机床是装备制造业的主要设备,其质量的好坏直接影响机械加工质量和成本。随着机械产品质量和精度要求的不断提高,机床正朝着高可靠性和高精度方向发展,其总体性能的好坏是反映一个国家机械行业现代化水平的一个重要标志。而作为机床关键零部件的机床主轴、齿轮、轴承、滚珠丝杠等对于机床性能的提升和加工精度的提高具有重要的影响,其中,机床主轴的可靠性直接影响着加工产品的精度。因此,机床主轴的可靠性评估和优化设计对于保证机床的可靠性具有非常重要的理论研究价值和工程实用价值。本文的主要工作内容如下:1)首先介绍了可靠性的基本理论,包括随机变量、功能函数、可靠度、失效概率和可靠性指标基本概念,然后介绍了常见的可靠性分析方法,主要包括:矩方法和响应面方法。2)为了保证可靠性设计优化问题的可靠性约束条件并提高优化结果的求解精度,针对非线性程度较高的结构功能函数可靠性求解精度不高的问题,在一次二阶矩可靠性设计优化方法的基础上,通过引入Taylor级数展开的四阶矩可靠性方法,提出了一种基于四阶矩的单环可靠性设计优化方法。该方法通过把可靠性优化问题转变为单环的确定性优化问题,与双环的可靠性优化设计方法相比,在一定程度上提高了优化效率。由于四阶矩可靠性方法在可靠性求解中具有较高的计算精度,因此,可保证优化结果的可靠性。通过典型算例以及蒙特卡洛仿真对所提方法进行了验证并与基于一次二阶矩的可靠性设计优化方法进行了对比。结果表明,该可靠性设计优化方法具有较高的求解精度且优化效率得到了提高3)为了精确评估机床主轴的可靠性,利用四阶矩方法对机床主轴的静强度失效、疲劳强度失效和扭转刚度失效等多种失效模式进行了可靠性分析。在此基础上,考虑机床主轴多种失效模式之间的相关性,建立了其多失效模式失效相关的可靠性模型,给出了其多种失效模式的相关系数和可靠度的计算方法。以某型机床主轴为例对所提方法用蒙特卡洛法进行了验证。结果表明,四阶矩可靠性方法具有较高的精度并且机床主轴的多种失效模式之间存在一定的相关性。因此,考虑失效相关的机床主轴可靠性方法对于机床主轴的综合可靠性评估具有重要的指导意义。此外,该方法还可用于其它机械零件多失效模式失效相关的可靠性评估。4)机床电主轴的固有频率对于其抗共振性具有重要影响,为了对其振动可靠性进行评估,在基于BP神经网络和改进一次二阶矩可靠性方法的基础上,提出了一种基于遗传算法优化BP神经网络的机床电主轴频率可靠性评估方法。首先,以机床电主轴的材料参数和尺寸参数为设计变量并通过ANSYS有限元软件建立其参数化模型,然后利用Isight软件集成ANSYS并且通过优化的拉丁抽样方法获得足够的样本,利用遗传算法优化的BP神经网络方法拟合电主轴固有频率与设计变量之间的函数关系并建立电主轴的结构功能函数,最后利用改进的一次二阶矩方法进行可靠性评估并通过蒙特卡洛仿真方法进行验证。结果表明,采用遗传算法优化后的拟合函数误差较小,且可靠度值具有较高的精度。另一方面,为了优化电主轴的设计参数并达到提高固有频率和减重的目的,采用快速非支配遗传算法对机床电主轴进行了优化设计。与优化前相比,机床电主轴的固有频率提高了15.8%,质量减少了17.53%。