高性能加工中心的結(jié)構(gòu)特點

    高性能加工中心與高速加工中心的區(qū)別在于它除有一個能高速旋轉(zhuǎn)的主軸,還設(shè)計了高精度的直線運動導(dǎo)軌、大功率主軸電機、精密主軸軸承、滾珠絲杠、高效伺服驅(qū)動電機以及**的CNC系統(tǒng)等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件,大大提高市場競爭力。

    1.直線運動導(dǎo)軌

    加工中心的各軸向運動的速度和精度,對實現(xiàn)高速切削至關(guān)重要。工學(xué)博士JoeKraemer在為高性能加工中心下定義時指出,在機床主軸轉(zhuǎn)速與刀具系統(tǒng)不變和保證滿足加工零件精度的前提下,如果各軸向運動不能達(dá)到f=7.62-11.43m/min的進給速度,那就不能稱之為高性能加工中心。但是要達(dá)到如此高的進給速度,采用普通機床的方形導(dǎo)軌是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實現(xiàn)的。必須選用直線運動導(dǎo)軌。試驗證明,直線運動導(dǎo)軌的磨擦系數(shù)僅為普通方形導(dǎo)軌的1/20。由于直線運動導(dǎo)軌的滾柱與導(dǎo)軌間的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方形導(dǎo)軌,因而使功率消耗也降低為方形導(dǎo)軌的1/20,且能保持長時間的很少磨損,大大提高導(dǎo)軌的使用壽命。精密的直線運動導(dǎo)軌具有一個淬火硬度為HRC58-62的經(jīng)精密導(dǎo)軌磨床磨削的直線形導(dǎo)軌,而不像普通方形導(dǎo)軌那樣較少有一個V型導(dǎo)軌。因為兩條直線形導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)簡單,因此*加工、裝配、測量以及能選擇合適的滾柱直徑等。

    在機床開始沿直線運動時,直線運動導(dǎo)軌只需166kg力的力矩克服靜摩擦,需69.2kg力的力矩克服動摩擦。而方形導(dǎo)軌則需346kg力的力矩克服靜摩擦,103.8kg力克服動摩擦。因而,采用直線運動導(dǎo)軌可使機床的較高進給速度達(dá)63.5m/min,其中38.1m/min的進給速度用得較多。使加速度能在0.6-1.0g范圍內(nèi)。力口之直線運動導(dǎo)軌具有高的剛度,與工作臺之間無間隙存在,因而很少產(chǎn)生振動,能加工出低表面粗糙度的零件表面,延長刀具的使用壽命。

    2.精密的滾珠絲杠

    機床滾珠絲杠直徑及螺距的大小直接影響加工零件的精度,尤其是在進給量的切削條件下,采用直線運動導(dǎo)軌的高性能加工中心都選擇小直徑的細(xì)牙螺距的單頭滾珠絲杠。也有的采用粗牙螺距的多頭滾珠絲杠。一般采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠的傳動方案。但是,滾珠絲杠在工作中,滾動體作螺旋運動其自轉(zhuǎn)軸線的方向是變化的,因而會產(chǎn)生陀螺運動。當(dāng)陀螺運動中的陀螺力矩Mf**過滾珠體與滾道間的摩擦力時,滾動體將產(chǎn)生滑動,從而造成劇烈摩擦,使絲杠溫度升高,同時振動和噪音增大,縮短了絲杠壽命,降低了滾珠絲杠的傳動品質(zhì)。為此開發(fā)出一種新型的高性能的滾動絲杠——行星滾柱絲杠,較好地解決了以上技術(shù)難題。

    隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展,在**高進給的情況下,工作臺加速度將達(dá)到3g以上,因此移動件的慣性力也相當(dāng)大。在進行機械部分設(shè)計時必須力求減小移動件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量,進一步提高進給系統(tǒng)的剛度、靈敏度和精度。目前在加工中心上已采用由德國Ex-cell-o公司發(fā)明的大功率直線伺服電機,直接驅(qū)動工作臺作直線運動,并與由碳素纖維增強塑料制成的輕型結(jié)構(gòu)工作臺和直線滾動導(dǎo)軌副匹配,實現(xiàn)高進給速度和高精度加工。

    3.大功率機床主軸電機

    在諸多影響選擇機床主軸電機功率大小的因素中,較主要的有主軸錐度、加工中選擇的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。選擇大錐度主軸,能進行大功率切削,但是,有時為了快速地加速和減速,也可以采用大功率電機驅(qū)動小錐度主軸的方案。

