数控机床主轴进给动画演示和进给轴传动系统简图

数控双主轴内孔磨床磨头及进给机构设计
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从本质上说,数控机床和普通机床一样,也是一种经过切削将金属材料加工成各种不同形状零件的设备。早期的数控机床,包括目前部分改造、改装的数控机床,大都是在普通机床的基础上,通过以进给系统的革新、改造而成的。因此,在许多场合,普通机床的构成模式、零部件的设计计算方法仍然适用于数控机床。但是,随着数控技术(包括伺服驱动、主轴驱动)的迅速发展,为了适应现代制造业对生产效率、加工精度、安全环保等方面要求,现代数控机床的机械结构已经从初期对普通机床的局部改造,逐步发展形成了自己独特的结构。其中,进给机构系统对加工精度的影响是最大的,因此,提高进给系统的质量就显得尤为重要。现在由于各种先进制造技术的发展,特别是对精密部件的加工,对于机床的进给系统的要求也越来越高。& 由于磨削加工的某些固有特点,磨床的数控化比起其它各类加工机床约晚了十年,直至20世纪70 年代末才姗姗来迟。但数控磨床一出现就以其准确性、灵活性、自动化等优点而受到关注。当今世界机床技术正朝着柔性化与集成化,实现复合加工的方向发展。复合加工,即在同一台机床上,通过工序复合或工种复合,在一次装夹下,完成各种复杂零件的全部加工,突破了原有的机床类别概念,从而出现了形式多样的多功能化的加工单元或加工中心。& 内圆磨床的生产率和加工质量,在很大程度上决定于内圆磨头的结构和制造质量。在大量生产条件下尤如此。现代内圆磨床带有滚动支承和空气轴承的电磨头和气动磨头,以及皮带传动的静压轴承和滚动支承磨头,其中皮带传动的滚动支承磨头用得最广。因为这种磨头能加工不同长度(达500mm或更长)零件上的孔,而且所加工的孔的直径范围也最大(从70mm到250mm或更大)最常用,也是现在普遍研究的重点。& 与国外相比,我国数控机床的发展明显落后于西方发达国家,因此,技术创新和产品改良亟待加强,机构设计和改良也显得尤为重要。&
本次设计主要是对数控双主轴内孔磨床关键功能部件的设计,目标是能够实现盘齿类零件内孔的粗加工与精加工;控制系统的总体目标是使内圆磨具稳定运转,内圆磨具进给系统进给精确、平稳。& 进给系统的传动机构是指将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链,包括齿轮传动副(或同步带传动副)、丝杠螺母副(或蜗杆蜗轮副)及其支承部件等。传动机构的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度。从系统控制的角度分析,其中起决定作用的因素主要有两个:一是传动机构的刚度和惯量,它是直接影响进给系统的稳定性和灵敏度;二是传动部件的精度与传动系统的非线性,它直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度,在闭环系统中还影响系统的稳定性。& 数控机床进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给,进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工工件的最后轮廓精度和加工精度。为了保证数控机床进给传动系统的定位精度和动态性能,对数控机床进给传动系统的要求主要有如下几个方面。 (1)低惯量& 进给传动系统由于经常需启动、停止、变速或反向运动,若机械传动装置惯量大,就会增大负载并使系统动态性能变差。 (2)低摩擦阻力& 进给传动系统要求运动平稳、定位准确、快速响应特性好,必须减小运动件的摩擦阻力和动摩擦系数与静摩擦系数之差。 (3)高刚度& 数控机床进给传动系统的高刚度取决于滚珠丝杠副或蜗轮蜗杆副及其支承部件的刚度。刚度不足和摩擦阻力会导致工作台产生爬行现象及造成反向死区,影响传动准确性。 (4)高谐振& 为了提高进给的抗振性,应使机械构件具有较高的固有频率和合适的阻尼,一般要求进给系统的固有频率应高于伺服驱动系统的固有频率2~3倍。 (5)无传动间隙& 为了提高位移精度,减小传动误差,对采用的各种机械部件首先要保证它们的加工精度,其次要尽量消除各种间隙,因为机械间隙是造成进给传动系统反向死区的另一主要原因。&
为了确保伺服系统的定位精度和工作稳定性,在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求,机械传动结构的设计中应尽量采用低摩擦传动副,如滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠等,以减小摩擦力;通过选用最佳降速比来降低惯量;采用预紧的办法提高传动刚度;用消隙的办法减小反向死区误差等,其中最重要的是提高传动刚度和降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度,不仅不需要增大尺寸和惯量,而且也使传动刚度接近常数,这是伺服进给系统机构设计中的突出特点。&
