CN111872746B - 一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构 - Google Patents

一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构，其包括基体、单轴力检测柔性机构、双轴力检测柔性机构、三轴力检测柔性机构以及多个位移检测装置，单轴力检测柔性机构、双轴力检测柔性机构、三轴力检测柔性机构均设置有刀架和刀具，根据不同的需要，在基体安装对应的力检测柔性机构以及位移检测装置并进行检测，所述位移检测装置设置在对应的力检测柔性机构的检测端。本发明通过检测柔性机构因刀具受力在位移检测端产生的位移，依据受力与所产生位移的线性关系，实现力检测的功能。

Description

一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构。
背景技术
随着超精密技术的发展，特殊领域对光学三维自由表面的复杂程度要求越来越高，对微结构的高性能制造需求与日俱增。
切削力是反映切削状态的重要指标，切削力实时检测已被广泛用作识别或监视切削过程的动态行为和切削工具状况。主要应用有以下三点：
(1)表征，建模和优化切割过程；了解金属切削机理，例如切削变量对切削力的影响，然后使工艺规划者能够确定最佳切削条件，例如切削速度和进给速度。
(2)监视切削刀具的状况，例如刀具的偏斜和破损；预测实时工具磨损和工具故障；分析刀具和机床的应力；验证尺寸，表面位置误差和表面光洁度是否符合其几何公差。
(3)检测振动的颤动和切削过程的稳定性，提供有用的信息，这些信息可用于刀具，机床及其主轴轴承的机械设计。
对切削力进行实时检测并及时做出调整以达到控制切削力的效果，可以实现更高的加工精度。近年来，已经开发了几种使用金刚石工具来制造微结构和槽的技术。然而，大多数只能在严格的环境条件和非常复杂的控制系统下，或使用超高精度运动机构，以实现所需的纳米/微米级精度。这主要是因为常规切削通过其进给机构来设置切削深度，因此所生产零件的精确度直接取决于制造机器所涉及的精度。这种不变的一个解决方案是实施恒定力切削过程，其主要目的是控制施加在工件上的切削力恒定，以便形成具有恒定切削深度的微尺度结构。目前已经实现通过控制法向切削力恒定，在斜平面和曲面上加工恒定深度的沟槽。
目前的三维力检测方法有基于柔性触觉传感器阵列的三维力检测方法、基于电磁感应的三维力检测方法、电容式三维力检测方法等，上述方法所涉及装置都有体积大、结构不灵巧等缺点；同时，上述方法三维力检测精度普遍不高，而超精密加工却有超低切削力的特点，同样存在不可调和的矛盾。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构，其可分别安装使用单轴、双轴和三轴力检测柔性机构，通过集成电容式位移传感器的位移检测装置检测到柔性机构在一个、两个和三个方向的位移变化，并通过力与位移的线性关系，将位移变化及大小转化为受力变化及大小，实现单轴、双轴及三轴的力检测功能。
本发明的目的是这样实现的：
一种可实现单轴力检测功能的机械柔性机构，包括：
基体，用于固定在检测平台之上，并安装单力检测柔性机构以及位移检测装置；
单轴力检测柔性机构，其包括一受力块A，受力块A的两侧通过第一柔性铰链对称设置有固定块A，受力块A的一端为检测端；
位移检测装置，均包括固定于基体上的位移安装座和位移传感器，所述位移传感器设置在单轴力检测柔性机构的检测端，用于检测检测端发生的位移量以及受力情况；
刀架，用于安装刀具，并固定在受力块A上。
优选地，所述检测端固定有套筒，套筒套装在位移安装座的外侧，并包裹住位移传感器，防止位移传感器的探头暴露在空气中。
优选地，所述第一柔性铰链为直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链包括一矩形块，矩形块的两侧壁上镜像对称开设有两组半圆孔。
优选地，所述基体的安装面为XY平面，宽度方向为X轴方向、高度方向为Y轴方向，安装面的中部开设有沿Z轴方向的主安装孔，所述主安装孔安装有Z向位移检测装置；
当单轴力检测柔性机构用于检测Z轴方向的力时，所述受力块A通过对称布置的两排第一柔性铰链与固定块A相连，并沿X轴方向分布，其中，第一柔性铰链的半圆孔的轴线沿Y轴方向设置；所述Z向位移检测装置对着受力块A的背面。
