阅读说明：本技术 智能差动对刀校靠计算尺 (Intelligent differential tool setting and leaning-correcting slide rule ) 是由 钱微 杨倩 霍陆昱 张莲 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了智能差动对刀校靠计算尺,包括竖直基板、水平基板、梯形固定板、梯形动板、dsPIC33EP芯片和显示屏；梯形固定板和梯形动板的斜腰与其对应的下底形成夹角α,竖直基板上镶嵌倾斜设置的电阻尺Ⅰ和电阻尺Ⅱ,梯形动板上设置有电极Ⅰ和电极Ⅱ,电阻尺Ⅰ的两端、电阻尺Ⅱ的两端、电极Ⅰ和电极Ⅱ构成全桥差动电路。本发明构建了利用这个结构计算出仿形靠尺与垂直木板边缘的最佳位置关系,并将位置关系以梯形动板与竖直基板的位置关系表达；通过水平基板与梯形动板的关系可以方便地确定加工深度尺寸、高度尺寸；通过作业顺序保证仿形靠尺、刀具的定位精度、加工深度等尺寸高于现有工具的定位精度,并且大大简化了计算和作业方式,提高了操作效率。(The invention discloses an intelligent differential tool setting and leaning-correcting slide rule, which comprises a vertical base plate, a horizontal base plate, a trapezoidal fixed plate, a trapezoidal movable plate, a dsPIC33EP chip and a display screen, wherein the vertical base plate is arranged on the upper portion of the horizontal base plate; the inclined waist of trapezoidal fixed plate and trapezoidal movable plate forms contained angle alpha rather than going to the bottom that corresponds, inlays resistance ruler I and resistance ruler II that the slope set up on the vertical base plate, is provided with electrode I and electrode II on the trapezoidal movable plate, and resistance ruler I's both ends, resistance ruler II's both ends, electrode I and electrode II constitute full-bridge differential circuit. The invention constructs the optimal position relation between the profiling guiding rule and the edge of the vertical wood board by utilizing the structure, and expresses the position relation by the position relation between the trapezoidal movable plate and the vertical base plate; the processing depth size and the height size can be conveniently determined through the relationship between the horizontal base plate and the trapezoidal movable plate; the positioning accuracy of the copying running rule and the positioning accuracy of the cutter, the processing depth and other dimensions are higher than those of the existing tool through the operation sequence, the calculation and operation modes are greatly simplified, and the operation efficiency is improved.)

智能差动对刀校靠计算尺

技术领域

本发明涉及一种能够根据燕尾榫头加工高度确定仿形靠尺与木料的最佳位置关系及加工行程长度的对刀校靠计算尺。

背景技术

燕尾榫机是一种配合电动木铣机，用燕尾榫铣刀通过铣削制作燕尾榫卯的小型木作榫卯设备。设备主要由基座、水平与垂直方向两套木板的夹紧装置和仿形靠尺及固定装置构成，由仿形靠尺确定加工周期的尺寸。加工后榫头的宽度关系到榫头与卯眼是否有适当的配合松紧度。榫头的加工深度应能利用木板的全部厚度，并获得与卯眼完全贴合的端面，从而使榫头有最大机械强度为最佳榫头。卯眼的深度应为榫头的深度，这种情况下才能使卯合平整。燕尾榫刀的铣削在榫头和卯眼的端部形成圆台侧面包络面，所以刀具的加工高度除了会影响榫头高度；在仿形靠尺与木料位置不变的情况下，还会影响榫头深度、榫头端部的宽度两个尺寸。榫头、卯眼的高度、深度和宽度三个尺寸密切耦合是燕尾榫卯的特点。在确定刀具的高度后，如果仿形靠尺与木料边缘的尺寸过大，在铣削作业会使榫头的深度变小，小于木板厚度将影响榫头的机械强度，并在装配后可能出现卯眼外突的情况。如果仿形靠尺与木料边缘的尺寸过小，由于仿形靠尺的限制，铣削作业不能在榫头端面形成圆台侧面，不能使榫头与卯眼端面形成贴合连接。所以根据刀具的加工高度，确定仿形靠尺与木板的位置关系，决定了榫头的加工深度能否有效利用木板厚度，也决定了榫头端面的形状。仿形靠尺与木板边缘的最佳位置关系应使榫头深度为板厚，端面为圆台侧面。在榫头深度被确定为板厚最佳尺寸后，卯眼的加工深度就可以被确定为木板厚度，从而获得榫头、卯眼拼装后最大的机械强度和无凸凹的平整卯合。

