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）方式的刀庫，一般為鏈式（shì）；無機械手換刀方式的刀庫，一般為盤式。無機械手換刀方式，一般適用於立式加（jiā）工中心，原因是它運動（dòng）集中，運動部件少。但受立式加工（gōng）中心機床尺寸大小的（de）限製，刀（dāo）庫鼓輪盤尺寸（cùn）一（yī）般不宜太大，即刀庫的（de）容量不能太大。鬥笠式刀（dāo）庫，顧名思義，形狀像鬥笠，結構上為盤式刀庫，換刀方（fāng）式（shì）屬於無機械手換刀係統，它由刀庫橫移裝置、刀（dāo）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，是刀庫橫移裝置移動到主軸箱可（kě）以達到的位置；第二步，是刀庫分度（dù）裝置進行選刀，它通過精準的分度、定位，把下個工序所需的（de）刀具送到指定位置；第三步，是主軸上的自動裝卸機構準（zhǔn）確取刀、送刀（dāo）。所以橫移裝（zhuāng）置和（hé）分度裝置，是鬥笠式刀庫的（de）重要組成部件。

      1 鬥笠式刀（dāo）庫裝（zhuāng）置的設計

      1.1 刀庫橫移裝置的設計

      刀庫的橫移裝置，是（shì）在進行換刀的整個過程（chéng）中（zhōng），刀庫（kù）從遠離主軸的位（wèi）置直線移動到主軸軸線位置，以實（shí）現換（huàn）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（shí）現直線移動（dòng）。本文闡述了一種利用正弦機構（gòu）運動原理的換刀（dāo）橫移機構，可讓電（diàn）機軸的旋轉（zhuǎn）運動順利地（dì）轉化為可控的刀庫直線運動。

      鬥笠式刀庫橫移（yí）裝置，由兩根圓柱導軌（guǐ）（滑杆）支撐，每根圓柱導軌由兩（liǎng）個（gè）支架固定在連接板上，連接板固定在機床立柱上，實現刀庫與機床立柱的連接。整（zhěng）個刀庫可（kě）以在兩根圓柱導軌上滑動，實（shí）現刀庫前後運動，以（yǐ）完成抓刀和返回動作。而刀（dāo）庫前後運動的原動力是由電機通過撥杆和滑塊實現的（如圖（tú）1）。

      當加工中（zhōng）心進行零（líng）件加工的（de）時候，刀庫遠離主軸，停留在最左邊極限位置1，即刀庫處於原位。收到（dào）換刀指令後，電機通過電機軸逆時針方向旋轉，帶動撥杆（gǎn）轉（zhuǎn）動（撥杆上（shàng）帶有滑

      塊），滑塊與撥杆聯（lián）接，跟隨撥杆回繞電機軸旋轉，滑（huá）座上開有滑槽，滑塊在滑槽中（zhōng）上下移動，帶動滑座（即刀庫（kù））向右移動，從（cóng）而使刀庫運動到右極限位（wèi）置2，到達（dá）換刀位置（zhì），等待取刀及放刀電機軸順時針方向旋（xuán）轉時，使刀庫返（fǎn）回。

      1.2 刀庫分度裝置的設計（jì）

      本文設計的鬥笠式刀庫（kù）的分度（dù）裝置，使用的是經典的槽輪機構（即馬氏機（jī）構），它具有（yǒu）結構簡單、外形尺寸小、機械效率高，以及（jí）能較平穩地、間歇地進行轉位等優點。但槽數的多（duō）少，直接影響到機構的柔（róu）性衝（chōng）擊和準確定位。本節闡述了槽數與機構平穩性的關係。

      鬥笠式刀（dāo）庫的分度裝（zhuāng）置，由刀庫鼓輪、分度盤、定位法蘭、圓柱（zhù）滾子等零部（bù）件組成，分度裝置的電機輸出軸軸線與（yǔ）定位法蘭、分度盤、刀庫鼓輪盤的（de）回轉（zhuǎn）軸線平行。刀庫選刀時，首先由刀庫（kù）回轉電機得到旋轉指令（lìng），輸入軸通過聯軸器帶動定位法蘭旋轉，從而（ér）使在定位（wèi）法蘭上的圓柱滾子廻繞法蘭中心轉（zhuǎn）動；當圓柱滾子轉動一定角（jiǎo）度，進（jìn）入分度盤的（de）分度槽（cáo）中，撥動分度（dù）盤開始作轉位運動；當分度盤轉過一定（dìng）的角度後，圓柱滾子從分度槽中脫（tuō）出，刀庫鼓輪盤（分度（dù）盤通過螺釘與（yǔ）刀庫鼓輪連在一起轉動，見圖2）即靜止不動，並由定位法蘭的鎖（suǒ）止半軸定位。