具体设计方案如下:1.执行机构传动方式的确定& 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性,在设计机械传动装置时,通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点:
(1)尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 (2)尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。& (3)提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度,减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。
2.进给伺服系统机械部分结构设计 (1)消除齿侧间隙机构和挠性联轴节& 开环系统设计时,一般在步进电动机和滚珠丝杠间设置一对齿轮传动,以增大扭矩和改变运动方向。为消除反向运动的间隙,齿轮多采用双片齿轮消隙。& 闭环和半闭环系统一般由直流(交流)伺服电动机,经同步齿形带或挠性联轴节与滚珠丝杠相连接。图3.1为挠性联轴节示意图。& 这种连接不用键,反向无间隙,轴和联轴套之间的位置可任意调节,且较好地消除了丝杠和电动机轴之间的不同轴度和垂直度误差。如果需要传递较大的力矩,则可用2套以至3套锥环。但每经过1套锥环,轴向压紧力便降低一些,所能传递的力矩不与锥环的套数成正比。(2)滚珠丝杠螺母副的选用与计算& 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置,在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽,当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠,当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动,因而迫使螺母轴向移动。& 在选用滚珠丝杠副时,必须知道实际的工作条件,应知道最大的工作载荷、最大载荷作用下的使用寿命、丝杠的工作长度、丝杠的转速、滚道的硬度及线杠的工况,然后按下列步骤进行选择。(3)滚珠丝杠螺母副的支承选择& 滚珠丝杠常用推力轴承支座,以提高轴向刚度,滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以下几种。& a) 一端装推力轴承& 这种安装方式的承载能力小,轴向刚度低,只适用于短丝杠& b) 一端装推力轴承,另一端装深沟球轴承& 这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离液压马达等热源及丝杠上的常用段,以减少丝杠热变形有影响。& c) 两端装推力轴承& 把推力轴承装在滚珠丝杠的两端,并施加预紧拉力,这样有助于提高刚度,但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感,轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。 d) 两端装推力轴承及深沟球轴承& 为使丝杠具有最大的刚度,它的两端可用双重支承,即推力轴承加深沟球轴承,并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力,预紧力的大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。& 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外,滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。 3.伺服电机的选择& 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展,数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施,使控制精度和品质大大提高。& 伺服电机选择的要求:& (1)从最低速到最高速电机都能平稳运转,转矩波动要小,尤其在低速如0.1r /min或更低速时,仍有平稳的速度而无爬行现象。& (2)电机应具有大的较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。& (3)为了满足快速响应的要求,电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩,并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力,才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。& (4)电机应能随频繁启动、制动和反转。
