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在数控机床技术快速发展的同时，也带动了数控动力刀架技术朝着高速、高精、复合化等方向发展。全功能数控动力刀架是中高档数控车削中心的核心功能部件，其结构复杂，加工制造难度大，技术含量高。目前，因国内专业刀架行业起步较晚，开发投入不够，国产动力刀架与国外产品存在很大的差距。因此，依靠自主创新提高国产动力刀架的技术含量，是我国刀架行业的当务之急。 全功能数控动力刀架的动力传动系统是数控动力刀架高速、稳定、可靠运行的关键机构。本文中所研究的刀架动力传动系统主要由多级惰轮传动系统构成。这种齿轮传动方式，不管是在学术研究中还是在实际工程应用中并不常见。鉴于此，对刀架动力传动系统进行全面系统的动力学特性研究具有重大的理论意义和工程应用价值。本文以某动力刀架的动力传动系统为研究对象，基于齿轮动力学理论和非线性动力学理论对该传动系统进行了动力学建模、固有特性及灵敏度分析、非线性动态响应分析、参数影响分析、齿轮系统的减振优化设计以及样机振动测试。概括起来，本文的主要研究内容及取得的主要成果如下: (1)刀架动力传动系统的动力学模型和运动方程。采用集中参数法系统地建立了刀架动力传动系统的平移-扭转耦合多自由非线性动力学模型。模型中全面考虑了齿轮系统的时变啮合刚度、齿侧间隙以及齿轮误差的内部激励因素。通过牛顿法推导了传动系统的非线性运动微分方程。采用接触有限元法，准确计算了刀架传动系统中的三个时变啮合刚度，并通过傅里叶级数对时变啮合刚度进行了数值化处理，成为可应用于齿轮动力学分析中的数学模型。同时，对系统中三个啮合副的啮合相位进行了分析和计算，由此确定了时变啮合刚度的初始相位。另外，采用分段线性函数和简谐函数作为齿轮的齿侧间隙和误差激励的数学模型。基于经验公式确定了系统中的啮合阻尼、轴承刚度及阻尼等参数。 (2)刀架动力传动系统的固有特性分析。针对系统模型中刚度矩阵为非线性的时变刚度矩阵的特点，分别采用均值啮合刚度和时变啮合刚度的刚度矩阵对系统的固有特性进行了研究，并通过灵敏度分析，成功识别了系统参数对固有特性的影响规律。 采用求解特征方程的方法对基于均值啮合刚度条件下的刀架齿轮系统固有特性进行了计算和分析，获得了刀架齿轮系统的固有频率和模态振型。结果表明，刀架齿轮传动系统的固有振型主要表现为各齿轮的扭转振动。同时，刀架在常用转速和目标最高转速下运转均不会发生共振现象。通过对基于多体动力学软件ADAMS创建的系统仿真动力学模型进行固有特性分析，验证了刀架齿轮传动系统集中参数模型的正确性。考虑啮合刚度的时变性，对系统按照单双齿啮合刚度的五种组合方式下的固有特性进行了分析。结果表明，组合刚度对系统的第1～8阶固有特性影响不大，对第9～11阶固有特性影响较大。考虑到刀架系统的最高转速对应的啮合频率远小于第9阶固有频率，故采用均值啮合刚度对本刀架齿轮传动系统进行固有特性分析是可行的。通过灵敏度分析法研究了系统固有特性对齿轮质量、转动惯量、啮合刚度以及轴承刚度的敏感程度和敏感方向。结果表明，通过减小齿轮的质量、转动惯量和适当提高轴承刚度，可以提高刀架齿轮系统的低阶固有频率，从而改善本刀架动力传动系统的固有特性。 (3)刀架动力传动系统的非线性动态响应分析。为了提取刀架动力传动系统的非线性响应特征，全面采用齿轮动力学和非线性动力学分析方法对系统进行非线性分析，成功识别了系统非线性响应中所呈现的稳态响应、拟周期运动、混沌运动、跳跃现象、不稳定区域等特征。 对刀架传动系统的平移-扭转振动微分方程作坐标变换和无量纲化处理，转化为适用于系统动态响应分析的无量纲化运动微分方程。根据刀架齿轮传动系统模型的复杂度，确定选用龙格-库塔数值积分法对系统微分方程进行求解。研发了刀架传动系统的李雅普诺夫指数计算程序，并计算了系统在较宽频域范围内的李雅普诺夫指数谱。通过对李雅普诺夫指数和系统动态响应的幅频响应曲线分析，识别出系统的稳态运动和混沌运动区域，以及系统响应的跳跃现象以及不稳定区域并综合评价了系统的动态特性。同时对刀架齿轮传动系统在给定激励频率下的动态响应进行了分析，识别出刀架系统随无量纲激励频率的变化由单周期稳定运动、2周期运动、拟周期运动，最后通向混沌的道路，并且齿轮啮合逐渐呈现单边冲击和双边冲击现象。 (4)系统参数对刀架动力传动系统动态特性的影响分析。为了研究系统各参数对动态响应的影响方式和影响程度，结合幅频响应曲线、时域响应图、功率谱、相图以及庞加莱截面，全面分析了刀架系统中的主要参数包括时变啮合刚度、啮合阻尼、轴承刚度、轴承阻尼、侧隙以及载荷对系统在给定激励频率范围内动态响应的影响。结果表明时变啮合刚度、啮合阻尼和轴承阻尼均具有抑制系统非线性振动的特点，其中时变啮合刚度的抑制效果最为显著，可以在整个频域范围对系统的平移和扭转振动均产生影响。该分析结果为刀架动力传动系统的减振优化设计提供了有效的参考依据。 (5)刀架动力传动系统的减振优化设计。齿轮系统动力学分析的最终目的是为了对系统进行动态优化设计，实现齿轮系统的减振降噪要求。基于系统参数对刀架传动系统动态特性的影响分析可知，时变啮合刚度是影响系统动态特性的主要参数。在此，提出了采用高重合度的方法，降低时变啮合刚度的波动量，从而实现对刀架动力传动系统的减振优化设计。在保证刀架齿轮系统中各齿轮的位置不发生变化的情况下，选用小模数和小压力角的齿轮几何参数，从而有效地提高了系统的重合度。对改进前和改进后的刀架齿轮系统模型进行动力学分析。结果表明，改进后刀架系统的响应位移、加速度、啮合力等明显降低，动态性能有了显著的提高。另外，基于啮合相位对惰轮受力的影响，采用遗传算法对刀架纯扭转动力学模型的啮合相位进行优化设计。结果表明，啮合相位优化后的刀架齿轮系统扭转振动响应得到有效控制。 (6)动力刀架样机的振动测试。利用振动测试系统对原设计方案的动力刀架样机和基于高重合度法改进后的新样机进行给定转速范围内若干关键测点位置的振动试验。通过对振动加速度的功率谱分析，成功识别出与齿轮系统啮合频率相一致的峰值频率，由此判断出动力刀架的主要振动源为刀架齿轮系统。两样机同一转速下振动加速度的有效值表明，新样机的振动比原样机要低，样机的最高振动加速度由改进前的65.8m/s2下降到改进后的31.9m/s2;同一测点在不同转速下的振动加速度有效值表明，随着驱动转速的上升，新样机的振动加速度上升幅度要远小于原样机。由此验证了基于高重合度法对刀架齿轮系统减振设计的有效性。