【推荐精品硕士论文】多功能自动发卡机性能测试与分析.pdf

学校代码：10406 分类号：tp23 学号：110085232005 南昌航空大学南昌航空大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （专业学位研究生） 多功能自动发卡机多功能自动发卡机 性能测试与分析性能测试与分析 硕士研究生： 赖云飞 导 师： 许瑛 教授 邢普 副教授 申请学位级别：硕 士 学科、专业： 航空工程 所在单位： 飞行器工程学院 答辩日期： 2014 年 06 月 授予学位单位：南昌航空大学 the performance test and analysis of multifunction automatic card sender a dissertation submitted for the degree of master on aeronautical engineering by lai yunfei under the supervision of prof. xu ying xing pu school of aircraft engineering nanchang hangkong university, nanchang, china june, 2014 ii 摘 要 近年来，随着高速公路的建设和对收费管理、交通控制、安全管理的要求日 益提高，高速公路自动发卡机在越来越多的公路站点被采用；但是自动发卡机都 存在许多故障，至今还未在全国范围普及使用。 本论文在研制多功能自动发卡机的 基础上，对其进行测试、分析及改进，为了最终研发出功能强大而故障率低的多 功能自动发卡机。 高速公路发卡机的主要性能取决于发卡机头的稳定性及功能，在研究发卡机 头机理的基础上，首先，论述当前国内外自动发卡机技术的现状；其次，针对多 功能自动发卡机的设计要求研究出一套设计方案并进行结构验证与结构分析 ；再 次，针对设计方案，运用利用虚拟技术软件solidworks建立了发卡机的三维模型， 并针对各模块的功能需要进行了软硬件的设计，再进行了样机及电路板进行试制 与测试；最后,通过不断地进行功能测试、分析及不断改进，完成了初步样机，之 后通过参数的测试及分析，以及故障率的两大关键参数卡卡率及叠卡率的重点分 析，找到了基本解决相应问题并验证通过的办法，最终做出了满意的多功能自动 发卡机。 论文对多功能自动发卡机的结构和控制系统进行了详细阐述与分析并且通过 对测试结果的不断验证、测试与分析，对其进行了改进和优化。基本达到了多功 能自动发卡机的技术要求，为进一步优化其功能及稳定性提供了理论依据。 关键词：关键词：自动发卡机；试制；测试；分析；改进 iii abstract in recent years, along with the highway construction and to charge management, traffic control, safety management requirements is increasing day by day, the highway automatic card sender has been applied in more and more highway sites; but automatic card sender has many faults, yet it has not been widespread applied all over the country. in this paper, on the basis of the development of the multi-functional automatic card sender, to test, analysis and improvement, in order to eventually developed the powerful and multifunctional automatic card sender with low failure rate. highway card senders main performance depends on the stability and function of the card sender head, on the basis of the research mechanism of card sender head, first of all, the paper discusses the present situation of the current automatic card machine technology at home and