一种可实现双轴检测功能的机械柔性机构，其特征在于,包括：
基体，用于固定在检测平台之上，并安装双轴力检测柔性机构以及位移检测装置；
双轴力检测柔性机构，其包括一受力块B，受力块B的两侧通过第二柔性铰链对称设置有连接块B，连接块B的两侧通过第三柔性铰链对称设置有固定块B，连接块B、受力块B的一端均为检测端；
两个位移检测装置，均包括固定于基体上的位移安装座和位移传感器，所述位移传感器设置在双轴力检测柔性机构的检测端，用于检测检测端发生的位移量以及受力情况；
刀架，用于安装刀具，并固定在受力块B上。
优选地，所述第二柔性铰链和第三柔性铰链均为直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链包括一矩形块，矩形块的两侧壁上镜像对称开设有两组半圆孔。
优选地，当双轴力检测柔性机构用于检测X/Z轴方向的力时，所述受力块B通过对称布置的两排第二柔性铰链与连接块B相连，并沿X轴方向分布，其中，第二柔性铰链的半圆孔的轴线沿Y轴方向设置；Z向位移检测装置安装在主安装孔内并对着受力块B的背面；
所述连接块B、第三柔性铰链以及固定块B沿Y轴方向分布，其中，第三柔性铰链的半圆孔的轴线沿Z轴方向设置；连接块B一侧的基体上设置有X向位移检测装置。
一种可实现三轴检测功能的机械柔性机构，其特征在于,包括：
基体，用于固定在检测平台之上，并安装三检测柔性机构以及位移检测装置；
三轴力检测柔性机构，其包括一受力块C，受力块C相邻的两侧面分别通过第五柔性铰链设置有连接块C，两连接块C通过第四柔性铰链连接同一固定块C，两连接块C、受力块C的一端均为检测端；
三个位移检测装置，均包括固定于基体上的位移安装座和位移传感器，所述位移传感器设置在三轴力检测柔性机构的检测端，用于检测检测端发生的位移量以及受力情况；
刀架，用于安装刀具，并固定在受力块C上。
优选地，所述第四柔性铰链为直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链包括一矩形块，矩形块的两侧壁上镜像对称开设有两组半圆孔；
所述第五柔性铰链为棱柱，其上下两端部的每个面上分别开设有弧面，多个弧面相交后形成中间小、两头大的连接部。
优选地，当三轴力检测柔性机构用于检测X/Y/Z轴方向的力时，所述第五柔性铰链沿X/Y轴方向设置，且能实现受力块C的Z轴方向移动，Z向位移检测装置安装在主安装孔内并对着受力块C的背面；
所述连接块C通过两排第四柔性铰链与固定块C相连，所述第四柔性铰链沿X/Y轴方向设置，且其半圆孔的轴线沿Z轴方向设置，两连接块C一侧的基体上分别设置有X向位移检测装置和Y向位移检测装置。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
(1)本发明可携带刀具，且尺寸规模小，结合位移机构可用于加工大尺寸工件。
(2)本发明提供了单轴、双轴及三轴力检测柔性机构，可分别实现单轴、双轴及三轴的力检测功能，安装拆卸方便，可分别适用于不同加工场合。
(3)本发明提供的双轴和三轴力检测柔性机构，具有解耦效果，可通过检测一个方向的位移变化及大小精确求得此方向的受力变化及大小。
(4)本发明所述系统具有高灵敏度，单轴力检测柔性机构最小可识别Z向3mN切削力；双轴力检测柔性机构最小可识别X向2mN切削力，Z向2mN切削力；三轴力检测柔性机构最小可识别X向2mN切削力，Y向3mN切削力，Z向2mN切削力。
附图说明
图1为本发明中基体结构示意图，其中，(a)为基体正面结构示意图；(b)为基体反面结构示意图。
图2为本发明中实现单轴力检测功能的机械柔性机构示意图。
图3为本发明中单轴力检测柔性机构示意图。
图4为本发明中可实现双轴力检测功能的机械柔性机构示意图。
图5为本发明中双轴力检测柔性机构示意图。
图6为本发明中可实现三轴力检测功能的机械柔性机构示意图。
图7为本发明中三轴力检测柔性机构示意图。
图8为本发明中三轴位移检测装置的安装示意图，其中，(a)为X轴方向位移传感器安装示意图；(b)为Y轴方向位移传感器安装示意图；(c)为Z轴方向位移传感器安装示意图；
图9为本发明中三轴套筒安装结构示意图，其中，(a)为X轴方向套筒安装示意图；(b)为Y轴方向套筒安装示意图；(c)为Z轴方向套筒安装示意图；
图10为本发明实施例中单轴力检测柔性机构标定结果图，具体为位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线；
