光学自由曲面快速刀具伺服加工技术的研究进展

第35卷?第11期?2013-11(上)?【69】

光学自由曲面快速刀具伺服加工技术的研究进展

Development process of fast tool servo assisted freeform optical

surfaces fabrication technology

徐 兵1，王 翠2，刘 强3

XU Bing 1, WANG Cui 2, LIU Qiang 3

（1. 长春工业大学 机电工程学院，长春 130012；2. 吉林交通职业技术学院 工程机械分院，长春 130012；

3. 吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130025）

摘 要：基于快速刀具伺服(FTS)的金刚石车削加工技术是光学自由曲面高精密、高效率的加工手段，

本文介绍了FTS技术刀具路径生成方法及轨迹跟踪控制算法的发展和应用情况，阐述了FTS系统在使用不同的控制算法时的轨迹跟踪能力；分析了刀具路径生成方法的研究进展。指出超大行程和超高频响是FTS发展的两个方向，将促进FTS在大幅值不对称曲面和微结构曲面加工中的应用。

关键词：快速刀具伺服；光学自由曲面；刀具轨迹跟踪控制算法；刀具路径中图分类号：TH164 文献标识码：A?文章编号：1009-0134(2013)11(上)-0069-06Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.11(上).20

收稿日期：2013-06-28

基金项目：国家自然科学基金：光学自由曲面主动调制车削新方法的研究（51175221）；国家自然科学基金：非共振三 维椭圆金刚石飞切光学自由曲面新方法的研究（51075041）

作者简介：徐兵（1965 -），男，硕士，副教授，研究方向为复杂精密零件的数控加工。

0 引言

自由曲面类光学元件可以显著提高光学利用率、减少光学系统中光学元件的数量等优点，在民生、国防以及航空航天中都有大量的应用需求。过去几年，欧美市场上自由曲面类元件以每年20%左右的比例增长，相关的加工产业也大量增加[1]。在光学自由曲面的加工技术中，基于快速刀具伺服（Fast Tool Servo，简称FTS）的金刚石车削加工技术具有诸多优点：加工精度高，表面质量好，适合于加工光学类元件；加工效率高，成本低；能够一次装夹加工成型，保证基准定位面，利于光学系统的装配和调整等。

F T S 原型首先出现在美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）[2]，其后引起了国内外学术界和工程界的广泛关注，经过近三十年的发展，FTS技术已取得很大的研究进展，部分成果已用于商业生产。美国的MIT、北卡莱罗纳州立大学、Moore公司和Precitech公司、德国不莱梅大学、日本东北大学、新加坡国立大学等单位，国内的清华大学、天津大学、哈工大、国防科大、大连理工等单位在FTS研究和应用方面做了大量的研究工作。吉林大学机械学院对FTS技术进行了较为深入的研究，设计多套不同自由度的FTS装置，

针对FTS技术首次提出了变进给的刀具路径生方法，在FTS轨迹跟踪控制方面也有不错的成果。

FTS技术的工作原理如图1所示，机床主轴带动工件旋转，FTS驱动金刚石刀具在工件被加工表面快速往复运动实现不同深度的切削，获得所需自由曲面，FTS运动频率根据被加工曲面的凸凹特性与机床主轴转速成整数倍关系。由于FTS可以实现几百甚至几千赫兹的工作频率，机床主轴具有较高的

转速，从而获得比其他加工方法更高的加工效率。

图1 FTS加工技术的工作原理

FTS技术的研究方向主要包括：FTS机构的研制，刀具的路径规划和轨迹跟踪控制算法的研究等方面。其中，MIT、吉林大学、清华大学[3]等单位分别对FTS机构的研究进展情况进行了总结和分析，并根据FTS驱动器的工作原理将FTS分为四类：压电型FTS、磁致伸缩型FTS、洛伦兹力FTS 和麦克斯韦力型FTS。本文主要介绍FTS技术在刀具路径和轨迹跟踪控制算法方面的研究进展。