摘要：德國工程師協會根據工業的愿景和德國齒輪行業的發展現狀，制定了數據格式標準。數據格式標準是由下屬齒輪和齒輪箱工作組負責制定，于年月發布。數據格式標準協議載體標準格式以文檔的形式定義的。

摘 要：德國于2011年率先提出工業4.0概念以提高其國內整體工業實力和促進工業轉型。工業4.0的實質是“互聯網+制造”，而信息技術是工業4.0的基礎。齒輪作為重要的基礎零件，是傳動裝置的核心。目前，齒輪設計、加工、測量和使用的各個方面所涉及的數據還沒有被有效收集、存儲、分析和利用，數據格式標準是數據自由流通和利用的基礎和保證。德國工程師協會（Verein Deutscher Ingenieure, VDE/VDI）根據工業4.0的愿景和德國齒輪行業的發展現狀，制定了VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition（GDE數據格式標準）。GDE數據格式標準定義和規范了齒輪全生命周期數據，使得齒輪數據自由交互和高效利用成為現實，對我國齒輪行業全面邁向“中國制造2025”具有借鑒意義。
關鍵詞：齒輪；數據交互；格式標準；工業4.0；中國制造2025
中圖分類號：U 461；TP 308 文獻標識碼：A 文章編號：

Abstract: Germany first proposed the Industry 4.0 in 2011 to improve its overall industrial strength and promote industrial transformation. The essence of Industrial 4.0 is "Internet + Manufacture", and the information technology is the foundation of Industry 4.0. Gear, as one of most important mechanical parts, the core of the transmissions. At present, the data involved in all aspects of gear, such as design, processing, measurement and usage, have not been effectively collected, stored, analyzed and utilized. Data format standard is the basis and guarantee for the data free flowing and utilization. The Verein Deutscher Ingenieure (VDE/VDI) has developed the “VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition” according the vision and mission of Industry 4.0 and the development condition of German domestic gear industry. The GDE standard data format defines and standardizes the gear whole life cycle data, making the gear data freely interactive and efficient use become a reality.
Key words: Gear；Data Exchange; Format Standard; Industry 4.0, Made in China 2025

齒輪是傳動裝置的核心零件，因其參數較多，加工工藝繁復，從設計到使用的各個階段需要多個生產企業和部門的合作，因此在設計，制造，測量，服役及報廢等各個階段都擁有繁雜的數據。長久以來，受生產企業，產品種類和工藝路線的不同，齒輪生產的各個企業和部門只制定自己的齒輪數據格式，這種數據格式相對簡單，只能滿足企業和部門內部的使用和交；數據參數種類和也只根據企業和產品需求制定，所采用的齒輪標準不一，甚至只包含本企業專注的個別參數，或者只是針對特定機床、量儀和分析程序有效，不具有通用性，形成了業內的“數據壁壘”。一旦企業更換相關的生產設備和軟件程序或者調整生產工藝，就要重新制定或者修訂齒輪數據格式，這樣極大的降低了齒輪的生產效率，且增加了企業生產成本。GDE正是針對齒輪生產過程中數據損耗和低效而制定的，本文主要介紹德國GDE數據格式標準及我國在此領域發展的思考

VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition (GDE數據格式標準)是德國工程師協會(Verein Deutscher Ingenieure ,VDI/VDE) 制訂的“齒輪以及齒輪的測量和檢查”專題標準中的第五個標準。GDE標準定義了基于XML的齒輪數據格式，允許所有與齒輪相關的數據在設計、制造到質量控制和售后服務等環節之間的各個階段中進行交互。GDE數據格式標準主要依據Cylindrical gears—ISO system of accuracy—part 1: Definitions and allowable values of deviations relevant to corresponding flanks of gear teeth[S]. ISO, 2013及其他主要的齒輪標準（插入所有引用到的標準，ISO and DIN）。齒輪數據格式標準XML結構包含了齒輪幾何尺寸、修形、公差信息，齒輪制造工具信息，齒輪制造工藝和工藝鏈信息已經允許用戶自定義額外信息，提供了在數據庫和互聯網中更進一步處理的條件。
GDE數據格式標準是由VDI/VDE下屬“齒輪和齒輪箱”工作組負責制定，于2014年5月發布。經過兩年多的不斷擴展和修正，目前公開的最新版本是2.4，且在穩定修改和推進中。VDI/VDE是世界上最大的技術導向協會和組織，協會成員來自各個不同專業方向的工程師、自然科學家及電腦工程師。

