本文摘要：

本文综合考虑铣削载荷、加工位置、机床姿态和结合部接触特性，建立了一种具有低自由度的双转台五轴加工中心动力学模型。并设计实际铣削工况时双转台五轴加工中心动力学特性实验，将实验得到的数据进行处理并与模型计算的结果进行对比，验证多体动力学模型的准确性。在此基础上，设计均匀设计试验分析不同加工条件对双转台五轴加工中心动力学特性的影响，并运用支持向量机建立了预测模型，对均匀设计试验的数据进行了分析与验证，最后得出不同工况下双转台五轴机床动力学特性分布的规律。

本文主要研究内容总结如下：

（1）基于吉村允孝积分法和Hertz接触理论，建立了考虑铣削载荷的双转台五轴加工中心主轴-刀柄、主轴-轴承、导轨-滑块和滚珠-丝杠结合面的动力学模型，获取了主要结合面接触特性参数。

（2）依据标准D-H参数法和坐标系间的齐次坐标变换通过双转台五轴机床的结构以及运动形式描述机床的运动学模型，运用双转台五轴机床三维实体模型获取主要特征参数，结合双转台五轴加工中心分组情况和运动学模型得出可以变换机床位姿的位置雅可比矩阵，联立各结合面特征参数得出双转台五轴机床完整动力学模型。该动力学模型不需要额外的约束方程和拉格朗日乘子，得到的方程阶数是的，计算更为简便，且考虑了铣削工况，使得预测结果更加贴近机床实际运动状态，更加准确。

（3）设计了铣削工况下的双转台五轴机床动力学特性实验，将铣削载荷做为外部激励，运用奇异谱分析方法剔除铣削载荷中包含的谐频成分，以安装在双转台五轴机床的加速度传感器收集的振动加速度信号作为响应值，通过对实验数据进行处理，将其与动力学模型计算出来的结果进行比较，分析结果表明机床静止时得到的前3阶固有频率值与实验结果误差在11%~14%之间，而本文建立的动力学模型得到的前3阶固有频率值与实验结果误差在4%~7%之间，且考虑铣削载荷和机床位姿时得出频响函数曲线与实验得出的频响函数曲线更贴近，更符合双转台五轴机床实际工作状态，对建立的双转台五轴机床动力学模型进行了验证。

（4）设计7因素12水平的均匀试验，通过更改位置雅可比矩阵变换位姿和调整铣削载荷，取前3阶固有频率值，通过对试验数据进行回归分析，得出双转台五轴机床前3阶固有频率对7种因素的敏感程度和组合。

（5）建立基于支持向量回归的双转台五轴机床动力学特性的预测模型，运用均匀设计试验中划分的因素和水平，设计156组数据作为训练集，将均匀试验的12组数据作为测试集，采用评价函数验证预测模型的准确性后与动力学模型仿真结果进行对比分析，得出双转台五轴机床前2阶动态特性参数较稳定即误差变化较小，而第3阶对应的模型仿真值与预测值的误差在允许范围内变化较为明显。当双转台五轴机床工作姿态发生变化时，对应的1阶固有频率最值通常出现在各个工作轴工作范围的中间或两端，最小1阶固有频率为46Hz，1阶固有频率为49.02Hz。并且X轴和Z轴工作位置的改变对双转台五轴机床的空间动态特性影响较为明显，而Y轴和摆台摆角对双转台五轴机床的空间动态特性影响较弱，其中Z轴的位移变化对机床的1阶固有频率影响，因此在机床实际加工过程中应尽量减少或避免Z轴的移动，优先考虑Y轴的进给及摆台的转动，确保机床能够更加平稳的工作。此外，机床振动幅值随着各轴位移的增加也会产生相应的变化，其中X轴振动幅值变化量为0.12μm，变化较小，Y轴和Z轴振动幅值变化量达0.17μm，影响较大，摆台摆角改变也会引起机床振动幅值发生变化，变化量为0.14μm。当沿各个方向铣削载荷发生变化时，沿Y方向和Z方向的铣削载荷对机床的1阶固有频率影响较为明显，且当Y方向铣削载荷增大的时候，机床的1阶固有频增大后减小，随Z方向铣削载荷的增大表现逐渐变大，且机床振动幅值随Z方向铣削载荷增大呈线性增长，沿X方向的铣削载荷对机床的空间动态特性影响最小。

由于作者时间和能力有限，在建立铣削状态下的双转台五轴机床动力学模型过程中，主要考虑了铣削载荷、加工位置、机床姿态以及主要结合面接触特性，若要建立更精确的铣削工况下机床动力学模型，可以从以下几个方面展开研究：

（1）可进一步考虑铣削过程中机床运动惯性冲击、切削热、工件动态特性以及刀具-工件接触参数等因素的影响。

（2）进行铣削过程多因素耦合影响下机床动力学预测时，可进一步选用少样本高精度的统计回归方法，达到实时预测和分析，是一个值得深入研究的方向。

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