图11为本发明实施例中双轴力检测柔性机构标定结果图，其中，(a)为位移传感器检测到的X轴方向位移变化随X轴方向作用动态力变化曲线；(b)为位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线；
图12为本发明实施例中三轴力检测柔性机构标定结果图，其中，(a)为位移传感器检测到的X轴方向位移变化随X轴方向作用动态力变化曲线；(b)为位移传感器检测到的Y轴方向位移变化随Y轴方向作用动态力变化曲线；(c)为位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线。
图中标号所表示的含义：
1-基体；2-套筒；3-固定块A；4-第一柔性铰链；5-受力块A；6-刀架；7-刀具；
8-固定块B；10-第三柔性铰链；11-连接块B；12-第二柔性铰链；13-受力块B；
17-连接块C；18-第四柔性铰链；19-第五柔性铰链；20-受力块C；22-固定块C；
27-安装块；28-位移安装座；29-位移传感器；
31-X向位移检测装置；32-Y向位移检测装置；33-Z向位移检测装置；
41-矩形块；42-半圆孔；43-连接部；
51-主安装孔；52-第一安装孔；53-第二安装孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
一种可实现单轴、双轴及三轴力检测功能的机械柔性机构，包括：
基体1，如图1所示，用于固定在检测平台之上，并可拆卸安装不同的力检测柔性机构以及位移检测装置,所述力检测柔性机构分为单轴力检测柔性机构、双轴力检测柔性机构以及三轴力检测柔性机构，可根据需要检测轴向力的数量来选择对应的力检测柔性机构并安装在基体1上。所述力检测柔性机构主要包括安装刀架6的受力块、安装在基体1上的固定块以及连接两者的柔性铰链，所述刀架6上安装刀具7，受力块、刀架6和刀具7是固定安装的，即刀具7发生位移时，受力块也会发生位移。所述柔性铰链用于限制受力块的自由度并使受力块沿所需方向位移。
为了更好的检测多个轴向的位移以及受力变化，在双轴力检测柔性机构以及三轴力检测柔性机构还增加了连接块，连接块通过不同的柔性铰链分别连接受力块以及固定块，并使其产生解耦效果，更加准确的检测对应轴向的位移以及受力变化。
为了更好的解释，所述基体1的安装面定义为XY平面，宽度方向为X轴方向、高度方向为Y轴方向，垂直于安装面的轴线方向定义为Z轴方向。
所述基体1的安装面的中部开设有沿Z轴方向的主安装孔51，主安装孔51为通孔，所述主安装孔51用于安装Z向位移检测装置33。所述基体1上还开设了安装固定块的若干第一安装孔52以及固定安装块27的第四安装孔，第一安装孔52和第四安装孔均为螺纹孔或者通孔。
如图8所示，所述位移检测装置分为X向位移检测装置31、Y向位移检测装置32和Z向位移检测装置33，它们分别检测X向轴向力、Y向轴向力以及Z向轴向力。每个位移检测装置均包括固定于基体1上的位移安装座28和位移传感器29，所述位移安装座28包括一中空的座主体，座主体的一端设置有安装环，安装环上设置有第三安装孔，并通过螺钉固定在对应的基体1或者安装块27上。所述座主体的另一端安装有所述位移传感器29，所述位移传感器29优选为电容式位移传感器。根据检测需要，将对应的位移传感器29设置在对应的力检测柔性机构的检测端，用于检测刀具7受力时，在检测端产生的位移以及受力变化，依据受力与所产生位移的线性关系，将检测到的位移变化及大小转化为受力变化及大小，实现力检测的功能。
如图9所示，所述检测端固定有套筒2，套筒2套装在位移安装座28的外侧，并包裹住位移传感器29，防止位移传感器29的探头暴露在空气中。
如图8(a)所示，为X向位移检测装置31，所述位移安装座28通过安装块27固定在基座1左侧或者右侧上，为了方便安装，所述安装块27的一端凸出安装部，并通过螺钉固定固定在基座1左侧或者右侧的第四安装孔上。
如图8(b)所示，为Y向位移检测装置32，所述位移安装座28通过安装块27固定在基座1上端或者下端的第四安装孔上。
如图8(c)所示，为Z向位移检测装置33，所述位移安装座28的安装环直接通过螺钉固定在基座1上。具体地，所述基体1的安装面的中部开设有沿Z轴方向的主安装孔51，主安装孔51为通孔，所述座主体穿过主安装孔51，并把位移传感器29设置于基体1的安装面。
