建設(shè)背景與研究方向

數(shù)控機床是制造業(yè)的“工作母機”，其產(chǎn)品質(zhì)量是衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。我國是世界機床生產(chǎn)和消費第一大國，國內(nèi)研發(fā)的數(shù)控機床在速度、精度、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工功能等方面不斷進步，但在可靠性技術(shù)方面，由于研發(fā)周期長和工作艱辛，參與的人員與團隊較少，與國際先進水平存在明顯差距，故障率和累積維修費用高，導(dǎo)致主機及其關(guān)鍵功能部件的大量市場份額被進口產(chǎn)品占領(lǐng)。因此，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》將“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”列為16個國家科技重大專項之一（04專項），并且該專項將“可靠性設(shè)計與試驗技術(shù)”列為第一項關(guān)鍵共性技術(shù)。在此背景下，“機械工業(yè)數(shù)控裝備可靠性技術(shù)重點實驗室”于2008年獲批建設(shè)，2012年通過驗收。以該重點實驗室為主要依托，2019年又獲批建設(shè)“數(shù)控裝備可靠性教育部重點實驗室”。

重點實驗室是“吉林大學(xué)機械工程國家一級重點學(xué)科”和“吉林大學(xué)機械與仿生工程學(xué)科群國家‘雙一流’建設(shè)學(xué)科”重點建設(shè)的科技創(chuàng)新平臺。實驗室的前身是始建于1996年的原“吉林工業(yè)大學(xué)數(shù)控機床可靠性研究室”,現(xiàn)有固定研究人員20余人，其中教授6人、副教授和高級工程師9人。團隊長期、持續(xù)、專門從事數(shù)控機床可靠性理論與技術(shù)的研究，研究方向穩(wěn)定、研究工作持續(xù)，研究特色鮮明。在長期研發(fā)過程中凝練了如下主要研究方向：數(shù)控機床可靠性廣義設(shè)計技術(shù)、可靠性廣義試驗技術(shù)與試驗裝備研發(fā)、可靠性建模評估與故障分析與技術(shù)、數(shù)控機床全生命周期可靠性保障技術(shù)等。近年來，為滿足行業(yè)技術(shù)發(fā)展的需求，又開辟了工業(yè)機器人可靠性設(shè)計與試驗技術(shù)的研究方向。

項目與研究成果

近10年來，實驗室主持承擔(dān)了“高速/精密數(shù)控機床可靠性設(shè)計與性能試驗技術(shù)”和“關(guān)鍵功能部件的可靠性設(shè)計與試驗技術(shù)”等4項數(shù)控機床可靠性方面的國家科技重大專項課題、主持承擔(dān)了“數(shù)控機床電主軸可靠性加速試驗技術(shù)的基礎(chǔ)問題”和“數(shù)控機床復(fù)雜工況下多層次多自由度靜動態(tài)載荷譜關(guān)鍵技術(shù)研究”等國家自然科學(xué)基金課題和國家科技重大專項的機床可靠性子課題等科研項目30余項，并承擔(dān)了一批地方政府科研基金和企業(yè)橫向委托的數(shù)控機床可靠性技術(shù)研發(fā)與試驗裝備研制的科技項目，主要取得了如下關(guān)鍵技術(shù)研究成果。

（1）凝練出數(shù)控機床全生命周期可靠性技術(shù)路線。技術(shù)路線主要由3條縱向主線構(gòu)成：左側(cè)部分為數(shù)控機床全生命周期的各個階段，右側(cè)部分表示全生命周期各階段所需要的可靠性技術(shù)，中間部分是作為技術(shù)載體的各項技術(shù)規(guī)范或技術(shù)裝備，并通過機床企業(yè)的可靠性保障體系落實到機床全生命周期的各個階段。技術(shù)路線的凝練解決了機床行業(yè)開發(fā)和實施可靠性技術(shù)“無路可走”的問題。

（2）提出并研發(fā)了數(shù)控機床可靠性廣義設(shè)計技術(shù)。研發(fā)了數(shù)控機床可靠性分配設(shè)計技術(shù)、可靠性預(yù)計設(shè)計技術(shù)、可靠性增長設(shè)計技術(shù)和基于可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的設(shè)計檢核技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)控機床可靠性廣義設(shè)計技術(shù)體系并工程化應(yīng)用，突破了以往數(shù)控機床可靠性設(shè)計只有理念而無技術(shù)可用的窘迫局面。

數(shù)控機床全生命周期可靠性技術(shù)路線

（3）提出并開發(fā)了數(shù)控機床可靠性廣義試驗技術(shù)。研發(fā)了現(xiàn)場試驗技術(shù)、早期故障試驗技術(shù)和臺架加速試驗技術(shù)，建立了數(shù)控機床的載荷譜系，形成了數(shù)控機床可靠性廣義試驗技術(shù)體系，為規(guī)范、高效和大量獲取可靠性數(shù)據(jù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

