加工中心的換刀（dāo）方（fāng）式，一般可以分為有機械手換刀和無機械手換刀。有機械手換刀方式的刀（dāo）庫，一般為鏈式；無機械手換刀方式的刀庫，一（yī）般為（wéi）盤式。無機械手換刀方（fāng）式，一般適用於立式加工中心，原因是它運動（dòng）集中，運動部件少。但受立（lì）式加工中心機床尺寸大小的限製，刀庫鼓輪盤尺寸一般不宜太大，即刀庫的容（róng）量不能太大。鬥笠式刀（dāo）庫，顧名思義，形狀（zhuàng）像鬥（dòu）笠，結構上為盤式刀庫，換刀（dāo）方式屬（shǔ）於無機械手換刀係統，它由（yóu）刀庫橫移裝（zhuāng）置、刀庫分（fèn）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（dāo）庫橫（héng）移裝置移動到主軸箱（xiāng）可以達到的位置；第二（èr）步，是刀庫分度裝置進行選刀，它通過精準的（de）分度、定（dìng）位，把下個工（gōng）序所需的（de）刀具（jù）送到指定位置；第三步，是（shì）主（zhǔ）軸上（shàng）的自動裝卸機構準確取刀、送刀。所以（yǐ）橫移裝置和分度（dù）裝置，是鬥笠式刀庫的重要組成部件。

      1 鬥笠式刀庫裝置的設計

      1.1 刀庫橫移裝置的設計

      刀庫的橫移裝置，是在進行換刀的（de）整個過程（chéng）中，刀庫從遠離主（zhǔ）軸的位置直線（xiàn）移（yí）動到主軸軸線位（wèi）置，以實現換刀。該機構運動的動力部件是刀（dāo）庫（kù）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（zhèng）弦機構運動原理的換刀橫移機構，可讓（ràng）電機軸的旋（xuán）轉運動（dòng）順利地轉化為可控的刀庫直線運動。

      鬥笠（lì）式刀庫橫移（yí）裝置，由兩（liǎng）根圓柱導軌（滑杆）支撐，每根圓柱導軌由兩（liǎng）個支架固（gù）定在連接板上（shàng），連接板固定在機床立柱上，實現刀庫與機（jī）床立柱的連接。整個刀庫可以在兩（liǎng）根圓柱導軌上滑動（dòng），實現（xiàn）刀庫（kù）前後運動（dòng），以（yǐ）完成抓刀和返回動作。而刀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1）。

      當加工中心進行零件加工的時候，刀庫遠離（lí）主軸，停留（liú）在最左邊極限（xiàn）位置1，即刀庫（kù）處（chù）於原位。收到換刀指令（lìng）後，電機通過電機軸逆時針方向旋轉（zhuǎn），帶動撥杆轉動（撥（bō）杆上帶有滑

      塊），滑塊與撥杆聯接，跟隨撥杆回（huí）繞電機軸旋轉，滑座上開有滑槽，滑（huá）塊在滑槽中上下（xià）移動，帶動滑座（zuò）（即刀庫）向右移動，從而使（shǐ）刀庫運動到右極限位置2，到（dào）達換刀位置，等待取刀及放刀電機軸順時針方向旋轉時，使刀（dāo）庫返回（huí）。

      1.2 刀庫分度裝置的設計

      本文設計（jì）的鬥笠式刀庫的分度裝置，使用的是經典的槽輪機構（即馬氏機構），它具有結構簡單、外形尺寸小、機械效率（lǜ）高（gāo），以（yǐ）及能較平穩（wěn）地、間（jiān）歇（xiē）地進行轉位等優點。但槽數的多（duō）少，直接影響到機構（gòu）的柔性衝擊和（hé）準確定位。本節闡述了槽數與機構平穩性的（de）關係。

