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加工中心的自动换刀系统由两部分组成：刀库和自动换刀装置。拥有自动换刀系统有两个主要优点：一个是在主轴箱中只保留一个主轴，这有利于简化主轴的结构并提高主轴的刚度。另一个是可以在库中存储大量具有不同类型和功能的工具，这对于完成各种复杂的多步骤处理过程非常方便。因此，是否具有自动换刀系统是区分CNC机床和加工中心的重要标志。
自动换刀系统中的自动换刀装置主要分为三种：直接换刀法，机械手换刀法和转塔头法：
（1）直接换刀方式
直接换刀意味着通过刀库和主轴箱的配合完成换刀过程。这是zui直接的换刀方法。
根据换刀过程中刀库是否移位，直接换刀方法可分为刀库移位模式和刀库固定模式。在磁带盒移位模式下，可以移动磁带盒。在换刀之前，刀库进入换刀工作区，在换刀后退出该区域。由于刀库的移动较多，这种换刀方法的布局更加特殊，灵活性和适应性较差。
在刀库固定模式下，主要通过主轴箱的移动来选择刀具。刀库可以保持静止或只能旋转到位。前者只能执行顺序的刀具选择，适用于少量刀具的加工中心，而后者可以通过分度来实现刀具选择。这种刀具选择方法减少了刀库的运动，可以大大简化刀库的设计结构，并且换刀过程的控制简单可靠。
（2）机械手工具更换方法
机器人工具更换模式意味着，当更换工具时，机器人负责在工具库和主轴之间转移工具，将所需的工具推入主轴，然后将替换后的工具发送回工具库。尽管这种换刀方法不像以前那样简单，但是它避免了换刀过程中刀库和主轴的移动，并由机器人代替。这样，减少了机械零件的移动范围，更快地完成了换刀，并且设计布局更加灵活，因此已在大多数CNC加工中心中广泛使用。
如果每个工具都由其自己独立的操纵器进行切换，则称为专用换刀操纵器模式；相反，如果使用通用机械手来切换多个工具，则称为通用工具更换机械手模式。后者具有三种类型：可转位换刀机械手，双手换刀机械手和换刀机械手。
（3）转塔头法
转塔头模式是一种工具更换模式，其中所需的工具通过砖塔的旋转移动到相应的位置。通常这是一个顺序的换刀，具有结构紧凑和换刀时间极短的优点。通常用于加工曲轴和其他需要多个过程的细长工件。