加工中心斗笠式刀库换刀装置的设计_张宇

Equipment Manufactring Technology No.6，2009

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"设计与计算

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加工中心斗笠式刀库换刀装置的设计

张 宇 1，夏晓平 2

（1.常州工学院，江苏 常州 213003；2.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213003）

摘要：斗笠式刀库由刀库横移装置、分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置保证刀库以正弦曲线的运动规律，从起始位置运动到换刀点换刀；分度装置保证刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到刀库的转位分度作用；其分度槽槽数越多，刀库转位越平稳，但槽数增加会导致刀库轮盘尺寸增大，因此，合理的刀库容量尤为重要。 关键词：刀库；横移装置；容刀量；分度盘；定位法兰；运动分析 中图分类号：TG659

文献标识码：A

加工中心的换刀方式，一般可以分为有机械手换刀和无机械手换刀。有机械手换刀方式的刀库，一般为链式；无机械手换刀方式的刀库，一般为盘式。无机械手换刀方式，一般适用于立式加工中心，原因是它运动集中，运动部件少。但受立式加工中心机床尺寸大小的限制，刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大，即刀库的容量不能太大。斗笠式刀库，顾名思义，形状像斗笠，结构上为盘式刀库，换刀方式属于无机械手换刀系统，它由刀库横移装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自

动装卸机构组成[1]。

斗笠式刀库换刀时，第一步，是刀库横移装置移动到主轴箱可以达到的位置；第二步，是刀库分度装置进行选刀，它通过精准的分度、定位，把下个工序所需的刀具送到指定位置；第三步，是主轴上的自动装卸机构准确取刀、送刀。所以横移装置和分度装置，是斗笠式刀库的重要组成部件。

1 斗笠式刀库装置的设计

1.1 刀库横移装置的设计

刀库的横移装置，是在进行换刀的整个过程中，刀库从远离主轴的位置直线移动到主轴轴线位置，以实现换刀。该机构运动的动力部件是刀库电动机，电机轴实现旋转运动，使刀库实现直线移动。本文阐述了一种利用正弦机构运动原理的换刀横移机构，可让电机轴的旋转运动顺利地转化为可控的刀库直线运动。

斗笠式刀库横移装置，由两根圆柱导轨（滑杆）支撑，每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上，连接板固定在机床立柱上，实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动，实现刀库前后运动，以完成抓刀和返回动作。而

刀库前后运动的原动力是由电机通过拨杆和滑块实现的（如图 1）。

当加工中心进行零件加工的时候，刀库远离主轴，停留在最左边极限位置 1，即刀库处于原位。收到换刀指令后，电机通过电机轴逆时针方向旋转，带动拨杆转动（拨杆上带有滑

文章编号：1672- 545X （2009）06- 0048- 03

滑槽 滑块 拨杆 电机轴 圆柱导轨

支架 连接板

位置 2

滑座

位置 1

连接件 刀库

图 1 刀库的横向移动示意图

块），滑块与拨杆联接，跟随拨杆回绕电机轴旋转，滑座上开有滑槽，滑块在滑槽中上下移动，带动滑座（即刀库）向右移动，从而使刀库运动到右极限位置 2，到达换刀位置，等待取刀及放刀电机轴顺时针方向旋转时，使刀库返回。

1.2 刀库分度装置的设计

本文设计的斗笠式刀库的分度装置，使用的是经典的槽轮机构（即马氏机构），它具有结构简单、外形尺寸小、机械效率高，以及能较平稳地、间歇地进行转位等优点。但槽数的多少，直接影响到机构的柔性冲击和准确定位。本节阐述了槽数与机构平稳性的关系。

斗笠式刀库的分度装置，由刀库鼓轮、分度盘、定位法兰、

圆柱滚子等零部件组成，分度装置的电机输出轴轴线与定位法兰、分度盘、刀库鼓轮盘的回转轴线平行。刀库选刀时，首先由刀库回转电机得到旋转指令，输入轴通过联轴器带动定位法兰旋转，从而使在定位法兰上的圆柱滚子廻绕法兰中心转动；当圆柱滚子转动一定角度，进入分度盘的分度槽中，拨动分度盘开始作转位运动；当分度盘转过一定的角度后，圆柱滚子从分度槽中脱出，刀库鼓轮盘（分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一起转动，见图 2）即静止不动，并由定位法兰的锁止半轴