用燕尾榫卯机要想取得最佳加工结果，必须解决加工高度与榫头宽度、仿形靠尺位置、加工深度等相互耦合尺寸的解算。这些计算还与刀具尺寸，仿形靠尺加工周期相关。目前没有可以将解算、测量、对刀校考、统一起来的工具。现有游标卡尺为可用的测量工具，但由于仿形靠尺端部为圆弧形测点不好确定，在测量中无法确定木板边缘与仿形靠尺的位置关系。即使能测得位置关系，因卡尺的结构也难以根据测量结果调整仿形靠尺与木板边缘的位置关系。卯眼的端部形状是圆弧且有夹角，使用游标卡尺进行深度测量不能得到准确尺寸。所以很难找到仿形靠尺与木板边缘的最佳位置关系，一般要进行多次试加工来调整仿形靠尺与木板边缘的位置关系和卯眼的加工深度以求得较好的加工效果。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种既能提高卯合机械强度，又能提高拼合后平整度的智能差动对刀校靠计算尺，利用与燕尾榫刀相同斜角的定尺与动尺的相对运动，解决根据榫头加工高度解算并确定仿形靠尺与木料边缘的最佳位置关系的计算、测量和对刀、校靠等问题，从而提高木作加工的尺寸精度。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

智能差动对刀校靠计算尺，包括竖直基板、水平基板、梯形固定板、梯形动板、dsPIC33EP芯片和显示屏；

所述竖直基板上镶嵌倾斜设置的电阻尺Ⅰ和电阻尺Ⅱ，所述电阻尺Ⅰ和电阻尺Ⅱ相互平行且与底部水平面形成夹角α；

所述水平基板固定设置在竖直基板的顶部并与竖直基板相互垂直，所述水平基板的两端均伸出竖直基板的顶端；所述水平基板上设置一缺口；

所述梯形固定板竖直设置并固定在竖直基板上，所述梯形固定板为上大下小的直角梯形，所述梯形固定板的斜腰与下底形成夹角α；所述梯形固定板的顶面和竖直基板的顶面均与水平基板的下表面在同一平面上；

所述梯形动板竖直设置在竖直基板上，所述梯形动板为上小下大的直角梯形，所述梯形动板的斜腰与下底形成夹角为α；所述梯形动板的斜腰与梯形固定板的斜腰相靠并可沿着梯形固定板的斜腰在竖直基板上滑动；所述梯形动板上设置有电极Ⅰ和电极Ⅱ，所述电极Ⅰ与电阻尺Ⅰ对应，所述电极Ⅱ与电阻尺Ⅱ对应；所述梯形动板的顶端靠近直腰的一侧与缺口对应，所述梯形动板的顶端的长度大于缺口的长度；所述梯形动板滑动到最上端时，所述梯形动板的顶端面与水平基板的底面在同一平面上，所述梯形动板的直腰伸出对应的竖直基板的端面；

所述电阻尺Ⅰ的上端f1和电阻尺Ⅱ的下端f4分别与电源连接，所述电阻尺Ⅰ的下端f3和电阻尺Ⅱ的上端f2接地；所述电阻尺Ⅰ的两端f1和f3、电阻尺Ⅱ的两端f2和f4、电极Ⅰ和电极Ⅱ构成全桥差动电路；

所述电极Ⅰ和电极Ⅱ采集的电压信号V1和电压信号V2输入dsPIC33EP芯片，通过dsPIC33EP芯片自身的A/D采样模块，由dsPIC33EP芯片将电压信号换算成梯形动板垂直移动的位置高度，该位置高度即为榫头加工高度h，再由如下公式计算出所述梯形动板的直角腰边缘与竖直基板的边缘差l为：

l＝(R_z-R_d+hcotα)

