[0003] 本发明提出一种切削力测量装置，该装置经螺钉安装在钻床的主轴上，主轴端部经夹具安装有钻头，切削力测量装置位于床身和夹具之间；所提出的切削力测量装置主要由机壳、环架、环板、环盖、激励器、限位块、传感器、电路板及换能器构成，机壳、环架、环板及环盖均为环形结构；激励器为单个的滚动体，或由滚动体和惯性体构成，滚动体的材料为磁性材料；换能器由耦合片和压电片粘接而成，耦合片为环形，压电片为圆形；传感器安装在钻头、夹具或主轴上，电路板安装在环盖上，传感器和换能器经不同的导线组与电路板相连。
[0004] 机壳为带有轴孔环形结构，机壳的左右两侧分别设有轴套和外环槽，轴套的内孔即为轴孔，外环槽为轴向环槽，即外环槽的开口方向为轴向，外环槽的底壁上设有外沉腔，外沉腔沿机壳的圆周方向均布。
[0005] 环架为带有轴孔的环形结构，环架的左右两侧分别设有内沉腔和内环槽，内环槽为轴向环槽，即内环槽的开口方向为轴向，内沉腔沿环架的圆周方向均布；环架上内沉腔的数量、半径及其圆心回转半径等参数和机壳上外沉腔的数量、半径及其圆心回转半径分别相等。
[0006] 环板为带有轴孔的环形结构，环板的一侧设有内沉腔，内沉腔沿环板的圆周方向均布。
[0007] 环盖为带有轴孔的环形结构，环盖的凸环上设有外沉腔，外沉腔沿环盖的圆周方向均布；环板上内沉腔的数量、半径及其圆心回转半径和环盖上外沉腔的数量、半径及其圆心回转半径分别相等；内沉腔上两条经过内沉腔回转中心的切线间的夹角称为内沉腔的圆心角。
[0008] 换能器由耦合片和压电片粘接而成，耦合片为环形，压电片为圆形，压电片沿耦合片的圆周方向均布，压电片、内沉腔及外沉腔圆心的回转半径相等，即压电片、内沉腔及外沉腔的圆心位于同一圆周上，压电片的半径与内沉腔的半径之比为0.8；压电片的材料为PZT类晶片或PVDF类薄膜，耦合片的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金。
[0009] 机壳经轴孔套在主轴上，机壳的轴套经螺钉与主轴连接；环盖经螺钉安装在机壳的外环槽的端部，环盖的凸环置于外环槽内，凸环与外环槽的底壁之间依次压接有换能器、环架、环板和换能器，依次压接在外环槽内的换能器、环架、环板和换能器的次序可由内到外或由外到内；环架的内环槽中安装有激励器。
[0010] 激励器为滚动体，或激励器由滚动体和惯性体构成，滚动体的材料为磁性材料；激励器由滚动体和惯性体构成时，惯性体为扇形块，或惯性体由扇形块及其上方的套筒构成，扇形块的下方外缘上设有至少1个拨槽，滚动体安装在拨槽内，拨槽数量大于2时各相邻拨槽间的拨槽夹角相等且大于内沉腔的圆心角。
[0011] 换能器的压电片置于与其轴向相邻的外沉腔内，外沉腔的底壁上设有限位块，外沉腔、内沉腔、压电片及限位块的几何对称中心线重叠；至少机壳和环盖上的一个外沉腔内安装有电路板；换能器的耦合片和与其轴向两侧相邻的外沉腔和内沉腔分别构成限位腔和阻尼腔，耦合片与阻尼腔底壁间的距离称为阻尼腔高，压电片与限位块间的距离称为限位距离；压电片无变形的自然状态下，限位距离和阻尼腔高均小于换能器的许用变形量，即分* 2 *别小于压电片受拉应力和受压应力时换能器的许用变形量H ＝πR (1‑ν)(5+ν)T/[2Eh(3+ν)]，换能器所受的磁力小于许用磁力 其中：R为阻尼腔的半径，h为
*
换能器厚度，ν和E分别为换能器的等效泊松比和等效弹性模量，T为压电材料的许用拉应力或许用压应力。
[0012] 工作中，主轴水平安装，机壳及换能器随主轴转动，激励器在其自身惯性力的作用下保持相对静止，即主轴转动时换能器与激励器及滚动体相对转动，换能器和滚动体逐渐靠近时，换能器的耦合片与滚动体之间的磁耦合力逐渐增加，所述磁耦合力为吸引力，换能器向滚动体一侧弯曲变形，压电片承受压应力，环形耦合片与激励器间的切向力连不随换能器的转动而变化；机壳继续转动并使换能器与滚动体逐渐远离时，换能器和滚动体间的磁耦合力逐渐减小，换能器在其自身弹性力的作用下逐渐复位；机壳与激励器及滚动体之间交替的接近与远离迫使换能器产生往复的轴向弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，传感器实时地获得相关切削力参数后再经电路板上的发射单元发射出去。
[0013] 本发明中，机壳及其所安装的相关部件构成发电单元，可作为独立的部件用于旋转体的动能回收发电。
[0014] 本发明中，换能器往复轴向弯曲变形并发电的过程中还迫使阻尼腔内的气体压力交替地增加和减小，而阻尼腔内气体体积与压力的变化增加了换能器的振动阻尼，其阻尼系数随阻尼腔的高度的减小而增加，故可通过改变阻尼腔的高度调节换能器的幅频特性。
[0015] 本发明中，激励器上含有多个滚动体时，为降低换能器与滚动体间的总体切向作用力，单一轴截面上换能器的数量与滚动体的最大数量为互质数，滚动体的最大数量是指惯性体为环形结构时其上最多能安装的滚动体数量为N＝360/Q2，其中Q2为拨槽夹角；为避免工作域内换能器出现共振、提高可靠性和拓宽有效带宽，换能器的固有频率应高于激励频率，激励频率为单位时间内某一换能器与滚动体相互作用的次数，故可通过换能器厚度3 2
设计获得所需的固有频率；如，滚动体的数量为1时换能器的合理厚度h需满足h≥M(πnR) /
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[36η(1‑ξ)*10 ]，其中：M和ξ分别为换能器的等效质量和等效阻尼比，n为换能器与滚动体的相对转速，R为阻尼腔的半径，η为与半径比有关的系数，半径比是指滚动体的半径与阻尼腔的半径之比。
[0016] 优势与特色：测量装置随钻头转动、可实现直接测量，能量自给、无需电池、无需改变机床结构，总体结构简单、体积小、集成度及可靠性高；无需附加磁铁，换能器固有频率高、系统阻尼大、切向随动力小且无弯扭变形，有效频带宽、无明显谐振；环形耦合片与激励器间的切向力连不随换能器的转动而变化，激励过程稳定、激励器无随动现象。
