一致。定位法蘭不斷回轉，分度盤就不停地進行分度，刀庫鼓輪就不斷重複上述的運動循環，從而將下一（yī）個工序所需刀具的刀位轉到換刀位置上，以便讓主軸進行換刀，實現刀庫的自動換刀。

      2 刀庫的運（yùn）動分析

      2.1 橫移裝置（zhì）運動分析

      刀庫需要一（yī）個橫向的直線運動來滿足換刀要求，而驅動電機輸出的是旋轉（zhuǎn）運動，利用該機構，根據運動的合成與分解原理，可以將（jiāng）電機輸出的旋轉運動分（fèn）解（jiě）為水平、垂直兩個方（fāng）向（xiàng）的直線位移，利（lì）用滑塊在滑槽中的運動（dòng），消除（chú）掉刀庫垂（chuí）直方向的位移，實現刀庫（kù）所需的水平方向的（de）直線運動。整個（gè）機構的運動過程為：撥杆（主動件）的（de）動力，來源於中心的驅動電動機，滑塊是從動件。撥杆由電動機控製從狀態A運動（dòng）到狀態B，再從狀態B 返回到狀（zhuàng）態A，作（zuò）往（wǎng）複的1/2 圓周運動（dòng）。滑塊由位置1 運動到位置2，再運動到位置3，再由位置3 返回到位置1，作往複的直線運動（見圖3）。在這個過程中，該（gāi）機構很好的將電動機提供的圓周運動（dòng），轉化（huà）成了滑塊的上下往複直線運動和滑座的水平往複（fù）直線運動，從而保證刀庫準確可靠的換刀與（yǔ）複位[2.~3]。

      2.2 分度裝置運（yùn）動分析

      刀庫在換刀前，首先需（xū）要選刀。選刀的過程，就是使（shǐ）刀庫鼓輪滿足一個周向（xiàng）間歇運動，也就是分度盤在分度過程中，轉（zhuǎn）位開始與轉位（wèi）結束位（wèi）置上的瞬時角速度ω2 = 0。在圖4 中得出，為了使圓柱滾（gǔn）子能順利進入和脫（tuō）出分度盤上的徑向槽（cáo），在槽口的（de）瞬時（shí）位置時，必須使轉臂中心線O1O3與分度槽的中心線O3O2 相垂直（zhí），即∠O1O3O2 = 90°。假設： O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圓柱滾子（zǐ）從進入至脫離徑向槽這個過程，定位法蘭的轉角為2φ1（即∠O2O1O3 = φ1），分度盤的轉角為（wéi）2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則在直角三角形O1O2O3中，根（gēn）據正切函數，得（dé）

      分度機（jī）構（gòu）在轉位過程中，定位法蘭以勻角速度ω1轉（zhuǎn）動，分度盤以角速度ω2 反向轉動，分度盤（pán）每次分度（dù）轉過的角度與槽數z 有嚴格的對應關係（2φ2 = 2π / z），分度盤的角速度ω2為φ2 對時間的導數

      定位法蘭的角速度ω1為常（cháng）數，分度盤轉位（wèi）起、停時（shí），分度盤的角速度ω 2 和分度盤的角加速度ε 為（wéi）槽數和定位（wèi）法蘭撥盤轉角（jiǎo）φ1 的函數，當（dāng）撥（bō）盤勻速轉動時，隨著分度（dù）盤槽數Z 的增加，運動趨於平緩（如圖5）。當圓（yuán）柱滾子開始進（jìn）入和即將退出分度槽時，角加速度有突變（如圖6 所示（shì）），且突變的大小是隨著分度槽數Z 的增加而減少。這說（shuō）明刀庫在開（kāi）始選刀和選（xuǎn）刀結束時，會產生震動和衝擊，但分度槽數越多，刀庫轉位過（guò）程越平（píng）穩，產生的震動（dòng）和衝擊越小。從角速度、角加速度變化（huà）的曲線圖得出：槽數Z 達到12（亦即（jí）刀庫的刀數為12）以上（shàng）時，分度裝置分度過程就比較平穩。換句話說，此時鬥笠式刀庫在選刀（dāo）過程中，產生的震動和衝擊已經很小，分度盤角速度變化不大，刀庫運動趨於平穩。