    對于大切除率加工,必須選用大錐度主軸和大功率機床主軸電機。零件材料對選擇機床主軸電機功率影響不大。例如,對于鍛件和鑄件,并不要求大功率切削。但是選擇在機床主軸高轉(zhuǎn)速下加工,必須選擇大功率電機。大零件加工也要選擇大功率驅(qū)動是因為它需選用大直徑刀具加工。

    4.主軸軸承

    切削實驗證明,在主軸前端安裝一排向心止推軸承和一排滾珠軸承,在主軸后端安裝兩排滾珠軸承,為較佳的裝配組合方案。它能保證在通常切削條件下主軸有好的剛性,能承受很大的側(cè)向切削力,又能滿足高速切削加工的需要。

    主軸軸承的種類和規(guī)模大小必須能滿足使用條件。尺寸大的軸承能提供高強度和高剛度。但是大尺寸軸承有兩個缺點:

    由于大軸承的質(zhì)量大和軸承間的接觸面積大,因而在高主軸轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大量的熱量。在大量的熱量長時間地作用下會引起主軸尺寸—漲大,影響加工精度。

    大質(zhì)量的主軸還需要大功率電機才能驅(qū)動。盡管軸承內(nèi)圈加有潤滑油冷卻,但是大軸承在高轉(zhuǎn)速下使承載量和旋轉(zhuǎn)慣量增大,因而所需功率加大。尤其是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時,功率消耗增大??墒遣⒉皇撬械墓β识枷脑谇邢骷庸ど稀@?,具有40馬力的主軸,只能有15—20馬力的功率作用于刀頭上,其余則都用以旋轉(zhuǎn)主軸。對于一個高功率主軸,它能盡可能地將大量的功率作用在切削工件上,能用很小的功率去驅(qū)動較高轉(zhuǎn)速的主軸。作用在主軸上的功率大小,根據(jù)空載下旋轉(zhuǎn)主軸的較高轉(zhuǎn)速即可計算出機床所消耗的功率。因為在高速下切削,夾頭和刀具在切削力作用下產(chǎn)生徑向偏斜,不同心等引起附加力增大或產(chǎn)生不平衡的離心力等。

    切削實踐證明,用多排小直徑軸承代替兩排大直徑軸承,將**好的加工效果。因為小直徑軸承重量輕,消耗功率小,發(fā)熱量也小。使用多排小直徑軸承,并不使主軸剛度受到影響,而且還對主軸軸承的載荷預(yù)加相當(dāng)有利。軸承預(yù)加載荷通常指主軸在靜態(tài)下作用在軸承上的壓力大小,一般采用預(yù)加載荷來改善主軸剛度和加大切削能力。但是由于作用在軸承上的壓力增大,發(fā)熱量增大,因而也加速了軸承磨損。

    為了提高刀具的切削性能和延長刀具的使用壽命,對多排軸承預(yù)加較小的壓力,即能提高機床主軸的剛度,達(dá)到以,上目的。

    從長遠(yuǎn)的觀點上看,對磁力、氣動和靜**承的市場需求量將會大大增加。但是,目前在高速切削中,較常用的還是以下兩種:向心止推軸承和滾珠軸承。在標(biāo)準(zhǔn)的機床主軸轉(zhuǎn)速條件下,在主軸**經(jīng)常安裝一排滾珠軸承和—排向心止推軸承,在主軸后端安裝兩排滾珠軸承。因為在主軸前端安裝—排滾珠軸承能較好地提高主軸剛度增加主軸的承載能力。這一點對于重載切削至關(guān)重要。但是,因為滾珠軸承有較大的接觸面積,比向心止推軸承的重量重,因此消耗功率大,產(chǎn)生熱量大,*引起主軸尺寸漲大,功率利用低。高速切削可減少作用在主軸和刀具上的徑向力,這樣,在主軸前端安裝的向心止推軸承提供了足夠的剛度和穩(wěn)定性,避免了機床主軸受熱而產(chǎn)生的尺寸膨脹。