下面具体介绍力检测柔性机构：
【单轴力检测柔性机构】
单轴力检测柔性机构，如图2-3所示，其包括一受力块A5，受力块A5为U型块，其中部设置有刀架6和刀具7，其两侧通过第一柔性铰链4对称设置有固定块A3，所述固定块A3上开设有第二安装孔53，并通过紧固件固定在基座1的第一安装孔52内。紧固件优选螺钉，并螺纹固定在第一安装孔52内。所述受力块A5的一端为检测端。所述单轴力检测柔性机构呈一字型分布。
所述第一柔性铰链4为直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链包括一矩形块41，矩形块41的两侧壁上镜像对称开设有两组半圆孔42。具体地，两组半圆孔42分别设置在矩形块41的两端，该端部用于连接受力块A5和固定块A3，每组半圆孔42包括两个镜像对称设置在矩形块41两侧壁的半圆孔。优选地，所述直圆型柔性铰链与受力块A5以及固定块A3一体设置。
在本实施例中，在设置直圆型柔性铰链时，半圆孔所在的侧面始终垂直于检测的轴向力方向。即：
第一种情况，当单轴力检测柔性机构用于检测Z轴方向的力时，所述受力块A5通过对称布置的两排第一柔性铰链4与固定块A3相连，且整体沿X轴方向分布，其中，第一柔性铰链4的半圆孔42的轴线沿Y轴方向设置，即半圆孔所在的侧面垂直于检测的Z轴方向的力。所述Z向位移检测装置33安装在主安装孔51内并对着受力块A5的背面，如图9(c)所示，所述受力块A5的背面设置有套筒2。
当刀具7受到Z轴方向的力时，受力块A5会产生Z向位移，并可在检测端检测到相应位移。刀具受力时，受力块A5沿X、Y向的运动，沿X、Y、Z轴的转动会被柔性结构本身所约束。
为验证单轴力检测柔性机构的位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化呈线性关系，求得线性系数，并测得最小分辨力，进行力检测标定实验。标定方式是沿Z轴输入不同的动态力，检测Z轴方向位移传感器输出位移变化，得到位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线。
沿Z轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.819.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[16.4548 32.9052 81.9898 164.5213]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 16.4548 32.9052 81.9898 164.5213
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果为D＝1.6785*F-0.0533。如图10所示，位移传感器检测到的Z轴方向位移变化与沿Z轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别Z轴方向的受力大小为2.41mN。
另外，在本实施例第一种情况中，通过改变基体1的位置，使得单轴力检测柔性机构的检测方向对应待检测力方向，即可满足检测任意方向的轴向力检测。
若不改变基体1的位置，还存在以下方式检测其他轴向力：
第二种情况，当单轴力检测柔性机构用于检测X轴方向的力时，所述受力块A5通过对称布置的两排第一柔性铰链4与固定块A3相连，且整体沿Y轴方向分布，其中，第一柔性铰链4的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置；所述X向位移检测装置31安装在受力块A5的左/右端的基座1上(图中未画出)。
第三种情况，当单轴力检测柔性机构用于检测Y轴方向的力时，所述受力块A5通过对称布置的两排第一柔性铰链4与固定块A3相连，且整体沿X轴方向分布，其中，第一柔性铰链4的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置；所述Y向位移检测装置32安装在受力块A5的上/下端的基座1上(图中未画出)。
【双轴力检测柔性机构】