其中，l为梯形动板的直角腰边缘与竖直基板的边缘差，R_z为刀具的轴承半径，R_d为刀具端部刃口半径，α为刀具断面刃口与底边的夹角；由边缘差l确定仿形靠尺与垂直木板边缘的最佳位置；所述榫头加工高度h和边缘差l均通过SPI总线通信发送到显示屏。

作为本发明的一种优选方案，所述竖直基板的顶端设置一凸起的卡块，所述水平基板上设置一与卡块配合的卡孔，所述竖直基板上的卡块卡入水平基板的卡孔内。

作为本发明的另一种优选方案，所述竖直基板上设置定位安装孔Ⅰ和定位销孔Ⅰ，所述梯形固定板上设置定位安装孔Ⅱ和定位销孔Ⅱ；定位销穿过定位销孔Ⅰ和定位销孔Ⅱ，锁紧螺钉穿过定位安装孔Ⅰ和定位安装孔Ⅱ，所述梯形固定板通过锁紧螺钉固定连接在竖直基板上。

作为本发明的又一种优选方案，所述竖直基板上设置定位杆，所述梯形动板上设置一与梯形固定板的斜腰平行的滑槽，所述定位杆穿过滑槽并与滑槽滑动配合。

作为本发明的一种改进方案，该智能差动对刀校靠计算尺还包括零点及量程校正模块，所述零点及量程校正模块包括按钮K1、电阻R7、电容C16和电阻R10，所述按钮K1的一端接点接地，所述按钮K1的另一端接点与电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端与电源连接，所述电容C16和电阻R10的一端均与电阻R7的一端连接，所述电容C16的另一端接地，所述电阻R10的另一端与dsPIC33EP芯片连接。

作为本发明的另一种改进方案，该智能差动对刀校靠计算尺还包括材料信息调用模块，所述材料信息调用模块包括按钮K2、电阻R8、电容C17和电阻R11，所述按钮K2的一端接点接地，所述按钮K2的另一端接点与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端与电源连接，所述电容C17和电阻R11的一端均与电阻R8的一端连接，所述电容C17的另一端接地，所述电阻R11的另一端与dsPIC33EP芯片连接。

作为本发明的又一种改进方案，该智能差动对刀校靠计算尺还包括当前操作确认模块，所述当前操作确认模块包括按钮K3、电阻R9、电容C18和电阻R12，所述按钮K3的一端接点接地，所述按钮K3的另一端接点与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与电源连接，所述电容C18和电阻R12的一端均与电阻R9的一端连接，所述电容C18的另一端接地，所述电阻R12的另一端与dsPIC33EP芯片连接。

本发明具有如下技术效果：本发明利用梯形斜边与底边的夹角等于刀具断面刃口与底边的夹角，构建了利用这个结构计算出仿形靠尺与垂直木板边缘的最佳位置关系，并将这个位置关系以梯形动板与竖直基板的位置关系表达，几何形状上考虑到用面与圆柱面相切，避免了难以确定最佳测点的问题，通过水平基板与梯形动板的关系可以方便地确定加工深度尺寸、高度尺寸；通过一定的作业顺序可以保证仿形靠尺、刀具的定位精度、加工深度等尺寸高于现有工具的定位精度，并且采用数字电路完成电压采样、数据处理、结果输出、误差校正等功能，大大简化了计算和作业方式，提高了操作效率。

