基于EAKI 辨識(shí)策略的機(jī)床振動(dòng)試驗(yàn)研究
2016-9-22 來(lái)源:清華大學(xué)機(jī)械工程系等 作者:黃子凌 劉成穎 李鐵民
摘要: 機(jī)床振動(dòng)是制約機(jī)床加工精度及效率的核心因素,文章基于EAKI 策略在多臺(tái)機(jī)床上開展振動(dòng)試驗(yàn)研究。針對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)及自激振動(dòng)信號(hào)辨識(shí)問(wèn)題,首先提出EAKI 振動(dòng)信號(hào)辨識(shí)策略; 為有效構(gòu)建振動(dòng)信號(hào)備案知識(shí)庫(kù),提出信號(hào)特征分量提取算法; 最后在國(guó)內(nèi)外多臺(tái)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了全轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的振動(dòng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果有效地驗(yàn)證了EAKI 策略的可行性與實(shí)用性,同時(shí)為機(jī)床性能評(píng)估及設(shè)計(jì)完善提供了良好借鑒。
關(guān)鍵詞: EAKI 方法; 信號(hào)辨識(shí); 振動(dòng)試驗(yàn); 特征提取
0 .引言
機(jī)床振動(dòng)是制約機(jī)床加工精度及效率的關(guān)鍵因素之一,其可分為強(qiáng)迫振動(dòng)及自激振動(dòng)。二者由于產(chǎn)生原因不同,對(duì)應(yīng)的抑制措施也有差異,因此對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)分離具有重要的研究意義。
機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)是指由外激振源引起的振動(dòng)。如由機(jī)床基座引入的外界振動(dòng)、機(jī)床不平衡部件( 電機(jī)等) 或磨損部件( 齒輪和軸承等) 引起的振動(dòng)。機(jī)床自激振動(dòng)( 顫振) 往往由外作用源引發(fā)( 工件磨損點(diǎn)等) ,但由加工系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)產(chǎn)生[1]。
在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí),強(qiáng)迫振動(dòng)就應(yīng)設(shè)法消除或避免。對(duì)于高精度機(jī)床,強(qiáng)迫振動(dòng)的影響是較小的,因此在一般研究中并未引起特別注意及重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)及自激振動(dòng)信號(hào)辨識(shí)的研究工作并不多。在對(duì)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的研究中,Kegg 等人給出了對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)原因的判定方法,該方法在機(jī)床試驗(yàn)或加工準(zhǔn)備過(guò)程中較為實(shí)用,但不適用于在線監(jiān)測(cè)評(píng)估; 值得注意的是,Weck[2]提出了從切削力信號(hào)的功率譜中將銑削刀齒通過(guò)頻率辨識(shí)濾除的方法,但并未系統(tǒng)性地介紹強(qiáng)迫及自激振動(dòng)的一般辨識(shí)方法。多數(shù)研究工作集中于自激振動(dòng)監(jiān)測(cè)辨識(shí)、穩(wěn)定性分析以及基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷領(lǐng)域。Zhang C L 等[3-4]學(xué)者對(duì)多信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,以選定最為適合的顫振監(jiān)測(cè)方式; Altintas 等[5]基于再生顫振模型對(duì)顫振穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究,在實(shí)踐上獲得良好應(yīng)用。國(guó)內(nèi)于俊一[6-9]等學(xué)者也在顫振監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定性分析等領(lǐng)域做了大量工作,為推動(dòng)機(jī)床技術(shù)進(jìn)步作出重要貢獻(xiàn)。
然而從國(guó)內(nèi)機(jī)床的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,當(dāng)前面臨的一個(gè)突出問(wèn)題是機(jī)床材料選用、設(shè)計(jì)制造以及安裝布置尚存在不足,由此產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)不容忽視。在機(jī)床加工過(guò)程中,強(qiáng)迫振動(dòng)的影響往往甚至?xí)幱谥鲗?dǎo)地位,因此將強(qiáng)迫及自激振動(dòng)相結(jié)合進(jìn)行研究更具有實(shí)際意義。
1. EAKI 機(jī)床振動(dòng)信號(hào)辨識(shí)策略
在實(shí)際加工過(guò)程中,從觀測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)中往往難以區(qū)分出強(qiáng)迫振動(dòng)及自激振動(dòng)分量。然而,強(qiáng)迫振動(dòng)的不確定性較小,可通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)等確定機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)分量,在評(píng)估機(jī)床性能的同時(shí)形成先驗(yàn)知識(shí),以在實(shí)際加工信號(hào)中將其與自激振動(dòng)信號(hào)區(qū)分開來(lái),達(dá)到辨識(shí)以及分別采取抑制策略的效果; 同時(shí),在加工前評(píng)估機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào),也有利于在前期對(duì)機(jī)床性能不斷進(jìn)行完善。
基于上述思想,提出EAKI 方法,對(duì)機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)。具體包括以下步驟:
( 1) 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)( Experiments on forced vibration): 在空載工況下對(duì)機(jī)床振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)分析,以獲取在多轉(zhuǎn)速條件下機(jī)床主軸的振動(dòng)信息。
( 2) 振動(dòng)信號(hào)分析( Analysis of forced vibration signal) 對(duì)試驗(yàn)采集到的強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理,旨在提取出起主導(dǎo)作用的強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào)特征。
( 3) 備案知識(shí)庫(kù)構(gòu)建( Knowledge Base formation) :基于信號(hào)分析處理結(jié)果,并結(jié)合相關(guān)判定規(guī)則,形成相應(yīng)振動(dòng)信號(hào)備案知識(shí)庫(kù)。
( 4) 辨識(shí)評(píng)估( Identification of vibration signal) : 基于知識(shí)庫(kù),對(duì)實(shí)際加工過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析,從而辨識(shí)出自激振動(dòng)分量,并對(duì)其影響程度進(jìn)行評(píng)估,識(shí)別出起主導(dǎo)作用的因素,為后續(xù)抑制方式奠定基礎(chǔ)。
在EAKI 方法中,強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)及振動(dòng)信號(hào)分析是該方法最為重要而基礎(chǔ)的部分,也是決定該方法是否可行的關(guān)鍵,后文即通過(guò)多機(jī)床試驗(yàn)及信號(hào)特征提取算法等,探究EAKI 方法的可行性。
2 .關(guān)鍵設(shè)備及試驗(yàn)方案
根據(jù)EAKI 方法,強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)是進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)分析的前提。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)主要包含信號(hào)采集分析軟硬件設(shè)備以及試驗(yàn)機(jī)床等。
本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的主軸振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),能完成信號(hào)采集監(jiān)測(cè)、時(shí)頻域分析、狀態(tài)報(bào)警等多種功能。設(shè)備安裝及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖
為綜合全面地驗(yàn)證EAKI 方法并分析比較各機(jī)床的差異性,選取了四臺(tái)機(jī)床作為試驗(yàn)對(duì)象,基本涵蓋了國(guó)內(nèi)外典型機(jī)床類型( 其中D 為德國(guó)機(jī)床) 。各機(jī)床的主要參數(shù)如表1所示 。