收稿日期：2009- 3- 25 作者简介：张 宇（1963—），女，江苏常州人，副教授，主要从事数控技术方向的研究和教学，发表论文多篇。

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《装备制造技术》2009年第6期

定位。

电机

输入轴

连轴器

滚子

定位法兰

分度盘

刀具刀库鼓轮

图2刀具分度装置示意图

定位法兰每回转一圈，就驱动分度盘转过一个槽。电机是连续匀速运动的，从而带动定位法兰与圆柱滚子连续匀速转动。但圆柱滚子是间断性的转入分度槽的，从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到了刀库的分度作用（如图2）。

分度盘与刀库鼓轮同轴，分度盘的分度槽数与刀库鼓轮上的刀数一致。定位法兰不断回转，分度盘就不停地进行分度，刀库鼓轮就不断重复上述的运动循环，从而将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上，以便让主轴进行换刀，实现刀库的自动换刀。

2 刀库的运动分析

2.1横移装置运动分析

刀库需要一个横向的直线运动来满足换刀要求，而驱动电机输出的是旋转运动，利用该机构，根据运动的合成与分解原理，可以将电机输出的旋转运动分解为水平、垂直两个方向的直线位移，利用滑块在滑槽中的运动，消除掉刀库垂直方向的位移，实现刀库所需的水平方向的直线运动。

整个机构的运动过程为：拨杆（主动件）的动力，来源于中心的驱动电动机，滑块是从动件。拨杆由电动机控制从状态 A

运动到状态B，再从状态B返回到状态A，作往复的1/2圆周运动。滑块由位置1运动到位置2，再运动到位置3，再由位置

3 返回到位置 1，作往复的直线运动（见图 3）。在这个过程中，该机构很好的将电动机提供的圆周运动，转化成了滑块的上下往复直线运动和滑座的水平往复直线运动，从而保证刀库准确可靠的换刀与复位[2.~3]。

拨杆

滑块

状态 A

ψ状态 B

滑槽

位置 1 位置 2 位置 3

图 3 横向移动装置运动简图2.2 分度装置运动分析

刀库在换刀前，首先需要选刀。选刀的过程，就是使刀库

鼓轮满足一个周向间歇运动，也就是分度盘在分度过程中，转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度ω2= 0。

在图4中得出，为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽，在槽口的瞬时位置时，必须使转臂中心线O1O3 与分度槽的中心线O3O2相垂直，即O1O3O2 = 90°。假设：O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圆柱滚子从进入至脱离径向槽这

（即），分度盘的转个过程，定位法兰的转角为2φ1 O2O1O3 = φ1

角为2φ2（即010203=φ2，2φ2=2π/z），则在直角三角形 O1O2O3

中，根据正切函数，得

φ2= arctan λsinφ1

1- λcosφ1

式中

λ= R1 = sinφ= sin

π

（Z为分度盘的槽数）。

a 2 z

定位法兰

分度盘

O1

2φ1 O2

2φ2

ω

1 O

3 ω2

圆柱滚子

图4刀库分度装置运动简图

分度机构在转位过程中，定位法兰以匀角速度ω1转动，分度盘以角速度ω2反向转动，分度盘每次分度转过的角度与槽数z有严格的对应关系（2φ2= 2π/z），分度盘的角速度ω2

为φ2对时间的导数

ω= dφ2 = λ(cosφ1-λ) ω [4]

2

2 dt 1

(1- 2λcos φ1 + λ )

分度盘的角加速度为

ε = dω2 = λ(λ

2- 1)sinφ

1 ω

2 [4]

2 2 1

dt

(1- 2λcos φ1+λ )

定位法兰的角速度ω1为常数，分度盘转位起、停时，分度

盘的角速度ω2和分度盘的角加速度ε为槽数和定位法兰拨盘转角φ1的函数，当拨盘匀速转动时，随着分度盘槽数Z的

增加，运动趋于平缓（如图5）。当圆柱滚子开始进入和即将退

ω2

0.7 z=8

ω1

0.6

0.5

0.4 z=12

0.3 z=15

z=18

0.2

0.1

- 80- 60- 40- 20020406080φ1