加（jiā）工中心的換刀方式，一般可（kě）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庫，一般為鏈式（shì）；無機械手換刀方式（shì）的刀庫，一般為盤式。無機械手換（huàn）刀方式，一般適用於立式加工（gōng）中心，原因是它運動集中，運動部件少。但受立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（tài）大，即刀庫的（de）容量不能太大。鬥（dòu）笠式刀（dāo）庫，顧名思義，形狀像（xiàng）鬥（dòu）笠，結構上為（wéi）盤式刀庫，換刀方式屬於無機械手換刀係統（tǒng），它由刀庫橫移裝置、刀庫（kù）分度選刀裝置以及主軸上的刀具自動（dòng）裝卸機構組成[1]。

      鬥笠式刀庫（kù）換刀時，第一步，是（shì）刀庫橫移裝置移動到主軸箱可以達到的（de）位（wèi）置（zhì）；第二步，是刀庫分度裝置進行選刀，它通過精準的分（fèn）度、定位，把下個工序所需的刀具送到指定位置；第（dì）三步，是主軸（zhóu）上的（de）自動裝卸機構準確取刀、送刀（dāo）。所以橫移裝置和分度裝置，是鬥笠式刀庫的重（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（zhì）的設計

      刀庫的（de）橫（héng）移裝置，是在進行換刀的（de）整個過程中，刀（dāo）庫從遠（yuǎn）離主軸的位置直線移動（dòng）到（dào）主軸軸線位置，以實現換刀（dāo）。該機構運動的動力部件是刀庫電（diàn）動機，電機軸實現旋轉運動（dòng），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理的換刀橫移機構，可讓電機軸的旋轉運動順利地轉化為可控的刀庫直線（xiàn）運動。

      鬥笠式刀庫橫移裝置（zhì），由兩根圓柱導軌（滑杆）支撐，每根圓柱導軌由兩個（gè）支架（jià）固定（dìng）在（zài）連接板上（shàng），連接板固定在機床立柱上（shàng），實現刀庫與機床立（lì）柱的連接。整個刀（dāo）庫可以在兩根圓柱導軌上滑動，實現刀庫前後運動（dòng），以完成抓刀（dāo）和返回動作。而刀庫前後運動的原動力是由電機通過（guò）撥（bō）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（kù）遠離主（zhǔ）軸，停留在最左邊（biān）極限位（wèi）置1，即刀庫處於原位。收到換刀指令（lìng）後，電（diàn）機通（tōng）過電機（jī）軸逆（nì）時針（zhēn）方向旋轉，帶（dài）動撥杆轉（zhuǎn）動（dòng）（撥杆上帶有（yǒu）滑

      塊），滑塊與撥杆聯接，跟隨撥杆回繞電機軸旋轉，滑座上開有滑槽，滑（huá）塊在滑槽中上下移（yí）動，帶動滑座（即刀庫）向右移動，從（cóng）而使刀（dāo）庫運動（dòng）到右極（jí）限位置2，到達換刀位置，等待取刀及放刀電機軸順時針方向旋（xuán）轉時，使（shǐ）刀庫返回。

      1.2 刀庫分度裝置的設計

      本文設計的鬥笠式刀庫的分度裝置，使用的是經典的槽輪機構（即馬（mǎ）氏（shì）機（jī）構），它具有結構簡單（dān）、外形尺寸小、機（jī）械效率高，以及能較平穩地、間歇（xiē）地進行轉位等優點。但槽數（shù）的多少，直接影響到機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、分度盤、定位法蘭、圓柱滾子等零（líng）部件組成，分度（dù）裝置的電機輸出軸軸（zhóu）線與定（dìng）位法蘭、分度盤、刀庫鼓輪盤的回轉軸線平行。刀庫選刀時，首先由刀庫回轉電（diàn）機得到旋轉指令，輸入軸通過聯軸器帶動定位法蘭旋轉，從而使在定位法蘭上的圓（yuán）柱滾子廻繞法蘭中心轉動；當圓柱滾子轉動一（yī）定角度，進（jìn）入分度盤的分度槽中，撥動分度盤開始作轉（zhuǎn）位運動；當分度盤轉（zhuǎn）過一定的角度後，圓（yuán）柱滾子從分度槽中脫出，刀（dāo）庫鼓輪盤（分（fèn）度盤通過螺（luó）釘與刀庫鼓輪連在一起（qǐ）轉動，見圖2）即靜止不動（dòng），並由定位法（fǎ）蘭的鎖（suǒ）止半（bàn）軸定位。

      定位法蘭每回轉一（yī）圈，就驅動分度盤轉過一個槽。電機是連續勻速運動的（de），從而帶動定位法蘭與圓（yuán）柱滾子連續勻速轉動。但圓柱滾子（zǐ）是間斷（duàn）性的轉入分度（dù）槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇（xiē）運動，起到了刀庫的（de）分度作用（如圖2）。分度盤（pán）與刀庫鼓輪同軸（zhóu），分度盤的分度槽數與刀庫（kù）鼓輪上的（de）刀數一致（zhì）。定位法蘭不斷回轉，分度盤就不停地進行（háng）分度，刀庫鼓輪就不斷重複上述的運動循環，從（cóng）而將下一個工序所需刀具的刀（dāo）位（wèi）轉到換刀位置上，以便讓主軸進（jìn）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