具體試驗(yàn)過(guò)程如下:
( 1) 安裝試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)采用兩支ICP 加速度傳感器,安裝在主軸頭處,分置于X、Y 方向。
( 2) 設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。主要包含測(cè)量頻次、采集頻率、信號(hào)耦合方式、濾波方式以及信號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)速等信息。
( 3) 試驗(yàn)信號(hào)采集。設(shè)定數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)至所需轉(zhuǎn)速,待信號(hào)穩(wěn)定之后實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)。
( 4) 改變轉(zhuǎn)速,重復(fù)采集試驗(yàn)。根據(jù)每臺(tái)機(jī)床的額定轉(zhuǎn)速或最高轉(zhuǎn)速,選取一定的轉(zhuǎn)速間隔,分別測(cè)定在不同轉(zhuǎn)速情形下的振動(dòng)信號(hào)。
3 .振動(dòng)信號(hào)特征分量提取算法
試驗(yàn)采集到的加速度信號(hào)描述了機(jī)床主軸在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)特征。信號(hào)分析的目的在于獲取該轉(zhuǎn)速下強(qiáng)迫振動(dòng)特征分量信息,該特征分量包括頻率及信號(hào)幅值等信息。本文提出特征分量提取算法如圖2 所示。
在進(jìn)行信號(hào)分析前,已對(duì)試驗(yàn)機(jī)床在各轉(zhuǎn)速條件·44· 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)第2 期

