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加工中心的自動換刀系統由兩部分組成：刀庫和自動換刀裝置。擁有自動換刀系統有兩個主要優點：一個是在主軸箱中只保留一個主軸，這有利于簡化主軸的結構并提高主軸的剛度。另一個是可以在庫中存儲大量具有不同類型和功能的工具，這對于完成各種復雜的多步驟處理過程非常方便。因此，是否具有自動換刀系統是區分CNC機床和加工中心的重要標志。
自動換刀系統中的自動換刀裝置主要分為三種：直接換刀法，機械手換刀法和轉塔頭法：
（1）直接換刀方式
直接換刀意味著通過刀庫和主軸箱的配合完成換刀過程。這是zui直接的換刀方法。
根據換刀過程中刀庫是否移位，直接換刀方法可分為刀庫移位模式和刀庫固定模式。在磁帶盒移位模式下，可以移動磁帶盒。在換刀之前，刀庫進入換刀工作區，在換刀后退出該區域。由于刀庫的移動較多，這種換刀方法的布局更加特殊，靈活性和適應性較差。
在刀庫固定模式下，主要通過主軸箱的移動來選擇刀具。刀庫可以保持靜止或只能旋轉到位。前者只能執行順序的刀具選擇，適用于少量刀具的加工中心，而后者可以通過分度來實現刀具選擇。這種刀具選擇方法減少了刀庫的運動，可以大大簡化刀庫的設計結構，并且換刀過程的控制簡單可靠。
（2）機械手工具更換方法
機器人工具更換模式意味著，當更換工具時，機器人負責在工具庫和主軸之間轉移工具，將所需的工具推入主軸，然后將替換后的工具發送回工具庫。盡管這種換刀方法不像以前那樣簡單，但是它避免了換刀過程中刀庫和主軸的移動，并由機器人代替。這樣，減少了機械零件的移動范圍，更快地完成了換刀，并且設計布局更加靈活，因此已在大多數CNC加工中心中廣泛使用。
如果每個工具都由其自己獨立的操縱器進行切換，則稱為專用換刀操縱器模式；相反，如果使用通用機械手來切換多個工具，則稱為通用工具更換機械手模式。后者具有三種類型：可轉位換刀機械手，雙手換刀機械手和換刀機械手。
（3）轉塔頭法
轉塔頭模式是一種工具更換模式，其中所需的工具通過磚塔的旋轉移動到相應的位置。通常這是一個順序的換刀，具有結構緊湊和換刀時間極短的優點。通常用于加工曲軸和其他需要多個過程的細長工件。