水聲裝配試驗生產(chǎn)線異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)采集和管理困難的問題，在分析水聲裝配試驗流程基礎(chǔ)上，針對需要采集的數(shù)據(jù)特點，提出一種基于工作流程的裝配試驗數(shù)據(jù)采集方法，建立了水聲裝配試驗生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)進(jìn)行了工程應(yīng)用，提高了水聲裝配試驗生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集數(shù)字化比率及生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：水聲裝配;異構(gòu)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集;生產(chǎn)線

中圖分類號：TP319? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)主要部件是由若干個聲學(xué)換能器按照一定的位置關(guān)系組成的聲學(xué)基陣，其裝配過程主要包括機(jī)械零件精加工、壓電陶瓷片篩選、陶瓷片粘接、預(yù)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(shù)測試儀等測量儀器采集前蓋板、后質(zhì)量塊、螺桿、陶瓷片的密度、聲速、介電常數(shù)、彈性模量、泊松比、尺寸、諧振頻率、阻抗、介電常數(shù)等數(shù)據(jù)[1，2]。

由于水聲系統(tǒng)裝配過程數(shù)據(jù)采集類型較多，也需要使用不同的測試儀器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化、數(shù)字化采集的難度較大，目前水聲系統(tǒng)裝配過程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)難以二次獲取或查詢。為解決上述問題，以下在對水聲系統(tǒng)裝配試驗工作流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合單臺計算機(jī)和密度測量儀、聲速測量儀、彈性模量測量儀、介電常數(shù)測試儀、三維尺寸自動測量儀、自動化水池測試系統(tǒng)實現(xiàn)對水聲裝配試驗生產(chǎn)線的各種異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集的方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)，可以解決目前水聲裝配試驗過程各種數(shù)據(jù)采集手段依賴手工操作、數(shù)字化程度低的問題[3，4]。

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

2.1? ?水聲系統(tǒng)裝配流程

水聲系統(tǒng)裝配試驗過程是由原材料、元器件經(jīng)過加工、裝配、試驗形成水聲系統(tǒng)產(chǎn)品的全過程，具體包括機(jī)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(yù)緊裝配、換能器性能測試、聲學(xué)基陣配陣、包覆層硫化、聲學(xué)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(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，前后環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)耦合程度高，涉及機(jī)械、電子、聲學(xué)等多個學(xué)科，數(shù)十個種類、數(shù)千個數(shù)據(jù)的采集。但是由于采用人工測量和記錄，數(shù)據(jù)結(jié)果難以獲取、查詢和關(guān)聯(lián)，很不利于相互間的匹配，以及與其他種類數(shù)據(jù)的匹配。不但影響水聲系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和費用周期，而且也無法保證水聲系統(tǒng)的產(chǎn)品合格率和質(zhì)量一致性。

2.2? ?數(shù)據(jù)的關(guān)系與分類

根據(jù)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(shù)測試儀采集前蓋板、后質(zhì)量塊、螺桿、陶瓷片的密度、聲速、介電常數(shù)、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù);使用三維尺寸自動測量儀，采集前蓋板、后質(zhì)量塊、螺桿、陶瓷片的尺寸數(shù)據(jù);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(shù)、導(dǎo)納曲線相角等數(shù)據(jù);使用自動化水池測試系統(tǒng)導(dǎo)出換能器基陣的發(fā)射生源級、指向性、接收靈敏度、接收靈敏度不均勻性、機(jī)械轉(zhuǎn)角和波束相為特性的斜率、發(fā)射特性、接受特性等數(shù)據(jù)。

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

3 異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（Composition of heterogeneous data acquisition system）

從以上數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。為此，可以在計算機(jī)上，通過串口、USB接口、網(wǎng)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(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，串口連接密度測量儀、彈性模量測量儀、介電常數(shù)測試儀;USB接口連接聲速測量儀、三維尺寸自動測量儀;網(wǎng)口連接阻抗分析儀、自動化水池測試系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2所示。

該異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信接口與測試儀器三大部分組成。其中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包含上位機(jī)硬件部分與數(shù)據(jù)庫管理軟件部分，通信接口包括串口、USB接口與網(wǎng)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(shù)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(tǒng)等。其基本原理是通過各種測試儀器直接測量水聲系統(tǒng)各個零部件、元器件的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過通信接口上傳并連接上位機(jī)，數(shù)據(jù)庫管理軟件獲取并管理數(shù)據(jù)[5]。

4? 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)（Implementation of data management system）