圖2 振動(dòng)信號(hào)特征分量提取算法
在進(jìn)行信號(hào)分析前,已對(duì)試驗(yàn)機(jī)床在各轉(zhuǎn)速條件下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集存儲(chǔ)。原始信號(hào)是加速度傳感器輸出的電壓時(shí)域信號(hào)f( t) ,經(jīng)傅里葉變換等算法處理后,易于生成頻域信號(hào)。加速度信號(hào)Fa( t) 在反映信號(hào)瞬態(tài)變化時(shí)較為有效,但在描述強(qiáng)迫振動(dòng)源頻率特征時(shí),不能對(duì)各頻率下振動(dòng)信號(hào)的能量分布進(jìn)行很好的區(qū)分; 經(jīng)處理獲取的速度信號(hào)Fv( t) ,能夠更好地對(duì)振動(dòng)特征進(jìn)行描述。以試驗(yàn)機(jī)床A 在5500r /min時(shí)的振動(dòng)信號(hào)為例,圖3、圖4、圖5 分別描述了時(shí)域加速度信號(hào)、頻域加速度信號(hào)及頻域速度信號(hào)特征。

圖3 時(shí)域加速度振動(dòng)信號(hào)特征

圖4 頻域加速度振動(dòng)信號(hào)特征

圖5 頻域速度振動(dòng)信號(hào)特征
經(jīng)處理得到的頻域速度信號(hào)具有明顯的峰谷特征,可以用頻率-幅值序列來(lái)描述每一振動(dòng)信號(hào)的頻率特性,幅值反映出該頻率基準(zhǔn)信號(hào)的振動(dòng)烈度。通常情況下,可分離出5 ~ 10 組頻率-幅值序列,以此來(lái)近似表征該轉(zhuǎn)速情況下的振動(dòng)信號(hào)。
初步分離提取出的頻率-幅值序列不能直接用于進(jìn)行后續(xù)分析,因其包含較多的冗余或無(wú)效信息。為此,需對(duì)該序列進(jìn)行進(jìn)一步地篩選過(guò)濾。考慮到信號(hào)分離的目的,主要采用三個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)頻率-幅值序列進(jìn)行篩選,分別為幅值指標(biāo)、功率譜指標(biāo)以及獨(dú)立性指標(biāo)。幅值指標(biāo)及功率譜指標(biāo)用來(lái)表征基準(zhǔn)信號(hào)的烈度及功率密度,其中幅值指標(biāo)最為直觀,對(duì)于較低幅值的序列予以過(guò)濾,幅值閾值A(chǔ)0參照ISO2372 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定,為保證信息完整,此處選取0.1
mm/s。獨(dú)立性指標(biāo)用來(lái)對(duì)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)源的獨(dú)立性關(guān)系進(jìn)行表征。由于采樣頻率限制及信號(hào)處理時(shí)分辨率制約,頻率序列會(huì)出現(xiàn)頻率接近的情況。為更準(zhǔn)確真實(shí)地表征信號(hào)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)源,將頻率值相近的序列對(duì)進(jìn)行合并。用頻率間距值F0 來(lái)刻畫各序列對(duì)之間的獨(dú)立性關(guān)系,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),采取5Hz 或10Hz 作為間距閾值。
對(duì)所有轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)按照上述方法進(jìn)行處理后,便可得到轉(zhuǎn)速-特征頻率矩陣。以試驗(yàn)機(jī)床D 為例,經(jīng)上述流程得到的典型轉(zhuǎn)速-特征頻率矩陣如表2所示。