GDE數據接口標準是基于XML(Extensible Markup Language)語言建立的。XML可擴展標記語言是標準通用標記語言的子集，是一種用于標記電子文件使其具有結構型的標記語言。XML可以用來標記數據、定義數據類型，設定數據規則，允許用戶對自己的標記語言進行定義，能夠簡便地集成到應用程序和操作環境中。XML的創建、修改、存儲以及傳輸都可以獨立操作，也可以通過編程語言操作，目前主流的編程語言對XML的支持良好，開源社區也有豐富的XML解析工具。
GDE數據格式標準專注于齒輪的設計、加工和測量領域，尤其側重于各個階段的誤差信息，其結構如圖1所示。它能夠促進這些領域內的齒輪相關數據交換，能夠以較小的系統開銷將齒輪數據集成到數據庫系統中，也可以根據不同用戶的需求而擴展。

圖1 GDE數據接口標準整體結構

GDE數據格式標準參照齒輪標準和計算機對XML文檔的處理習慣約束，對相關齒輪數據參數格式做了額外規定，作為標準的附加規約。

關鍵字用英文定義

關鍵字最長為60個字符

關鍵字一般小寫

關鍵字只允許出現“_”這一種特殊字符

關鍵字字符必須是 “ASCII“字符

長度用毫米表示(“mm”)

角度用分度制

日期用”yyyy-mm-dd”格式表示(如：2016-03-05)

時間用”hh:mm:ss”格式表示(如23:24:25)

與齒輪中心有關的尺寸必須用直徑表示

漸開線的位置數據應當使用直徑表示。(在特殊情況下允許使用節圓尺寸)

在GDE數據格式標準中的參數名稱中，單詞之間使用“_”連接。

GDE標準格式以DTD文檔的形式定義的。DTD（Document Type Definition）是一套為了進行程序間數據交換而建立的關于標記符的語法規則。它是通用標記語言和可擴展標記語言的一部分，XML文檔可以根據某種DTD的語法規則驗證格式是否符合此規則。文檔類型定義文件DTD可以用作保證通用標記語言、可擴展標記語言文檔格式的合法性。可通過比較文檔和文檔類型定義文件來檢查文檔是否符合規范，元素和標簽使用是否正確。
一份完整的GDE文檔必須包括容納數據的XML文檔以及格式定義DTD文檔。DTD文檔對數據是獨立的，用戶能夠在VDI的官方網站（https://www.vdi.de/xml/2610/）上獲得。DTD可以嵌入數據文檔中，也可以多帶帶存儲。
到?前為?，GDE數據格式標準支持圓柱齒輪和錐齒輪，圖2為DTD文檔的頭部內容，頭部內容定義了XML文檔版本及文件編碼信息。根據DTD文檔規則可知：gear_data_exchange_format元素規定文檔必須含有gear_data元素，可以含有tool_data（刀具數據）、process_data（工藝數據）和process_chain_data（工藝鏈數據）。目前GDE的版本是2.4。

圖2 DTD文檔頭部

gear_data數據塊的數據格式如圖3所示。Gear_data必須包含gear_id（齒輪編號）字段，其支持gear，spline和beveloid三種齒輪類型，且根據DTD文檔語法，齒輪數據文件只能且必須選擇其中一個。
gear_data結構包含所有的?輪相關數據，且按照數據功能分為section_identification（識別管理信息）、setion_geametry（?輪?何數據）、section_inspection （?輪測量、評定和測量結果） 和section_user（?戶特定數據）。
Section_identification數據塊包含了客戶對象、訂單信息、修改日期、齒輪編碼和生產狀態；section_geametry數據塊存儲了齒輪的基本參數、尺寸參數，修形參數和誤差信息，名稱分別為：basic_data，spline_geometry，beveloid_geometry，modification, tolerance。section_inspection數據塊主要規定了齒輪的測量信息，包含測量過程參數（measurement_instructions）、測量結果（measurement_results）、評定（evaluation）以及輸出參數（output_parameters）等。

圖3 gear_data定義塊

tool_data模塊主要描述了齒輪制造過程中的工具信息，圖4為tool_data的結構。其中主要內容為tool_internal_description數據塊，該數據塊包含了hobbing-cutter(加工刀具)、profile_grinding（磨削工具）和grinding_worm（蝸桿）三種工具的詳細信息，由此也反映了德國齒輪加工行業目前工具應用狀況。

圖4 tool_data的DTD文檔結構

工藝數據描述了單個齒輪加工流程的所有參數。process_data工藝數據詳細描述了hobbing-cutter、profile_grinding和grnding_worm三種工具的工藝參數，其結構如圖5所示。除此還附加了工藝id等描述信息用于管理工藝信息（主要用于工藝鏈的管理）。