    合理地選擇軸承材料同軸承種類同樣重要。雖然由軸承鋼制成的軸承目前仍被廣泛使用,但實踐證明,高速切削使用陶瓷軸承將表現(xiàn)出許多的優(yōu)點。盡管軸承鋼制成的軸承價格*,便其重量遠(yuǎn)比同樣規(guī)格的陶瓷軸承重得多。由于重量重,高速切削中發(fā)熱量大,必須配置復(fù)雜的冷卻潤滑系統(tǒng)。同時隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,使作用在軸承上的向心力增大,使軸承溫度升高,引起主軸尺寸增大,影響加工零件的尺寸精度,同時使機床主軸所需功率增加。陶瓷軸承由于重量輕,將較好地解決這一技術(shù)難題。切削試驗證明,陶瓷軸承使主軸尺寸增大的速度只為軸承鋼軸承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在軸承上。

    同時,為了提高機床主軸剛度和切削能力,在陶瓷軸承上還可施加很大的預(yù)加載荷。由于陶瓷軸承有以上特點,因而使其使用壽命增長。

    現(xiàn)代機床主軸技術(shù)允許機床根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速,方便地調(diào)整作用在主軸軸承上的預(yù)加載荷。當(dāng)機床主軸轉(zhuǎn)速增加時,由于向心力增加,作用在軸承廣的載荷也增加。反之,作用在軸承上的載荷減小。因而,使軸承上的熱量減少,軸承尺寸膨脹減小。當(dāng)然在高速切削下,也允許給軸承預(yù)加很小的載荷,這樣作用在刀具上的切削力很小,因此可降低對機床剛度的要求。在低主軸轉(zhuǎn)速下,給軸承預(yù)加較大的載荷,仍是必要的,因為在增加刀具切削力同時,作用在主軸上的作用力也增大了。

    5. 主軸電機與傳動系統(tǒng)

    目前,機床主軸和電機之間有兩種聯(lián)接方式,一是通過皮帶或齒輪;二是直接傳動,即直接將主軸電機連接于主軸上,或是將主軸電機與主軸同時安裝在一個復(fù)合裝置上,稱為復(fù)合主軸。

    由皮帶或齒輪傳動的優(yōu)點是,主軸電機在慢速下旋轉(zhuǎn)也能獲得高的主軸轉(zhuǎn)速。這種傳動方式,由于電機轉(zhuǎn)速低,輸入功率小,因而價格*,但它具有以下缺點:由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因而*出現(xiàn)毛病,維修不方便。同時皮帶、齒輪與主軸之間還會產(chǎn)生振動。切削試驗證明,因存在振動,嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量,降低了刀具使用壽命。切削試驗是在兩個臥式加工中心上進行,一個選擇較高轉(zhuǎn)速7000r/min的兩級齒輪傳動主軸;另一個較高轉(zhuǎn)速為10000r/min的直接傳動的復(fù)合主軸。在切削參數(shù)一致的情況下,直接傳動的復(fù)合主軸加工中心產(chǎn)生出的Ramax=2.7μm,而齒輪傳動主軸加工中心為Ramax=4.3μm。同時前者由于結(jié)構(gòu)簡單,運動零件少,因而可靠性高。隨著結(jié)構(gòu)的進一步簡化,運動零件進一步減少,還會使主軸能較快地加速和減速。相反,皮帶或齒輪傳動主軸包括主軸、軸座、電動機、皮帶輪或齒輪等,每個零件由不同重量的材料構(gòu)成,高速旋轉(zhuǎn)下發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱。由于材料重量及作用力不同,各處產(chǎn)生的熱量又不相同,因此引起主軸各處膨脹量大小不同,嚴(yán)重時,使主軸產(chǎn)生變形,影響主軸尺寸、幾何形狀等。而直接傳動主軸則由于熱變形均勻,同時直接傳動主軸即使在**高速條件下,也可采取冷卻液通過主軸內(nèi)孔的冷卻方式進行冷卻。因而基本上不影響主軸精度,較能穩(wěn)定地保證加工質(zhì)量。

    6.冷卻與潤滑

    在切削加工中,如果不加注冷卻液,將會引起主軸的尺寸膨脹。為保證機床主軸的高精度,就必須穩(wěn)定地控制主軸和軸承有一個固定的尺寸。

    目前,普通機床根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)不同,選擇外冷、內(nèi)冷方式或內(nèi)外共同冷卻方式對主軸、軸承進行冷卻。但—般情況下,盡量采用外冷方式。通過冷卻,將由刀頭傳遞到主軸的熱量排至空氣中去。

