加工中心可靠性试验存在试验周期长、试验成本高的问题,尤其是性能衰退试验,鉴于时间成本和经济原因,在实验室内几乎无法完成,因此通过计算机强大的计算和仿真能力,构建虚拟样机,在虚拟样机上进行虚拟试验,获得低成本而又高效的可靠性测试结果成为一个重要的研究方向,也是工业4.0的必然要求,但以性能衰退规律为研究目标,对加工中心的虚拟样机构建和性能特性建模的研究还不多。本文在此背景下,通过浙江省自然科学基金资助,以NBP1100型立式加工中心主轴为研究对象,对其可靠性虚拟样机建模方法和回转精度的衰退特性模型进行了较深入地研究,具体包括如下几方面工作:(1)根据NBP1100型立式加工中心及其主轴的结构和特点,对主轴各零件进行了简化分析,构建了主轴各零件的元单元结构(基本单元结构),结合具体的装配过程、主轴运转原理及精度衰退建模的需要,建立了主轴虚拟样机模型;(2)在上述虚拟样机模型基础上,探讨了主轴热载荷和边界条件的确定方法,确定了轴承发热强度、切削生热功率和对流换热系数的计算方法,进而利用有限元法对加工中心主轴进行了热特性计算,在此基础上分别完成了空转和切削状态下的温度场和热变形分析;(3)依据主轴零件之间的装配关系,将主轴等价为一个刚性杆件,建立了主轴旋转精度模型,通过对模型中的参数进行灵敏度分析,定量描述了各尺寸误差对旋转精度的影响程度,从而找到了对旋转精度影响最大的几个零件尺寸;(4)考虑到温度场及热变形的影响,将温度因素与关键零件的尺寸误差耦合,建立了旋转精度综合分析模型,从而揭示了零件的尺寸误差与温度耦合情况下,旋转精度衰退规律。本文对有限元温度场的分析计算进行了实验验证,实验时在对旋转精度影响最大的支撑轴承位置处布置测点,将测试数据与计算结果进行比较分析,验证了有限元建模方法和计算结果的准确性;对旋转精度模型进行了算例验证,验证了旋转精度模型对主轴精度衰退规律描述的可行性。本文在参考资料相对较少的情况下,通过以上研究,从理论上探讨了主轴旋转精度的建模方法,从温度和关键零件尺寸误差的角度,给出了主轴旋转精度在时间轴上的衰退规律,为可靠性虚拟试验系统的构建提供了算法依据,其研究结果也在主轴系统精度保持性设计方面具有重要的指导性意义,但因研究时间较短,模型尚未考虑零件形位误差和振动等因素的影响,本文所建立的旋转精度模型也还需在加工企业实际生产过程中,进行较长时间的实验验证,以对模型进行完善。