abroad. secondly, aimed at the design requirements of multi-function automatic card sender developed a set of design scheme and structural validation and analysis; again, in view of the design scheme of using virtual technology software solidworks card senders 3d model is established, and the function of each module to the design of hardware and software, and then the prototype and manufacture and testing circuit board; finally, through the constantly functional testing, analysis and continuous improvement, completed a preliminary prototype, through the parameter testing and analysis, as well as the failure rate of the two key parameters of kaka and the focus of the folding card rate analysis, found the fundamental solution to the corresponding problems and verify through, finally has made the satisfactory multi-function automatic card sender. papers on the structure of multi-functional automatic card sender and control system are analyzed in detail and through the validation of the result of the test, test and analysis, on the improvement and optimization. basically it reached the technical requirements for multifunctional automatic card sender in order to further optimize the function and stability provides a theoretical basis. key words: automatic card sender, trial-produce, test, analysis, improvement 南昌航空大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 南昌航空大学南昌航空大学 . i 学科、专业： 航空工程. i a dissertation . i 摘 要 . ii abstract. iii 目 录 . iv 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.2.1 国外发展现状 . 2 1.2.2 国内发展现状 . 3 1.3 本文研究目标与意义 . 6 1.4 本文内容安排. 7 1.4.1 研究方案. 7 1.4.2 研究内容. 7 第 2 章 机械结构的实现. 9 2.1 构成 . 9 2.2 功能及设计要求. 10 2.2.1 功能 . 10 2.2.2 设计要求. 10 2.3 结构设计 . 11 2.3.1 洗卡机. 11 2.3.2 发卡机头. 14 2.3.3 主要传动零件的结构设计 . 19 2.3.4 机壳及相关零部件 . 30 2.4 本章小结 . 31 第 3 章 控制系统的设计. 33 3.1 整机控制理论. 33 3.2 主控制系统的设计 . 34 3.2.1 通信功能的设计 . 34 3.2.2 取卡按键电路的设计 . 36 3.2.3 天线切换电路的设计 . 37 3.2.4 电源的设计 . 38 3.2.5 cortex-m3 最小系统 . 39 3.3 发卡系统的设计. 40 3.3.1 can 通信模块 . 40 3.3.2 写卡发卡功能设计 . 40 南昌航空大学硕士学位论文 目 录 v 3.3.3 转位升卡功能设计 . 