    研究發(fā)現(xiàn),同樣大小的陶瓷軸承與軸承鋼軸承相比,不需要大量加注冷卻潤滑液。一個大直徑的滾珠軸承,由于直徑大,接觸面積大,產(chǎn)生大量的摩擦熱,建議選擇內(nèi)外共同冷卻方式進行冷卻。

    為了有效地提高機床利用率,降低功率消耗,建:議采用霧狀冷卻或噴射冷卻油主軸冷卻系統(tǒng)進行冷,卻。尤其是對于高速加工機床,建議根據(jù)機床主軸達(dá):到的較高轉(zhuǎn)速和軸承選用的材料,選擇主軸冷卻系統(tǒng)。根據(jù)機床主軸的轉(zhuǎn)速及軸承外徑校驗,以確定選擇的冷卻系統(tǒng)。若兩種軸承均選擇軸承鋼軸承,建議選擇噴射油冷卻系統(tǒng)。當(dāng)然兩者相比,后者需要提供大量的冷卻潤滑液,增大了機床的功率消耗。

    7.機床與刀具接口

    CAT型法蘭式刀具夾頭是多年來較常用的機床主軸與刀具接口。但目前使用較多的則為新型的中空短錐柄結(jié)構(gòu)的HSK夾頭。雖然HSK夾頭價格昂貴,使用還受到一定的限制,僅它能在高的機床主軸轉(zhuǎn)速下具有較高的穩(wěn)定性和高配合精度,已受到各國用戶的青睞。這是由于HSK夾頭的結(jié)構(gòu)**,加工質(zhì)量高,夾頭采用了短錐面和端面與主軸定位、配合的結(jié)構(gòu)形式,因而它與CATv型法蘭式夾頭比較,重量輕,夾緊可靠性高,定位精度高,重復(fù)精度高,且更換快速方便。

    使用中可根據(jù)機床主軸較高轉(zhuǎn)速、主軸錐度以及加工方法等選擇不同錐度、平衡精度的HSK夾頭。例如,在機床主軸轉(zhuǎn)速10000r/min,主軸為ISO.40號錐度,應(yīng)選擇ISO.40號錐度的經(jīng)預(yù)平衡的HSK夾頭。而在25000r/min,主軸錐度為40號的機床上使用,應(yīng)選擇40號錐度的可進行現(xiàn)場平衡的HSK夾頭。因為這種夾頭的平衡精度高,加工零件尺寸精度高,表面粗糙度低。同時由于延長了刀具的使用壽命,因而降低—廠生產(chǎn)成本。尤其對于平衡精度高的夾頭在20000—40000r/min的高速機床上使用,還有延長軸承使用壽命的優(yōu)點。

    一般情況下,單面的刀具/夾頭平衡器即可能滿足高速加工要求。而對于加長刀具,則應(yīng)選擇雙面刀具/夾頭平衡器對其進行平衡。

    8.數(shù)控系統(tǒng)

    現(xiàn)代CNC技術(shù)允許機床以38.1m/min進給速度加工。其主要原因是由于加工中能選擇很高的切削速度加工。同時需要機床配備高轉(zhuǎn)速和高分辨率的伺服電機。除此之外,為了保證高精度,還要求高分辨率的伺服電機具有快速處理信號的能力。例如,一個一秒鐘能發(fā)出5000個電脈沖的伺服電機就不如一秒鐘能發(fā)出25000個脈沖伺服電機處理信號的能力強。對于高分辨率的主伺服電機按加工程序要求的加工長度,不停地向軸伺服電機發(fā)出所需的脈沖數(shù),尤其是對于亞微米級的**精加工尤其需要。它要求選擇能使機床移動距離的較小增量為1μm,分辨率達(dá)0.5μm的伺服電機(即主伺服電機向各軸向伺服電機發(fā)出每個脈沖,機床工作臺可沿軸向移動0.5μm)。當(dāng)然,光有高分辨率的伺服電機而不增加處理器的運行速度是沒有用的。因為高分辨率的伺服電機具有比它的前輩有更多的數(shù)據(jù)需要處理,所以要求字組處理的高速度。字組處理的高速度能快速處理數(shù)據(jù)和向分伺服電機快速發(fā)出脈沖。為此,一般在伺服電機上需要配置兩個32位的處理器才能滿足使用要求,才能快速處理好加工中收集的大量數(shù)據(jù)和涉及到高速加工中對復(fù)雜零件形狀快速地進行復(fù)雜計算的需要。

