由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，故满足不了复杂零件的加工需要。自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换机构从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放入刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外。常见的刀库形式有三种，即盘形刀库、链式刀库、格子箱刀库。
带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件时就有可能充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具（可以多达100把以上），因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显地提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控镗铣床和加工中心，其换刀形式很多，以下介绍几种典型的自动换刀装置。
1.直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置
直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置只具备一个刀库，刀库中储存着加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换刀过程。例如，图6-24所示为自动换刀数控立式车床的示意图，刀库7固定在横梁4的右端，它可做回转以及上下方向的插刀和拔刀运动。机床自动换刀的过程如下：
图6-24 自动换刀数控立式车床示意
1—工作台；2—工件；3—立柱；4—横梁；5—刀架滑座；6—刀架滑枕；7—刀库
（1）刀架快速右移，使其上的装刀孔轴线与刀库上空刀座的轴线重合，然后刀架滑枕向下移动，把用过的刀具插入空刀座；
（2）刀库下降，将用过的刀具从刀架中拔出；
（3）刀库回转，将下一工步所需使用的新刀具轴线对准刀架上装刀孔轴线；
（4）刀库上升，将新刀具插入刀架装刀孔，接着由刀架中自动夹紧装置将其夹紧在刀架上；
（5）刀架带着换上的新刀具离开刀库，快速移向加工位置。
2.用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换刀装置
用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换刀装置是目前用得最普遍的一种自动换刀装置，其布局结构多种多样，JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置即为一例。四排链式刀库分置机床的左侧，由装在刀库于主轴之间的单臂往复交叉双机械手进行换刀。JCS-OB型自动换刀数控卧式镗铣床的自动换刀过程可用图6-25（a）～图6-25（i）所示实例加以说明。
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图6-25 JCS-013型自动换刀数控卧式镗铣床的自动换刀过程
（1）开始换刀前状态：主轴正在用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好了准备。
（2）上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180°，转向主轴。
（3）卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。
（4）机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀具从主轴上拔出。
（5）卸刀机械手缩回原位。
（6）装刀机械手前伸；使T09号刀具对准主轴。
（7）机械手架后移，将T09号刀具插入主轴。
（8）装刀机械手缩回原位。
（9）机械手架回转180°，使装刀、卸刀机械手转向刀库。
（10）机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回P05号刀套中。
（11）刀套链转动，把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置；机械手架下降，找第三排刀链，由装刀机械手将T46号刀具取出。
（l2）刀套链反转，把P09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为接下来的一个工步的换刀做好准备。
3.用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置
用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置实际是将转塔头式换刀装置和带刀库的自动换刀装置结合，其自动换刀过程如图6-26所示。转塔头5上有两个刀具主轴3和4。当用一个刀具主轴上的刀具进行加工时，可由换刀机械手2将下一工步需用的刀具换至不工作的主轴上，待上一工步加工完毕后，转塔头回转180°，即完成了换刀工作。因此，所需换刀时间很短。
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