为提高产品加工精度及生产效率，将现有FANUC—Old数控铣床升级为具有自动换刀系统（ATC）的加工中心。通过对比选择斗笠型无机械手换刀方式以减少复杂的机械结构所带来的不稳定性，进而提高加工中心安全系数。为克服直流电机换向问题及自身结构复杂等缺点，采用交流伺服电机作为刀盘驱动装置。在ATC工作过程分析基础上，对其控制系统硬件电路及软件进行设计，提出一种双向分级换刀方式并设计ATC换刀过程。通过实验对比传统单向旋转换刀方式和双向分级换刀方式的换刀时长，得出双向分级换刀方式在同一扇区内可以快速进行换刀的结论。研究结果为数控机床升级加工中心优化设计和控制策略提供依据。