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高速直结式主轴即类似三轴马达与滚珠螺杆之接合方式，主轴马达置于主轴上方，马达与主轴以高刚性无间隙连轴器相连，马达端之转动经由连轴器传于主轴，此即高速直结式主轴。高速直结式主轴属于刚性连结，对于马达输出较能完全表达于主轴特性，机械效率较高，于主轴运动时，连轴器扮演着不可或缺的角色，连轴器校正好或坏足以影响主轴运动精度，若连轴器校正不良对主轴产生下列影响，主轴温升急剧升高、主轴震动过大、主轴偏摆过大、加工精度不良、甚至主轴烧毁。
高速直结式主轴在高速加工中心和钻攻中心用得比较多，通常转速都能达到12000转。转速和切削力成一个反比函数，基本上转速越大切削力越小，所以高速直结式主轴切削力是不如皮带式主轴的。皮带式主轴胜在更加稳定，加工一些对表面光洁度要求高的工件有很大的优势。使用高速直结式主轴的加工中心基本上都是以加工小型零件及产品为主，不做重切削。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。
