水聲裝配試驗生產線異構數據采集系統設計

李濤 羅瑜霞 李佳 劉小光

摘? 要：為解決水聲裝配試驗過程中數據采集和管理困難的問題，在分析水聲裝配試驗流程基礎上，針對需要采集的數據特點，提出一種基于工作流程的裝配試驗數據采集方法，建立了水聲裝配試驗生產線的數據采集系統，并通過數據庫軟件開發進行了工程應用，提高了水聲裝配試驗生產線的數據采集數字化比率及生產效率。

關鍵詞：水聲裝配;異構數據;數據采集;生產線

中圖分類號：TP319? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：In order to solve the problem of data acquisition and management in underwater acoustic assembly tests，the paper proposes a data acquisition method for underwater acoustic assembly tests，based on the analysis of underwater acoustic assembly test flow and the characteristics of data to be collected.The paper also establishes a data acquisition system for underwater acoustic assembly and testing production line，and carries out an engineering application through database software development，which effectively improves the data acquisition digitalization ratio and production efficiency of acoustic assembly and testing production line.

Keywords：underwater acoustic assembly;heterogeneous data;data acquisition;production line

1? ?引言（Introduction）

水聲系統主要部件是由若干個聲學換能器按照一定的位置關系組成的聲學基陣，其裝配過程主要包括機械零件精加工、壓電陶瓷片篩選、陶瓷片粘接、預緊裝配、換能器性能測試、基陣配陣等多道工序。裝配過程需要使用密度測量儀、聲速測量儀、彈性模量測量儀、介電常數測試儀等測量儀器采集前蓋板、后質量塊、螺桿、陶瓷片的密度、聲速、介電常數、彈性模量、泊松比、尺寸、諧振頻率、阻抗、介電常數等數據[1，2]。

由于水聲系統裝配過程數據采集類型較多，也需要使用不同的測試儀器，實現數據自動化、數字化采集的難度較大，目前水聲系統裝配過程數據采集手段落后，主要以人工測試、記錄為主，智能化、集成化程度低，不僅耗時費力，而且測試數據難以二次獲取或查詢。為解決上述問題，以下在對水聲系統裝配試驗工作流程進行分析的基礎上，提出了一種結合單臺計算機和密度測量儀、聲速測量儀、彈性模量測量儀、介電常數測試儀、三維尺寸自動測量儀、自動化水池測試系統實現對水聲裝配試驗生產線的各種異構數據進行數字化采集的方法，并進行了相應的系統設計和軟件開發，可以解決目前水聲裝配試驗過程各種數據采集手段依賴手工操作、數字化程度低的問題[3，4]。

2? ?水聲系統裝配生產線流程分析（Process analysis of the assembly line for underwater acoustic system）

2.1? ?水聲系統裝配流程

水聲系統裝配試驗過程是由原材料、元器件經過加工、裝配、試驗形成水聲系統產品的全過程，具體包括機械零件精密加工、壓電陶瓷片篩選測試、陶瓷片涂膠粘接、換能器預緊裝配、換能器性能測試、聲學基陣配陣、包覆層硫化、聲學基陣性能測試、后端阻抗匹配等工藝流程，如圖1所示，至少包括11個工位、20多個工序。該流程的特點是整體數據種類多、數量大，前后環節數據耦合程度高，涉及機械、電子、聲學等多個學科，數十個種類、數千個數據的采集。但是由于采用人工測量和記錄，數據結果難以獲取、查詢和關聯，很不利于相互間的匹配，以及與其他種類數據的匹配。不但影響水聲系統產品的生產效率和費用周期，而且也無法保證水聲系統的產品合格率和質量一致性。

2.2? ?數據的關系與分類

根據圖1所描述的水聲裝配試驗流程，該過程一般需要使用密度測量儀、聲速測量儀、彈性模量測量儀、介電常數測試儀采集前蓋板、后質量塊、螺桿、陶瓷片的密度、聲速、介電常數、彈性模量、泊松比等數據;使用三維尺寸自動測量儀，采集前蓋板、后質量塊、螺桿、陶瓷片的尺寸數據;使用阻抗分析儀采集陶瓷片與單個換能器的諧振頻率、反諧振頻率、阻抗、介電常數、導納曲線相角等數據;使用自動化水池測試系統導出換能器基陣的發射生源級、指向性、接收靈敏度、接收靈敏度不均勻性、機械轉角和波束相為特性的斜率、發射特性、接受特性等數據。

從數據類型上來講，主要有機械尺寸數據，主要包括前蓋板、后質量塊、螺桿、陶瓷片的外形尺寸數據;材料特性數據，主要包括密度、彈性模量、泊松比等數據;聲學特性數據，主要包括不同材料中的聲速等;電學特性數據，主要包括阻抗、介電常數、諧振頻率等。以上不同種類的數據，其間存在著多關聯、強耦合、非線性的特點，各種數據關系復雜多變，需要進行多個層次上的數據匹配與耦合。如在聲學基陣的裝配過程中，由于各聲學換能器單元的不一致性，需要根據電容、阻抗、諧振頻率等性能數據綜合對比分析，從數百個換能器單元中選取一定數量的合適單元與布陣位置間進行關聯匹配，以獲得更為優異的聲學基陣發射聲源級和收發指向性。