對(duì)其他機(jī)床進(jìn)行試驗(yàn)分析得到與此相近的結(jié)果,該結(jié)果作為信號(hào)分析的輸出成果,形成備案知識(shí)庫(kù)。
4. EAKI 策略有效性分析
經(jīng)上述算法得到振動(dòng)特征分量信息,須對(duì)該結(jié)果進(jìn)行分析,以驗(yàn)證EAKI 方法的可行性與有效性。驗(yàn)證的關(guān)鍵在于通過(guò)本次試驗(yàn)及信號(hào)分析能否觀察到穩(wěn)定存在的強(qiáng)迫振動(dòng)源,同時(shí)需驗(yàn)證該類型強(qiáng)迫振動(dòng)是否產(chǎn)生重要影響。機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)按激振源類型可分為兩類,一類由自身回轉(zhuǎn)引起,一類由外激振源引起。下面分別進(jìn)行分析研究。
4. 1 機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)分析
主軸自身回轉(zhuǎn)形成的強(qiáng)迫振動(dòng)激勵(lì)是重要而的強(qiáng)迫振動(dòng)激振源,其對(duì)應(yīng)的頻率可稱之為轉(zhuǎn)速頻率。理論轉(zhuǎn)速頻率與轉(zhuǎn)速正相關(guān),即f = n /60。
將試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)迫振動(dòng)轉(zhuǎn)速頻率與理論強(qiáng)迫振動(dòng)轉(zhuǎn)速頻率進(jìn)行對(duì)比,如圖6 所示。
由圖6 分析發(fā)現(xiàn),各機(jī)床理論轉(zhuǎn)速頻率與實(shí)際監(jiān)測(cè)出的振動(dòng)頻率吻合度很高,反映出機(jī)床回轉(zhuǎn)形成的強(qiáng)迫振動(dòng)不容忽視,同時(shí)也驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)方法以及信號(hào)特征提取算法的有效性。
另一方面,轉(zhuǎn)速頻率對(duì)應(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)各機(jī)床產(chǎn)生的影響各不相同。首先,該類型強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生顯著影響的時(shí)刻不同。試驗(yàn)機(jī)床A 從最低轉(zhuǎn)速500r /min時(shí)便可明顯觀測(cè)出轉(zhuǎn)速頻率造成的影響,試驗(yàn)機(jī)床B、C、D 分別在5200r /min、3300r /min 及8000r /min 時(shí)方可觀測(cè)到轉(zhuǎn)速頻率造成影響。其次,各機(jī)床回轉(zhuǎn)型強(qiáng)迫振動(dòng)烈度也各不相同,這將在4. 3 節(jié)進(jìn)行分析。
綜上分析可得出,試驗(yàn)有效地驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)型強(qiáng)迫振動(dòng)廣泛存在于各機(jī)床中,往往對(duì)機(jī)床產(chǎn)生較大影響,因此可將其作為典型強(qiáng)迫振動(dòng)頻率予以備案,形成知識(shí)庫(kù)中的重要知識(shí)。

圖6 各機(jī)床理論與試驗(yàn)轉(zhuǎn)速頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系
4. 2 其他外激振源強(qiáng)迫振動(dòng)分析
除轉(zhuǎn)速頻率之外,試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),各機(jī)床普遍存在其他一些可持續(xù)監(jiān)測(cè)到的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率,剔除轉(zhuǎn)速頻率之后,每種轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)到的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率如圖7所示。