      鬥笠式刀庫的（de）分度裝置，由刀庫鼓輪（lún）、分度盤、定位法蘭、圓柱（zhù）滾子等零部件組成，分度裝置的電機輸出軸軸線與定位法（fǎ）蘭、分度盤、刀庫鼓輪盤的回（huí）轉（zhuǎn）軸線平行。刀庫（kù）選刀時，首先由刀庫回轉電機得到（dào）旋轉指令，輸（shū）入軸通過（guò）聯軸器帶動（dòng）定位法蘭旋轉（zhuǎn），從而使在定位法蘭上的圓柱滾子廻繞法蘭中心轉動；當圓（yuán）柱滾子轉動一（yī）定角度，進入分度盤的分度槽中，撥動分度盤（pán）開始作轉位運動；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（kù）鼓輪盤（分度盤通過螺釘與刀庫鼓輪連在一起轉動，見圖2）即靜止不動，並由定位法蘭的鎖止半軸定位（wèi）。

      定位法蘭每回轉一圈（quān），就驅動分度盤轉過一個槽。電機是連（lián）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（jiān）斷性的轉入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到（dào）周期性間歇運動，起到了刀（dāo）庫的分度作用（如（rú）圖2）。分度盤與刀庫鼓輪同軸（zhóu），分度盤的分度（dù）槽（cáo）數與刀庫鼓輪上的刀數一致。定位法蘭不斷回轉，分度盤就不停地進行分度，刀（dāo）庫鼓輪就不斷重複上述的運動循環，從而將下一個工序所需刀具的刀位轉（zhuǎn）到換刀位（wèi）置上，以便讓主軸（zhóu）進行換刀，實現刀庫的自動換刀。

      2 刀庫的運動分析

      2.1 橫移裝置運動分析（xī）

      刀（dāo）庫需要一個橫向的（de）直線運動來滿足換刀要求，而驅動電機輸（shū）出的是旋轉運動，利用該機構，根據運動的合成與分解原（yuán）理，可（kě）以將電機輸出的旋轉運動分解為水平、垂直兩個（gè）方向的直線位移，利用滑塊在滑槽中的運動，消除掉刀庫垂直方向的位移，實現刀庫所需的水平方向的直線（xiàn）運動。整個機構的運動過（guò）程為：撥杆（主動件）的動力，來源於中心（xīn）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（tài）B 返回到狀態A，作往複的1/2 圓（yuán）周運動。滑塊由位置1 運動到（dào）位置2，再運動到位（wèi）置3，再（zài）由位置3 返回到位（wèi）置1，作往複的直線運動（見圖3）。在這個過程中，該機構很好的將電動機提供的圓周運動，轉化成了滑塊的上下往複直（zhí）線運動和滑座（zuò）的水平往複（fù）直線運動，從而保證刀庫準確可靠的換刀與複位[2.~3]。

      2.2 分度裝置運（yùn）動分析

      刀庫在換刀前，首先需要選刀（dāo）。選刀的過程，就（jiù）是使刀庫鼓輪（lún）滿足一個周向間歇運動，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（shí）角（jiǎo）速度ω2 = 0。在圖4 中得出，為了使圓柱滾子能順利進入和脫出分度盤上的徑向槽（cáo），在槽口的瞬時位置時，必須使轉臂中心（xīn）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，圓柱滾子從進入至脫離徑向（xiàng）槽這個過程，定位法（fǎ）蘭的轉角為2φ1（即（jí）∠O2O1O3 = φ1），分度盤的轉角為2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則（zé）在（zài）直角三角（jiǎo）形O1O2O3中，根據正切函數，得

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

      定位法蘭的（de）角速度（dù）ω1為常數，分（fèn）度盤（pán）轉位起（qǐ）、停時，分度盤的角速度ω 2 和分度盤的角加速度ε 為槽數和定位法蘭撥盤轉角φ1 的函數（shù），當撥盤勻速轉動（dòng）時，隨著分度盤槽數Z 的增加，運（yùn）動趨於平緩（如圖5）。當圓柱滾子開始進入和即將退出分度槽時，角加（jiā）速（sù）度有突變（如圖6 所示），且突變的大（dà）小是隨著分度槽數（shù）Z 的增加而減少。這說明刀庫在（zài）開始選刀和選刀（dāo）結束時，會產生震動和衝擊，但分度槽數越多，刀庫（kù）轉位過（guò）程越平穩，產（chǎn）生的震動和衝擊越小（xiǎo）。從角速度、角加速（sù）度變化的曲線圖得出：槽數Z 達到12（亦即刀（dāo）庫的刀數為12）以上時（shí），分度裝置分度過程就（jiù）比（bǐ）較平穩。換句話說，此時鬥笠式刀庫在選刀過程中，產生的震動和衝擊已經很小，分度盤角速度（dù）變化不大，刀庫運動趨（qū）於平穩。

