鲁达 摘 要： 针对传统的锁具耐久性试验系统可靠性差、造价高、响应速度慢的不足，设计并实现了一种新的摩托车锁具耐久性试验系统。对该系统的工作原理、系统结构特别是软件设计进行了详尽的论述。该系统采用VC进行基于组件的模块化开发，并且使用数据库软件存储采集数据，在设计思想上具有独创性，设备操作的便捷性和适用性相对较好，实际运行效果良好。
0 引言
作为人们日常使用的关键物品，锁具种类在不断地发展与增多。为了保证锁具的产品质量，锁具的耐用度试验是十分必要的。数量庞大的试验单独依靠检测员手工完成是不现实的，相关技术人员通过长时间的开发，已经研制成功了机械锁具耐用试验台。试验时，将机械锁用特制夹具安装在试验仪上，使用步进电机通过传动机构带动锁体或钥匙分别运动，模拟人使用锁具的整个过程，测量其使用耐久性，从而达到检测锁具质量优劣的目的[1]。
但是，这些原有锁具耐久性试验台具有很多缺点：机械部分结构复杂，可靠性差，造价高；软件部分响应速度慢，要完成插拔、旋转等锁具动作的一个工作循环平均需要30～50 s，对钥匙插拔力和旋转力的测量精度低，缺乏准确有效的标定方式，使系统得不到有效的保护。例如经常出现钥匙的位移和旋转过大或不足，导致钥匙和锁芯损坏的现象[2]。市场需求一种功能多、效率高、性能可靠、价格低廉的替代产品。
1 试验系统设计与实现
传统的数字运动控制装置一般直接采用微机或单片机来实现位置控制，外围电路复杂，计算速度慢。随着计算机软、硬件技术的迅猛发展，数控技术逐渐灵活开放，在通用PC的扩展槽中插入专用的运动控制卡，这样不仅性能可以得到保证、软件的通用性又强，而且系统的开放性好，是目前比较可行的一种开发方式[3]。
充分考虑到运动控制技术的发展，并结合行业检测的实际需求，确立了以下的设计思想：该试验系统采用VC面向对象语言进行基于组件的模块化开发，按照国家标准GB17353-1998《摩托车和轻便摩托车转向锁止防盗装置》及93/33/EEC指令中的相关要求，对锁具的机械旋转、插拔和电气触点进行耐久性考核，同时使用数据库软件存储和管理试验数据，使得系统展现更直观、功能更全面。
1.1 工作过程
锁具耐久试验系统可以对符合国家标准的摩托车锁具进行耐久性试验，本试验系统工作过程如图1所示。依据良好的人机操作界面和相关提示，试验人员只要进行简单培训就可单独完成检测工作，工作活动如下。
（1）在系统试验主界面上设定试验参数。试验人员根据自己的需要和标准的要求，在试验主界面上设置被测机械防盗锁生产企业、试验编号、试验日期、待检测锁具的运转方式、运转循环次数、锁具型号等参数。各个参数按照国家标准给予了参考设定，其中锁具转向方式参数提供了现在市面上基本的锁具转向形式，当试验人员设定了不符合逻辑的转向种类时，试验系统将弹出错误提示。
（2）锁芯和钥匙固定。试验人员需要将锁芯和钥匙固定在锁芯夹具机构和钥匙夹具机构上，调整试验锁芯和钥匙的相对位置，确定基准位置，使钥匙能顺利地进行各个试验的动作。
（3）利用系统进行锁具行程标定。系统将提示试验人员对钥匙的每个行程及旋转位置进行标定，系统记录当前位置的平移及旋转脉冲值。标定完成后，系统自动使钥匙快速达到试验的初始基准位置，开始循环耐久试验。
1.2 结构设计
传统的试验系统采用普通微机，系统的控制部分主要是利用汇编等低级语言通过步进电机控制卡控制步进电机，实现简单的平移和旋转动作。其中，锁具的基准位置一般由光电开关来设定，如果光电开关未对准基准位置，试验不能开始。本文所研发的试验系统硬件结构如图2所示，采用配置有显示器、键盘、鼠标和多个PCI插槽的工业控制计算机。通过PCI插槽使用数据采集卡和运动控制卡，其中数据采集卡对伺服电机位置进行实时检测，并且采集锁具触点电压和检测控制命令的控制按钮信号，而运动控制卡驱动平移伺服电机和旋转伺服电机。
软件系统采用MVC三层结构模式。
（1）数据层是信息化的基础，主要利用SQL Server作为后端数据库管理平台存储试验数据。这些数据包括每次试验的设定参数和通过数据采集卡实时检测的试验数据等。在这一层通过通信与数据传输网络构成支持试验决策所需的原始信息和加工后的信息组合。
（2）控制层是根据具体各项试验工作需求，对信息经过分析计算和归纳组合之后，生成管理和试验提示等各类成果。这部分主要由数据采集卡和运动控制卡的开发包、VC 6.0开发环境等工具开发，构建试验系统的框架及主要处理模块。
（3）显示层主要指客户端界面程序，在数据层和控制层的支持下，综合显示各功能模块的最后成果，实现对试验工作的支持服务。
1.3 研究平台选择
本系统主要使用或结合以下3项工具开发：
（1）VC 6.0。Microsoft Visual C++（简称VC），微软公司的C++开发工具，C++是一种使用非常广泛的电脑程序设计语言，接口和类库非常丰富。
（2）SQL Server。Microsoft SQL Server是由美国微软公司所推出的关系数据库解决方案，其内置语言是由美国标准局（ANSI）和国际标准组织（ISO）所定义的SQL语言，适用于中小企业的数据库管理，但是近年来它的应用范围扩展到大型、跨国企业的数据库管理。
