加工中心的換刀方式，一般（bān）可以分為有機械手換刀和無機械手（shǒu）換（huàn）刀。有機械手換刀方式的刀庫，一般為鏈式；無機械手換刀方式（shì）的刀庫，一般為盤式。無機械（xiè）手（shǒu）換刀方式，一（yī）般適用於立式加工（gōng）中心，原因是它運動集中，運動（dòng）部件少。但受立式加工（gōng）中心機床（chuáng）尺（chǐ）寸大小的限製，刀庫鼓輪盤尺寸一般不宜太大，即刀庫（kù）的容（róng）量不能太大。鬥笠式刀（dāo）庫，顧名思義，形狀像（xiàng）鬥笠，結構上為盤式刀庫，換刀方式屬於無機械手（shǒu）換刀係統，它由刀庫橫移裝（zhuāng）置、刀庫分度選刀裝置以及主軸上的刀（dāo）具自動裝卸機構組成（chéng）[1]。

      鬥笠式刀庫換刀時，第一步，是刀庫橫移裝（zhuāng）置移動到主軸箱可以（yǐ）達到的位置；第二（èr）步，是刀庫分度裝置進行選（xuǎn）刀，它通過精（jīng）準的分度、定位，把下個工序（xù）所需的刀具送到指定（dìng）位置（zhì）；第三步，是（shì）主軸（zhóu）上的自動裝（zhuāng）卸機構準確（què）取刀（dāo）、送刀。所以橫移裝（zhuāng）置（zhì）和分度裝置，是鬥笠式（shì）刀庫的重（chóng）要組成部件。

      1 鬥笠式刀庫裝置的設計

      1.1 刀庫橫移裝置的設（shè）計（jì）

      刀庫（kù）的（de）橫移（yí）裝（zhuāng）置，是在進行換刀的整個過程中，刀庫從遠離主軸的位置（zhì）直線移動到主（zhǔ）軸軸線位置，以實現（xiàn）換刀。該機構運動（dòng）的動力部件是刀庫電動機（jī），電機軸（zhóu）實現旋轉運動，使刀庫（kù）實現直線移動。本文闡述了一種利用正弦機構運動原理的換刀橫移機構（gòu），可讓電機軸（zhóu）的旋轉運動順利地轉化為可控的刀庫直（zhí）線運動。

      鬥笠式刀庫橫移裝（zhuāng）置（zhì），由兩根圓柱導軌（滑杆）支（zhī）撐（chēng），每根圓柱導軌由兩個支架固定在連接板上，連接板固（gù）定在機床立柱上（shàng），實現刀庫與（yǔ）機床立柱的連接（jiē）。整個刀庫可以在兩（liǎng）根圓柱導軌上滑動，實現刀庫前後運動，以完成抓刀和（hé）返回動作。而刀庫前後運動的原動力是（shì）由電機通過撥杆和滑塊實現的（如圖1）。

      當加工中心進行零件加工的（de）時（shí）候（hòu），刀（dāo）庫遠（yuǎn）離主軸，停留在最（zuì）左邊極限位置1，即刀（dāo）庫處於原（yuán）位。收到換（huàn）刀指令後，電機通過（guò）電機軸逆時針方向旋轉，帶動撥杆轉動（撥（bō）杆上帶有滑

      塊（kuài）），滑塊（kuài）與撥杆（gǎn）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（即刀庫（kù））向右移動，從而使刀庫運動到（dào）右極限位置2，到達換刀位置，等待取刀及放刀電機軸（zhóu）順（shùn）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（běn）文設計的鬥笠式（shì）刀庫的分度裝置，使用的是經典的槽輪機構（即馬（mǎ）氏機構），它具有結構（gòu）簡（jiǎn）單、外形尺寸小、機械效率高，以及能（néng）較平穩地、間歇地進行轉位等優點。但槽數的多少，直接影響（xiǎng）到機（jī）構的柔性衝擊和準確定位。本節闡述了槽數（shù）與機構平穩性的關係。