由于水聲系統(tǒng)具有裝配工藝不穩(wěn)定和更改頻繁、實際裝配過程隨機(jī)性大、生產(chǎn)狀態(tài)難以控制和周期長等特點，為實現(xiàn)裝配數(shù)據(jù)的有效采集和管理，需要解決三方面技術(shù)難點：根據(jù)工藝內(nèi)容和數(shù)據(jù)采集要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點位置采集方式和采集內(nèi)容的細(xì)化配置;實現(xiàn)對采集過程的控制，在出現(xiàn)技術(shù)問題時，使裝配數(shù)據(jù)和技術(shù)問題處理過程的信息能夠得到完整地采集和管理;實現(xiàn)多源異構(gòu)采集數(shù)據(jù)的存取和組織，滿足采集數(shù)據(jù)追溯和匯總的需求[6]。

水聲裝配試驗異構(gòu)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，將系統(tǒng)的使用分為測試員和校驗員兩種用戶;采用業(yè)界主流的C#語言為開發(fā)工具，是在Windows平臺上開發(fā)的人機(jī)界面操作的數(shù)據(jù)交互軟件;將采集和處理的數(shù)據(jù)存放在SQLite數(shù)據(jù)庫中。通過與計算機(jī)的連接更加直觀化的顯示數(shù)據(jù)，提供一個數(shù)據(jù)訪問對象類負(fù)責(zé)對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和操作，規(guī)范數(shù)據(jù)存儲格式;通過串口、USB接口、網(wǎng)口三種通訊方式來采集和處理數(shù)據(jù)。通過與計算機(jī)的連接更加直觀化的顯示數(shù)據(jù)。以需求分析為基礎(chǔ)，將整個系統(tǒng)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(jìn)一步細(xì)分。該系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

測試員功能模塊包括輸入尺寸數(shù)據(jù)、密度數(shù)據(jù)、介電常數(shù)數(shù)據(jù)、聲速數(shù)據(jù)、彈性模量數(shù)據(jù)、阻抗分析數(shù)據(jù)、電容數(shù)據(jù)、水池測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)。不同的數(shù)據(jù)需要不同外接儀器測量和導(dǎo)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(zhì)量塊、螺桿、陶瓷片、換能器、自動化水池，四部分按順序采集數(shù)據(jù)。前蓋板、后質(zhì)量塊、螺桿數(shù)據(jù)管理界面如圖4所示。

在水聲系統(tǒng)的裝配試驗實施階段，裝配工人接收具體的裝配任務(wù)，并根據(jù)裝配流程進(jìn)行裝配試驗操作。當(dāng)進(jìn)行至數(shù)據(jù)采集點時，工人按照該節(jié)點的數(shù)據(jù)采集流程，采用對應(yīng)的采集方法或設(shè)備依次對每項采集內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)實時地進(jìn)行傳輸和存儲[7，8]。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

本文針對水聲系統(tǒng)裝配試驗過程的異構(gòu)數(shù)據(jù)采集和管理困難的問題，在分析其裝配試驗數(shù)據(jù)采集流程基礎(chǔ)上，提出了基于工作流程的水聲裝配試驗生產(chǎn)線裝配數(shù)據(jù)采集和管理方法，并設(shè)計了水聲裝配試驗生產(chǎn)線異構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以為水聲系統(tǒng)裝配試驗生產(chǎn)線過程控制和質(zhì)量管理提供了有效的支撐。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 邊翔，吳燕妮.一種提高換能器產(chǎn)品合格率的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報，2015，23（3）：183-186.

[2] 胡氫，王輝.夾心式復(fù)合換能器的研制[J].現(xiàn)代制造工程，2007（6）：121-123.

[3] 王琦.基于超聲波換能器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[D].大連理工大學(xué)，2009.

[4] 王福亮，韓雷，鐘掘.引線鍵合機(jī)換能器計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)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(shù)據(jù)集成管理技術(shù)[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（4）：716-725.

[6] 萬峰，劉檢華，寧汝新，等.面向復(fù)雜產(chǎn)品離散裝配過程的數(shù)據(jù)采集和管理方法[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，8（8）：1819-1828.

[7] 王巍，劉泉.旋轉(zhuǎn)機(jī)械綜合實驗臺測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，6（11）：116-125.

[8] 冉寶春，郭慶吉.應(yīng)用LabSQL構(gòu)建和訪問數(shù)據(jù)庫的方法[J].工業(yè)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(lǐng)域：水聲探測，水下航行器.

羅瑜霞（1984-），女，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：水聲工藝技術(shù).

李? 佳（1987-），女，本科，工程師.研究領(lǐng)域：水聲工藝技術(shù).

劉小光（1986-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：水聲檢測技術(shù).