作为国家科技重大专项的责任单位，吉林大学先后承担了“高速/精密数控机床可靠性设计与性能试验技术”和“关键功能部件的可靠性设计与试验技术”等课题。作为课题实施的内容之一，开发了系列数控机床关键功能部件的可靠性试验系统，包括机床主轴、数控动力伺服刀架、数控转塔刀架、链式刀库和盘式刀库的可靠性试验系统。系统能够进行多自由度动态工况模拟，并因此获得了多项国家专利。利用研发的试验系统，吉林大学开展了关键功能部件的可靠性试验技术和评估技术的研究，制定了配套的可靠性试验和评估技术规范，实现了在数控机床可靠性试验关键技术领域的自主创新，并已在合作企业推广应用。

研发背景

提高国产数控机床可靠性的关键在于提高国产关键功能部件的可靠性，而开展可靠性试验是提高产品可靠性的主要技术途径。现阶段对国内数控机床及其功能部件进行的可靠性试验，主要依靠在机床用户企业对生产过程进行现场跟踪来实现，试验条件不可控，试验周期长，不能满足产品开发进度要求，而且需要付出高昂的时间和人力成本。

进行关键功能部件的可靠性实验室加速试验，是提高可靠性试验效率的主要技术手段。实验室可靠性试验须遵循两个原则：一是不能改变故障模式，二是不能改变故障机理。因此，可靠性试验系统必须具有工况模拟能力，包括载荷的维数、大小、种类、频率和速度等，以使可靠性试验能够激发出关键功能部件真实工作时的潜在故障，以保证试验结果的真实可靠。吉林大学的机械工业数控装备可靠性技术重点实验室结合自身在数控机床可靠性和汽车关键总成可靠性试验技术方面的研究积累，在国家科技重大专项的支持下，对数控机床关键功能部件的工况模拟技术开展了科技攻关，先后开发出了面向数控机床关键功能部件的电液伺服多自由度动态力加载装置和采用测功机的扭矩加载装置，创新性地研发出系列关键功能部件可靠性试验系统。

创新与突破

数控机床关键功能部件可靠性试验系统的研制，关键在于准确把握功能部件实际工作状况下的载荷特性，实现对复杂载荷的模拟。以机床主轴为例，包括车床主轴和铣床或加工中心主轴（含电主轴），在切削加工工作中会受到三向切削力和切削扭矩的作用，同时，切削力中还有较大的动态切削力分量，而且动态分量对可靠性的影响甚至会大于稳态切削力分量的影响。为此，机床主轴的可靠性试验系统必须能够对主轴进行多自由度的静动态切削力模拟和切削扭矩模拟。其次，机床主轴具有较高的转速和回转精度，扭矩加载装置也需要达到相应的要求。吉林大学经反复调研论证、计算机仿真、多种样机的试制和比较试验，历时两年，研发出了采用电液伺服技术的多自由度动态切削力加载装置和采用测功机的切削扭矩加载装置，并以此为核心部件构建了机床主轴的可靠性试验系统。系统的切削力维数、动静态力和频率、主轴的转速和扭矩等均可通过系统的主控计算机进行控制，系统的加载范围可通过以上两类加载装置中动力元件的选配来满足要求。

试验系统简介

1. 主轴的可靠性试验系统

主轴的可靠性试验系统（如图1所示）采用电液伺服加载装置对主轴进行动、静态切削力加载，并安装动态拉、压力传感器，用于测量动态加载力大小和波形变化。采用发电测功机进行扭矩加载，并安装扭矩传感器和转速传感器，测量电主轴的加载扭矩和转速，实现加载的实时监控和闭环控制。测功机的电力输出回馈供电网络，绿色节能。

2. 数控动力伺服刀架的可靠性试验系统

数控动力伺服刀架的可靠性试验系统（如图2所示）采用电液伺服加载装置对刀架的模拟刀杆进行动、静态切削力加载，并安装动态拉、压力传感器，用于测量动态加载力大小和波形变化。利用测功机对被测动力头进行扭矩加载，安装扭矩传感器和转速传感器，实时监测加载数据。

3. 数控转塔刀架的可靠性试验系统

数控转塔刀架与数控动力伺服刀架的区别在于刀架没有动力轴，故本试验系统（如图3所示）不需要扭矩加载装置，其他与数控动力伺服刀架的可靠性试验系统类似，不再赘述。

4. 链式刀库的可靠性试验系统

链式刀库的可靠性试验系统（如图4所示）具备控制刀链运动、模拟刀库机械手旋转-刀具松开-机械手拔刀-交换两刀位置-机械手插刀-刀具夹紧-气缸复位-机械手反转等刀库自动换刀的整个过程。监控系统可以实时监控试验过程，采集传感器信号，对刀库工作状态进行监测和报警。

5. 盘式刀库的可靠性试验系统

盘式刀库的可靠性试验系统（如图5所示）能够根据试验需要，控制刀盘的旋转、机械手拔刀、转位和插刀等动作。监控系统自动控制刀库的运行，对刀库工作状态进行监测和报警。

吉林大学研制的上述关键功能部件可靠性试验系统均由工业计算机进行控制，系统均能够对试验信息和故障信息进行存储和查询。试验系统具有通用性，针对不同规格型号的关键功能部件，只需更换垫板或支架等中间过渡件就可进行可靠性试验。为了使操作者能够正确地进行可靠性试验，还通过可靠性试验技术和评估技术的研究，制定了配套的可靠性试验和评估技术规范，如图6所示。