双轴力检测柔性机构，如图4-5所示，其包括一受力块B13，受力块B13为U型块，其中部设置有刀架6和刀具7，受力块B13的两侧通过第二柔性铰链12对称设置有连接块B11，连接块B11的两侧通过第三柔性铰链10对称设置有固定块B8，所述固定块B8上开设有第二安装孔53，并通过紧固件固定在基座1的第一安装孔52内。第二柔性铰链12和第三柔性铰链10为直圆型柔性铰链。连接块B11、受力块B13的一端均为检测端。如图9(c)所示，所述受力块A5的背面设置有套筒2；如图9(a)所示，连接块B11的外侧设置有套筒2。所述双轴力检测柔性机构，采用对称柔性设计思想，具有双轴解耦效果。
第一种情况，如图4-5所示，当双轴力检测柔性机构用于检测X/Z轴方向的力时，所述双轴力检测柔性机构呈H型分布，所述受力块B13通过对称布置的两排第二柔性铰链12与连接块B11相连，并沿X轴方向分布，其中，第二柔性铰链12的半圆孔42的轴线沿Y轴方向设置，即半圆孔所在的侧面垂直于检测的Z轴方向的力。Z向位移检测装置33安装在主安装孔51内并对着受力块B13的背面。
所述连接块B11、第三柔性铰链10以及固定块B8沿Y轴方向分布，并与受力块B13、第二柔性铰链12以及连接块B11形成的部分垂直，其中，第三柔性铰链10的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置，即半圆孔所在的侧面垂直于检测的X轴方向的力。其中一连接块B11一侧的基体1上设置有X向位移检测装置31。当然，另一连接块B11一侧的基体1上也可以设置X向位移检测装置31，使测量更加精确。
当刀具7受到X、Z向的力时，受力块B13会产生X、Z向位移，并可在相应检测端检测到相应位移。刀具受力时，受力端沿Y向的运动，沿X、Y、Z轴的转动会被柔性结构本身所约束。
为验证双轴力检测柔性机构的位移传感器检测到的X、Z轴方向位移变化分别随X、Z轴方向作用动态力变化呈线性关系，求得相应轴的线性系数，并测得相应轴的最小分辨力，进行力检测标定实验。标定方式是分别沿X、Z轴输入不同的动态力，检测相应轴向位移传感器输出位移变化。
沿X轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.8、19.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[20.5384 36.7723 90.4907187.8377]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 20.5384 36.7723 90.4907 187.8377
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果为D＝1.9045*F-0.0784。得到位移传感器检测到的X轴方向位移变化随X轴方向作用动态力变化曲线，如图11(a)所示，位移传感器检测到的X轴方向位移变化与沿Z轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别X轴方向的受力大小为2.14mN。
沿Z轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.819.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[24.4040 49.0593 118.7180239.9147]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 24.4040 49.0593 118.7180 239.9147
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果D＝2.4382*F+0.4990。得到位移传感器检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线，如图11(b)所示，位移传感器检测到的Z轴方向位移变化与沿Z轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别Z轴方向的受力大小为1.44mN。
另外，在本实施例第一种情况中，通过改变基体1的位置，使得双轴力检测柔性机构的检测方向对应待检测力方向，即可满足检测Y/Z轴方向以及X/Y轴方向的轴向力检测。
若不改变基体1的位置，还存在以下方式检测其他轴向力：