      3 橫向移動裝置的速度分析

      刀庫換刀（dāo）時，需要的運動為水平移（yí）動。在該機（jī）構中，水平方向和（hé）豎直方（fāng）向（xiàng）的位（wèi）移，都隨著轉角的變（biàn）化而變化，而且變化不是均勻的。

      圖7 表明：起始點處為刀庫在最左邊（位置（zhì）1），撥杆在（zài）水平位置，這（zhè）個位置為刀具運動的（de）起始位置（zhì），所以此時轉角為0，刀庫橫向移動速度也（yě）為0。當電機接到轉（zhuǎn）動指令後，轉動90°，撥杆擺動90°，撥杆到達（dá）豎直位置，此時刀庫運動到了位移的中點處（位（wèi）置（zhì）2），刀庫橫（héng）向移動速度從0 到最大。撥（bō）杆繼續轉（zhuǎn）過90°後，撥杆再次到達水平位置，刀庫到達最（zuì）右邊（位置3），刀庫橫向移動速度又從（cóng）最大到0，恰好使刀庫運動到換刀位置。當刀庫換好刀，電（diàn）機接到反向轉動指令（lìng）後，反轉動180°，撥杆反向擺（bǎi）動半圈，刀庫運（yùn）動到初始位置，整個換刀過程結束。

      假定（dìng）電機轉動角速度為（wéi）ω，撥杆長度為L，撥杆與刀（dāo）庫橫向移動裝置（水平滑軌）ω 之間的夾角為θ，刀庫橫向移動的速度為VX，則

VX = L×ω×sinθ

      當θ = 0°時，此時撥杆在左極限位置也就是水平位置，對應刀庫也在起始位（wèi）置， VX= 0。

      當θ = 90°時，此（cǐ）時撥杆在豎直位置，對（duì）應刀庫在中間（jiān）位置，VX = L×ω，為最大速度。

      當θ =180°時，此時撥杆在右極限位置（zhì）也是水平（píng）位置，對應刀庫也在換刀位置，VX = 0。

      由此可見，刀庫的運動不是勻（yún）速（sù）的。換刀結束後，撥杆反向旋轉，反向速度也是先（xiān）增大然後減小，直至起始位置時（shí）速度為0。

      由運動速度的分解可知，在整個過程中，刀庫橫移裝置的速（sù）度變化呈現出（chū）正弦曲線的規律，符合（hé）正弦機構運動（dòng）原理，因此，這種機構為正弦機構。

      4 結束語

      （1）應用正弦（xián）機構原理設計的鬥笠式刀庫在換刀過程中，采用電機驅動（dòng）後，刀庫橫（héng）向移動裝置運動速度由0 到最大，之後再減小至0，減小了刀庫運動的衝擊，從而保（bǎo）證了刀庫運動的平穩性，保證刀庫準確定位，為準確快速換刀提供了保證。同理，換完刀之後，使刀庫能平穩運動回到起點，有利於刀庫位置的準確控製。換刀時間由電機旋轉速度控製，且（qiě）無論（lùn）旋轉速度如（rú）何，都能（néng）保證在刀庫移動的兩端的速（sù）度為0，即保證刀庫的平穩性和換刀的（de）可靠性。該裝置機構簡單，可靠性高，成本低廉，適用於立式加（jiā）工中心的刀庫（kù）換刀機構。

      （2）加工中心（xīn）刀庫中容刀量的多少，決定了該加（jiā）工中心的加工工藝（yì）範圍（wéi）。為保證加工中心能夠適應並（bìng）滿足不同零件（jiàn）的多（duō）樣性和加工工（gōng）序複（fù）雜（zá）性的要求，刀庫必須具有一定的容刀量。刀庫容刀量（liàng）越（yuè）大，加工中心的適（shì）應性越好。但刀（dāo）庫（kù）容量越大，刀庫尺寸就越大，所占空（kōng）間就越大，而容量小又不平穩。綜上所述，一般應（yīng）用在立式加工中心上（shàng）的鬥笠式刀庫，建議（yì）采用刀庫容刀（dāo）量在（zài）15～20 把刀的範（fàn）圍內。