加工中心的換刀方式，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庫，一般為鏈式；無機械手換刀方式的刀庫，一般為盤式。無機械手換刀方式，一般適用于立式加工中心，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，結構上為盤式刀庫，換刀方式屬于無機械手換刀系統，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裝卸機構組成[1]。
斗笠式刀庫換刀時，第一步，是刀庫橫移裝置移動到主軸箱可以達到的位置；第二步，是刀庫分度裝置進行選刀，它通過精準的分度、定位，把下個工序所需的刀具送到指定位置；第三步，是主軸上的自動裝卸機構準確取刀、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，是在進行換刀的整個過程中，刀庫從遠離主軸的位置直線移動到主軸軸線位置，以實現換刀。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運動。
斗笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導軌（滑桿）支撐，每根圓柱導軌由兩個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。整個刀庫可以在兩根圓柱導軌上滑動，實現刀庫前后運動，以完成抓刀和返回動作。而刀庫前后運動的原動力是由電機通過撥桿和滑塊實現的（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，電機通過電機軸逆時針方向旋轉，帶動撥桿轉動（撥桿上帶有滑
塊），滑塊與撥桿聯接，跟隨撥桿回繞電機軸旋轉，滑座上開有滑槽，滑塊在滑槽中上下移動，帶動滑座（即刀庫）向右移動，從而使刀庫運動到右極限位置2，到達換刀位置，等待取刀及放刀電機軸順時針方向旋轉時，使刀庫返回。
1.2 刀庫分度裝置的設計
本文設計的斗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、機械效率高，以及能較平穩地、間歇地進行轉位等優點。但槽數的多少，直接影響到機構的柔性沖擊和準確定位。本節闡述了槽數與機構平穩性的關系。
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，分度裝置的電機輸出軸軸線與定位法蘭、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，進入分度盤的分度槽中，撥動分度盤開始作轉位運動；當分度盤轉過一定的角度后，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動，見圖2）即靜止不動，并由定位法蘭的鎖止半軸定位。
定位法蘭每回轉一圈，就驅動分度盤轉過一個槽。電機是連續勻速運動的，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，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇運動，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，刀庫鼓輪就不斷重復上述的運動循環，從而將下一個工序所需刀具的刀位轉到換刀位置上，以便讓主軸進行換刀，實現刀庫的自動換刀。
2 刀庫的運動分析
2.1 橫移裝置運動分析
刀庫需要一個橫向的直線運動來滿足換刀要求，而驅動電機輸出的是旋轉運動，利用該機構，根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運動。整個機構的運動過程為：撥桿（主動件）的動力，來源于中心的驅動電動機，滑塊是從動件。撥桿由電動機控制從狀態A運動到狀態B，再從狀態B 返回到狀態A，作往復的1/2 圓周運動。滑塊由位置1 運動到位置2，再運動到位置3，再由位置3 返回到位置1，作往復的直線運動（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復直線運動和滑座的水平往復直線運動，從而保證刀庫準確可靠的換刀與復位[2.~3]。
2.2 分度裝置運動分析
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位置上的瞬時角速度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，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，定位法蘭以勻角速度ω1轉動，分度盤以角速度ω2 反向轉動，分度盤每次分度轉過的角度與槽數z 有嚴格的對應關系（2φ2 = 2π / z），分度盤的角速度ω2為φ2 對時間的導數
定位法蘭的角速度ω1為常數，分度盤轉位起、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，當撥盤勻速轉動時，隨著分度盤槽數Z 的增加，運動趨于平緩（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。這說明刀庫在開始選刀和選刀結束時，會產生震動和沖擊，但分度槽數越多，刀庫轉位過程越平穩，產生的震動和沖擊越小。從角速度、角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，分度裝置分度過程就比較平穩。換句話說，此時斗笠式刀庫在選刀過程中，產生的震動和沖擊已經很小，分度盤角速度變化不大，刀庫運動趨于平穩。
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，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），撥桿在水平位置，這個位置為刀具運動的起始位置，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后，轉動90°，撥桿擺動90°，撥桿到達豎直位置，此時刀庫運動到了位移的中點處（位置2），刀庫橫向移動速度從0 到最大。撥桿繼續轉過90°后，撥桿再次到達水平位置，刀庫到達最右邊（位置3），刀庫橫向移動速度又從最大到0，恰好使刀庫運動到換刀位置。當刀庫換好刀，電機接到反向轉動指令后，反轉動180°，撥桿反向擺動半圈，刀庫運動到初始位置，整個換刀過程結束。
假定電機轉動角速度為ω，撥桿長度為L，撥桿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
VX = L×ω×sinθ
當θ = 0°時，此時撥桿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，此時撥桿在豎直位置，對應刀庫在中間位置，VX = L×ω，為最大速度。
當θ =180°時，此時撥桿在右極限位置也是水平位置，對應刀庫也在換刀位置，VX = 0。
由此可見，刀庫的運動不是勻速的。換刀結束后，撥桿反向旋轉，反向速度也是先增大然后減小，直至起始位置時速度為0。
由運動速度的分解可知，在整個過程中，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的斗笠式刀庫在換刀過程中，采用電機驅動后，刀庫橫向移動裝置運動速度由0 到最大，之后再減小至0，減小了刀庫運動的沖擊，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，換完刀之后，使刀庫能平穩運動回到起點，有利于刀庫位置的準確控制。換刀時間由電機旋轉速度控制，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刀的可靠性。該裝置機構簡單，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范圍。為保證加工中心能夠適應并滿足不同零件的多樣性和加工工序復雜性的要求，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。綜上所述，一般應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。
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