數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲存量足夠、刀庫占地面積小以及安全可靠等基本要求。
一、自動換刀裝置的形式
1．回轉(zhuǎn)刀架換刀
回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數(shù)控車床?？梢栽O(shè)計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。
回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀具位置不進(jìn)行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.001～0.005mm）。
一般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等。
2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉(zhuǎn)為主運動）
更換主軸換刀是帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就
是一個轉(zhuǎn)塔刀庫，如圖7-15所示。
主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭，以實現(xiàn)自動換刀。在轉(zhuǎn)塔的各個主軸上，預(yù)先安裝有各工序所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)發(fā)出換刀指令時，各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運動，使相應(yīng)的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)。而其它處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。
這種更換主軸換刀裝置，省去了自動松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一系列的復(fù)雜操作，從而縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性。但是由于空間位置的限制，使主軸部件結(jié)構(gòu)尺寸不能太大，因而影響了主軸系統(tǒng)的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限制主軸的數(shù)目，否則會使結(jié)構(gòu)尺寸增大。因此，轉(zhuǎn)塔主軸頭通常只適用于工序較少、精度要求不太高的機床，例如數(shù)控鉆、銑床等。
3.帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)
由于回轉(zhuǎn)刀架、轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置容納的刀具數(shù)量不能太多，不能滿足復(fù)雜零件的加工需要，因此，自動換刀數(shù)控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構(gòu)組成，換刀過程較為復(fù)雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，在機外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)整后，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進(jìn)行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方。由于帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床的主軸箱內(nèi)只有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。
另外，刀庫內(nèi)刀具數(shù)量較大，因而能夠進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應(yīng)性和加工效率。帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)適用于數(shù)控鉆削中心和加工中心。
二、刀庫和刀具的選擇方式
1.刀庫類型
刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，通過機械手實現(xiàn)與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁斓榷喾N形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機床的工藝范圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好對準(zhǔn)刀庫最下面的那個位置，刀具被夾住，主軸在cnc的控制下，松開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然后刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉(zhuǎn)至與主軸對準(zhǔn)的位置，刀庫后退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務(wù)，進(jìn)行下道工序的加工。此換刀裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心。
對于刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈?zhǔn)降稁欤▓D7-17），鏈?zhǔn)降稁斓慕Y(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀。當(dāng)需要增加刀具數(shù)量時，只需增加鏈條的長度即可，給刀庫設(shè)計與制造帶來了方便。
2. 刀具的選擇方式
一般的刀庫內(nèi)存放有多把刀具，每次換刀前要進(jìn)行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選刀兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調(diào)刀，加工不同的工件時必須重新調(diào)整刀庫中的刀具順序。其優(yōu)點是刀庫的驅(qū)動和控制都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型數(shù)控機床的自動換刀。
隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。
3. 刀具編碼方式
刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用于識別的編碼條，一般都是根據(jù)二進(jìn)制編碼的原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對每把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重復(fù)使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應(yīng)減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環(huán)，刀具長度加長，制造困難，刀庫和機械手的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。刀套編碼的方式是一把刀具只對應(yīng)一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的plc中，無論刀具放在哪個刀套內(nèi)，刀具信息都始終記存在plc內(nèi)。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設(shè)有機械原點，使每次選刀時就近選取。
三、刀具交換裝置
數(shù)控機床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進(jìn)行，換刀時間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進(jìn)一步縮短。采用機械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結(jié)構(gòu)簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉(zhuǎn)—插刀—返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構(gòu)。