第二种情况，当双轴力检测柔性机构用于检测Y/Z轴方向的力时，只要将第一种结构转动90度安装即可，即，所述双轴力检测柔性机构呈工字型分布，所述受力块B13通过对称布置的两排第二柔性铰链12与连接块B11相连，并沿Y轴方向分布，其中，第二柔性铰链12的半圆孔42的轴线沿X轴方向设置，即半圆孔所在的侧面始终垂直于检测的Z轴方向的力。Z向位移检测装置33安装在主安装孔51内并对着受力块B13的背面。
所述连接块B11、第三柔性铰链10以及固定块B8呈X轴方向分布，其中，第三柔性铰链10的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置，即半圆孔所在的侧面始终垂直于检测的Y轴方向的力。连接块B11一侧的基体1上设置有Y向位移检测装置32。
第三种情况，当双轴力检测柔性机构用于检测X/Y轴方向的力时，只要将第一种结构中的第二柔性铰链12的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置即可,即，所述受力块B13通过对称布置的两排第二柔性铰链12与连接块B11相连，并沿X轴方向分布，其中，第二柔性铰链12的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置，即半圆孔所在的侧面垂直于检测的Y轴方向的力。所述受力块B13的上/下端设置有Y向位移检测装置32。
所述连接块B11、第三柔性铰链10以及固定块B8沿Y轴方向分布，其中，第三柔性铰链10的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置，即半圆孔所在的侧面始终垂直于检测的X轴方向的力。连接块B11一侧的基体1上设置有X向位移检测装置31。
【三轴力检测柔性机构】
三轴力检测柔性机构，如图6-7所示，其包括一受力块C20，受力块C20相邻的两侧面分别通过第五柔性铰链19设置有连接块C17，所述第五柔性铰链19为棱柱型柔性铰链，棱柱型柔性铰链为一棱柱，其上下两端部的每个面上分别开设有弧面，多个弧面相交后形成中间小、两头大的连接部43。本实施例中，每个受力块C20和连接块C17之间设置有四个棱柱型柔性铰链，并分布的四角。两连接块C17通过第四柔性铰链18连接同一固定块C22，第四柔性铰链18为直圆型柔性铰链。所述固定块C22上开设有第二安装孔53，并通过紧固件固定在基座1的第一安装孔52内。两连接块C17、受力块C20的一端均为检测端。所述三轴力检测柔性机构呈口字型分布。所述三轴力检测柔性机构，采用对称柔性设计思想，具有三轴解耦效果。
具体地，当三轴力检测柔性机构用于检测X/Y/Z轴方向的力时，所述第五柔性铰链19沿X/Y轴方向设置，且能实现受力块C20的Z轴方向移动，Z向位移检测装置33安装在主安装孔51内并对着受力块C20的背面。
所述连接块C17通过两排第四柔性铰链18与固定块C22相连，所述第四柔性铰链18沿X/Y轴方向设置，且其的半圆孔42的轴线沿Z轴方向设置，两连接块C17一侧的基体1上分别设置有X向位移检测装置31和Y向位移检测装置32。
当刀具7受到X、Y、Z向的力时，受力端会产生X、Y、Z向位移，并可在相应检测端检测到相应位移。刀具受力时，受力端沿X、Y、Z轴的转动会被柔性结构本身所约束。
为验证三轴力检测柔性机构位移传感器检测到的X、Y、Z轴方向位移变化分别随X、Y、Z轴方向作用动态力变化呈线性关系，求得相应轴的线性系数，并测得相应轴的最小分辨力，进行力检测标定实验。标定方式是分别沿X、Y、Z轴输入不同的动态力，检测相应轴向位移传感器输出位移变化。
沿X轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.819.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[22.6215 43.1873 106.9158211.8564]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 22.6215 43.1873 106.9158 211.8564