（3）DMC 3400多轴运动控制卡等硬件及其功能库函数。近年来，对运动控制系统的速度和精度的要求愈来愈高，使得传统的运动控制系统难以取得满意的控制效果，因此急需一种运算速度快、可以满足高精度运动控制的运动控制卡。随着技术的成熟稳定，目前市场上出现了种类繁多的运动控制卡，这些控制卡提供了二次开发用的函数，在程序中直接调用所提供的函数即可实现对伺服电机的控制，使开发软件的重点从单纯的功能实现转向如何使所设计的软件具有更多的功能和良好的人机交互接口。本系统利用DMC3400多轴运动控制卡等硬件，根据板卡的功能库函数，设计了可控制多轴的伺服电机、按照编程预定的运动轨迹及运动参数作定位运动的控制系统[4]。
1.4 数据库设计
本系统利用SQL Server作为后端数据库管理平台存储相关试验数据，主要包括4个表格：试验基本信息表、循环试验触电电压记录表、故障报警记录信息表和用户表，关系结构如图3所示。
1.5 系统设计与实现
系统的软件部分以Visual C++6.0为开发工具，采用了面向对象和模块化的思想进行开发，主要分为六大模块：人机界面模块、系统参数配置、参数设置模块、锁具行程标定、试验运行管理和数据管理。各独立功能一般都设计了相应的函数，各模块通过主框架程序相互协调控制，使所设计的软件具有可重构性、可扩展性、可移植性和互操作性等特点，组成一个完整的试验系统。软件结构图如图4所示。
（1）人机界面模块主要用于实现用户的输入和系统的输出。用户的输入包括用户发出控制命令、设置系统参数等操作，而系统输出包括当前系统状态的实时显示。这些界面功能主要通过VC的用户界面控件编程完成。
（2）系统参数配置模块主要用于运动卡等硬件板卡的参数初始化、参数设置、资源释放等。如果用户对系统配置参数不满意，可以通过界面程序手动设置，并将形成配置文件u，供当系统启动时自动加载。
（3）参数设置模块负责试验基本参数和锁具进程模式两大部分的设定，各个参数均按照国家标准给予参考设定，例如转向参数设置如图5所示。当试验人员设定了不符合逻辑的参数时，试验系统将显示错误提示信息。确认设置这些参数信息后，这些信息大多以表格字段形式在数据库软件中进行存储。实现对这些字段的处理，可以利用ADO直接通过OLE DB Provider建立连接，也可以使用ODBC数据源。在本系统中主要使用的是后一种方法。ODBC（开放数据库互连）提供了一种标准的API（应用程序编程接口）方法来访问数据管理系统，具有最大的独立性和开放性，而且这些API利用SQL来完成其大部分任务。
（4）锁具行程标定模块用于将锁具自动或手动运行至某个位置，通过I/O检测记录各轴运动控制的脉冲，主要通过对DMC3400运动控制卡等硬件的功能库函数编程实现。因此锁具运行模块由板卡初始化、水平运动、旋转运动和数据采集等几个部分组成；同时设定一个监听进程，在板卡初始化后启动该进程，定时扫描数据采集卡的位置标定确认按钮信号。
（5）作为整个系统的核心模块，试验运行管理模块负责按照设定次数循环向运动控制卡及其他执行部件发送控制指令执行耐久试验，实时跟踪动态并在主界面上显示运行状态（位置、速度、I/O量等）及调整后的参数，并将相关运行状态数据添加至数据库。
试验运行管理模块的实现与锁具行程标定模块类似，但是为了防止在一定的循环次数后造成平移累计行程误差，影响钥匙的位置控制，需要不间断地比较当前位置并进行补偿调整，每循环的运行时间为30 s以上。另外，该模块监听进程较复杂，定时扫描运动卡和数据采集卡的各相关输入端口，实时跟踪动态显示加工状态。如果监听到伺服报警、扭矩报警等故障信号时，用消息框提示报警信息，暂停试验进程并记录报警信息至数据库。同时，在试验过程中，为了处理一些突发情况，设置了暂停和急停功能。试验时用户可以随时按“试验暂停”键，试验锁具将暂停在当前位置；暂停后，用户也可以按“继续试验”按钮恢复试验，试验锁具将返回初始基准点重新开始当前的试验。试验主界面如图6所示。
（6）数据管理模块主要用于查询和导出数据库中的试验记录数据和故障报警记录。这些数据也存储在数据库表格中，所以处理方式与参数设置模块类似，使用ODBC数据源技术。
2 结论
本试验系统的特点在于技术指标得到大幅度提高，如表1所示，特别是响应速度快，完成钥匙插拔、旋转等动作的一个完整工作循环需要10～20 s，且在现有机械惯量下，伺服电机的转速可以更改，以保证检测可以在更短的时间内完成。
另外，本系统采用模块化软件设计，以PC实现友好的人机界面、灵活的系统配置，提高了试验系统的试验速度和控制精度。与国内同类设备技术指标相比，该锁具耐久试验台的指标均处于领先水平，并在设计思想上具有独创性，设备操作的便捷性和适用性相对较好，达到了国内同类设备的领先水平，且已交付无锡市产品质量监督检验所1台，使用良好，得到客户好评。
参考文献
[1] 王映辉．构件式软件技术[M]．北京：机械工业出版社，2012.
[2] 丁伟，丁黎光，耿雪霄.基于运动控制卡的PCB钻、铣、雕一体机数控系统[J].电气技术与自动化，2011（2）：136-138.
[3] 李海鹏，杨根科，牟晓生，等.用于机械防盗锁检测的锁具耐久性试验仪设计[J].仪表技术，2006（3）：50-51.
[4] 袁晓明.基于模块化设计的开放式数控系统[J].组合机床与自动化加工技术，2006（5）：52-54.