1前言
虛擬軸數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)最具革命性的機(jī)床設(shè)計(jì)突破陨帆。如果充分發(fā)揮這種新型機(jī)床在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)壁万,就有可能為大幅度地提高機(jī)床的性能開辟一條新途徑且仔。
通過分析發(fā)現(xiàn):對(duì)于一般直接基于Stewart平臺(tái)原理的虛擬軸機(jī)床姚锥,其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的合理運(yùn)動(dòng)范圍比常規(guī)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床要小得多(通常只有20~30度询崇,而五坐標(biāo)機(jī)床可以達(dá)到90度以上),并且隨著旋轉(zhuǎn)角的加大將大幅度地減少機(jī)床的有效工作空間凉逛。雖然復(fù)合結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大轉(zhuǎn)角范圍性宏,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以保證高剛度状飞,因此毫胜,普通虛擬軸機(jī)床不太適合加工大范圍、多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的零件诬辈。但從另一個(gè)角度看酵使,在實(shí)際生產(chǎn)中需要多坐標(biāo)加工的復(fù)雜零件畢竟是少數(shù),而占主導(dǎo)地位的還是普通常規(guī)零件的加工焙糟。因此口渔,研究如何利用虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在常規(guī)零件的高速穿撮、高效加工上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)缺脉,將更具有實(shí)際意義。
虛擬軸機(jī)床仿三軸控制方法的基本思想是悦穿,模仿現(xiàn)有的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的控制方法枪向,對(duì)虛擬軸機(jī)床的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,從外特性上看猎蚀,使得虛擬軸機(jī)床和常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等效糠牍。這樣,不僅現(xiàn)有各種成熟的三坐標(biāo)自動(dòng)編程系統(tǒng)可直接用于六自由度的虛擬軸機(jī)床竖杂,而且通過仿三軸控制可使主軸單元僅進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)卑我,大幅度擴(kuò)大了虛擬軸機(jī)床的工作空間,使其發(fā)揮更大的作用雕乃。此外桌强,通過仿三軸控制,還可有效地減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜性侯旬,從而顯著降低機(jī)床的成本浴营,有利于這種新型機(jī)床在較大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。
2虛擬軸機(jī)床進(jìn)行常規(guī)加工的優(yōu)勢(shì)
虛擬軸機(jī)床的一種典型結(jié)構(gòu)擂冷,該結(jié)構(gòu)可歸結(jié)為一種所謂的“六桿平臺(tái)結(jié)構(gòu)”磁不。其具體含義是曹略,將六根可變長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)桿(簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)桿)的一端固定于靜平臺(tái)(如地基或機(jī)床框架)上,驅(qū)動(dòng)桿的另一端與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接贬池,即與主軸單元相聯(lián)接踢故。這樣,調(diào)節(jié)六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度惹苗,可使主軸和刀具相對(duì)于工件作所要求的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)殿较。通過控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制,即可加工出符合要求的工件桩蓉。
鑒于虛擬軸機(jī)床具有常規(guī)數(shù)控機(jī)床無可比擬的優(yōu)點(diǎn)淋纲,而這些優(yōu)點(diǎn)正是實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工所必需的院究,因此將其作為常規(guī)零件的高效加工設(shè)備帚戳,以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。
3仿三軸控制的基本原理
由于虛擬軸機(jī)床中不存在沿固定方向?qū)虻膶?dǎo)軌儡首,數(shù)控加工所需的刀具運(yùn)動(dòng)軸X片任、Y、Z等并不真正存在蔬胯,因此对供,即使僅需獲得三維刀具運(yùn)動(dòng)(姿態(tài)恒定僅位置變化),也必需對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行六自由度控制氛濒。
