摩托車鎖具耐久試驗系統的設計與實現

劉雅君，常昊波，羅　方，張愛玲，楊景林，常婉綸

摩托車鎖具耐久試驗系統的設計與實現

劉雅君1，常昊波2，羅方3，張愛玲1，楊景林1，常婉綸1

（1.西安理工大學，陜西西安710032；2.陜西省電力設計院，陜西西安710032；3.新威爾特機公司，陜西西安710032）

針對傳統的鎖具耐久性試驗系統可靠性差、造價高、響應速度慢的不足，設計并實現了一種新的摩托車鎖具耐久性試驗系統。對該系統的工作原理、系統結構特別是軟件設計進行了詳盡的論述。該系統采用VC進行基于組件的模塊化開發，并且使用數據庫軟件存儲采集數據，在設計思想上具有獨創性，設備操作的便捷性和適用性相對較好，實際運行效果良好。

鎖具；耐久試驗；模塊化開發

Design and imp lementation o f motorcycle lock durability testing system

0　引言

作為人們日常使用的關鍵物品，鎖具種類在不斷地發展與增多。為了保證鎖具的產品質量，鎖具的耐用度試驗是十分必要的。數量龐大的試驗單獨依靠檢測員手工完成是不現實的，相關技術人員通過長時間的開發，已經研制成功了機械鎖具耐用試驗臺。試驗時，將機械鎖用特制夾具安裝在試驗儀上，使用步進電機通過傳動機構帶動鎖體或鑰匙分別運動，模擬人使用鎖具的整個過程，測量其使用耐久性，從而達到檢測鎖具質量優劣的目的［1］。

但是，這些原有鎖具耐久性試驗臺具有很多缺點：機械部分結構復雜，可靠性差，造價高；軟件部分響應速度慢，要完成插拔、旋轉等鎖具動作的一個工作循環平均需要30～50 s，對鑰匙插拔力和旋轉力的測量精度低，缺乏準確有效的標定方式，使系統得不到有效的保護。例如經常出現鑰匙的位移和旋轉過大或不足，導致鑰匙和鎖芯損壞的現象［2］。市場需求一種功能多、效率高、性能可靠、價格低廉的替代產品。

1　試驗系統設計與實現

傳統的數字運動控制裝置一般直接采用微機或單片機來實現位置控制，外圍電路復雜，計算速度慢。隨著計算機軟、硬件技術的迅猛發展，數控技術逐漸靈活開放，在通用PC的擴展槽中插入專用的運動控制卡，這樣不僅性能可以得到保證、軟件的通用性又強，而且系統的開放性好，是目前比較可行的一種開發方式［3］。

充分考慮到運動控制技術的發展，并結合行業檢測的實際需求，確立了以下的設計思想：該試驗系統采用VC面向對象語言進行基于組件的模塊化開發，按照國家標準GB17353-1998《摩托車和輕便摩托車轉向鎖止防盜裝置》及93/33/EEC指令中的相關要求，對鎖具的機械旋轉、插拔和電氣觸點進行耐久性考核，同時使用數據庫軟件存儲和管理試驗數據，使得系統展現更直觀、功能更全面。

1.1工作過程

鎖具耐久試驗系統可以對符合國家標準的摩托車鎖具進行耐久性試驗，本試驗系統工作過程如圖1所示。依據良好的人機操作界面和相關提示，試驗人員只要進行簡單培訓就可單獨完成檢測工作，工作活動如下。

圖1　工作流程圖

（1）在系統試驗主界面上設定試驗參數。試驗人員根據自己的需要和標準的要求，在試驗主界面上設置被測機械防盜鎖生產企業、試驗編號、試驗日期、待檢測鎖具的運轉方式、運轉循環次數、鎖具型號等參數。各個參數按照國家標準給予了參考設定，其中鎖具轉向方式參數提供了現在市面上基本的鎖具轉向形式，當試驗人員設定了不符合邏輯的轉向種類時，試驗系統將彈出錯誤提示。

（2）鎖芯和鑰匙固定。試驗人員需要將鎖芯和鑰匙固定在鎖芯夾具機構和鑰匙夾具機構上，調整試驗鎖芯和鑰匙的相對位置，確定基準位置，使鑰匙能順利地進行各個試驗的動作。

（3）利用系統進行鎖具行程標定。系統將提示試驗人員對鑰匙的每個行程及旋轉位置進行標定，系統記錄當前位置的平移及旋轉脈沖值。標定完成后，系統自動使鑰匙快速達到試驗的初始基準位置，開始循環耐久試驗。

