近年来,随着我国工业水平的快速发展,加工中心发挥着越来越重要的作用,自动换刀装置作为数控加工中心的核心部件,其运行状态直接影响加工中心的加工效率与加工精度。由于我国与工业发达国家在高档数控机床领域存在较大的差距,所以对自动换刀装置的研究对提高我国工业制造水平具有重大意义。为满足高职院校教学演示需求,以及中小型企业的市场需求,本文以西航职院的四台XK713小型立式加工中心的自动换刀装置为研究对象,通过研究其结构设计问题与换刀过程控制问题,设计了一种小型、经济型和演示型自动换刀)装置,并利用PLC程序控制完成了换刀系统的控制。论文完成的主要工作如下:(1)针对原刀库刀具容量低与刀库定位精度差的问题,设计了一种紧凑型、实用型刀库,该刀库采用链式结构,使用伺服电机驱动,定位精度可达0.005mm,最大可容纳32把刀具。(2)针对原换刀机械手结构变形问题,设计了一种小型、经济型换刀机械手,并利用有限元分析软件对换刀机械手的臂部构件进行了静力学分析与瞬态动力学分析,然后根据分析结果进行了拓扑优化,优化重构后的机械手力学性能显著提升,最终实现了机械手质量轻巧、结构稳定、运行过程中抓刀平稳。(3)针对原控制系统响应速度慢、控制精度低的问题,通过对自动换刀控制过程的研究,提出了一种新的控制方案,并对其中关键控制部分进行了设计,如刀库定位、刀库选刀、机械手换刀、刀套翻转等。并在西门子PLC编程软件中完成了程序编制。该方案能有效解决现装置换刀过程中的响应速度慢等问题。(4)针对原自动换刀装置各类检测及辅助元件的损坏失灵问题,对原自动换刀装置的执行气缸、各类检测元件及辅助装置进行了选型设计,进一步提高了换刀效率和换刀过程的稳定性。(5)针对高职院校教学过程中的教学演示环节,设计了自动换刀过程中的手动控制环节,可实现分步动作,并在西门子的PLC编程软件中完成了程序编制。