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数控机床主轴结构图
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数控机床主轴结构图
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数控机床高速主轴系统
出版时间:2012-1&&出版社:科学出版社&&作者:吴玉厚,李颂华 著&&页数:294&&字数:371000&&
本书在分析数控机床电主轴单元关键技术及其国内外研究现状和发展趋势的基础上,针对作者设计开发的一种无内圈式高速陶瓷电主轴单元,介绍了陶瓷轴承技术、润滑与冷却技术、主轴电机设计及驱动控制技术、精密加工和装配技术等陶瓷电主轴单元关键技术以及相关配套技术等;讨论和分析了陶瓷电主轴单元的动态性能、静态性能和热态性能,阐述了陶瓷电主轴综合性能测试方法。本书可供从事机械设计、制造和管理的科技工作者使用,也可供高等院校机械工程相关专业的教师和学生参考。
前言第1章 绪论 1.1 数控机床主轴系统概述 1.1.1 机床主轴的类型 1.1.2 电主轴概述 1.1.3 电主轴的分类及发展 1.2 数控机床电主轴单元技术发展概况 1.2.1 国外电主轴技术现状及发展趋势 1.2.2 我国机床电主轴技术发展概况 1.2.3 我国电主轴技术领域存在的差距 1.2.4 我国电主轴技术领域发展的方向 1.3 数控机床电主轴关键技术及研究现状 1.3.1 高速精密主轴轴承技术 1.3.2 高速主轴电机设计及驱动技术 1.3.3 精密加工和精密装配技术 1.3.4 主轴轴承系统的动力学特性 1.3.5 电主轴单元的可靠性技术 1.3.6 电主轴系统综合性能测试技术 1.4 陶瓷电主轴单元技术研究内容及意义 1.4.1 研究内容 1.4.2 研究意义第2章 陶瓷电主轴单元的创新设计与关键技术 2.1 数控机床电主轴工作原理及基本要求 2.1.1 电主轴基本结构 2.1.2 电主轴的工作原理 2.1.3 电主轴的基本参数 2.1.4 数控机床电主轴设计的基本要求 2.2 无内圈式全陶瓷电主轴的创新设计 2.2.1 全陶瓷电主轴单元的开发目标 2.2.2 全陶瓷电主轴单元研制的技术路线  ……第3章 主轴电机及驱动控制技术第4章 陶瓷主轴零部件的制备及其加工机理第5章 陶瓷主轴零件的精密加工工艺第6章 陶瓷电主轴的动特性分析第7章 陶瓷电主轴综合性能测试第8章 陶瓷电主轴的应用及其维护保养参考文献
版权页:第1章 绪  论以高切削速度、高进给速度、高加工精度为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一,是制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。各国都竞相发展自己的高速加工技术,高速加工技术的成功应用产生了巨大的经济效益。发展和应用高速加工技术的前提是必须有性能优良的高档数控机床。而高速主轴单元是数控机床的核心功能部件之一,其性能好坏在很大程度上决定了整台数控机床的加工精度和生产效率。1。1 数控机床主轴系统概述大多数材料都需要通过机械加工来获得所要求的几何结构和形状。在加工过程中,机床主轴发挥着重要的作用。机床主轴通过给刀具和工件提供相对运动,从工件去除材料,以获得加工成品。每一种类型的加工过程(如钻孔、车、铣、磨、镗等)都有特定的进给速度和切削速度。在基本的车削过程中,主轴令工件旋转以提供切削速度,通过驱动器的驱动使刀具获得进给速度以去除材料。在钻孔和铣削时,主轴通过刀具旋转来提供切削速度。在钻孔过程中,进给运动的方向是主轴的轴线方向。在铣削加工时,进给运动通常垂直轴线移动。在磨削过程中,主轴是给砂轮提供切削速度的部件。一个主轴系统的典型元件包括工具接口、拉杆、转轴、轴承、电机及驱动系统、冷却系统、箱体等。图1。1介绍了一种内置电机主轴的主要组成部件。1。1。1 机床主轴的类型机床主轴系统指机床上带动工件或刀具旋转的轴,通常由主轴、轴承和传动件(齿轮或带轮)等组成。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外,大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。一般来说,根据传动类型的不同,可分为四种不同类型的主轴:皮带传动主轴、齿轮传动主轴、直接驱动主轴和内置电机驱动主轴(Quintanaetal。,2009)。衡量主轴性能的指标主要有旋转精度、刚度和速度适应性等;此外,还包括如运动、受力、转矩、功率和速度方面的传动性能,热扩散及热变形,各种速度下的振动、噪声,维护成本等其他因素。