附图说明

图1为智能差动对刀校靠计算尺实施例的结构示意图；

图2为竖直基板的结构示意图；

图3为水平基板的结构示意图；

图4为垂直木板、水平木板、仿形靠尺、刀具、刀具轴承的位置关系图；

图5为梯形固定板的结构示意图；

图6为梯形动板的结构示意图；

图7为全桥差动电路采样示意图；

图8为信号处理dsPIC33EP芯片和显示屏电路示意图；

图9为零点及量程校正模块的电路示意图；

图10为材料信息调用模块的电路示意图；

图11为当前操作确认模块的电路示意图；

图12为供电电路示意图；

图13为仿形靠尺加工间距示意图；

图14为燕尾榫刀刀具结构及参数图；

图15为燕尾榫刀加工深度校正示意图；

图16为燕尾榫刀加工高度与仿形靠尺最佳位置计算的示意图；

图17为图10中的局部放大图；

图18为仿形靠尺最佳位置校正示意图。

图中：1—竖直基板；2—水平基板；3—梯形固定板；4—梯形动板；5—dsPIC33EP芯片；6—显示屏；7—电阻尺Ⅰ；8—电阻尺Ⅱ；9—缺口；10—电极Ⅰ；11—电极Ⅱ；12—卡块；13—卡孔；14—定位安装孔Ⅰ；15—定位销孔Ⅰ；16—定位安装孔Ⅱ；17—定位销孔Ⅱ；18—定位销；19—锁紧螺钉；20—定位杆；21—滑槽；22—垂直木板；23—水平木板；24—刀具；25—仿形靠尺；26—刀具轴承；27—螺纹孔；28—木铣机行程限位器；29—安装槽Ⅰ；30—安装槽Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，智能差动对刀校靠计算尺，包括竖直基板1、水平基板2、梯形固定板3、梯形动板4、dsPIC33EP芯片5和显示屏6。

如图2和图3所示，竖直基板1上镶嵌倾斜设置的电阻尺Ⅰ7和电阻尺Ⅱ8，电阻尺Ⅰ7和电阻尺Ⅱ8相互平行且与底部水平面形成夹角α。竖直基板1的顶端设置一凸起的卡块12，水平基板2上设置一与卡块12配合的卡孔13，竖直基板1上的卡块12卡入水平基板2的卡孔13内，水平基板2固定设置在竖直基板1的顶部并与竖直基板1相互垂直，水平基板2的两端均伸出竖直基板1的顶端，水平基板2上设置一缺口9。水平基板2上还设置有用于放置显示部分的安装槽Ⅰ29和用于放置输入部分和信号、信息处理电路的安装槽Ⅱ30，在安装槽Ⅰ29内可安装显示屏6，在安装槽Ⅱ30内可安装dsPIC33EP芯片5和其他电路模块。卡块12与卡孔13配合以保证竖直基板1和水平基板2垂直，进而竖直基板1的零点与水平基板2的底面重合，以此来定义测量、计算、对刀、校靠的零点。连接后相互垂直的竖直基板1和水平基板2用于贴合到垂直与水平放置的被加工工件(即垂直木板22和水平木板23)上以读取刀具24加工的垂直方向零点位置，垂直木板22、水平木板23、仿形靠尺25、刀具24、刀具轴承26的位置关系如图4所示。

梯形固定板3竖直设置并固定在竖直基板1上，在本实施例中，竖直基板1上设置两个定位安装孔Ⅰ14和两个定位销孔Ⅰ15，梯形固定板3上设置两个定位安装孔Ⅱ16和两个定位销孔Ⅱ17，如图5所示，两个定位安装孔Ⅰ14与两个定位安装孔Ⅱ16一一对应，两个定位销孔Ⅰ15和两个定位销孔Ⅱ17一一对应，定位销18穿过定位销孔Ⅰ15和定位销孔Ⅱ17，梯形固定板3通过两个定位销18精确定位在竖直基板1上，锁紧螺钉19穿过定位安装孔Ⅰ14和定位安装孔Ⅱ16，梯形固定板3通过两个锁紧螺钉19与竖直基板1固定连接。梯形固定板3为上大下小的直角梯形，梯形固定板3的斜腰为梯形动板4滑动的轨迹依据，梯形固定板3的斜腰与下底形成夹角α，夹角α与刀具24的刃口轴向断面构成的等腰梯形的腰与下底形成的夹角相等；梯形固定板3的顶面和竖直基板1的顶面均与水平基板2的下表面在同一平面上。其中，夹角α的余切值关系到仿形靠尺25与工件木料边缘位置关系尺寸的计算。