      定位法蘭每回轉一圈（quān），就（jiù）驅動分度盤轉過一個槽。電機（jī）是連續勻速運動的，從而帶動定位法蘭與圓柱滾子連續勻速轉動。但圓柱滾子是間斷性的轉入分度槽的，從而（ér）使刀庫輪（lún）轂得（dé）到周期性間歇運動，起到了刀庫（kù）的分度作用（如圖2）。分（fèn）度盤與（yǔ）刀庫鼓輪同軸，分度盤的分度槽數與刀庫鼓輪上的刀數（shù）一致。定位法蘭不斷回轉，分度盤就不停地進行分度，刀庫（kù）鼓輪就不斷重（chóng）複上述的運動循環，從而將下一個工序（xù）所需（xū）刀具的刀（dāo）位轉到換刀位置上，以（yǐ）便讓主軸進行換刀，實現刀庫的（de）自動換刀。

      2 刀（dāo）庫的運動分（fèn）析

      2.1 橫移裝置運動分析

      刀庫需要一個橫（héng）向的直線運動來滿足換刀要求，而驅動電機輸出的是旋轉運動，利（lì）用該機構，根據運（yùn）動的合成與分解原理，可以將電（diàn）機輸出的旋轉（zhuǎn）運動分解為（wéi）水平、垂直兩個方向的直線位移，利用滑塊在滑槽（cáo）中的運動，消（xiāo）除掉刀庫垂直方向的（de）位移，實現刀庫所需的水平方向的（de）直線運（yùn）動。整個（gè）機構的運動過（guò）程（chéng）為：撥杆（主動件（jiàn））的動力，來源於中心的驅動電動機，滑塊是從動件。撥杆由電（diàn）動機控製從狀態（tài）A運動到狀態B，再從狀態B 返回到狀態A，作往複（fù）的1/2 圓周運動。滑塊由位置1 運動到（dào）位置2，再運動到位置3，再由位置（zhì）3 返回到（dào）位（wèi）置1，作往複的直線運動（見圖3）。在這個過程中，該機構很好的（de）將電動機提供的圓周運動（dòng），轉化成了滑塊的上下往複直線運動和滑座的水平往複直線運動，從而保證刀庫準（zhǔn）確可靠的換刀與複位[2.~3]。

      2.2 分（fèn）度裝置運動分析

      刀庫在換（huàn）刀前，首先需要選刀。選刀的過程，就是使刀庫鼓輪滿足一個周向間歇運動，也（yě）就是分度盤在分度過程中，轉位開始與轉位結束（shù）位置上的瞬（shùn）時角速度ω2 = 0。在圖4 中得出，為了使圓柱滾（gǔn）子能順利進入和脫出分（fèn）度盤上的徑（jìng）向槽，在槽口的瞬時位置時，必須使轉臂中（zhōng）心線O1O3與分度槽的中心線O3O2 相垂直，即∠O1O3O2 = 90°。假設： O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圓柱滾子從進入至脫離徑向槽這個過程，定位法蘭的轉（zhuǎn）角為2φ1（即∠O2O1O3 = φ1），分度盤的轉角為2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則（zé）在（zài）直角三角形O1O2O3中，根據正切函數，得

      分度機構在轉（zhuǎn）位過（guò）程中，定位法蘭以勻角速度ω1轉（zhuǎn）動，分度盤以角速度（dù）ω2 反向轉（zhuǎn）動，分度盤每次（cì）分度轉過的角度與槽（cáo）數z 有嚴格的對應關係（2φ2 = 2π / z），分度盤的角（jiǎo）速度ω2為φ2 對時間的導數