3 異構數據采集系統組成（Composition of heterogeneous data acquisition system）

從以上數據分類和水聲裝配試驗流程可以得出，必須使用不同的測量儀器采集多種裝配試驗數據。為此，可以在計算機上，通過串口、USB接口、網口三種通訊方式來連接各種測試儀器，形成針對水聲裝配過程異構數據采集系統。其中，串口連接密度測量儀、彈性模量測量儀、介電常數測試儀;USB接口連接聲速測量儀、三維尺寸自動測量儀;網口連接阻抗分析儀、自動化水池測試系統。該數據采集系統組成如圖2所示。

該異構數據采集系統主要由數據庫管理系統、通信接口與測試儀器三大部分組成。其中數據庫管理系統包含上位機硬件部分與數據庫管理軟件部分，通信接口包括串口、USB接口與網口三種通信方式，測試儀器主要包括密度測量儀、彈性模量測量儀、介電常數測試儀、聲速測量儀、三維尺寸自動測量儀、阻抗分析儀、自動化水池測試系統等。其基本原理是通過各種測試儀器直接測量水聲系統各個零部件、元器件的數據，數據通過通信接口上傳并連接上位機，數據庫管理軟件獲取并管理數據[5]。

4? 數據管理系統實現（Implementation of data management system）

由于水聲系統具有裝配工藝不穩定和更改頻繁、實際裝配過程隨機性大、生產狀態難以控制和周期長等特點，為實現裝配數據的有效采集和管理，需要解決三方面技術難點：根據工藝內容和數據采集要求，實現數據采集點位置采集方式和采集內容的細化配置;實現對采集過程的控制，在出現技術問題時，使裝配數據和技術問題處理過程的信息能夠得到完整地采集和管理;實現多源異構采集數據的存取和組織，滿足采集數據追溯和匯總的需求[6]。

水聲裝配試驗異構數據管理系統采用模塊化的設計，將系統的使用分為測試員和校驗員兩種用戶;采用業界主流的C#語言為開發工具，是在Windows平臺上開發的人機界面操作的數據交互軟件;將采集和處理的數據存放在SQLite數據庫中。通過與計算機的連接更加直觀化的顯示數據，提供一個數據訪問對象類負責對存儲的數據進行管理和操作，規范數據存儲格式;通過串口、USB接口、網口三種通訊方式來采集和處理數據。通過與計算機的連接更加直觀化的顯示數據。以需求分析為基礎，將整個系統劃分為三個功能模塊：登錄模塊、測試員模塊、校驗員模塊[6]。其中測試員模塊和校驗員模塊可以進一步細分。該系統的功能模塊結構圖如圖3所示。

測試員功能模塊包括輸入尺寸數據、密度數據、介電常數數據、聲速數據、彈性模量數據、阻抗分析數據、電容數據、水池測試系統數據。不同的數據需要不同外接儀器測量和導入，并且需要按照一定的順序采集，因此將測試分為前蓋板、后質量塊、螺桿、陶瓷片、換能器、自動化水池，四部分按順序采集數據。前蓋板、后質量塊、螺桿數據管理界面如圖4所示。

在水聲系統的裝配試驗實施階段，裝配工人接收具體的裝配任務，并根據裝配流程進行裝配試驗操作。當進行至數據采集點時，工人按照該節點的數據采集流程，采用對應的采集方法或設備依次對每項采集內容進行數據采集，并將采集的數據實時地進行傳輸和存儲[7，8]。

5? ?結論（Conclusion）

本文針對水聲系統裝配試驗過程的異構數據采集和管理困難的問題，在分析其裝配試驗數據采集流程基礎上，提出了基于工作流程的水聲裝配試驗生產線裝配數據采集和管理方法，并設計了水聲裝配試驗生產線異構數據采集系統，可以為水聲系統裝配試驗生產線過程控制和質量管理提供了有效的支撐。

參考文獻（References）

[1] 邊翔，吳燕妮.一種提高換能器產品合格率的改進結構和工藝[J].水下無人系統學報，2015，23（3）：183-186.

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[3] 王琦.基于超聲波換能器的數據采集系統設計[D].大連理工大學，2009.

[4] 王福亮，韓雷，鐘掘.引線鍵合機換能器計算機數據采集系統[J].計算機應用研究，2005，22（5）：159-160.

[5] 張佳朋，劉檢華，寧汝新，等.面向離散裝配的過程和數據集成管理技術[J].計算機集成制造系統，2011，17（4）：716-725.

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[7] 王巍，劉泉.旋轉機械綜合實驗臺測試數據采集系統設計[J].武漢理工大學學報，2009，6（11）：116-125.

[8] 冉寶春，郭慶吉.應用LabSQL構建和訪問數據庫的方法[J].工業儀表與自動化裝置，2005，3（6）：48-50.

作者簡介：

李? 濤（1979-），男，博士，高級工程師.研究領域：水聲探測，水下航行器.

羅瑜霞（1984-），女，碩士，工程師.研究領域：水聲工藝技術.

李? 佳（1987-），女，本科，工程師.研究領域：水聲工藝技術.

劉小光（1986-），男，本科，工程師.研究領域：水聲檢測技術.