加工中心的換刀方式，一般可以分為有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀。有機(jī)械手換刀方式的刀庫，一般為鏈?zhǔn)剑粺o機(jī)械手換刀方式的刀庫，一般為盤式。無機(jī)械手換刀方式，一般適用于立式加工中心，原因是它運(yùn)動(dòng)集中，運(yùn)動(dòng)部件少。但受立式加工中心機(jī)床尺寸大小的限制，刀庫鼓輪盤尺寸一般不宜太大，即刀庫的容量不能太大。斗笠式刀庫，顧名思義，形狀像斗笠，結(jié)構(gòu)上為盤式刀庫，換刀方式屬于無機(jī)械手換刀系統(tǒng)，它由刀庫橫移裝置、刀庫分度選刀裝置以及主軸上的刀具自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)組成[1]。
斗笠式刀庫換刀時(shí)，第一步，是刀庫橫移裝置移動(dòng)到主軸箱可以達(dá)到的位置；第二步，是刀庫分度裝置進(jìn)行選刀，它通過精準(zhǔn)的分度、定位，把下個(gè)工序所需的刀具送到指定位置；第三步，是主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確取刀、送刀。所以橫移裝置和分度裝置，是斗笠式刀庫的重要組成部件。
1 斗笠式刀庫裝置的設(shè)計(jì)
1.1 刀庫橫移裝置的設(shè)計(jì)
刀庫的橫移裝置，是在進(jìn)行換刀的整個(gè)過程中，刀庫從遠(yuǎn)離主軸的位置直線移動(dòng)到主軸軸線位置，以實(shí)現(xiàn)換刀。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力部件是刀庫電動(dòng)機(jī)，電機(jī)軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使刀庫實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。本文闡述了一種利用正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理的換刀橫移機(jī)構(gòu)，可讓電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)順利地轉(zhuǎn)化為可控的刀庫直線運(yùn)動(dòng)。
斗笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導(dǎo)軌（滑桿）支撐，每根圓柱導(dǎo)軌由兩個(gè)支架固定在連接板上，連接板固定在機(jī)床立柱上，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床立柱的連接。整個(gè)刀庫可以在兩根圓柱導(dǎo)軌上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀庫前后運(yùn)動(dòng)，以完成抓刀和返回動(dòng)作。而刀庫前后運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力是由電機(jī)通過撥桿和滑塊實(shí)現(xiàn)的（如圖1）。
當(dāng)加工中心進(jìn)行零件加工的時(shí)候，刀庫遠(yuǎn)離主軸，停留在最左邊極限位置1，即刀庫處于原位。收到換刀指令后，電機(jī)通過電機(jī)軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)（撥桿上帶有滑
塊），滑塊與撥桿聯(lián)接，跟隨撥桿回繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，滑座上開有滑槽，滑塊在滑槽中上下移動(dòng)，帶動(dòng)滑座（即刀庫）向右移動(dòng)，從而使刀庫運(yùn)動(dòng)到右極限位置2，到達(dá)換刀位置，等待取刀及放刀電機(jī)軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，使刀庫返回。
1.2 刀庫分度裝置的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的斗笠式刀庫的分度裝置，使用的是經(jīng)典的槽輪機(jī)構(gòu)（即馬氏機(jī)構(gòu)），它具有結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小、機(jī)械效率高，以及能較平穩(wěn)地、間歇地進(jìn)行轉(zhuǎn)位等優(yōu)點(diǎn)。但槽數(shù)的多少，直接影響到機(jī)構(gòu)的柔性沖擊和準(zhǔn)確定位。本節(jié)闡述了槽數(shù)與機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性的關(guān)系。
斗笠式刀庫的分度裝置，由刀庫鼓輪、分度盤、定位法蘭、圓柱滾子等零部件組成，分度裝置的電機(jī)輸出軸軸線與定位法蘭、分度盤、刀庫鼓輪盤的回轉(zhuǎn)軸線平行。刀庫選刀時(shí)，首先由刀庫回轉(zhuǎn)電機(jī)得到旋轉(zhuǎn)指令，輸入軸通過聯(lián)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(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)圓柱滾子轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，進(jìn)入分度盤的分度槽中，撥動(dòng)分度盤開始作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)；當(dāng)分度盤轉(zhuǎn)過一定的角度后，圓柱滾子從分度槽中脫出，刀庫鼓輪盤（分度盤通過螺釘與刀庫鼓輪連在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖2）即靜止不動(dòng)，并由定位法蘭的鎖止半軸定位。
