諧波傳動(dòng)是50年代中期隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在薄殼彈性變形理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動(dòng)。該傳動(dòng)的基本原理由美國(guó)聯(lián)合制鞋公司研究顧問C. Walt Musser (1909~1998)于1955年提出。1960年，C. Walt Musser在發(fā)表于美國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)雜志的論文中使用了Harmonic Drive一詞，中文翻譯為諧波傳動(dòng)或諧波齒輪傳動(dòng)。

　　諧波傳動(dòng)通常由柔輪（Flexible Spline-FS）、剛輪(Circular Spline-CS)和波發(fā)生器(Wave Generator-WG)（稱為諧波傳動(dòng)三大件）組成，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果剛輪固定，則柔輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；如果柔輪固定，則剛輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于柔輪與剛輪齒數(shù)相差很少，因此可獲得很大的傳動(dòng)比。

　　經(jīng)過使用證實(shí)，諧波傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)相比較，具有運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、重量輕、體積小、承載能力大、效率高、容易實(shí)現(xiàn)零回差、并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn)。諧波齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是柔輪疲勞斷裂、柔性軸承損壞、齒面磨損或傳動(dòng)滑移，不過現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝可以保證諧波齒輪傳動(dòng)具有額定的工作壽命。

　　因此，諧波傳動(dòng)一出現(xiàn)即引起了各國(guó)的重視，目前在中國(guó)、日本、美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、烏克蘭和印度等國(guó)都有研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行此領(lǐng)域的研究工作。

　　諧波傳動(dòng)的應(yīng)用

　　目前，諧波傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、加工中心、雷達(dá)設(shè)備、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體工業(yè)晶圓傳送裝置、印刷包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、金屬成型機(jī)械、儀器儀表、光學(xué)制造設(shè)備、核設(shè)施以及空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域。例如：日本本田公司仿生機(jī)器人ASIMO的手臂與腿部至少使用了24套諧波傳動(dòng)裝置；美國(guó)NASA發(fā)射的火星機(jī)器人（圖2）每個(gè)則使用了19套諧波傳動(dòng)裝置；德法英聯(lián)合研制的空中客車上使用了諧波傳動(dòng)陣列來檢測(cè)飛機(jī)著陸時(shí)副翼的位置；安裝于夏威夷Mauna Kea山的Subaru望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用了264套諧波傳動(dòng)裝置，將8.2m口徑主鏡鏡面精度保持在0.1μm；為確保手術(shù)系統(tǒng)高精度定位與配合作業(yè)，在外科手術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用了各種型號(hào)的諧波傳動(dòng)。現(xiàn)在，約有90％的諧波傳動(dòng)應(yīng)用在機(jī)器人工業(yè)和精密定位系統(tǒng)中，諧波傳動(dòng)已成為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)部件。

　　諧波傳動(dòng)的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　我國(guó)從1961年開始諧波傳動(dòng)方面的研制工作，并且在研究、試制和使用方面取得了較大的成績(jī)。到目前為止，我國(guó)有幾十家單位從事這方面的研究工作，并先后研制成了多種類型的諧波齒輪傳動(dòng)裝置。如傳動(dòng)誤差小于9"、回差小于4"的高精度諧波齒輪傳動(dòng)裝置，噪聲小于45dB的高靈敏度小型諧波齒輪傳動(dòng)裝置，用于水下極光探測(cè)儀的諧波傳動(dòng)裝置，以及用于導(dǎo)彈發(fā)射架和雷達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力諧波傳動(dòng)裝置等，為我國(guó)諧波傳動(dòng)的研制和開發(fā)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

火星機(jī)器人

　　北京市是中國(guó)重要的諧波傳動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，擁有以北京中技克美諧波傳動(dòng)有限公司、北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所和北京天階科技工業(yè)公司等為代表的諧波傳動(dòng)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)單位。國(guó)內(nèi)諧波傳動(dòng)公司的產(chǎn)品已經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)和多種民用機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域，部分產(chǎn)品已出口國(guó)外，并開發(fā)成功固體潤(rùn)滑諧波傳動(dòng)和短杯諧波傳動(dòng)產(chǎn)品。