圖7 各機(jī)床外激振源強(qiáng)迫振動(dòng)頻率
由圖7 分析得出,各機(jī)床在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可觀測(cè)出一些典型外強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。機(jī)床A 在低速范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)出5Hz 及42Hz 強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào); 試驗(yàn)機(jī)床B在0 ~ 1000r /min 及5000 ~ 8000r /min 的范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)出較為穩(wěn)定的頻率為12. 5Hz 的振動(dòng)信號(hào),在1000 ~5000r /min 的范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)出頻率為5Hz 的振動(dòng)信號(hào);試驗(yàn)機(jī)床C 在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均監(jiān)測(cè)出頻率為5Hz 的振動(dòng)信號(hào),在低速范圍下還監(jiān)測(cè)出較高頻率的振動(dòng)信號(hào); 試驗(yàn)機(jī)床D 在各個(gè)轉(zhuǎn)速下均監(jiān)測(cè)出至少兩種較為穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào),分別為10Hz 及45Hz 左右。
上述結(jié)果表明基于EAKI 策略能夠有效識(shí)別出各機(jī)床在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在的典型外激振源強(qiáng)迫振動(dòng)類型; 同時(shí)由于工況環(huán)境不同,外激振強(qiáng)迫振動(dòng)的分布也有差異。
4. 3 各典型強(qiáng)迫振動(dòng)幅值分析
本試驗(yàn)除監(jiān)測(cè)備案各機(jī)床典型強(qiáng)迫振動(dòng)頻率外,還可對(duì)各機(jī)床各類強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值進(jìn)行分析,以更全面地表征機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果如圖8 所示。




圖8 各機(jī)床典型強(qiáng)迫振動(dòng)幅值-轉(zhuǎn)速關(guān)系
根據(jù)4. 2 節(jié)的分析,回轉(zhuǎn)型強(qiáng)迫振動(dòng)是一類典型振動(dòng)形式,圖8 中機(jī)床A、B 的頻率3、機(jī)床C、D 的頻率4 分別對(duì)應(yīng)該類強(qiáng)迫振動(dòng)在全轉(zhuǎn)速情形下的振動(dòng)幅值。圖8 反映出: 第一,各機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)的主導(dǎo)類型不同。對(duì)于機(jī)床A,回轉(zhuǎn)型強(qiáng)迫振動(dòng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均處于主導(dǎo)地位,對(duì)于機(jī)床B、C、D,不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)起主導(dǎo)作用的強(qiáng)迫振動(dòng)類型不同; 第二,各強(qiáng)迫振動(dòng)的影響程度不同,對(duì)應(yīng)機(jī)床加工精度也有差異。機(jī)床A 回轉(zhuǎn)型強(qiáng)迫振動(dòng)幅值達(dá)20mm/s,對(duì)機(jī)床C、D 而言,在加工范圍內(nèi)強(qiáng)迫振動(dòng)的幅值均小于1mm/s。
由上述結(jié)果可得出,依據(jù)EAKI 策略能夠有效監(jiān)測(cè)各機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)類型、幅值及影響范圍,可綜合全面地反映機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而為針對(duì)每臺(tái)機(jī)床構(gòu)建強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào)知識(shí)庫(kù)形成良好基礎(chǔ); 同時(shí)各機(jī)床強(qiáng)迫振動(dòng)形式各異也反映了采用EAKI 方法進(jìn)行振動(dòng)辨識(shí)的必要性。

圖12 試驗(yàn)振動(dòng)監(jiān)控界面
4. 4數(shù)據(jù)處理軟件
本測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件采用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副可靠性信息數(shù)據(jù)庫(kù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件[10],用來(lái)保存試驗(yàn)過(guò)程中的原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果,能很好的幫助試驗(yàn)人員完成試驗(yàn)。
5.試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)成果
如圖13 所示,為滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái),在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用上文所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng),試驗(yàn)臺(tái)面已經(jīng)可以模擬實(shí)際工況的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。加載系統(tǒng)最大加載力為2t,拖動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速3000r /min,各傳感器信號(hào)正常,能很好的完成試驗(yàn)的要求。

圖13 試驗(yàn)臺(tái)整體實(shí)物圖
6.結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)所需要實(shí)現(xiàn)的功能問(wèn)題,對(duì)其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。結(jié)合試驗(yàn)裝置,提出了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,用以模擬實(shí)際工況下,被測(cè)絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)以及參數(shù)的檢測(cè)功能。本文提出的滾珠絲杠副測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,有利于完成絲杠的可靠性試驗(yàn),為滾珠絲杠副可靠性的參數(shù)分析提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。
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