定位法蘭每回轉(zhuǎn)一圈，就驅(qū)動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)過一個(gè)槽。電機(jī)是連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)的，從而帶動(dòng)定位法蘭與圓柱滾子連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但圓柱滾子是間斷性的轉(zhuǎn)入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇運(yùn)動(dòng)，起到了刀庫的分度作用（如圖2）。分度盤與刀庫鼓輪同軸，分度盤的分度槽數(shù)與刀庫鼓輪上的刀數(shù)一致。定位法蘭不斷回轉(zhuǎn)，分度盤就不停地進(jìn)行分度，刀庫鼓輪就不斷重復(fù)上述的運(yùn)動(dòng)循環(huán)，從而將下一個(gè)工序所需刀具的刀位轉(zhuǎn)到換刀位置上，以便讓主軸進(jìn)行換刀，實(shí)現(xiàn)刀庫的自動(dòng)換刀。
2 刀庫的運(yùn)動(dòng)分析
2.1 橫移裝置運(yùn)動(dòng)分析
刀庫需要一個(gè)橫向的直線運(yùn)動(dòng)來滿足換刀要求，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用該機(jī)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解原理，可以將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，消除掉刀庫垂直方向的位移，實(shí)現(xiàn)刀庫所需的水平方向的直線運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程為：撥桿（主動(dòng)件）的動(dòng)力，來源于中心的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，滑塊是從動(dòng)件。撥桿由電動(dòng)機(jī)控制從狀態(tài)A運(yùn)動(dòng)到狀態(tài)B，再從狀態(tài)B 返回到狀態(tài)A，作往復(fù)的1/2 圓周運(yùn)動(dòng)。滑塊由位置1 運(yùn)動(dòng)到位置2，再運(yùn)動(dòng)到位置3，再由位置3 返回到位置1，作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)（見圖3）。在這個(gè)過程中，該機(jī)構(gòu)很好的將電動(dòng)機(jī)提供的圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化成了滑塊的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和滑座的水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而保證刀庫準(zhǔn)確可靠的換刀與復(fù)位[2.~3]。
2.2 分度裝置運(yùn)動(dòng)分析
刀庫在換刀前，首先需要選刀。選刀的過程，就是使刀庫鼓輪滿足一個(gè)周向間歇運(yùn)動(dòng)，也就是分度盤在分度過程中，轉(zhuǎn)位開始與轉(zhuǎn)位結(jié)束位置上的瞬時(shí)角速度ω2 = 0。在圖4 中得出，為了使圓柱滾子能順利進(jìn)入和脫出分度盤上的徑向槽，在槽口的瞬時(shí)位置時(shí)，必須使轉(zhuǎn)臂中心線O1O3與分度槽的中心線O3O2 相垂直，即∠O1O3O2 = 90°。假設(shè)： O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圓柱滾子從進(jìn)入至脫離徑向槽這個(gè)過程，定位法蘭的轉(zhuǎn)角為2φ1（即∠O2O1O3 = φ1），分度盤的轉(zhuǎn)角為2φ2 （即∠010203=φ2，2φ2=2π/z），則在直角三角形O1O2O3中，根據(jù)正切函數(shù)，得
分度機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)位過程中，定位法蘭以勻角速度ω1轉(zhuǎn)動(dòng)，分度盤以角速度ω2 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，分度盤每次分度轉(zhuǎn)過的角度與槽數(shù)z 有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系（2φ2 = 2π / z），分度盤的角速度ω2為φ2 對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)