      刀庫（kù）需要（yào）一個橫向的（de）直線運動來滿足換刀要（yào）求，而驅動電機輸出的（de）是旋轉運動，利用該機構，根據運動的合成與分解原（yuán）理，可以將電機輸出的旋轉運動分解為（wéi）水平、垂直兩個方向的直線位移，利（lì）用滑塊在滑槽（cáo）中的運動，消除掉刀庫垂直方向的位移（yí），實現刀庫（kù）所需的水平方向的直線運（yùn）動。整個機構的（de）運動過程為：撥杆（主動件）的動力，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（zhì）從（cóng）狀態A運（yùn）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。滑塊由位置1 運動到（dào）位置2，再運動（dòng）到位置3，再由（yóu）位（wèi）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，該機構很好的將電動機提供的圓周運動，轉化（huà）成（chéng）了滑塊的上下往複直線運動和（hé）滑座的水平往複直線運動，從而保證刀庫準確可靠的換刀與複位[2.~3]。

      2.2 分度裝（zhuāng）置運動分析

      刀庫在換刀前，首先需要選刀。選刀（dāo）的過程（chéng），就是使刀庫鼓輪滿足一個（gè）周向間歇運動，也就是分度盤在分度過程中，轉位開始與轉位結束（shù）位置上的瞬時角速度ω2 = 0。在圖4 中得出，為（wéi）了使圓柱滾子能順（shùn）利進入和脫出（chū）分度盤上的徑（jìng）向槽，在槽口的瞬時位置時，必須使轉臂中心線O1O3與分度槽的中心線O3O2 相垂（chuí）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（gè）過程，定位（wèi）法蘭的轉（zhuǎn）角（jiǎo）為2φ1（即∠O2O1O3 = φ1），分度盤的（de）轉角為2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則在直角三角形O1O2O3中，根據正切函（hán）數，得

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

      定位法蘭的角速度（dù）ω1為常數，分度盤轉位起（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（pán）轉角φ1 的函數，當撥盤勻速轉動時，隨著分度（dù）盤槽數Z 的增加，運動趨於平緩（如圖5）。當圓柱滾子開始（shǐ）進入和（hé）即（jí）將退出分度槽時，角（jiǎo）加速（sù）度（dù）有（yǒu）突（tū）變（如圖6 所示），且突（tū）變的大小是隨著分度槽數（shù）Z 的增加而減少。這說明刀（dāo）庫在開（kāi）始選刀和選刀結束時，會產生（shēng）震動和衝擊，但分度槽數越多，刀庫轉位過程越平穩（wěn），產生的震動和衝擊越小。從角速度、角（jiǎo）加速度變化的曲線圖得出：槽數Z 達到12（亦即刀庫的刀數為12）以上時，分度裝置分度（dù）過程就（jiù）比較平穩。換句話說，此時鬥笠式刀庫在選刀過程（chéng）中，產生的震動和（hé）衝擊已經很小，分度盤角速度變化不大，刀庫運動趨於平（píng）穩。

      3 橫向移動裝置的速度分析

      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，都隨著轉角的變化而變化（huà），而且變化不是均勻的。

      圖7 表明：起（qǐ）始點處為刀庫在最（zuì）左邊（位置1），撥杆（gǎn）在水平位置，這個位置為刀具運動的起始位（wèi）置，所以此時轉（zhuǎn）角為0，刀庫橫向移動速度（dù）也為（wéi）0。當電機接到轉動指令後，轉動90°，撥（bō）杆擺動90°，撥杆到達豎直位置，此時刀庫運動（dòng）到了位移的中點處（位置2），刀庫橫向移動速度從0 到最大。撥杆繼續（xù）轉過90°後（hòu），撥杆再次到達水平位置，刀庫到達最右邊（位置3），刀庫橫向移動速度又（yòu）從最大到0，恰好使刀（dāo）庫運動到換刀位置。當刀庫換好刀，電機接到反向轉動指（zhǐ）令後，反轉動180°，撥（bō）杆反向擺動半圈，刀庫運動（dòng）到初始位置，整個（gè）換刀過（guò）程結（jié）束。

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

VX = L×ω×sinθ

      當θ = 0°時，此時（shí）撥杆（gǎn）在左極限位置也就是水平位置，對應（yīng）刀庫也在起始位置， VX= 0。

      當θ = 90°時，此時撥杆在豎直位置，對應刀庫在中間位置，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（dāo）庫也在換刀位置，VX = 0。

      由此可見，刀庫的運動（dòng）不是勻速的。換刀結束後，撥杆反向旋轉，反向（xiàng）速度也是先增大然後（hòu）減小，直（zhí）至（zhì）起始位置時速度為0。

      由運動速度的分解可知，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（guī）律，符合正弦機構運動原理，因此，這種（zhǒng）機構為正弦機構。

      4 結束語

      （1）應用正弦機（jī）構原理設計的鬥笠式刀（dāo）庫在換刀過程中，采（cǎi）用電機驅動後，刀庫（kù）橫向移動裝置運動速度由0 到最（zuì）大，之後再減小至0，減小了刀庫運（yùn）動（dòng）的衝（chōng）擊，從而保證了（le）刀庫運動的平穩性，保證刀庫準確定位，為（wéi）準（zhǔn）確快速（sù）換刀提供了（le）保證（zhèng）。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（de）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（de）平穩性和換刀的可靠性。該裝置機構（gòu）簡單，可靠性（xìng）高，成本低廉，適用於立式加工中（zhōng）心的刀庫換刀機構。

      （2）加工中心刀庫中容刀量的（de）多少，決定了該加工中心的加工工藝範（fàn）圍。為保證加工中心能夠適應並滿足不同零件的多樣性和加工工序複雜性的要求，刀庫必須具有一定的容刀（dāo）量。刀庫容刀量越大，加工中心的適應性越（yuè）好。但（dàn）刀庫容量越大，刀庫尺寸就越大，所占空間就越大，而容量小又不平穩。綜上所述，一般應用在立式加工中心上的鬥笠式刀庫，建議采用刀庫（kù）容刀量（liàng）在15～20 把刀的範圍內。