This paper presents a fast tool servo (FTS) driven by a voice coil motor (VCM) with a function of self-sensing of cutting forces. Conventionally, cutting force measurement associated with a FTS system is made by integrating an additional force sensor or a dynamometer, which would make the system complicated and influence the dynamic performance of the FTS. Differing from the conventional method, the force measurement in the proposed system is achieved by detecting the current of the VCM and then obtaining the cutting force based on the electromagnetic field distribution of the VCM. Since it is not necessary to integrate additional force sensors, the main body of the FTS could be compact and the dynamics of the FTS would not be influenced by the added function of force measurement. The FTS mainly consists of an air bearing guide driven by a VCM with a stroke of 2.5 mm, an optical encoders feedback system for precision positioning and a hall current sensor for current measurement. To obtain forces from the measured currents, the magnetic field distribution of the VCM is figured out and the nonlinear relationship between the position and the magnetic field distribution is corrected. The basic performances of the FTS for positioning and force measurement were experimentally investigated. It is shown that the system could have a positioning resolution of 20 nm and a force self-sensing resolution of 5 mN based on the proposed method. The proposed method provides a new way for in-process cutting force measurement associated with FTS systems.

本文提出了一种由音圈电机（VCM）驱动的快速工具伺服系统（FTS），它具有切削力的自动感应功能。传统上，与FTS系统相关的切削力测量是通过集成附加的力传感器或测力计来进行的，这将使系统复杂并影响FTS的动态性能。与常规方法不同，所提出的系统中的力测量是通过检测VCM的电流，然后基于VCM的电磁场分布获得切削力来实现的。由于不必集成额外的力传感器，因此FTS的主体可以紧凑，并且FTS的动力学不受力测量功能的影响。FTS主要包括由VCM驱动，行程为2.5 mm的空气轴承导轨，用于精确定位的光学编码器反馈系统以及用于电流测量的霍尔电流传感器。为了从测得的电流中获得力，需要计算出VCM的磁场分布，并校正位置和磁场分布之间的非线性关系。实验研究了FTS在定位和测力方面的基本性能。结果表明，基于所提出的方法，该系统的定位分辨率为20 nm，力自感应分辨率为5 mN。所提出的方法为与FTS系统相关的过程中切削力测量提供了一种新方法。用于精确定位的光学编码器反馈系统和用于电流测量的霍尔电流传感器。为了从测得的电流中获得力，需要计算出VCM的磁场分布，并校正位置和磁场分布之间的非线性关系。实验研究了FTS在定位和测力方面的基本性能。结果表明，基于所提出的方法，该系统的定位分辨率为20 nm，力自感应分辨率为5 mN。所提出的方法为与FTS系统相关的过程中切削力测量提供了一种新方法。用于精确定位的光学编码器反馈系统和用于电流测量的霍尔电流传感器。为了从测得的电流中获得力，需要计算出VCM的磁场分布，并校正位置和磁场分布之间的非线性关系。实验研究了FTS在定位和测力方面的基本性能。结果表明，基于所提出的方法，该系统的定位分辨率为20 nm，力自感应分辨率为5 mN。所提出的方法为与FTS系统相关的过程中切削力测量提供了一种新方法。计算出VCM的磁场分布，并修正位置与磁场分布之间的非线性关系。实验研究了FTS在定位和测力方面的基本性能。结果表明，基于所提出的方法，该系统的定位分辨率为20 nm，力自感应分辨率为5 mN。所提出的方法为与FTS系统相关的过程中切削力测量提供了一种新方法。计算出VCM的磁场分布，并校正位置与磁场分布之间的非线性关系。实验研究了FTS在定位和测力方面的基本性能。结果表明，基于所提出的方法，该系统的定位分辨率为20 nm，力自感应分辨率为5 mN。所提出的方法为与FTS系统相关的过程中切削力测量提供了一种新方法。