定位法蘭的角速度ω1為常數(shù)，分度盤轉(zhuǎn)位起、停時(shí)，分度盤的角速度ω 2 和分度盤的角加速度ε 為槽數(shù)和定位法蘭撥盤轉(zhuǎn)角φ1 的函數(shù)，當(dāng)撥盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著分度盤槽數(shù)Z 的增加，運(yùn)動(dòng)趨于平緩（如圖5）。當(dāng)圓柱滾子開始進(jìn)入和即將退出分度槽時(shí)，角加速度有突變（如圖6 所示），且突變的大小是隨著分度槽數(shù)Z 的增加而減少。這說明刀庫在開始選刀和選刀結(jié)束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和沖擊，但分度槽數(shù)越多，刀庫轉(zhuǎn)位過程越平穩(wěn)，產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊越小。從角速度、角加速度變化的曲線圖得出：槽數(shù)Z 達(dá)到12（亦即刀庫的刀數(shù)為12）以上時(shí)，分度裝置分度過程就比較平穩(wěn)。換句話說，此時(shí)斗笠式刀庫在選刀過程中，產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊已經(jīng)很小，分度盤角速度變化不大，刀庫運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)。
3 橫向移動(dòng)裝置的速度分析
刀庫換刀時(shí)，需要的運(yùn)動(dòng)為水平移動(dòng)。在該機(jī)構(gòu)中，水平方向和豎直方向的位移，都隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，而且變化不是均勻的。
圖7 表明：起始點(diǎn)處為刀庫在最左邊（位置1），撥桿在水平位置，這個(gè)位置為刀具運(yùn)動(dòng)的起始位置，所以此時(shí)轉(zhuǎn)角為0，刀庫橫向移動(dòng)速度也為0。當(dāng)電機(jī)接到轉(zhuǎn)動(dòng)指令后，轉(zhuǎn)動(dòng)90°，撥桿擺動(dòng)90°，撥桿到達(dá)豎直位置，此時(shí)刀庫運(yùn)動(dòng)到了位移的中點(diǎn)處（位置2），刀庫橫向移動(dòng)速度從0 到最大。撥桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過90°后，撥桿再次到達(dá)水平位置，刀庫到達(dá)最右邊（位置3），刀庫橫向移動(dòng)速度又從最大到0，恰好使刀庫運(yùn)動(dòng)到換刀位置。當(dāng)?shù)稁鞊Q好刀，電機(jī)接到反向轉(zhuǎn)動(dòng)指令后，反轉(zhuǎn)動(dòng)180°，撥桿反向擺動(dòng)半圈，刀庫運(yùn)動(dòng)到初始位置，整個(gè)換刀過程結(jié)束。
假定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，撥桿長度為L，撥桿與刀庫橫向移動(dòng)裝置（水平滑軌）ω 之間的夾角為θ，刀庫橫向移動(dòng)的速度為VX，則
VX = L×ω×sinθ
當(dāng)θ = 0°時(shí)，此時(shí)撥桿在左極限位置也就是水平位置，對(duì)應(yīng)刀庫也在起始位置， VX= 0。
當(dāng)θ = 90°時(shí)，此時(shí)撥桿在豎直位置，對(duì)應(yīng)刀庫在中間位置，VX = L×ω，為最大速度。
當(dāng)θ =180°時(shí)，此時(shí)撥桿在右極限位置也是水平位置，對(duì)應(yīng)刀庫也在換刀位置，VX = 0。
由此可見，刀庫的運(yùn)動(dòng)不是勻速的。換刀結(jié)束后，撥桿反向旋轉(zhuǎn)，反向速度也是先增大然后減小，直至起始位置時(shí)速度為0。
由運(yùn)動(dòng)速度的分解可知，在整個(gè)過程中，刀庫橫移裝置的速度變化呈現(xiàn)出正弦曲線的規(guī)律，符合正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，因此，這種機(jī)構(gòu)為正弦機(jī)構(gòu)。
4 結(jié)束語
（1）應(yīng)用正弦機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的斗笠式刀庫在換刀過程中，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，刀庫橫向移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)速度由0 到最大，之后再減小至0，減小了刀庫運(yùn)動(dòng)的沖擊，從而保證了刀庫運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，保證刀庫準(zhǔn)確定位，為準(zhǔn)確快速換刀提供了保證。同理，換完刀之后，使刀庫能平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)回到起點(diǎn)，有利于刀庫位置的準(zhǔn)確控制。換刀時(shí)間由電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度控制，且無論旋轉(zhuǎn)速度如何，都能保證在刀庫移動(dòng)的兩端的速度為0，即保證刀庫的平穩(wěn)性和換刀的可靠性。該裝置機(jī)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低廉，適用于立式加工中心的刀庫換刀機(jī)構(gòu)。
（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范圍。為保證加工中心能夠適應(yīng)并滿足不同零件的多樣性和加工工序復(fù)雜性的要求，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(yīng)性越好。但刀庫容量越大，刀庫尺寸就越大，所占空間就越大，而容量小又不平穩(wěn)。綜上所述，一般應(yīng)用在立式加工中心上的斗笠式刀庫，建議采用刀庫容刀量在15～20 把刀的范圍內(nèi)。
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