      定位法蘭的角速度ω1為常（cháng）數（shù），分度盤轉位起、停時，分度盤的角速度ω 2 和分度（dù）盤（pán）的角加速度ε 為槽數和（hé）定位法蘭撥盤轉角（jiǎo）φ1 的函數，當撥盤勻速轉（zhuǎn）動時，隨（suí）著分度盤槽數Z 的增加，運（yùn）動趨於平緩（如圖5）。當圓柱滾子開始進（jìn）入和（hé）即將退出分度（dù）槽時（shí），角（jiǎo）加速度有突變（如圖6 所示），且突變的大小是隨著分度槽數Z 的增加而減少（shǎo）。這說明（míng）刀庫在開始選刀和選刀結束時，會產生震動和衝擊，但分度（dù）槽數越多，刀庫轉位過程越平穩，產生的震（zhèn）動和衝擊越小。從角速度、角加速度變化的曲線圖得出：槽（cáo）數Z 達到12（亦（yì）即刀庫的刀數為12）以上時，分度裝置分度過程就比較平穩（wěn）。換句話說，此時鬥笠式刀（dāo）庫在選刀（dāo）過（guò）程中，產生的震動和衝擊已經很小，分度盤角速度變（biàn）化不大，刀庫運動趨於平穩。

      3 橫向移動裝置的速度（dù）分析（xī）

      刀庫換刀時，需要的運動為水平移動。在該機構中，水平方向和豎直方向的位移，都隨著轉角的變化（huà）而（ér）變（biàn）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1），撥杆在水平位（wèi）置，這個位置為刀具運（yùn）動的起（qǐ）始位置，所以此時轉角為（wéi）0，刀庫橫（héng）向移動速度也為0。當（dāng）電機接到（dào）轉動指令後，轉動90°，撥杆擺（bǎi）動90°，撥杆到達豎直位置，此時刀庫運動到了（le）位移的中點處（位置2），刀庫橫向移動速度從0 到最大。撥杆（gǎn）繼續轉過（guò）90°後，撥杆再（zài）次到達水平位置，刀庫（kù）到（dào）達（dá）最右邊（位置3），刀庫橫向移動速度又從最大到0，恰好使刀庫運動到（dào）換刀（dāo）位置。當（dāng）刀庫換好刀，電機接到反向轉動指令後，反轉動（dòng）180°，撥杆反（fǎn）向擺動半圈，刀庫運動到初始位置（zhì），整個換刀（dāo）過（guò）程（chéng）結束。

      假定電機轉動角速度為ω，撥杆長度為L，撥杆與刀庫橫向（xiàng）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（zuǒ）極限位置也就是水平位置（zhì），對（duì）應刀庫也在起始位置（zhì）， VX= 0。

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

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

      由此可見，刀庫（kù）的運動不（bú）是（shì）勻速的。換刀結束後，撥杆反向旋（xuán）轉，反向（xiàng）速度也是先增大然後減（jiǎn）小，直至起始位置時速度（dù）為0。

      由運（yùn）動速度的分解（jiě）可知，在（zài）整個過程中，刀庫橫移裝置的速度變化呈現出正弦曲線的規律，符合正弦機構運動原理，因此，這種機構為正弦機構。

      4 結束語

      （1）應用正弦機構原理設計（jì）的鬥笠式刀庫在換刀過程中，采（cǎi）用電機驅動（dòng）後，刀庫橫向移動（dòng）裝置運動速度由0 到最大，之後再（zài）減小至0，減小了刀庫運動的衝擊，從而保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（yùn）動回到起點（diǎn），有（yǒu）利（lì）於（yú）刀庫位置的準確控製（zhì）。換刀時間由電機（jī）旋轉速（sù）度（dù）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（dāo）庫的平（píng）穩（wěn）性和換刀的可靠性。該裝置機構簡單，可靠性高，成（chéng）本低（dī）廉，適用（yòng）於立式加工中心（xīn）的刀（dāo）庫換刀機構。

      （2）加工中心刀庫中容刀量的多少，決（jué）定了該加工中心（xīn）的加工工藝範圍。為（wéi）保證加工中心能夠適（shì）應並滿足不同（tóng）零件的多樣性和加（jiā）工工序複雜性的要求，刀庫必須具（jù）有一定的容刀量。刀庫容刀量越大，加工中（zhōng）心的適（shì）應性越好（hǎo）。但刀庫容量越大，刀庫尺寸就越大，所（suǒ）占空間（jiān）就越大，而容量小又（yòu）不平穩。綜上所（suǒ）述，一（yī）般應（yīng）用在立式加工中心上的鬥（dòu）笠式刀庫，建議采用（yòng）刀庫容刀量在15～20 把刀的範圍內。