    當(dāng)加工大型的形狀復(fù)雜的飛機零件和塑壓模具時,由于一般的NC系統(tǒng)的內(nèi)存不夠,一般需要先存入計算機內(nèi),同時由計算機輸入NC系統(tǒng)(或稱CNC系統(tǒng))。當(dāng)然對于程序不長、形狀不太復(fù)雜的零件,則一般的NC系統(tǒng)即可滿足使用要求,因為它具有每秒鐘能處理76800個符號的傳輸速度。

    為提高機床的快速進給能力和加工精度,需要開發(fā)新的計算機軟件。根據(jù)實際加工需要,要求開發(fā)的軟件不論在一般進給速度還是高速進給條件下,均能獲得加工零件的高精度。

    據(jù)報道,較近開發(fā)的高進給速度計算機軟件能在396.24m/min進給速度條件下加工形狀復(fù)雜的三維立體零件,例如飛機零件和塑壓模具等,同時降低零件表面粗糙度。這是由于從理論上講,為最后保持復(fù)雜形狀零件加工的高精度,而需要無限制地增加走刀次數(shù),但是,在進給量相同條件下,增加走刀次數(shù),則將無限制地增加加工時間。如果這時同時也無限制地增加進給速度,則可保持在加工時間不變條件下,提高加工精度,降低零件表面粗糙度。這一點對于形狀復(fù)雜的零件表面的加工尤其有著重要的指導(dǎo)作用。當(dāng)然無限制地增加進給速度在實踐中是不可能實現(xiàn)的。目前。也只能達(dá)到3810-7620m/min的進給速度。在此進給速度下適當(dāng)?shù)卦黾幼叩洞螖?shù),還是能保證目前的生產(chǎn)需要的。

    為在選定的進給速度下提高零件加工精度,不僅可以通過適當(dāng)增加走刀次數(shù),而且可以通過較近開發(fā)的幾何形狀補償軟件,在較高生產(chǎn)效率下較好地保證加工質(zhì)量。

    幾何形狀補償軟件與高進給速度軟件不同,后者用以提高機床進給速度或減少加工時間,提高生產(chǎn)效率,前者主要用以提高加工零件精度,其主要的功能如下:

    預(yù)先對加速度或減速度進行插補。在圓弧插補加工中經(jīng)常出現(xiàn)匯編的程序與實際加工之間存在很大的差異,其主要原因是由于刀具沿軸向移動中的加速度或減速度造成的**前或滯后所致。它可以通過對刀具運動產(chǎn)生的加速度或減速度造成的誤差進行補償。

    對向前進給進行預(yù)先控制。除加工系統(tǒng)外,機床伺服控制系統(tǒng)本身的一些誤差也能降低加工零件精度。新開發(fā)的向前進給控制系統(tǒng),能根據(jù)加工程序、切削速度和進給速度等計算出可能產(chǎn)生的誤差值,在實際加工誤差出現(xiàn)前,對其進行補償。

    進行精密的矢量補償。當(dāng)機床進行高速加工時,需**選擇一種合適的進給速度。一般通過調(diào)整伺服電機中放大裝置的放大系數(shù)得到。當(dāng)將向前進給的放大系數(shù)調(diào)整到很大時,即可提高伺服控制對誤差的跟蹤速度。當(dāng)然跟蹤速度的提高將降低伺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伺服控制系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性,將會使加工出的零件表面粗糙度變壞。精密的矢量補償系統(tǒng)就是用以對大型的選擇微增量的零件加工程序進行校正。校正后的加工程序能穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng),尤其是進給系統(tǒng)穩(wěn)定的伺服控制系統(tǒng)能消除引起零件表面粗糙度變壞的振動。

    選擇合適的拐角加工減速度。在應(yīng)用以上三種功能時,通常還要求各運動軸在零件的拐角加工處進行減速,以避免驅(qū)動系統(tǒng)在刀具快速轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生沖擊振動。它要求在給定的時間內(nèi)減速到適當(dāng)?shù)倪M給速度下進行加工。

    對高性能加工中心,不僅需設(shè)計出高轉(zhuǎn)速的主軸,還需設(shè)計出高性能CNC系統(tǒng)、高精度直線導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、軸承、選擇合適的冷卻潤滑方式、機床/刀具接口等。上述技術(shù)目前已用于生產(chǎn)許多高性能加工中心,用于生產(chǎn)實際,并**了很好的經(jīng)濟與社會效益。


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