　　2006年，北京工商大學(xué)基于橢圓凸輪波發(fā)生器，開發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的諧波齒輪傳動(dòng)雙圓弧基本齒廓、諧波齒輪加工刀具以及雙圓弧諧波齒輪傳動(dòng)裝置。經(jīng)FEM分析顯示，雙圓弧齒形有效減小了柔輪齒根應(yīng)力。對(duì)比試驗(yàn)則表明，雙圓弧諧波齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度明顯優(yōu)于漸開線諧波齒輪傳動(dòng)，特別是在低載荷段，傳動(dòng)剛度增加了40%以上。

　　諧波傳動(dòng)的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　日本的諧波傳動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。1964年，日本Hasegawa齒輪公司生產(chǎn)了實(shí)用化諧波傳動(dòng)減速器；1970年，Hasegawa公司與USM公司在日本東京合資創(chuàng)立了諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司（Harmonic Drive System Inc.）。根據(jù)合作協(xié)議，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司從Hasegawa公司獲得諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)商業(yè)權(quán)益。1976年9月，公司資本金降至1億日元，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司成為USM公司的全資子公司。1977年，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司開始生產(chǎn)銷售驅(qū)動(dòng)器和控制器等工廠自動(dòng)化設(shè)備。1984年12月，為了拓展市場(chǎng)，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司在臺(tái)灣和韓國(guó)設(shè)置了銷售代理。1987年，其為拓展美國(guó)市場(chǎng)，創(chuàng)建了子公司HD System公司，與Mitsui & Co. Ltd 簽署了在韓國(guó)的產(chǎn)品分銷協(xié)議。1988年，開始生產(chǎn)具有新開發(fā)的IH齒形的諧波傳動(dòng)減速器。1989年，其創(chuàng)建全資子公司，即 “新的”諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，并轉(zhuǎn)移商業(yè)權(quán)益。以前的諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司被Koden電子公司接手。1990年，公司將生產(chǎn)基地從日本Matsumoto轉(zhuǎn)移至位于Nagano的Hotaka工廠，1996年與德國(guó)Harmonic Drive Antriebstechnik 公司（現(xiàn)在的Harmonic Drive 公司）簽署排他性分銷協(xié)議，后者負(fù)責(zé)在歐洲、中東、非洲、印度和拉丁美洲的產(chǎn)品銷售，同年12月簽署授權(quán)與技術(shù)支持協(xié)議。

微型諧波傳動(dòng)裝置

　　1998年，諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司進(jìn)入日本證券交易協(xié)會(huì)場(chǎng)外交易市場(chǎng)；1999年，創(chuàng)立了HD物流和Harmonic Precision等子公司。2002年，其獲得了Harmonic Drive 公司25%流通股權(quán)；2004年12月，進(jìn)入了Jasdaq證券交易市場(chǎng)；2005年，在美國(guó)創(chuàng)建Harmonic Drive L.L.C公司，該公司是HD Systems與Harmonic Drive Technologies Nabtesco的合資公司。

　　Harmonic Drive AG成立了子公司——Micromotion公司，專門負(fù)責(zé)用直接LIG工藝開發(fā)與制造微型諧波齒輪傳動(dòng)（圖3）及其傳動(dòng)方案，在微型諧波傳動(dòng)領(lǐng)域，于2005年向市場(chǎng)推出了“P”齒形，目前開發(fā)出了MHD8和MHD10兩個(gè)系列的產(chǎn)品，外徑最小為8mm，采用行星齒輪傳動(dòng)式波發(fā)生器，傳動(dòng)比為160、500和1000，質(zhì)量最小為2.2g，重復(fù)精度可達(dá)10弧秒。