（4）研制了能夠模擬靜動態(tài)實際工況的關(guān)鍵功能部件的可靠性加速試驗系統(tǒng)。主要包括了數(shù)控機床中故障率最高、維修性最差的主軸（電主軸和機械主軸）、數(shù)控刀架（轉(zhuǎn)塔刀架和動力伺服刀架）和刀庫機械手（盤式刀庫和鏈?zhǔn)降稁欤┑汝P(guān)鍵功能部件的可靠性加速試驗系統(tǒng)。

（5）開發(fā)了多功能網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)控機床可靠性數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫具有故障、維修和工藝/載荷數(shù)據(jù)的分類儲存、動態(tài)更新與遠(yuǎn)程訪問功能，并且集成了可靠性建模、評估與故障分析功能，方便技術(shù)人員對數(shù)據(jù)庫的工程化應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫存儲了近10年積累的故障、維修數(shù)據(jù)和工藝/載荷數(shù)據(jù)，為數(shù)控機床的故障分析和可靠性設(shè)計提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過上述技術(shù)的研發(fā)，初步形成了數(shù)控機床可靠性的技術(shù)體系。10年來授權(quán)發(fā)明專利100余項、軟件著作權(quán)30余項，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范60余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。研究成果已在沈陽機床（集團）、北京北一機床、武漢重型機床和中國航空制造技術(shù)研究院等20余家數(shù)控機床及其關(guān)鍵功能部件企業(yè)得到工程化應(yīng)用，顯著提高了目標(biāo)產(chǎn)品的可靠性水平。

試驗條件與裝備

實驗室擁有雷尼紹激光干涉儀、球桿儀、三坐標(biāo)測量儀和表面輪廓儀等一批數(shù)控機床性能及其加工質(zhì)量的測試儀器；擁有包括斯賓納精密數(shù)控車床、菲迪亞高速加工中心等進口數(shù)控機床和HTC系列數(shù)控車床、DL系列加工中心等國產(chǎn)數(shù)控機床在內(nèi)的一批專門用于可靠性研究的數(shù)控機床，還擁有電液伺服加載系統(tǒng)和發(fā)電測功加載系統(tǒng)等一批數(shù)控機床及其關(guān)鍵功能部件的載荷工況模擬裝備。

除了上述通用儀器裝備，實驗室特別是在國家科技重大專項以及國家一級重點學(xué)科和“雙一流”學(xué)科建設(shè)的支持下，創(chuàng)新研制了16臺套能夠模擬實際工況的數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件的可靠性加速試驗系統(tǒng)，其中的主要試驗系統(tǒng)如下。

（1）數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架可靠性試驗系統(tǒng)。發(fā)明了采用電液伺服控制的切削力模擬加載新方法，研制了能夠模擬靜、動態(tài)切削力的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架和動力伺服刀架的可靠性試驗系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)為：最大靜/動態(tài)加載力10kN/5kN，最大動態(tài)加載頻率50Hz；刀架平均轉(zhuǎn)位頻率不低于8次/min，動力伺服刀架動力軸最高轉(zhuǎn)速8000r/min、最大加載功率10kW。

（2）主軸可靠性試驗系統(tǒng)。發(fā)明了采用電力測功與多自由度電液伺服相結(jié)合的廣義切削力（切削扭矩+線性切削力）模擬加載新方法，研制了能夠模擬靜、動態(tài)切削力和切削扭矩的數(shù)控機床電主軸和機械主軸的可靠性試驗系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)為：最大靜/動態(tài)加載力10kN/5kN，最大動態(tài)加載頻率60Hz；最高轉(zhuǎn)速18000r/min、最大加載功率32kW。

（3）盤/鏈?zhǔn)降稁鞕C械手可靠性試驗系統(tǒng)。研制了能夠同時按單刀重量譜和全鏈重量譜進行實際工況模擬的盤式刀庫機械手和鏈?zhǔn)降稁鞕C械手的可靠性試驗系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)為：盤式/鏈?zhǔn)降稁鞕C械手最大刀重7kg/20kg、最大刀長300mm；盤式/鏈?zhǔn)降稁鞕C械手最大刀具容量40把/80把；平均每分鐘換刀頻率8次/2次。

此外，實驗室還研制了編碼器與光柵尺的多場耦合可靠性加速試驗系統(tǒng)，研制了一批便攜式數(shù)控機床早期故障試驗狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。上述可靠性試驗系統(tǒng)均屬國內(nèi)首創(chuàng)，已推廣到多家企業(yè)和研究機構(gòu)，突破了以往數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件只能進行空運轉(zhuǎn)或低載荷靜態(tài)加載試驗的落后局面，使我國具備了在模擬實際工況的環(huán)境下進行數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件可靠性臺架加速試驗的能力。