随着装备制造业的快速发展,数控机床的可靠性越来越受到人们的重视。主轴系统是数控机床的关键子系统,其热特性和动力学特性在很大程度上决定了数控机床的可靠性。如果主轴在设计和制造过程中相关参数控制不当,将会导致主轴系统可靠性的降低。为了探索提升数控机床主轴系统可靠性的关键共性技术,本课题在国家科技重大专项“千台国产数控车床可靠性提升工程”(项目编号:2013ZX04011-011)的资助下,以国产某型号数控车床主轴系统为研究对象,考虑主轴相关参数的随机性对主轴热、动力学特性及其性能可靠性的影响。为了深入研究主轴系统热、动力学特性,探讨了相关参数对主轴系统中成组角接触球轴承刚度和生热率的影响规律;在此基础之上,基于有限有法对主轴系统进行了热-固分析,并研究了主轴系统热倾角可靠性及其灵敏度。采用集中质量法建立了主轴系统的动力学模型,展开了主轴系统动力学特性、主轴轴端振动可靠性及其灵敏度的研究;最后,提出了主轴系统热-动力学特性的优化策略。全文的主要研究工作及成果归纳如下:(1)以主轴系统前轴承组为研究对象,基于滚道控制理论,在滚动轴承拟静力学分析的基础之上,推导了角接触球轴承DBD组合的轴承刚度和生热率的计算式,分析了预紧力和转速对成组轴承的轴承刚度和生热率的影响。研究结果表明:单个轴承的径向刚度和成组轴承的径向刚度受转速的影响不大,受载荷作用的影响较大。转速的增加对单个轴承的轴向刚度和成组轴承的轴向刚度的影响呈现增大的趋势。轴承滚动体自旋滑动摩擦生热率随轴承组预紧力的增加而减小。该研究为主轴系统热、动力学特性分析提供了理论基础。(2)采用Kriging结合Monte Carlo随机抽样的方法,计算了角接触轴承结构参数的均值和方差对轴承刚度和生热均值的灵敏度。研究结果表明:轴承轴向和径向刚度对轴承结构参数的均值和方差的灵敏度呈现相反的影响趋势。轴承刚度和生热率对轴承滚动体直径的变化反应最灵敏,该研究为轴承的结构参数和加工精度的选择及零件的分选提供了理论依据。(3)利用ANSYS软件建立了主轴系统热-结构耦合有限元分析模型,进行了主轴系统热特性分析;利用马尔科夫蒙特卡罗(MCMC)和响应面相结合的方法计算了主轴热倾角可靠性及其灵敏度,得到了提高主轴系统热倾角可靠度需要严格控制的轴承组参数,该研究为提高主轴系统热倾角可靠度提供了理论依据。根据五点法测试的主轴热误差和主轴系统热敏感点的温度试验数据,采用小波-支持向量机(WT-SVM)建立了主轴系统热误差预测模型,该研究为主轴热误差补偿技术的实现提供了技术保障。(4)建立了考虑弹性主轴刚度、阻尼和滚动轴承非线性接触力的十自由度数控车床主轴系统的非线性振动分析模型,并对主轴系统非线性动力学特性进行了分析;研究了主轴-滚动轴承系统动力学性能可靠度及其对相关随机变量的灵敏度。研究结果表明:在主轴设计时要重点优化主轴系统后轴承组的径向游隙和总接触刚度。该研究为提升主轴系统动力学性能和可靠性设计提供了理论参考。(5)采用Kriging和MOPSO相结合的方法,对国产某型号数控车床主轴系统的后轴承组的预紧力和轴承结构参数进行了优化;该方法能够显著地减少设计样本点的数量,提高设计效率。