梯形动板4竖直设置在竖直基板1上，梯形动板4为上小下大的直角梯形，如图6所示，梯形动板4的斜腰与下底形成夹角为α；梯形动板4的斜腰与梯形固定板3的斜腰相靠并可沿着梯形固定板3的斜腰在竖直基板1上滑动；在本实施例中，在竖直基板1上设置一螺纹孔27，竖直基板1上设置定位杆20，本实施例中的定位杆20为螺钉，螺钉的前端旋合在螺纹孔27中，梯形动板4上设置一与梯形固定板3的斜腰平行的滑槽21，定位杆20穿过滑槽21并与滑槽21滑动配合。梯形动板4上设置有电极Ⅰ10和电极Ⅱ11，电极Ⅰ10与电阻尺Ⅰ7对应，电极Ⅱ11与电阻尺Ⅱ8对应。梯形动板4的顶端靠近直腰的一侧与缺口9对应，梯形动板4的顶端的长度大于缺口9的长度；梯形动板4滑动到最上端时，梯形动板4的顶端面与水平基板2的底面在同一平面上，梯形动板4的直腰伸出对应的竖直基板1的端面。

电阻尺Ⅰ7的上端f1和电阻尺Ⅱ8的下端f4分别与电源连接，电阻尺Ⅰ7的下端f3和电阻尺Ⅱ8的上端f2接地；电阻尺Ⅰ7的两端f1和f3、电阻尺Ⅱ8的两端f2和f4、电极Ⅰ10和电极Ⅱ11构成全桥差动电路，如图7所示，将长度变成电阻值。在电极Ⅰ10与电阻尺Ⅰ7的下端f3之间并联电容C14，在电极Ⅱ11与电阻尺Ⅱ8的上端f2之间并联电容C15。

电极Ⅰ10和电极Ⅱ11根据实际测量的电压信号V1和电压信号V2输入dsPIC33EP芯片5，如图8所示，通过dsPIC33EP芯片自身的A/D采样模块，将模拟信号转化为12位的数字信号，由dsPIC33EP芯片5将电压信号换算成梯形动板4垂直移动的位置高度，该位置高度即为榫头加工高度h，再由如下公式计算出所述梯形动板4的直角腰边缘与竖直基板1的边缘差l为：

l＝(R_z-R_d+hcotα)

其中，l为梯形动板4的直角腰边缘与竖直基板1的边缘差，R_z为刀具的轴承半径，R_d为刀具端部刃口半径，α为刀具断面刃口与底边的夹角；由边缘差l确定仿形靠尺与垂直木板边缘的最佳位置；榫头加工高度h和边缘差l均通过SPI总线通信发送到显示屏6。

在本实施例中，智能差动对刀校靠计算尺还包括零点及量程校正模块、材料信息调用模块和当前操作确认模块。

零点及量程校正模块包括按钮K1、电阻R7、电容C16和电阻R10，如图9所示，按钮K1的一端接点接地，按钮K1的另一端接点与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电源连接，电容C16和电阻R10的一端均与电阻R7的一端连接，电容C16的另一端接地，电阻R10的另一端与dsPIC33EP芯片5上的针脚连接。在梯形动板4移动到最上端，即梯形动板4的顶端顶在水平基板2的底面时，按下按钮K1，将此刻电极Ⅰ10和电极Ⅱ11实测电压信号V1和电压信号V2对应的位置高度设置为零点，由dsPIC33EP进行零点校对计算，系统误差补偿计算；零点确认后，再进行量程设置，用于标定电压与长度的关系。

材料信息调用模块包括按钮K2、电阻R8、电容C17和电阻R11，如图10所示，按钮K2的一端接点与零线连接，按钮K2的另一端接点与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电源连接，电容C17和电阻R11的一端均与电阻R8的一端连接，电容C17的另一端与零线连接，电阻R11的另一端与dsPIC33EP芯片5上的针脚连接。在加工前可以调用储存于dsPIC33EP中的材料信息，显示加工高度的参考值。