      3 橫向移動裝置的（de）速度分析

      刀（dāo）庫換刀時，需要（yào）的運動為水平移動。在該機構中，水（shuǐ）平（píng）方向（xiàng）和豎直方向的位移，都隨著轉角（jiǎo）的變化而變化，而且變化不是均勻的。

      圖7 表明：起始（shǐ）點處（chù）為刀（dāo）庫在最左邊（位置1），撥杆在水平（píng）位（wèi）置，這個位置為刀具運（yùn）動的起始位（wèi）置，所以此時轉角為0，刀庫橫向移動速度也為0。當電機接到轉動指令後，轉動（dòng）90°，撥杆擺動90°，撥杆到達豎直位（wèi）置，此時（shí）刀庫運動到了位移（yí）的中點處（位置2），刀庫橫向移（yí）動速度（dù）從0 到最大。撥杆繼續轉過90°後，撥杆再次到達水平位置，刀庫到達最右（yòu）邊（biān）（位（wèi）置3），刀庫橫向移動速（sù）度（dù）又從最（zuì）大到0，恰好使刀庫（kù）運動到換刀位置。當刀庫換好刀（dāo），電（diàn）機接到反向轉（zhuǎn）動（dòng）指令後（hòu），反轉動180°，撥杆反向擺動（dòng）半圈，刀庫運動到初始位置，整個換刀過程結束。

      假定電機轉動角（jiǎo）速（sù）度為ω，撥杆長度為L，撥杆與刀庫橫向移動裝置（水平滑軌）ω 之間的夾角為θ，刀庫橫向移動的速度為VX，則（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（zhì）， VX= 0。

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

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

      由此可見，刀庫的運動不是勻速的。換（huàn）刀結束後，撥杆反向旋（xuán）轉，反向速度也是先增大然後減小，直至起始位置時速（sù）度為0。

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

      4 結束（shù）語

      （1）應用正弦機構原理設計的鬥笠式刀庫在換刀過程中（zhōng），采用電機驅動後，刀庫橫（héng）向移動裝置運動速度由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（xìng），保證刀庫準確定位，為準確快速換刀提供了保證。同理（lǐ），換完（wán）刀之（zhī）後，使刀庫能平（píng）穩運動回到起點，有利於刀庫位置的準確控製（zhì）。換刀（dāo）時間（jiān）由電（diàn）機旋轉（zhuǎn）速（sù）度控製，且無論旋轉速度如何，都能保（bǎo）證在刀庫移動的兩端的速度為（wéi）0，即保證刀庫的（de）平穩性和換刀的（de）可靠性。該裝置（zhì）機構簡單，可靠（kào）性高，成本低廉，適用於立（lì）式加工中心的刀庫換刀機構。

      （2）加工中心刀庫中容刀量的多少，決定了該加工中心的加工工藝（yì）範圍。為保證加工中心能夠適應並滿足不同（tóng）零件的（de）多樣性和加工工序複雜性的要求，刀庫必須具有（yǒu）一定的容刀量（liàng）。刀庫容刀量越大，加工中心的適應性越好（hǎo）。但刀庫容量（liàng）越大，刀庫尺寸就越大，所占空間就越大，而（ér）容量小又不平穩。綜上所（suǒ）述，一般（bān）應用在立式加工中心上的鬥笠式刀庫（kù），建議采用刀庫容刀量在15～20 把刀的範圍內。