仿三軸控制方法是根據(jù)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所提出的模擬常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的一種控制方法产场。其出發(fā)點(diǎn)是:用虛擬軸機(jī)床加工常規(guī)零件時(shí),裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運(yùn)動(dòng)软动,其姿態(tài)為固定值惧梦。這樣,雖然與動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)的主軸單元有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度衙地,但涉及實(shí)時(shí)計(jì)算的僅為三個(gè)平移自由度眶侣。為此本文用刀具球心或端面中心在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Xm、Ym洗筛、Zm表示刀具位置夷著,并通過三坐標(biāo)插補(bǔ)算法實(shí)時(shí)計(jì)算其位移量。同時(shí)凸窖,建立一原點(diǎn)位于刀具球心或端面中心的刀具坐標(biāo)系望星,其坐標(biāo)軸Xt、Yt天证、Zt分別與機(jī)床坐標(biāo)系的Xm浸萤、Ym、Zm軸平行哀买。用刀具坐標(biāo)系框架繞Xm顷锰、Ym柬赐、Zm軸的旋轉(zhuǎn)角表示動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài),并將其設(shè)置為定值馍惹。這樣躺率,對(duì)動(dòng)平臺(tái)沿Xm玛界、Ym万矾、Zm這三個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)時(shí)控制,對(duì)動(dòng)平臺(tái)繞Xm慎框、Ym良狈、Zm軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行定值實(shí)時(shí)控制,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)的全自由度控制笨枯,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制薪丁。因?yàn)檫@一方法不需要對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,這樣馅精,不僅可以有效減少虛實(shí)映射和聯(lián)動(dòng)控制的計(jì)算量严嗜,還能將六自由度的虛擬軸機(jī)床的控制納入常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)S控機(jī)床控制的范疇,借助于成熟的三坐標(biāo)控制方法來對(duì)這種新型機(jī)床進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制洲敢。
由虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)可知漫玄,由于該機(jī)床中直接可控的被控量為支撐主軸部件的六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度Li(i=1,2,…,6)摆采,即該機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱實(shí)軸)猬笑,因此要對(duì)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全自由度控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制选从,需將動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令(虛軸指令)轉(zhuǎn)換到實(shí)軸空間中去執(zhí)行呜颓,并通過實(shí)軸空間到虛軸空間的自動(dòng)逆映射來實(shí)現(xiàn)。
該系統(tǒng)的運(yùn)行過程是:首先麦咪,根據(jù)零件數(shù)控程序給出的輸入信息實(shí)時(shí)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡候摹,即求解出虛軸空間中刀具沿Xm、Ym娄勒、Zm坐標(biāo)的希望運(yùn)動(dòng)量戏丽;然后,通過虛實(shí)映射計(jì)算谷庐,將虛擬軸的希望運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為六驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)指令值耙屹;最后,對(duì)各驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度進(jìn)行解耦隨動(dòng)控制拘绳,使其實(shí)際長(zhǎng)度與希望長(zhǎng)度一致抗俄,并通過機(jī)床結(jié)構(gòu)隱含實(shí)現(xiàn)實(shí)到虛的逆映射,即可得到符合指令要求的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡世舰,并保證刀具姿態(tài)為給定的常值动雹。
4虛軸空間刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成
刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成的任務(wù)是:將零件數(shù)控程序給出的刀具路徑(虛軸空間中與時(shí)間和機(jī)床特性無關(guān)的幾何曲線)轉(zhuǎn)換為與時(shí)間和機(jī)床特性(如加減速特性等)相聯(lián)系的離散化的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡槽卫。其求解過程如下:
數(shù)學(xué)模型的建立
為保證軌跡生成的精度,在仿三軸控制中采用參數(shù)化直接插補(bǔ)算法胰蝠。其要點(diǎn)是:為被插補(bǔ)曲線建立便于計(jì)算的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型:x=f1(u) y=f2(u) z=f3(u) (1)
式中u——參變量歼培,u∈[0,1]要求用其進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡計(jì)算時(shí)不涉及函數(shù)計(jì)算,只需經(jīng)過次數(shù)很少的加減乘除運(yùn)算即可完成茸塞。
例如躲庄,對(duì)于圓弧插補(bǔ),式(1)的具體形式為:(2)式中M——常數(shù)矩陣钾虐,當(dāng)插補(bǔ)點(diǎn)位于一~四象限時(shí)噪窘,其取值分別為:r——圓弧半徑這樣,軌跡計(jì)算可以絕對(duì)方式進(jìn)行效扫,即每一軌跡點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算都以模型坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行倔监,從而可消除積累誤差,有效地保證插補(bǔ)計(jì)算的速度和精度计侯。