1.2結構設計

傳統的試驗系統采用普通微機，系統的控制部分主要是利用匯編等低級語言通過步進電機控制卡控制步進電機，實現簡單的平移和旋轉動作。其中，鎖具的基準位置一般由光電開關來設定，如果光電開關未對準基準位置，試驗不能開始。本文所研發的試驗系統硬件結構如圖2所示，采用配置有顯示器、鍵盤、鼠標和多個PCI插槽的工業控制計算機。通過PCI插槽使用數據采集卡和運動控制卡，其中數據采集卡對伺服電機位置進行實時檢測，并且采集鎖具觸點電壓和檢測控制命令的控制按鈕信號，而運動控制卡驅動平移伺服電機和旋轉伺服電機。

圖2　試驗系統硬件結構圖

軟件系統采用MVC三層結構模式。

（1）數據層是信息化的基礎，主要利用SQL Server作為后端數據庫管理平臺存儲試驗數據。這些數據包括每次試驗的設定參數和通過數據采集卡實時檢測的試驗數據等。在這一層通過通信與數據傳輸網絡構成支持試驗決策所需的原始信息和加工后的信息組合。

（2）控制層是根據具體各項試驗工作需求，對信息經過分析計算和歸納組合之后，生成管理和試驗提示等各類成果。這部分主要由數據采集卡和運動控制卡的開發包、VC 6.0開發環境等工具開發，構建試驗系統的框架及主要處理模塊。

（3）顯示層主要指客戶端界面程序，在數據層和控制層的支持下，綜合顯示各功能模塊的最后成果，實現對試驗工作的支持服務。

1.3研究平臺選擇

本系統主要使用或結合以下3項工具開發：

（1）VC 6.0。Microsoft Visual C++（簡稱VC），微軟公司的C++開發工具，C++是一種使用非常廣泛的電腦程序設計語言，接口和類庫非常豐富。

（2）SQL Server。Microsoft SQL Server是由美國微軟公司所推出的關系數據庫解決方案，其內置語言是由美國標準局（ANSI）和國際標準組織（ISO）所定義的SQL語言，適用于中小企業的數據庫管理，但是近年來它的應用范圍擴展到大型、跨國企業的數據庫管理。

（3）DMC 3400多軸運動控制卡等硬件及其功能庫函數。近年來，對運動控制系統的速度和精度的要求愈來愈高，使得傳統的運動控制系統難以取得滿意的控制效果，因此急需一種運算速度快、可以滿足高精度運動控制的運動控制卡。隨著技術的成熟穩定，目前市場上出現了種類繁多的運動控制卡，這些控制卡提供了二次開發用的函數，在程序中直接調用所提供的函數即可實現對伺服電機的控制，使開發軟件的重點從單純的功能實現轉向如何使所設計的軟件具有更多的功能和良好的人機交互接口。本系統利用DMC3400多軸運動控制卡等硬件，根據板卡的功能庫函數，設計了可控制多軸的伺服電機、按照編程預定的運動軌跡及運動參數作定位運動的控制系統［4］。

1.4數據庫設計

本系統利用SQL Server作為后端數據庫管理平臺存儲相關試驗數據，主要包括4個表格：試驗基本信息表、循環試驗觸電電壓記錄表、故障報警記錄信息表和用戶表，關系結構如圖3所示。

圖3　數據庫關系圖

1.5系統設計與實現

系統的軟件部分以Visual C++6.0為開發工具，采用了面向對象和模塊化的思想進行開發，主要分為六大模塊：人機界面模塊、系統參數配置、參數設置模塊、鎖具行程標定、試驗運行管理和數據管理。各獨立功能一般都設計了相應的函數，各模塊通過主框架程序相互協調控制，使所設計的軟件具有可重構性、可擴展性、可移植性和互操作性等特點，組成一個完整的試驗系統。軟件結構圖如圖4所示。

圖4　軟件結構圖

（1）人機界面模塊主要用于實現用戶的輸入和系統的輸出。用戶的輸入包括用戶發出控制命令、設置系統參數等操作，而系統輸出包括當前系統狀態的實時顯示。這些界面功能主要通過VC的用戶界面控件編程完成。

（2）系統參數配置模塊主要用于運動卡等硬件板卡的參數初始化、參數設置、資源釋放等。如果用戶對系統配置參數不滿意，可以通過界面程序手動設置，并將形成配置文件user.ini，供當系統啟動時自動加載。

（3）參數設置模塊負責試驗基本參數和鎖具進程模式兩大部分的設定，各個參數均按照國家標準給予參考設定，例如轉向參數設置如圖5所示。當試驗人員設定了不符合邏輯的參數時，試驗系統將顯示錯誤提示信息。確認設置這些參數信息后，這些信息大多以表格字段形式在數據庫軟件中進行存儲。實現對這些字段的處理，可以利用ADO直接通過OLE DB Provider建立連接，也可以使用ODBC數據源。在本系統中主要使用的是后一種方法。ODBC（開放數據庫互連）提供了一種標準的API（應用程序編程接口）方法來訪問數據管理系統，具有最大的獨立性和開放性，而且這些API利用SQL來完成其大部分任務。

