谐波齿轮传动是我国高新技术产业的关键领域,它优越的性能关系着新兴机器人领域、尖端武器装备以及航空航天等领域的快速发展。但是其技术和材料受到国外封锁,故自主研发高精度高刚度的谐波减速器是我国精密器械领域亟待解决的关键问题。要获得高性能的谐波减速器就需要优化其各核心零部件的结构及参数,特别是加深对柔轮的变形机理和力学特性的研究。同时为了扩大谐波减速器的应用范围,有必要对其进行小型化和集成化设计。优化小型柔轮的各项指标,提出针对性的尺寸补偿方案,对提高减速器的性能和寿命具有重要意义。本文以某型号工业机器人关节谐波减速器为研究对象,基于响应面试验方法,建立谐波减速器的参数化有限元模型,探究谐波减速器小型化设计的方案,并对其核心部件进行结构优化设计。主要研究内容如下:(1)谐波减速器变形机理研究及力学特性分析。基于圆环理论对柔轮的变形机理和负载状态下的应力应变进行了分析,探究影响柔轮力学性能的关键参数;建立了柔轮弹性齿圈的微分模型,从理论上研究了柔轮弹性齿圈的微分方程,并对微分方程进行了修正。(2)建立谐波减速器的参数化模型并分析其变形情况和应力特性。基于响应面优化设计试验方法,对柔轮和波发生器等关键零部件进行了设计和参数化建模。对比验证了带齿模型和齿圈等效模型两种方案。同时综合分析了柔轮各个方向的变形特性和应力情况,并对啮合状态下柔轮结构参数改变对其变形和应力的影响进行了分析。(3)谐波减速器小型化设计研究。探究柔轮半径、径向变形量、长径比和厚径比四个因素对柔轮应力和刚度的影响规律,并分析多个结构参数对应力和刚度的耦合影响。同时根据各参数对应力的灵敏度,得出谐波减速器小型化设计过程中的尺寸补偿方法,并运用最小二乘法对结果进行回归拟合。(4)对谐波减速器核心部件的结构进行优化设计分析。首先对柔轮的关键圆角结构进行了优化设计;然后在柔轮杯底设计拔模特征,分析该特征对柔轮力学性能的改善情况;其次探究非标准椭圆凸轮的设计方案,提出了具有普适性的参数化分析方法;最后进一步优化了模型,建立了包含刚轮和柔轮齿形特征的谐波减速器模型分析啮合状态下柔轮结构参数变化对其应力和变形的影响,为综合柔轮和刚轮的啮合特性下谐波减速器的优化设计建立基础。