加減速控制
為使所生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡滿足機(jī)床加減速特性要求帝畸,可根據(jù)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性等確定最佳的加減速曲線,并將其存儲(chǔ)于控制系統(tǒng)中傻当。系統(tǒng)運(yùn)行過程中邀安,首先掃描前后若干程序段,分析進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)慌位,確定希望的進(jìn)給速度F锯政;然后讀取操作面板上的進(jìn)給速度倍率K,并用其對(duì)F進(jìn)行修正子宵,得目標(biāo)進(jìn)給速度Fnew尚档,F(xiàn)new=K.F;進(jìn)一步彪性,將Fnew與現(xiàn)時(shí)進(jìn)給速度Fold進(jìn)行比較彩梅,并根據(jù)機(jī)床的加減速特性曲線計(jì)算出當(dāng)前采樣周期的瞬時(shí)進(jìn)給速度Fk(mm/min)。
速度與誤差控制
由于插補(bǔ)計(jì)算不是一種靜態(tài)的幾何計(jì)算稍记,它必須使當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)與前一插補(bǔ)點(diǎn)間的距離滿足進(jìn)給速度及加減速等要求巩恼,同時(shí)還要保證這兩點(diǎn)間的插補(bǔ)直線段與被插補(bǔ)曲線間的誤差在給定的允差范圍內(nèi)。為此靠抑,需以瞬時(shí)進(jìn)給速度為控制目標(biāo)量九,以允許誤差為約束條件對(duì)插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk進(jìn)行控制。
其方法如下:
首先颂碧,按加減速計(jì)算給出的瞬時(shí)進(jìn)給速度Fk荠列,用下式計(jì)算當(dāng)前采樣周期中的希望弦長(zhǎng)(無約束時(shí)的插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度):(3)式中Dt1——希望弦長(zhǎng),mm T——采樣周期载城,ms然后肌似,根據(jù)采樣插補(bǔ)的誤差關(guān)系計(jì)算約束弦長(zhǎng):(4)式中
e——插補(bǔ)軌跡與希望軌跡間的允許誤差
r——插補(bǔ)點(diǎn)處希望軌跡的曲率半徑
最后费就,根據(jù)Dt1、Dt2的相對(duì)大小確定Dtk的取值川队。即力细,如果希望弦長(zhǎng)Dt1小于約束弦長(zhǎng)Dt2,則令當(dāng)前插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk=Dt1固额,否則取Dtk=Dt2眠蚂。
插補(bǔ)軌跡計(jì)算
插補(bǔ)軌跡計(jì)算的任務(wù)是:在每一采樣周期中,根據(jù)以上求得的插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk对雪,實(shí)時(shí)計(jì)算插補(bǔ)軌跡上當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)值河狐。其計(jì)算過程如下:
首先证摩,根據(jù)參變量增量Du與Dt間的如下關(guān)系求出當(dāng)前插補(bǔ)周期的Du:(5)式中du/ds——參變量對(duì)曲線弧長(zhǎng)的變化率因插補(bǔ)頻率較高树颖,一個(gè)采樣周期中弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)非常接近,所以實(shí)際計(jì)算時(shí)可令du/ds≈Du/Dt诡亥。這樣將u取一增量Du效聂,求出對(duì)應(yīng)的Dt,即可求得所需的du/ds卑裹。
雖然這一近似表示會(huì)對(duì)進(jìn)給速度有微小影響枷澜,但不會(huì)對(duì)插補(bǔ)軌跡精度產(chǎn)生任何影響。在采樣插補(bǔ)中蜒媳,軌跡精度是主要矛盾跷缀,插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算必須絕對(duì)準(zhǔn)確,而插補(bǔ)點(diǎn)沿軌跡運(yùn)動(dòng)速度的準(zhǔn)確性則處于次要地位古贡,可以允許有微小誤差那捍。這樣得到的結(jié)果既保證了軌跡精度,又提高了計(jì)算速度签党。
然后槐滔,計(jì)算當(dāng)前采樣周期參變量的取值:uk=uk-1+Du (6)最后,將uk代入式(1)谒所,即可計(jì)算出插補(bǔ)軌跡上當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)值xk热康,yk,zk劣领。不斷重復(fù)以上過程直至到達(dá)插補(bǔ)終點(diǎn)姐军,即可得到整個(gè)離散化的插補(bǔ)軌跡。
5虛實(shí)映射計(jì)算
如何根據(jù)虛軸空間中的三維刀具運(yùn)動(dòng)指令值對(duì)實(shí)軸空間中六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度進(jìn)行精確控制尖淘,是實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床仿三軸控制的另一關(guān)鍵問題奕锌。為解決此問題,須將插補(bǔ)產(chǎn)生的虛軸運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為實(shí)軸控制指令德澈,其求解過程如下:
首先歇攻,根據(jù)仿三軸加工需使機(jī)床主軸軸線與工作臺(tái)平面法線平行的要求固惯,確定主軸初始姿態(tài)At=0,Bt=0缴守。并根據(jù)零件形狀和加工要求確定平臺(tái)Ct坐標(biāo)的最佳預(yù)置位置Ct0葬毫。
然后,在加工開始前的返回參考點(diǎn)操作中屡穗,將動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到At=0,Bt=0讥捧,Ct=Ct0狀態(tài),使刀具軸線與工作臺(tái)面垂直揖漫,刀具姿態(tài)At=0,Bt=0锤楷。此時(shí),根據(jù)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可得到其上6個(gè)支撐點(diǎn)(六驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)端點(diǎn))在刀具坐標(biāo)系中的初始位置pxi垄坡、pyi间皮、pzi(i=1,2,…琼葫,6)罩音。