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果为D＝2.1481*F+1.4134。得到位移传感器检测到的X轴方向位移变化随X轴方向作用动态力变化曲线，如图12(a)所示，位移传感器检测到的X轴方向位移变化与沿Z轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别X轴方向的受力大小为1.20mN。
沿Y轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.819.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[17.8263 34.2783 85.6922 171.3872]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 17.8263 34.2783 85.6922 171.3872
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果为D＝1.7438*F+0.3930。得到位移传感器检测到的Y轴方向位移变化随Y轴方向作用动态力变化曲线，如图12(b)所示，位移传感器检测到的Y轴方向位移变化与沿Y轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别Y轴方向的受力大小为2.07mN。
沿Z轴输入的每个动态力施加多次，结果相近且取平均值，施加的动态力向量为F＝[9.819.6 49 98]mN，依次得到的位移变化为D＝[22.6239 45.2457 113.1090226.2183]nm，详见下表：
参考值(单位) 测试1 测试2 测试3 测试4
输入值F(mN) 9.8 19.6 49 98
检测平均值D(nm) 22.6239 45.2457 113.1090 226.2183
综上所述，位移变化对动态力变化线性拟合结果为D＝2.3083*F+0.0021。得到位移传感器(29)检测到的Z轴方向位移变化随Z轴方向作用动态力变化曲线，如图12(c)所示，位移传感器检测到的Z轴方向位移变化与沿Z轴方向作用动态力变化成线性比例关系，最小识别位移变化为4nm，则最小能识别Z轴方向的受力大小为1.73mN。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可实现双轴力 检测功能的机械柔性机构，其特征在于,包括：
基体(1)，用于固定在检测平台之上，并安装双轴力检测柔性机构以及位移检测装置；
双轴力检测柔性机构，其包括一受力块B(13)，受力块B(13)的两侧通过第二柔性铰链(12)对称设置有连接块B(11)，连接块B(11)的两侧通过第三柔性铰链(10)对称设置有固定块B(8)，连接块B(11)、受力块B(13)的一端均为检测端；
两个位移检测装置，均包括固定于基体(1)上的位移安装座(28)和位移传感器(29)，所述位移传感器(29)设置在双轴力检测柔性机构的检测端，用于检测检测端发生的位移量以及受力情况；
刀架(6)，用于安装刀具(7)，并固定在受力块B(13)上。
2.根据权利要求1所述的一种可实现双轴力检测功能的机械柔性机构，其特征在于，所述第二柔性铰链(12)和第三柔性铰链(10)均为直圆型柔性铰链，直圆型柔性铰链包括一矩形块(41)，矩形块(41)的两侧壁上镜像对称开设有两组半圆孔(42)。
3.根据权利要求1所述的一种可实现双轴力检测功能的机械柔性机构，其特征在于，所述检测端固定有套筒(2)，套筒(2)套装在位移安装座(28)的外侧，并包裹住位移传感器(29)，防止位移传感器(29)的探头暴露在空气中。
4.根据权利要求2所述的一种可实现双轴力检测功能的机械柔性机构，其特征在于，当双轴力检测柔性机构用于检测X/Z轴方向的力时，所述受力块B(13)通过对称布置的两排第二柔性铰链(12)与连接块B(11)相连，并沿X轴方向分布，其中，第二柔性铰链(12)的半圆孔(42)的轴线沿Y轴方向设置；
所述基体(1)的中部开设有主安装孔(51)，Z向位移检测装置(33)安装在主安装孔(51)内并对着受力块B(13)的背面；
所述连接块B(11)、第三柔性铰链(10)以及固定块B(8)沿Y轴方向分布，其中，第三柔性铰链(10)的半圆孔(42)的轴线沿Z轴方向设置；连接块B(11)一侧的基体(1)上设置有X向位移检测装置(31)。
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