数控机床作为装备制造业的基础和关键设备,其性能与质量反映了一个国家制造业水平的高低。目前,可靠性水平是我国数控机床行业的技术瓶颈之一,因此,提高国产数控机床整机及其关键功能部件的可靠性水平势在必行。高速电主轴作为数控机床关键功能部件之一,通常是数控机床功率输出的核心部件,是目前制约我国数控机床整机可靠性水平的薄弱环节。因此,国产电主轴的可靠性水平亟待提高。本文以国产高速电主轴为研究对象,提出了考虑维修成本的电主轴FMECA方法,并根据现场可靠性试验数据,对电主轴进行故障分析;以机床实际工况的载荷数据为依据,编制了电主轴多维动态载荷谱,进而设计并开展了电主轴可靠性试验;为实现电主轴工作时的径向跳动及轴向窜动的状态监测,提出了一种基于加速度时-频域混合积分的电主轴振动监测方法;最后,提出了一种基于S变换改进阈值去噪的电主轴故障诊断方法,并进行了实例验证。本文的主要工作和研究成果如下:(1)论述了国内外数控机床电主轴可靠性技术的发展和研究现状,阐述了电主轴可靠性试验技术研究的背景及意义。对国内外电主轴的故障分析、电主轴静力加载及载荷谱加载的可靠性试验技术进行了探讨,综合评述了基于电主轴可靠性试验台的电主轴性能监测技术及故障诊断技术;在上述工作基础上,给出了本文关于电主轴可靠性试验及故障诊断研究的技术路线。(2)基于电主轴系统的组成结构与功能原理,对电主轴进行子系统划分。从电主轴故障模式分析入手,结合危害性分析的方法,对现场可靠性试验得到的故障数据进行了分析。针对传统危害度计算中存在的问题,即忽略了企业维修电主轴故障时付出的成本,提出一种考虑维修成本的危害度计算方法,并进行了危害度分析,得到了危害度最高的电主轴单元子系统,最终结果表明,该方法弥补了传统FMECA方法的不足,为电主轴可靠性试验、可靠性设计及可靠性增长提供了参考依据。(3)设计并开展了基于多维载荷谱动态加载的电主轴可靠性试验。鉴于以往载荷谱编制方法只能将切削力、扭矩、转速分别作谱,忽略了切削力、扭矩、转速间的对应关系,与实际工况不符的问题,提出电主轴的多维载荷谱编制思想。依据加工中心的现场载荷数据,分析并计算了切削力及切削扭矩。将切削力及切削扭矩按照轻载、轻中载、中载、中重载及重载,转速按低速、中速、高速分别进行分级,编制了包含转速、轴向力、径向力、扭矩及相对循环次数的多维载荷谱。最终,在电主轴试验台受载范围内设计并开展了电主轴的可靠性试验,包括空运转试验、静载试验及基于多维载荷谱动态加载的可靠性试验,并进行了电主轴可靠性评估。(4)针对数控机床切削作业时难以实时监测其径向跳动、轴向窜动的问题,提出了一种基于加速度传感器的时-频域混合积分的监测方法。对加速度信号进行高通滤波时域积分后,再经过低频截止频域积分,得到电主轴振动位移,即电主轴的径向跳动与轴向窜动。通过与Lab VIEW同步采集的数据进行积分误差检验表明,经时-频域混合积分法处理的结果与实测数据一致性较好。同时与简单二次时域积分法、简单二次频域积分法、低频截止频域积分法、多项式拟合时域积分法以及高通滤波时域积分法等五种方法进行了对比处理,试验结果表明,时-频域混合积分法得到的位移信号积分误差较小,更贴近实测位移信号,可以用于监测加工中心电主轴工作时的径向跳动及轴向窜动。(5)提出了一种基于S变换改进阈值去噪的电主轴故障诊断方法。在传统阈值算法的基础上,引入矫正参数,并结合S变换对故障特征频率进行提取,进而判断故障类型,最终实现电主轴故障诊断。基于高速电主轴可靠性试验的振动数据,采用S变换改进阈值去噪法对电主轴转子摩擦、不对中及机械松动等三种故障进行了诊断与识别。同时采用FFT、STFT以及HHT等三种故障诊断方法对故障数据进行处理,与S变换改进阈值去噪结果进行对比表明,FFT容易出现故障特征提取过度的问题,HHT则不能全面、精确地进行提取故障特征,而由于故障信号信噪比太差,STFT最不适用于电主轴故障诊断。对比分析结果证明了S变换改进阈值去噪方法在电主轴故障诊断中的优越性。