若k時(shí)刻,三軸插補(bǔ)計(jì)算產(chǎn)生的刀具軌跡指令值為Xk蚯巍、Yk试旬、Zk,則為保證刀具姿態(tài)恒定浅涛,應(yīng)使6動(dòng)端點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值不變注寥,由此可得六驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)端點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值:Xdi=Xk+Pxi Ydi=Yk+Pyi(i=1,2,…,6) Zdi=Zk+Pzi (7)
根據(jù)上面求得的六驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)端點(diǎn)坐標(biāo)和機(jī)床結(jié)構(gòu)已知的靜端點(diǎn)坐標(biāo)恤锣,按下式即可求得k時(shí)刻各驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度的希望值廷蓉,即與Xk,Yk,Zk對(duì)應(yīng)的實(shí)軸坐標(biāo)值:(8)
式中Xji、Yji舷夺、Zji——六驅(qū)動(dòng)桿靜端點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值
6實(shí)軸空間六軸聯(lián)動(dòng)控制
虛軸空間刀具軌跡生成是一種粗插補(bǔ)苦酱,當(dāng)進(jìn)給速度較高時(shí),粗插補(bǔ)直線段會(huì)比較長(zhǎng)给猾。因此疫萤,為保證六驅(qū)動(dòng)桿聯(lián)動(dòng)的平穩(wěn)性,可在實(shí)軸空間進(jìn)行如下精插補(bǔ)敢伸。
首先扯饶,通過虛實(shí)映射將虛軸空間(三維空間)的插補(bǔ)直線段變換為實(shí)軸空間(六維空間)的直線段,其長(zhǎng)度為:(9)式中Li0——粗插補(bǔ)周期開始時(shí)的實(shí)軸坐標(biāo)值然后池颈,求出每一精插補(bǔ)周期中實(shí)軸空間軌跡的移動(dòng)距離:Dl=L/(T1/T2) (10)式中T1尾序、T2——粗、精插補(bǔ)的采樣周期,ms于是每币,從本直線段開始到第n個(gè)精插補(bǔ)周期末各驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng)量為:DLin=n×Dl×(Li-Li0)/L (i=1,2,…携丁,6) (11)進(jìn)一步,由下式即可求得n時(shí)刻各驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)的實(shí)際取值峰遇,即實(shí)軸運(yùn)動(dòng)指令值為:Lin=Li0+DLin(i=1,2,…拿详,6) (12)最后,通過解耦隨動(dòng)控制系統(tǒng)保證驅(qū)動(dòng)桿的實(shí)際長(zhǎng)度與希望長(zhǎng)度一致篡前,即可實(shí)現(xiàn)滿足刀具軌跡要求的實(shí)軸聯(lián)動(dòng)控制户克。
7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)所提出的方法開發(fā)了虛擬軸機(jī)床仿三軸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PentiumⅡ微機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)泡愉,在其擴(kuò)展總線上加裝自行開發(fā)的接口卡输僻,以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)間的信息交換。數(shù)控系統(tǒng)軟件由C語言+32位匯編語言混合編程實(shí)現(xiàn)锄灾。
該系統(tǒng)工作時(shí)春庇,操作人員可通過軟盤驅(qū)動(dòng)器等I/O設(shè)備輸入加工所需信息,并可通過系統(tǒng)提供的高級(jí)編輯功能疮肿,對(duì)已輸入的信息進(jìn)行修改港赂。機(jī)床的運(yùn)行由操作人員通過計(jì)算機(jī)鍵盤和數(shù)控操作面板進(jìn)行控制旭手,系統(tǒng)運(yùn)行的有關(guān)信息通過彩色CRT以圖形和數(shù)據(jù)形式顯示出來家么。
本系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的實(shí)軸L1~L6采用高精度數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,各軸均采用閉環(huán)控制方式汁掠。檢測(cè)裝置采用高精度光柵略吨,以保證實(shí)軸的位移精度。
系統(tǒng)中的開關(guān)量控制部分用于控制機(jī)床的邏輯順序運(yùn)動(dòng)考阱,如控制刀具更換翠忠、托盤交換、主軸啟停乞榨、冷卻系統(tǒng)秽之、行程保護(hù)等環(huán)節(jié)的運(yùn)行。開關(guān)量控制部分將與伺服控制相配合吃既,共同完成機(jī)床工作過程的控制考榨。
8結(jié)論
虛擬軸機(jī)床具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高鹦倚、利于實(shí)現(xiàn)高速加工等優(yōu)點(diǎn)河质,但也存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)有效轉(zhuǎn)角小、多坐標(biāo)加工時(shí)工作區(qū)域窄等缺點(diǎn)震叙。因此掀鹅,應(yīng)在常規(guī)零件的高速、高效加工中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。通過仿三軸控制出蛾,有效地減少了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性促讶,從而顯著降低了機(jī)床的總成本,有利于虛擬軸機(jī)床在較大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用掏躬。
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