下面简单介绍每种主轴在不同的驱动条件下的一般特点。1。皮带传动主轴这类主轴通过V型皮带传动来传递外部电机和主轴之间的运动。由于皮带传动主轴的成本低、性能好,它被广泛应用于常规加工。皮带传动主轴的效率约为95%,这比电主轴直接传动的效率(接近100%)低,但是很明显的比齿轮传动主轴的效率(小于90%)高(Arnone,1998)。皮带传动可以达到中等转速(15000r/min),并且具有良好的性能,在低转速下(1000r/min)可以提供很大的转矩,当然这取决于皮带及其传动比。相比较而言,在低速下,齿轮传动可以提供很好的转矩;在高速下,电主轴直接传动表现得更佳,这主要是因为电主轴所产生的振动和噪声更小。然而,由于皮带传动适用范围广,它广泛用于大转矩、低转速和小转矩、高转速的各种工况中(deLacalleetal。,2004)。皮带传动主轴系统的主要缺点如下:(1)相比较于其他传动系统,由于皮带不断地接触,皮带的受热膨胀很明显。(2)皮带的振动、噪声很大。(3)由于皮带传动需要张紧,会对轴产生一个径向压力,此压力会抵消一些轴承的预应力。由于电机和主轴是相互独立的,因而皮带传动主轴系统的安装需要更大的空间,但是这类主轴的安装和维护却是比较简单的。2。齿轮传动主轴齿轮传动主轴在低转速下可以获得很高的转矩,并有多种速度范围。但是,齿轮传动会导致振动,这对产品的表面加工有不利的影响。此外,由于其结构上的特点,当齿轮传动把电机的动力转变为切削刀具的切削力时,其效率并不理想。这部分损失的能量转化成热量,而热量的产生是很不利的,例如,热膨胀会降低加工工件的加工精度。尽管齿轮传动能胜任重型加工,但是由于以上这些原因,齿轮传动主轴并不适合高速加工。图1。2为带有两级齿轮变速箱的齿轮驱动主轴。3。直接驱动主轴从电动机到加工刀具的传动效率而言,直接驱动方式几乎可以实现100%的传动效率。直接驱动主轴可以在低转矩下实现高转速工作。由于不存在皮带或齿轮等中间传动链,直接驱动主轴的转矩不会随着电机转速的下降而增加。就振动而言,这种传动系统表现良好,也就是说能够达到高速转动,并保持良好的表面加工质量。4。内置电机驱动主轴这种主轴也被称为电主轴。集成在主轴上前后轴承之间的电机可以是同步电机也可以是异步电机,如图1。3所示。这种驱动方式可以有效地减少振动和噪声,实现15000r/min乃至更高的工作转速,而且其结构更为紧凑,这就是电主轴能在高速加工机床中普遍应用的原因。本书将重点论述数控机床陶瓷电主轴的相关设计理论与制造技术。1。1。2 电主轴概述众所周知,随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善,高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内置式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。这种将电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,称为内置电机驱动主轴,俗称“电主轴”。它在英文中有多种称谓,如e1ectricspindle,motorspindle,motorizedspindle等。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为“高频主轴”(highfrequencyspindle)。电主轴是一种智能型功能部件,采用无外壳电动机,将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部件做成一体,主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制,使变频电动机和机床主轴合二为一。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低以及响应快等优点,它不但转速高、功率大,还具有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能,可确保其高速运转的可靠性与安全性。使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动,简化机床设计,易于实现主轴定位。电主轴是数控机床高速主轴单元中的一种理想结构,可以说,它是高速、高效、高精度机床技术发展的核心,它的出现使以往在金属切削机床技术发展过程中出现的诸多问题迎刃而解。在高速加工时,采用电主轴几乎是唯一的选择,也是最佳的选择。电动机内置于主轴部件后,不可避免地将会产生发热的问题,从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器,以实现主轴转速的变换。高速轴承有时要有专门的润滑装置。