当前操作确认模块包括按钮K3、电阻R9、电容C18和电阻R12，如图11所示，按钮K3的一端接点与零线连接，按钮K3的另一端接点与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与电源连接，电容C18和电阻R12的一端均与电阻R9的一端连接，电容C18的另一端与零线连接，电阻R12的另一端与dsPIC33EP芯片5上的针脚连接。当前操作确认模块用于确认当前的操作。

dsPIC33EP芯片5、显示屏6、全桥差动电路、零点及量程校正模块、材料信息调用模块和当前操作确认模块所需的电源为3.3V，将3.6V锂电池通过如图12所示的供电电路降压为3.3V。仿形靠尺加工间距如图13所示，燕尾榫刀刀具结构及参数如图14所示。当加工高度为零时，即梯形动板4的上底面与水平基板2的底面接触，此时l₀＝R_z-R_d，l₀即为梯形动板4在零点时，梯形动板4的直角腰与竖直基板1的边缘差。因为刀具轴承26和刀具24的半径已知，这个定值为计算边缘差的常数项。随着梯形动板4的斜腰沿梯形固定板3的斜腰滑动榫头加工高度随之变化，全桥差动电路的电压输出值也随之变化，由dsPIC33EP芯片5将电压信号变化换算成榫头加工高度h，进而计算出边缘差l，边缘差l解算后用梯形动板4的直角腰贴合垂直木板22的边缘；滑动仿形靠尺25贴合竖直基板1的边缘并固定，即可完成仿形靠尺25的校考作业。

显示屏6用于显示常见材质、及其加工高度与深度、当前加工的高度与深度、零点校正是否完成等信息。dsPIC33EP芯片5可以用来校正零点误差、设定量程和系统加工参数、查阅加工资料。因刀具24的轴向断面为上小下大的梯形，在加工中有向下的作用力使刀具24的实际加工高度大于电极Ⅰ10和电极Ⅱ11实测电压信号V1和电压信号V2对应的位置标高，从而产生高度和榫头深度的加工误差。这个误差因加工设备不同出现差异。可以通过按键选择不同材质与加工设备，根据之前录入的加工误差数据，从而优化算法，更加精确地调校仿形靠尺25与垂直木板22的位置关系。dsPIC33EP芯片5用于处理全桥差动电路的信号，将根据实际的测量电压信号(V1与V2)，通过dsPIC33EP芯片自身的A/D采样模块，将模拟信号转化为12位的数字信号；调用存储的木材与榫头加工高度的关系信息；调用预置的系统加工误差、量程、零点校正信息，再结合位置关系公式做浮点计算处理数据完成相应算法，将最终结果通过SPI通信发送到显示屏6。电桥电阻的基准电压由单独的线性稳压芯片LM1117进行3.3V稳压供电，防止不同器件对采样电压的干扰。通过以上方法可提高对测量误差的处理能力，提高读数精度；提高校正仿形靠尺25与垂直木板22的位置关系精度。

使用该智能差动对刀校靠计算尺的步骤如下：

第一步，确定垂直木板22的榫头和水平木板23的卯眼的加工深度。由水平基板2和梯形动板4通过夹持垂直木板22和水平木板23测得榫头和卯眼的加工深度。通过图16所示的示意图调节刀具24的行程M，根据刀具24的位置调节木铣机行程限位器28从而确定榫头卯眼的加工深度。

第二步，根据材料信息确定燕尾榫刀的加工高度h，根据图16和图17的显示，用燕尾榫刀的下底触碰梯形动板4的上底确定榫头、卯眼的加工高度。

第三步，根据第二步计算、校正好的l值来确定仿形靠尺25与垂直木板22的最佳位置关系。用图18所示表达的方法，把梯形动板4的直角腰贴合到垂直木板22的边缘固定不动，移动仿形靠尺25使其与竖直基板1贴合并固定。

可以通过按钮K2按键选择储存在dsPIC33EP芯片5内常见的材质类型，已补偿的木板和木铣机加工误差数据输出到显示屏幕，方便准确参考以及调整加工深度与高度。通过dsPIC33EP芯片5的算法程序完成误差补偿的计算、显示，以简化第三步的操作，节省操作时间。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。