　　由于傳統(tǒng)工藝能加工齒輪的最小模數(shù)為60~100m，因此微型諧波齒輪傳動(dòng)元件采用了LIGA工藝制造。LIGA工藝可以獲得高深寬比微結(jié)構(gòu)，它于1980年代起源于德國(guó)Karlsruhe原子核研究中心，是目前微型機(jī)系統(tǒng)（MEMS）加工的重要工藝。子公司Harmonic Drive Polymer公司專門負(fù)責(zé)用熱塑性塑料制造大減速比精密諧波齒輪傳動(dòng)的開發(fā)與制造，子公司Ovalo公司則負(fù)責(zé)大批量的生產(chǎn)與應(yīng)用，開發(fā)或?qū)⒂脩舳ㄖ频闹C波傳動(dòng)產(chǎn)品工業(yè)化。Harmonic Drive 公司還分別在英國(guó)、法國(guó)、意大利、澳大利亞和西班牙創(chuàng)建了另外5個(gè)子公司，以加強(qiáng)國(guó)際銷售和本土化服務(wù)。

CSD長(zhǎng)度為R系列的1/3

　　在諧波齒輪傳動(dòng)中采用雙圓弧齒廓，可以有效改善柔輪齒根的應(yīng)力狀況和傳動(dòng)嚙合質(zhì)量，提高承載能力、扭轉(zhuǎn)剛度和柔輪疲勞壽命，并可降低最小傳動(dòng)比。日本的IH齒形是基于余弦凸輪波發(fā)生器開發(fā)的雙圓弧齒形，由于采用近似方法設(shè)計(jì)，應(yīng)用初期出現(xiàn)了齒廓干涉等問題，但是到1990年代初期已經(jīng)基本完善。目前，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司的諧波產(chǎn)品有十幾個(gè)類型，二十多個(gè)系列，最小傳動(dòng)比為30，型號(hào)中帶有字母“S”的，其齒形為雙圓弧齒形，產(chǎn)品壟斷了主要國(guó)際市場(chǎng)。其中超短杯型號(hào)CSD（圖4）和SHD，其柔輪長(zhǎng)度僅有常規(guī)諧波傳動(dòng)柔輪的1/3，既增加傳動(dòng)剛度，又大幅度減輕了諧波減速器重量。此外，在諧波傳動(dòng)輕量化技術(shù)方面，采用鋁等輕合金材料制造波發(fā)生器與減速器殼體等方式，減薄剛輪外緣以及改進(jìn)連接結(jié)構(gòu)等形式，使整機(jī)重量大幅度減輕，在航空航天和機(jī)器人領(lǐng)域，其輕量化諧波傳動(dòng)產(chǎn)品系列的應(yīng)用日益廣泛。

　　自2000年開始，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司還在中國(guó)大陸注冊(cè)了11項(xiàng)與諧波傳動(dòng)相關(guān)的商標(biāo)，其中，僅2006年就申請(qǐng)注冊(cè)了10項(xiàng)。在研究投入方面，根據(jù)公司（Harmonic Drive System Inc.）2007年財(cái)報(bào)，減速器銷售額為150億日元，占公司產(chǎn)品的75.7%；公司有研究開發(fā)人員55人，占員工比例14.9%；研究開發(fā)費(fèi)用11.85億日元，占凈銷售額的6.2%。 

　　日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司通過持續(xù)深入的研究開發(fā)、規(guī)模化經(jīng)營(yíng)與資本運(yùn)作，促進(jìn)了新產(chǎn)品的開發(fā)和升級(jí)換代。目前，其諧波傳動(dòng)產(chǎn)品不僅壟斷了主要國(guó)際市場(chǎng)，并且進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)。與國(guó)外，主要是日本相比，國(guó)內(nèi)諧波傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小且產(chǎn)品種類少，研究開發(fā)人員和投入不足，在加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、加快新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)換代以及經(jīng)營(yíng)管理等方面，日本諧波傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司的發(fā)展可以作為有益的借鑒。