为了保证高速回转部件的安全,还要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。因此,“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴套筒,而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统,如图1。4所示。1。1。3 电主轴的分类及发展机床电主轴按所采用的轴承类型可分为滚动轴承(角接触球轴承、滚子轴承)电主轴、液体轴承(动压轴承、静压轴承、动静压轴承)电主轴、气体轴承电主轴和磁悬浮轴承电主轴等。电主轴按照电机的类型又可分为异步型电主轴和永磁同步型电主轴等。从机床行业的客观需求来看,角接触球轴承电主轴、液体(动)静压轴承电主轴和气体轴承电主轴是市场开发的重点,也是学术研究的热点。角接触球轴承是最适宜高速化的滚动轴承,具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和标准化等优点,其极限转速高、精度高、刚度高,在加工中心、数控铣床、数控车床、数控内(外)圆磨床和高速雕铣机中获得了广泛应用。角接触球轴承研究的主要技术难点在于提高精度寿命和可靠性。液体(动)静压轴承电主轴以液态“油膜”作为支承,具有显著的“误差均化效应”和阻尼减振性,其回转精度远高于滚动轴承式电主轴,具有刚度高、磨损小、寿命长的特点,在精密超精密机床上已获得了广泛应用。液体(动)静压轴承电主轴研究的主要技术难点在于控制高速时主轴的温升和热变形。气体轴承电主轴以“气膜”作为支承,其回转精度和极限转速高于液体(动)静压电主轴和滚动轴承式电主轴,其热稳定性好,是超精密机床和印刷电路板(PCD)钻床不可或缺的核心部件。气体轴承电主轴的不足之处在于承载能力低,工艺要求高。目前,电主轴在国内外的应用主要涵盖磨削、铣削、车削、钻削、木工、离心、旋辗和试验机用电主轴等8大类(徐同申、余篷,2010)。其中,数控机床用电主轴主要分为以下4大类:(1)磨削用电主轴。它是目前国内最主要应用的电主轴类型,也是国内外最早研发应用的类型,主要用于轴承行业套圈内磨工序。洛阳轴研科技股份有限公司将磨削用电主轴分为DZ、GDZ、2GDZ、3GDZ四代产品。其中,2GDZ系列是当今国内广泛使用的磨削用电主轴,其支承刚度、功率均相当于国际20世纪90年代水平,电主轴的输出根据磨削加工的特点设计为恒转矩制,它在国内市场上所占份额为75%~85%。(2)铣削用电主轴。这类电主轴分精密雕铣用电主轴、大型数控铣用电主轴以及加工中心用电主轴三大类。雕铣用电主轴转速偏高,一般在24000r/min以上,通常选用ER弹簧卡头来夹持刀具,其电动机输出可分恒功率和恒转矩两种,市场占有率为70%~80%。大型数控铣用电主轴由于不设刀库,无需换刀,因此可选用开环控制。加工中心用电主轴通常采用闭环编码控制,可实现低速大扭矩输出,其恒功率转速比大于1∶8。加工中心用电主轴通常选用高速油脂润滑或油-气润滑以减少油雾对环境的污染。(3)车削用电主轴。这类电主轴是工件电主轴。由于消除了皮带传动的弊端,车削用电主轴能适应高速、高精度旋转,并且高速旋转振动极小,这对高精度车加工及工件表面粗糙度的提高是十分有利的。在有色金属高速、高精度车削工序中,应用此类电主轴是解决技术难题的关键。(4)钻削用电主轴。这类电主轴主要是指PCB板高速孔化所使用的电主轴,常规速度等级分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六档。后三种为空气静压轴承支承的电主轴,可用来钻削0。1~0。15mm的小孔;前三种为油脂润滑型滚动轴承支承的电主轴,其加工范围为0。2~0。7mm。近年来,由于材料科学技术的进步,越来越多的新型材料在机床主轴-轴承系统中得到了应用。其中,陶瓷电主轴是指支承轴承、旋转主轴以及其他主要零部件应用高性能结构陶瓷材料的一类电主轴。目前,国内外研究及应用的陶瓷电主轴。
《数控机床高速主轴系统》介绍了数控机床高速主轴系统的研究、发展和应用情况。在论述陶瓷电主轴工作原理和机构设计的基础上,进行了陶瓷轴承技术、润滑与冷却技术、主轴电机设计及驱动控制技术、精密加工和装配技术等陶瓷电主轴关键技术的研究。完善和提高了陶瓷电主轴用陶瓷轴承和陶瓷主轴的设计和制造技术。对陶瓷电主轴单元的动态、静态性能及热态性能进行了讨论和分析,并在此基础上进行了陶瓷电主轴综合性能测试方法的研究,实现了高速陶瓷电主轴单元在数控机床及加工中心上的应用。
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用户评论&(总计5条)
&&&&这个是我老是编写的,当然好评
&&&&就是书摔得边边有点翘起来了,不美观,其他的还好
&&&&大开眼界
&&&&图文少不实用
&&&&书还可以吧,不过应刷质量还是有点差强人意!
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