      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（bù）件組成，分度裝（zhuāng）置（zhì）的電機輸出軸軸線與定位法（fǎ）蘭、分度盤（pán）、刀庫鼓輪盤的回轉軸（zhóu）線平行。刀庫選刀時，首先由刀庫回轉電機得到旋轉指令，輸入軸通過聯軸器帶動定位法（fǎ）蘭旋轉，從而使在定位法蘭上的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（de）分（fèn）度槽中，撥動分度盤開始作轉位運動；當分度盤轉過一（yī）定（dìng）的角度（dù）後，圓柱滾子從分度槽中脫出，刀庫鼓輪盤（pán）（分度盤通過螺釘與刀庫鼓輪（lún）連在一起轉動，見圖2）即靜止不動（dòng），並由定位法蘭的鎖止半軸定位。

      定位（wèi）法蘭每回轉一圈，就驅動分度盤轉過一個槽。電機是連續（xù）勻速運動（dòng）的（de），從（cóng）而帶動定位法（fǎ）蘭與圓柱滾子連續勻速轉動。但（dàn）圓柱滾子是間斷性的轉入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間（jiān）歇運動，起到了刀庫的分度（dù）作用（如圖2）。分度盤（pán）與刀庫鼓輪（lún）同軸，分度盤的（de）分度槽（cáo）數與刀庫鼓輪上的刀數一致。定位法蘭不斷回轉，分度盤（pán）就不停地（dì）進行分度，刀庫鼓輪就不斷重複（fù）上述的運動循環，從（cóng）而將下一個工序所（suǒ）需刀具的刀位轉到換刀位（wèi）置上，以便讓主軸進行換刀，實現刀庫的自動換刀。

      2 刀庫的運動（dòng）分析

      2.1 橫移裝置運動（dòng）分析（xī）

      刀庫需要一個橫向的直線運動來滿足換刀要求，而驅動電機（jī）輸（shū）出（chū）的是旋轉運動，利用該機（jī）構，根（gēn）據運動的合成與分解原理，可以將電機輸出的旋轉運動分解為水平、垂直兩個方（fāng）向的（de）直線位移（yí），利用滑塊在滑槽中的運動，消除掉刀（dāo）庫垂（chuí）直方向的位移（yí），實現刀庫所需的水平方向的直線運動。整個機構的運動過程為：撥杆（主動件）的動（dòng）力，來源於中心的驅動電動機，滑塊是從動件。撥杆由電動機（jī）控製（zhì）從狀態A運動到狀態B，再從狀態B 返回到狀態A，作往複的1/2 圓周運動（dòng）。滑塊由位置（zhì）1 運動（dòng）到位置2，再運（yùn）動到位置3，再由位置3 返（fǎn）回到位置1，作往複的直線運動（見圖3）。在這個過程（chéng）中，該機構很好的將電動機提（tí）供的圓周運動，轉化成了滑塊的上下往複直線運動和滑座的水（shuǐ）平往複直線運動，從而保證刀庫準確可靠的（de）換刀與複位[2.~3]。

      2.2 分度裝置運動分析

      刀庫在換刀前，首（shǒu）先需要選刀。選刀的過程，就是（shì）使刀庫鼓輪滿足一個周（zhōu）向間歇運動（dòng），也就（jiù）是分度盤在分度過程中（zhōng），轉位開始與轉位結束位置上的瞬時角速度（dù）ω2 = 0。在圖4 中得出，為（wéi）了使圓柱滾子能順利進入和脫出分度盤上的徑向槽，在槽口的瞬時位置時，必須使轉臂中心線O1O3與分度槽的中心（xīn）線O3O2 相垂直，即∠O1O3O2 = 90°。假設（shè）： O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圓柱（zhù）滾（gǔn）子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2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則在直角三角（jiǎo）形O1O2O3中，根據正切函數，得

      分度機構在轉位過（guò）程中，定位法蘭以（yǐ）勻角速度ω1轉動，分度盤以角速度ω2 反（fǎn）向（xiàng）轉動，分度盤每次分度轉過的角度與槽數（shù）z 有嚴（yán）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（dìng）位法蘭的角速度ω1為常數，分度盤轉位起、停時，分度盤的（de）角速度ω 2 和分度盤的（de）角加速度ε 為槽數和定位法蘭撥盤轉角（jiǎo）φ1 的函數，當撥（bō）盤勻速轉動時，隨（suí）著分度盤槽數Z 的增加，運動趨於平緩（如圖5）。當圓柱滾子開始進（jìn）入和即將退出分度槽時，角加速度有突變（如圖6 所示），且突變（biàn）的大小是（shì）隨著分度槽數Z 的增加而減少。這說明刀庫在開始選刀和選刀結束時，會產生震動和衝擊，但（dàn）分（fèn）度槽數越多，刀庫轉位過（guò）程越平穩，產生（shēng）的震動和衝擊越小。從角速度（dù）、角加速（sù）度變化的曲線圖（tú）得出：槽數（shù）Z 達（dá）到12（亦即刀庫的（de）刀數為12）以上時，分度裝置分度過程（chéng）就比較平穩。換句話說，此時鬥笠式刀庫在選刀過程中，產（chǎn）生的（de）震動（dòng）和衝擊已經很小，分度盤角速度變化（huà）不大，刀庫運動趨於平穩（wěn）。