45 3.3.4 上卡搓卡功能设计 . 46 3.3.5 装卡功能设计 . 46 3.4 本章小结 . 46 第 4 章 性能测试与改进. 47 4.1 功能测试、分析及改进 . 47 4.1.1 洗卡模块. 47 4.1.2 自动装卡. 48 4.1.3 转位上卡. 48 4.1.4 自动整卡. 51 4.1.5 搓卡发卡. 52 4.1.6 读卡写卡. 53 4.1.7 废卡回收. 53 4.1.8 出卡回卡. 54 4.2 参数测试及分析. 54 4.2.1 卡卡率. 54 4.2.2 叠卡率. 55 4.2.3 变形量. 56 4.2.4 装卡量. 56 4.2.5 时间参数. 56 4.3 关键参数分析及改进 . 57 4.3.1 降低卡卡率 . 57 4.3.2 降低叠卡率 . 58 4.4 测试结果 . 59 4.4.1 发卡条件. 59 4.4.2 测试方案. 59 4.4.3 测试结果. 60 4.5 本章小结 . 61 第 5 章 结论与展望 . 62 5.1 本文研究结论. 62 5.2 研究展望 . 63 参考文献 . 64 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况 . 66 一、攻读硕士学位期间发表的论文 . 66 二、攻读硕士学位期间参加的科研情况 . 66 致 谢 . 67 南昌航空大学硕士学位论文原创性声明 . 68 南昌航空大学硕士学位论文使用授权书 . 68 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 近几年来，随着我国高速公路网络化的高速发展，网络化管理也在逐年地增 加，给人们带来交通便利的同时，也产生了许多问题。如何提高高速公路各路段 的综合管理水平，充分发挥路网中各点之间快捷、畅通的通行优势，成为摆在高 速公路管理者面前的一项新的研究课题 1。 而一种无人值守的高速公路自动发卡机 可以提高高速路段的通行效率，并且大幅度节约管理成本，同时为解决因全部车 道开启而人员不足的突出问题提供了一个合理可行、行之有效的技术方案 2。 自动发卡机是智能交通的基本组成构件之一，将ic卡读写、发放、存储、计 数、整理等功能集成一体，不仅可以完成业务需求，同时可以代替人工管理，不 再需要进行清点、整理、交接卡等工作,大幅降低了相关工作人员的工作量并且大 幅度提高了工作效率，同时缩短了交班时间，减少了相关人员配置和点卡机等设 备的使用。 随着高速公路的建设和对于收费管理、交通控制、安全管理的要求日益提高， 高速公路自动发卡系统在越来越多的公路站点被采用，但是自动发卡机都存在许 多故障，至今还未在全国范围普及使用 3-10。 卡机主要故障主要存在于： 厚度不统一、卡片粘连、卡片折弯等造成的卡卡或者叠卡 机械器件（皮带、弹簧等）劳损 感应天线、传感器、电机故障 受环境影响，温度太高造成主板烧坏，温度太低造成皮带发紧， 灰尘影响传感器工作等，影响卡片传送 因此，预防和处理异常卡片，增加零部件的可靠性，是新系统必须要实现的 目标，多功能发卡机具有以下新特点： （1) 技术创新，功能集成，性能突破 集成自动点卡、检测、清洗、添卡功能，形成一套全功能、全自动化的智能 发卡体系； 关键技术要有所创新，使得新产品在关键性能上有质的突破，特别是在提高 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 2 发卡准确度、减少发卡故障、增加装卡量等方面。 （2) 高度可靠，维护性强，以质取胜 新系统必须克服现有产品的常见问题：包括卡卡，多出卡，对卡片会造成损 害等，发卡可靠性要有较大提高； 减少人工维护：提高卡夹容量，减少补卡次数；24小时运行，添加卡片不影 响发卡：关键功能模块化，便于维护； 增强对环境的适应程度：能抵抗高温、低温、霜冻、暴雨、雷电、粉尘等极 端天气的影响； 增强对不同卡片的适应程度：可以处理不同厚度的卡片，同时对于折弯、污 损、不能读写的卡片要提前判别、回收。 综上所述，在未来的高速公路管理中，发卡机必定占有主导地位，相关部门 对这类机器的研究投入也会相应加大，这类机器的品种也会如雨后春笋一般逐渐 增多，功能同样也会越加齐全。现代高速公路急需一种可靠地自动发卡结构来取 代封闭式的人工发卡 11-13。 所以，研究具有满足以上需求的多功能自动发卡机，开发出具有市场竞争力 的产品，是我国自动发卡机行业发展的必由之路，因此对自动发卡机的性能测试 进行研究具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外发展现状 国外在发卡机的研究上处于领先地位，主要研发商有asahi seiko、kytronics 等公司。 （1）美国asahi seiko 14是世界上发卡机的重要生产商和研究商，其scd-2500 系列发卡机结构简单、功能完善，可以处理各系统中发卡的整个过程。 适用于非接触式ic卡:对于acg mifare/legic 或天线只有版本的mce-2500,以 下卡片类型是合适的:iso/iec 14443的部分1-4，身份证(非接触式ic卡接近 式) 环境:温度-10c + 40c,湿度30% 90%(非冷凝) 储存卡容量:445卡(1.8毫米厚) 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 3 图1-1 asahi seiko发卡机 （2）kytronics 15公司开发的发卡机参数如下所示： a)非接触式和接触ic卡 b)高速卡印刷每小时1200张卡片 c)最大的装卡量多达2000卡 d)1、2或4卡夹 e)最多4个不同的可用 f)强大的和各种卡编码能力、可靠的和持久的设计 图1-2 kytronics发卡机 通过以上两家公司发卡机的介绍，可以看出国外在发卡机有以下特点： a）机电一体化控制，简化了发卡机机械结构，加快了系统响应速度，减少能 源消耗，提高效率； b）传感器技术较高，稳定性高,卡卡率、叠卡率低； c）卡的厚度一致，发卡环境较好，卡均为新卡，无水、污渍、折弯等，发卡 难度较低。 1.2.2 国内发展现状 目前市场上有大量的产品供应商，提供产品从功能上基本类似，缺少有特色 的专业产品，产品性能差异不大。目前市场上主要的供应商包括： （1）石家庄优创 16（见图1-3）：主要特殊功能如下 a）厚度在0.7mm0.95mm范围内的ic卡能顺利发送到司机手中，其配备的回 收机头可准确的将读写失败ic卡回收到“读写不成功卡回收盒”内。 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 4 b）发卡机头配有独有的防出双卡装置，可大量减少用户使用厚度在 0.7mm-0.95mm范围内的ic卡时出双卡或卡卡的故障。 c）独创的半开放型gwa（b）卡夹，完善的卡夹装卸机构，装卸卡夹省力、简 单、快捷同时定位准确，同时可伸缩卡道，可配置多读写器，可换装ic卡或rfid 读写器。 d）最优的模块设计，发卡机头外加快装自定位，能在恶劣的条件下稳定的工 作，发生故障后维修方便，无需停机。 e）读写不成功卡自动回收，提高发卡速度。独特的钩卡设计，大量克服由于 卡表面被污染而影响顺利发卡。 f）卡夹内部采用最新结构形式，托卡盒运动平稳、阻力小，提高和卡夹内壁 的磨损，提高卡夹的使用寿命及发卡的成功率。 图1-3 石家庄优创发卡机 （2）金晟安（见图1-4）：主要特点包括非接触式ic卡自动收发卡机，智能 防盗锁，主要用于停车场，该机可将收、发卡过程一机自动完成，高精度机械加 工等。 多卡箱散卡式双频复合卡自助发卡机是根据高速公路对于双频复合通行卡 （厚卡）的特殊要求而专门设计研发的，较好地解决了使用双频复合通行卡（厚 卡）的高速公路用自助发卡机进行发卡的问题，同样，双频复合通行卡（厚卡） 自助发卡机也适用于薄卡，其与使用厚卡不同的是，在更换部分机件后，一次性 最大转卡数将成倍增加。 主要功能： a）分上下两层取卡, 一次发卡时间不超过2秒钟。司机按取卡键，卡机自动 发出有效卡，一车一卡。 b）装卡容量大，一台卡机满载可装1600张复合通行卡（5mm厚）。 c）卡机设四个机芯，每个机芯之间可以全自动切换发卡，不须人工干预。 d）散卡模式，随时装填卡。 e）可显示每工位全部卡箱卡数及工作状态。 f）废卡自动回收，不用人工处理。 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 5 g）采用机芯芯轴技术，机芯芯轴内安装有5组电极，实现每个卡箱的实时信 息传输，并对卡箱供电。 图1-4 金晟安发卡机 （3）苏州郎为（见图1-5）：主要特点包括开放式无卡夹，水平卡夹，简洁高 效大容量，结构简化故障减少且装卡量达700张并可扩容。柔性凸块端部推卡，智 能电动调整推力使装卡安全、方便等。 图1-5 苏州郎为发卡机 （4）广州电子所（见图1-6）：具有自动调温功能，具有完备的自检功能， 方便联调、 维护， 卡夹电动抬升， 两千张卡片容量， 轻巧的卡箱 （无卡时仅重1.5kg） 。 图1-6 广州电子所发卡机 虽然不同厂家都采用各自的技术，争取提高发卡精度，增加产品可靠性，但 是根据客户反馈在实际使用中，并没有达到理想的效果，卡卡，多出卡等现象没 有从根本上加以改善。 目前市场上的产品，普遍对环境要求苛刻，对于高温、低温、雨水等要求严 格，难以适应国内不同地域不同季节的环境要求。同时，不同省份的卡片厚度不 同，卡片在使用过程中的磨损，折弯，污渍等，都会对现有产品的正常工作造成 影响，经常造成卡卡、多出卡的现象。