圖5　轉向參數設置

（4）鎖具行程標定模塊用于將鎖具自動或手動運行至某個位置，通過I/O檢測記錄各軸運動控制的脈沖，主要通過對DMC3400運動控制卡等硬件的功能庫函數編程實現。因此鎖具運行模塊由板卡初始化、水平運動、旋轉運動和數據采集等幾個部分組成；同時設定一個監聽進程，在板卡初始化后啟動該進程，定時掃描數據采集卡的位置標定確認按鈕信號。

（5）作為整個系統的核心模塊，試驗運行管理模塊負責按照設定次數循環向運動控制卡及其他執行部件發送控制指令執行耐久試驗，實時跟蹤動態并在主界面上顯示運行狀態（位置、速度、I/O量等）及調整后的參數，并將相關運行狀態數據添加至數據庫。

試驗運行管理模塊的實現與鎖具行程標定模塊類似，但是為了防止在一定的循環次數后造成平移累計行程誤差，影響鑰匙的位置控制，需要不間斷地比較當前位置并進行補償調整，每循環的運行時間為30 s以上。另外，該模塊監聽進程較復雜，定時掃描運動卡和數據采集卡的各相關輸入端口，實時跟蹤動態顯示加工狀態。如果監聽到伺服報警、扭矩報警等故障信號時，用消息框提示報警信息，暫停試驗進程并記錄報警信息至數據庫。同時，在試驗過程中，為了處理一些突發情況，設置了暫停和急停功能。試驗時用戶可以隨時按“試驗暫停”鍵，試驗鎖具將暫停在當前位置；暫停后，用戶也可以按“繼續試驗”按鈕恢復試驗，試驗鎖具將返回初始基準點重新開始當前的試驗。試驗主界面如圖6所示。

（6）數據管理模塊主要用于查詢和導出數據庫中的試驗記錄數據和故障報警記錄。這些數據也存儲在數據庫表格中，所以處理方式與參數設置模塊類似，使用ODBC數據源技術。

圖6　試驗主界面

2　結論

本試驗系統的特點在于技術指標得到大幅度提高，如表1所示，特別是響應速度快，完成鑰匙插拔、旋轉等動作的一個完整工作循環需要10～20 s，且在現有機械慣量下，伺服電機的轉速可以更改，以保證檢測可以在更短的時間內完成。

表1　技術指標

另外，本系統采用模塊化軟件設計，以PC實現友好的人機界面、靈活的系統配置，提高了試驗系統的試驗速度和控制精度。與國內同類設備技術指標相比，該鎖具耐久試驗臺的指標均處于領先水平，并在設計思想上具有獨創性，設備操作的便捷性和適用性相對較好，達到了國內同類設備的領先水平，且已交付無錫市產品質量監督檢驗所1臺，使用良好，得到客戶好評。

［1］王映輝．構件式軟件技術［M］．北京：機械工業出版社，2012.

［2］丁偉，丁黎光，耿雪霄.基于運動控制卡的PCB鉆、銑、雕一體機數控系統［J］.電氣技術與自動化，2011（2）：136-138.

［3］李海鵬，楊根科，牟曉生，等.用于機械防盜鎖檢測的鎖具耐久性試驗儀設計［J］.儀表技術，2006（3）：50-51.

［4］袁曉明.基于模塊化設計的開放式數控系統［J］.組合機床與自動化加工技術，2006（5）：52-54.

Liu Yajun1，Chang Haobo2，Luo Fang3，Zhang Ailing1，Yang Jinglin1，Chang Wanlun1

（1.Xi′an University of Technology，Xi′an 710032，China；2.Shaanxi Electric Power Design Institute，Xi′an 710032，China；3.Xi′an Shin Well Tokki Co.，LTD.，Xi′an 710032，China）

Traditional testing system for lock durability has some problems such as poor reliability，high cost，slow response speed and so on.A new durability testing system for motorcycle lock is designed and implemented.The working principles of the system，system structure，especially the software design are discussed in detail.VC is used to develop，and database is used for storing data.In all，the system is original and convenient，so practical effect is good.

locks；endurance testing；modularization

TP368

A

1674-7720（2015）04-0086-04

（2014-10-26）

劉雅君（1985－），女，碩士，講師，主要研究方向：機器學習。

常昊波（1984－），男，本科，工程師，主要研究方向：電氣工程。

羅方（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向：工商管理。