      3 橫向移（yí）動裝置的速度分析

      刀庫換刀時（shí），需要（yào）的運動為水平移動。在該機構中，水平（píng）方向和豎直方向的（de）位移，都隨著轉角的變化而變化，而且（qiě）變（biàn）化不是均勻的。

      圖7 表明：起始點處為刀庫在最左邊（位置1），撥杆在水平位置，這個位置（zhì）為（wéi）刀具運（yùn）動的起始位置，所以此（cǐ）時轉角為0，刀（dāo）庫橫（héng）向移動速度也為0。當電機接到轉動指令（lìng）後，轉動90°，撥杆擺動90°，撥杆到（dào）達豎直位置，此時刀庫（kù）運（yùn）動到了（le）位（wèi）移的中點處（位置（zhì）2），刀庫橫向移動速度從0 到最大。撥杆（gǎn）繼續轉過90°後，撥杆再次到達水平位置，刀庫到達最右邊（位置3），刀（dāo）庫橫向移動速度又從最大到0，恰好使刀庫運動到換刀位置（zhì）。當刀庫（kù）換好刀，電機（jī）接到反向轉動指令後，反轉動180°，撥杆（gǎn）反向擺動半（bàn）圈（quān），刀庫運動到初始位置，整個換刀過程結束。

      假定電機轉動角速度為ω，撥杆長度為（wéi）L，撥杆與（yǔ）刀庫橫向移動（dòng）裝置（水平滑軌）ω 之間的夾角為θ，刀庫橫向移動（dòng）的速度（dù）為VX，則（zé）

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置， VX= 0。

      當θ = 90°時，此時撥杆在豎直位（wèi）置，對應刀庫在中（zhōng）間位置，VX = L×ω，為（wéi）最大（dà）速（sù）度。

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

      由此可（kě）見，刀庫的運動不是勻速的。換刀結束（shù）後，撥杆反向旋轉（zhuǎn），反向速度也是先增大然後減小，直至起始位置時速度為（wéi）0。

      由運（yùn）動速度（dù）的分解可知，在整個過程中，刀庫橫移裝置的（de）速度變化呈現出正弦曲線的規律，符合正弦機（jī）構（gòu）運動原理，因此，這種（zhǒng）機構為正弦機構（gòu）。

      4 結束語

      （1）應用正弦機構原理設計的鬥笠式刀（dāo）庫在換刀過程中，采用電機驅動後，刀庫橫向移動裝置運動速度由0 到最大，之後再減小至0，減小了（le）刀庫運動的衝擊，從（cóng）而保證了刀庫運動的平穩（wěn）性，保（bǎo）證刀庫準確定位，為準確快速換刀提（tí）供了保證。同理，換完（wán）刀（dāo）之（zhī）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，且無論旋轉速度如何，都能保證在刀庫移動的兩端的速度為0，即保證刀庫的平穩性和換（huàn）刀的可（kě）靠性。該裝置機構簡單，可靠性高，成本低廉，適用於立式（shì）加工中心的刀庫換刀機構（gòu）。

      （2）加工（gōng）中（zhōng）心刀庫中容刀量的多少，決定了該加工中心的加工工藝範圍。為保證（zhèng）加工中心能夠（gòu）適應並滿足不同零件的多樣性和加工工序複雜性的要（yào）求，刀庫必須具有一定的容刀量。刀庫容刀量越大，加工中心的適應性越好（hǎo）。但刀庫容量越大，刀庫（kù）尺寸（cùn）就越大，所占空間就越大，而容（róng）量（liàng）小又不平（píng）穩（wěn）。綜上所述，一般應用在立式加工中心（xīn）上的鬥笠式刀庫，建議采用刀庫容刀（dāo）量在（zài）15～20 把刀（dāo）的範圍內。