目前产品的实际平均无故障时间基本在1到 2周时间，这样给用户体验，供应商的售后服务，产品维护维修造成了极大困难。 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 6 我国高速发卡机的研发、生产起步较晚，匹配理论和测试方案还很不完善； 研究的可靠性，控制算法和控制方案仍处于探索阶段。 我国与国外生产的发卡机相比，仍然存在很大的距离，但也有自身的特点， 主要表现在以下几个方面： a）自动化程度低 机电一体化控制技术不够，发卡机机械结构更复杂,传感 器技术更低，降低了系统响应速度及发卡速度，同时增加了故障率； b）发卡条件较差 卡的厚度一致较差，发卡环境较为恶劣，卡的种类较多， 并且旧卡居多，有水、污渍、折弯等，发卡难度较高。 综上所述，现今国内外的自动发卡机经常出现卡卡、多出卡等问题，并且都 是因为结构上的缺陷以及控制上的不完整，因此产生问题的根源是结构设计与控 制设计的问题，因此本文准备从以下两方面来解决这两大问题： a）在结构上，国内均使用曲柄滑块机构钩卡对卡片的要求较高，容易出现卡 卡或叠卡等问题，因此准备从结构上进行改进，采用新的机构方案，增加机构的 稳定性以及发卡的可靠性。 b）在控制上，国内使用的均为普通的51单片机、不带负反馈的控制系统以及 无双重保护功能，造成控制稳定性以及故障主动判断、主动解决能力较差，因此 将使用新的控制方案，增加系统的容错性以及异常处理能力。 1.3 本文研究目标与意义 本课题得到了厦门积硕科技有限公司的资助(项目名称：多功能无人值守自 动发卡机设计)，是校企合作项目。 对多功能自动发卡机的性能进行测试，进而为发现并解决自动发卡机所出现 的各类问题提供重要的理论支持，从根本上降低自动发卡机的故障率，并提供巨 大的经济利益和社会利益。 目前国内所生产的自动发卡机都有着普遍的问题，例如卡卡、多出卡等，如 何从根本上解决这些问题，从而为整个自动发卡机行业的发展提供理论支持，具 有相当重要的意义。 本课题以多功能自动发卡机的性能测试为研究目标，拟在对现有自动发卡机 进行梳理的基础上，对多功能自动发卡机进行测试，并通过实验验证该系统方案 的可行性与优越性，得出多功能自动发卡机测试验证方案，为推动我国自动发卡 机的发展提供理论依据。 本课题首先通过实地调研和文献检索，对国内外自动发卡机系统进行全面梳 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 7 理和总结，将在多功能发卡机制作样机的基础上进行多次试验修改相关设计，验 证该方案的可行性与优越性，研究出一种多功能自动发卡机。 本课题研究的是一款现代化的机电一体化的设备，其中应用的理论与实践知 识将可以扩展到其它设备与行业，将为整个机械行业提供理论依据。 1.4 本文内容安排 1.4.1 研究方案 本项目以理论研究分析为基础，真实样机制作、测试与分析为主要手段，综 合运用理论分析、计算机软件实体建模等研究方法，改进并完善多功能发卡机的 设计方案。 多功能自动发卡机最大问题是如何解决卡卡、叠卡、卡容量不够等问题，在 新型多功能发卡机方案的实现并且不断测试与改进的情况下这一问题得到有效解 决。 本项目研究拟采取的技术路线是：首先，针对多功能自动发卡机的设计方案 进行结构验证与结构分析，然后针对设计方案，运用计算机软件对各步骤进行实 体建模，首先利用虚拟技术软件solidworks建立了发卡机的三维模型，并针对各机 构的功能需要进行了软硬件的设计，然后进行了样机及电路板进行试制与测试， 最后根据测试效果，得出相应的结论，进行相应的改进，最终研制出满意的多功 能自动发卡机。 1.4.2 研究内容 论文具体研究内容如下： (1)根据多功能发卡机的设计要求与技术指标，提出了系统的设计方案。分别 对多功能发卡机的构成、功能以及结构进行探讨，并且从以下几方面进行分析。 a）洗卡机 分析洗卡机部分的操作流程及工作原理，包括发卡模块、洗卡模 块以及自动装卡模块，对各部分的实现方式进行详细分析。 b)发卡机头 分析发卡机头部分的操作流程及工作原理，对其组成模块旋转卡 箱、搓卡机构、写卡模块、出卡回卡模块分别进行详细分析。 c）主要传动零件 对多功能自动发卡机的主要传动零件的结构进行了详细的 设计与计算。 d）外壳及其它零部件 由于难度较小并且非核心部分，因此只简要说明了外 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 8 壳及其它零部件的设计要求。 (2)根据自动发卡机设计方案，对多功能自动发卡机整机的控制理论进行简要 分析，并且对主控制系统以及发卡系统进行了详细的设计与分析，其中主控制系 统中主要对通信模块、取卡按键控制、写