1、目的及意义

1.1 应用方向与前景

减速器是机械传动中的核心部件，它在机械结构中常占有较大的重量与体积。但随着工业技术的飞快发展，在诸多需要使用精密机械的部门，如航空航天、医疗器械、工业机器人等领域，传统的传动装置难以满足这些工作环境下对结构紧凑、能够在密闭条件下工作、具有稳定的传动性能等要求，因而在这些高精尖领域，谐波减速器成为传动装置中的首选。与传统减速传动装置相比，谐波减速器具有更大的传动比、更高的承载和传动精度、更小的体积和重量等优势^【1】。

在工业机器人领域，谐波减速器是核心零部件。据统计，谐波减速器的成本占机器人总成本的30%以上。日本的HarmonicDrive公司与Nabtesco公司占据了国际谐波减速器市场约75%的份额。我国正处于工业机器人进步的时期，但谐波减速器自给率的低下，制约了我国工业的发展^【2】。因此，在现阶段研究优化谐波减速器的设计，对提升我国自主知识产权有着重要的意义。

在航天技术领域，谐波减速器的低重量、高精度使它得以广泛应用。航天遥感技术早已成为军用与民用工程中不可缺少的支撑，而谐波减速器在空间遥感器的空间指向装置中起到关键作用，如：空间飞行器中的空间机器人操作臂、空间太阳翼展开机构、天线指向机构等，这些机构的传动与驱动系统上均采用谐波技术^【3】。中国科学院空间科学与运用研究中心孟强强^【4】等针对航天器中谐波减速器本身的柔性导致输出运动量的误差进行了控制方案的改进：将减速器末端的输出量与电机中轴角编码器的输出量作为反馈量，从而实现运动输出量的闭环调节。

在精密加工机床领域，如六轴数控飞机装配钻铣机当中，谐波减速器被采用为摆动头的减速器。飞机的构件尺寸较大，而此种机床上的摆动头需要快速灵活地完成飞机的修边以及铆接孔工作，因此对摆动头的运动控制精度和轻便性都有着很高的要求，所以选用传动比较高的谐波减速器来减少摆动头的体积与重量^【5】。由此可以认识到，谐波减速器的研究不仅关系到民用领域，对于关系到国家安全的军工制造领域，也有至关重要的作用。

1.2 国内外研究概述

谐波减速器是在1953年由美国工程师C.W.Musser提出的。在上个世纪，经过原苏联与日本等国的学者的研究，谐波减速器渐开线齿廓与圆弧齿廓等被提出。目前，双圆弧谐波减速器成为国内外相关研究的主要方向，与渐开线齿廓和S形齿廓相比，具有啮合精度与轮齿受力条件更好、设计制造较为简便的优点^【6】。原苏联与日本设计的圆弧型齿廓与我国的双圆弧齿廓存在着差异，主要在于波发生器的不同：原苏联采用四滚子波发生器，日本采用余弦凸轮波发生器，生成的轮齿齿廓分别如图1.1和图1.2所示^【7】。这两种齿廓都存在着刚柔轮齿间不是严格共轭运动的缺陷，其中日本的“S”形齿由于齿廓生成过程中未考虑柔轮中性面法向的偏转，甚至存在着齿廓干涉现象。

图1.1原苏联基于四滚子波发生器生成的齿廓