【《利用快速刀具伺服加工（FTS）技术的国内外研究情况文献综述》2100字】

利用快速刀具伺服加工（FTS）技术的国内外研究情况文献综述根据不同的驱动方式对FTS装置进行分类，可以将FTS装置大致分为以下五类：以压电陶瓷为驱动器的FTS装置(PZT-FTS)、以音圈电机为主的洛伦兹力驱动的FTS装置(LRI-FTS)、伺服电机驱动的FTS装置、以剪切力型电机为驱动器的麦克斯韦力型FTS（MNM-FTS）和磁致伸缩驱动型FTS(MGS-FTS)，在后续的国内外研究情况中，将着重介绍音圈电机为主的洛伦兹力驱动的FTS装置(LRI-FTS)。1.1国外研究情况在上世纪80年代中期，FTS加工技术率先由美国加州大学放射实验室-利弗莫尔分部（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）研制成功，当时的Patterson等人，利用压电叠堆设施产生的细微形变设计了刀具的进给装置，并利用柔性铰链推动令刀架轴向移动，主要目的是用于超精机床的误差补偿。后来的进一步研究并将该系统命名为FastToolServo，也就是快速刀具伺服系统。在Patterson等人之后，1991年北卡罗来纳州立大学（NorthCarolinaStateUniversity）的DowTA等人利用压电叠堆与柔性铰链共同配合，并对系统散热问题进行研究并改进了一款新的压电式FTSREF_Ref70612998\r\h[9]。Zdanowicz基于BuescherREF_Ref71812511\r\h[10]等人研究利用音圈电机作为驱动器通过气浮导轨实现了NRS曲面切削。美国AMETEK公司REF_Ref70613821\r\h[11]使用音圈电机与压电陶瓷进行配合，压电陶瓷产生小位移，音圈电机产生大位移，设计了包括FTS5000、FTS70/35在内的FTS装置，依据官网给出的数据，对应于不同的型号后缀，其最大行程有5000μm、70μm和35μm。美国的穆尔（Moore）公司的NFTS-6000型FTS装置，利用音圈电机作为驱动装置，导向机构选用空气静压导轨，实现了可达6mm的超长行程，并实现了在机床的Y向上微小位移的能力，为加工提供便利，其FTS的装置如图1.4所示。图1.4NTFS-6000装置DavidChih-YanMa和DavidLTrumperREF_Ref70614481\r\h[12]设计了旋转类型的FTS系统，他们利用前馈控制算法的优点并结合使用了PID控制算法，减小了跟踪误差。目前FTS已经被广泛应用于商业领域，如美国AMETEK公司的FTS5000以及FTS70/35产品。AMETEK公司为消费者提供了其公司产品的加工样件，加工出的微透镜阵列表面如图1.5所示REF_Ref70614564\r\h[13]REF_Ref71812524\r\h[14]。图1.5微透镜阵列表面1.2国内研究情况张湘等人设计了一种以“压电陶瓷+柔性铰链”为结构的快刀驱动装置，利用有限元进行了模态分析及刚度测试，设计出了一种高精度高分辨率的FTS装置，驱动装置部分如图1.5所示REF_Ref71812539\r\h[15]。图1.6驱动装置结构周晓勤教授课题组的刘强设计出利用音圈电机驱动的双自由度FTS装置，实现沿X向及Z向联动，并提出了一种新的端面对刀方法，并使刀具位置可调REF_Ref71812903\r\h[16]，刀具调整结构如图1.7所示。图1.7梯形刀具调节装置朱志伟等人通过将整数阶拓展到分数阶，并采用了重复控制算法，使两种算法相融合，并通过数值仿真，得到的仿真数据显示：无论是阶跃响应时间还是跟踪误差，分数阶条件下的FTS装置响应速度及跟踪的精度方面都有了很大提升，验证了这方法适用于FTS装置REF_Ref71812915\r\h[17]。刘春芳等人也同样采用了分数阶PID控制算法，其使用的驱动器是永磁直线式电机，通过仿真分析，提升了系统整体的抗干扰特性REF_Ref71812925\r\h[18]。聂雅慧等人使用麦克斯韦电机作为驱动器，依据麦克斯韦力型电机的特点，提出并设计了一种大带宽驱动模型，用电磁场有限元分析进行了FTS伺服装置的设计REF_Ref71812933\r\h[19]，MNM-FTS加工现场如图1.8所示。图1.8MNM-FTS加工时现场周荣晶等人希望得到一种高精度大行程的FTS装置（Long-rangefasttoolservo,以下简称为LFTS），设计了一款音圈电机和压电叠堆混合驱动的装置，音圈电机具有行程大的特点，再利用压电进行实时补偿，通过有限元分析以及样机的实验，最终实现了LFTS装置REF_Ref71812945\r\h[20]，其三维模型如图1.9所示。图1.9装置的三维模型通过国内外研究人员的研究中可以看出：在上世纪时期，国内外研究人员普遍将目光聚焦在如何制造出有着大行程高频响的FTS装置上，对FTS装置的控制算法研究相对较少，早期的FTS装置主要是靠压电叠堆装置驱动，而渐渐的开始出现音圈电机洛伦兹力型，以及麦克斯韦力型等等。而随着时间的推移，渐渐的研究学者们开始把目光聚焦在如何通过控制算法，有限元分析等等使FTS装置有着更好的性能。目前较好的并已经商用的FTS装置大都有着较好的一阶固有频率，小行程的压电驱动FTS装置普遍精度非常高，而采用洛伦兹力方式驱动的行程最大可达6mm。也有不少学者不局限于单一的驱动器，而是将压电结构与音圈电机结合起来，往往能有更好的效果。在控制程序上面，学者们利用PID控制以及模糊控制或是重复控制的几种控制方式相结合，以达到更好更精准的控制效果。参考文献张祥朝,徐敏.面向精密制造的光学自由曲面在位偏折测量技术[J].光电工程,2020,47(08):74-83.黄鸿辉.光学自由曲面超精密车铣加工运动学分析及仿真研究[D].哈尔滨工业大学,2017.吴丹,赵彤,陈恳.快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J].控制理论与应用,2013,30(12):1534-1542.宋凯琪.大行程高频响快速刀具伺服系统的研究[D].哈尔滨工业大学,2017.田莺.数控机床精度快速评定装置的研制[D].华中科技大学,2011.L.B.Kong,C.F.Cheung,W.B.Lee.Atheoreticalandexperimentalinvestigationoforthogonalslowtoolservomachiningofwavymicrostructuredpatternsonprecisionrollers[J].PrecisionEngineering,2016,43.黄岳田.单点金刚石车削复杂曲面技术研究[D].中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所),2019.侯强.测力型快速刀具伺服系统的理论与实验研究[D].吉林大学,2017.DowTA,MillerMH,FalterPJ.ApplicationofaFastToolServoforDiamondTurningofNon-rotationallySymmetricSurfaces[J].PrecisionEngineering,1991,13(4):2432250.ScheidingSebastian,YiAllenY,GebhardtAndreas,LiLei,RisseStefan,EberhardtRamona,TünnermannAndreas.Freeformmanufacturingofamicroopticallensarrayonasteepcurvedsubstratebyuseofavoicecoilfasttoolservo.[J].Opticsexpress,2011,19(24).Precitech.ThePrecitechServoToolServosystems[EB/OL]./product/accessoriesoverview/fasttoolservo，2019.MaDCY.Designandimplementationofarotaryfasttoolservoforaturningmachine[D].MassachusettsInstituteofTechnology,1998.R.Kirk，J.Roblee.FreeformMachiningwithPrecitechServoToolOptions[EB/OL]./F