圖5 process_data的DTD文檔結構

工藝鏈是對齒輪生產過程中各個多帶帶工藝的組織和管理，是制造過程所有工藝的集合。process_chain_data 工藝鏈數據包含了process_id、step_number和process_step三個元素。

用戶可以自己定義數據及數據格式，自定義的數據必須存儲在section_user數據塊中，其他用戶和數據格式解析工具會自動忽略這些信息。GDE數據結構標準不推薦用戶過多地自定義數據格式，自定義數據不能標準化地進行交互，不符合GDE的期望。用戶也可以根據GDE定義其他類型的齒輪數據接口標準，但必須通過擴展gear_data定義數據結構實現，用戶要為新定義的數據結構及其之間的關系正確負責。

GDE數據格式標準可以應用在齒輪全生命周期的各個階段中的數據交互。ZF Friedrichshafen AG是全球重要的傳動系統產品專業制造商。ZF使用自己內部軟件gear4ZF將他們全球范圍內的數據轉換成GDE格式，包括齒輪的基礎信息、修形參數以及加工誤差信息，如圖6。利用GDE數據格式標準來標準化測量過程，將測量指令以及測量參數集中管理，這樣可以在不同的地點進行相同條件的測量。

圖6 ZF在生產過程中對GDE的應用

測量人員將GDE文件輸入到齒輪測量軟件中，這種標準化后的測量程序可以在任何支持GDE的測量儀器上獨立運行，在不同的測量儀器上可以采用相同的測量指令和程序，甚至可以在不同儀器上從相同的齒輪位置開始測量。通過這樣的標準化測量，可以更好的比較和評定不同生產地點的齒輪質量好壞。
GDE數據格式標準在ZF的刀具采購中也發揮著積極作用。ZF將刀具設計和制造參數以GDE格式提供給刀具供應商，其中包含刀具制造過程中所需的公差信息。標準化的接口簡化了設計、制造和供應商之間的溝通。
基于GDE齒輪數據接口標準，齒輪箱制造過程中的各種數據都可以填入數據庫中。齒輪箱裝配和最終檢測階段的數據也同樣采用GDE接口標準表示，最終形成齒輪全生命周期數據系統。一旦在最終產品檢測中發現問題，則可以從齒輪全生命周期數據系統中溯源到粗加工、精加工以及熱處理等齒輪制造的各個環節。

我國齒輪行業產值巨大，國際國內的需求不斷攀升，在風電，高鐵，新能源汽車等領域尚有技術和工藝空白。國內齒輪制造企業相對分散，使用的機床，刀具，工藝技術路線不盡相同，制造成本較高，測量儀器原理不一，而在齒輪服役的數據尚在空白階段，齒輪產品無法全面客觀比較，企業在數據交互方面付出了較大的成本。一定程度上制約著行業發展。
近年來，我國互聯網信息發展迅速，軟件技術信息技術的發展為基礎制造業信息化改革提供了比較豐富的技術基礎。互聯網在數據交互方面已經具備了豐富的格式標準，這些數據格式通過了多行業的考驗。在商務領域中，已經有成熟的可擴展商務報告語言（Extensible Business Reporting Language，XBRL）應用在商務活動報告的各個方面，目前已成為該領域國際通用標準；基于北斗導航系統建立的《道路運輸車輛衛星定位系統終端通訊協議及數據格式》及《道路運輸車輛衛星定位系統--平臺數據交換》標準[4]，構建起了終端、平臺和監管層的數據交互模式；針對傳感器建立了《信息技術傳感器網絡第701部分:傳感器接口:信號接口》等標準。以上標準的建立極大的方便了各自領域的數據交換效率和溝通成本，促進了各自行業發展和進步。
因此，我國在齒輪數據接口標準的行業基礎，技術基礎已經完全具備，在吸收德國GDE的基礎上，適當應用目前互聯網新技術，針對我國齒輪行業企業工藝特點，制定我國自主齒輪數據格式標準是完全可行且具有現實意義的。
5 總結
作為工業4.0重要的一方面，GDE提供了一套跨企業、跨部門的設計、生產、測量和用戶數據的接口標準，使得齒輪和齒輪箱的制造商、工具制造商以及零部件供應商之間可以自由和準確地交換數據。除此之外GDE還提供了訂單管理等完整的工藝鏈數據接口，極大的促進了企業上產效率和行業發展，減少了由于數據格式和傳輸帶來的成本，杜絕了不同數據和格式可能導致的工藝失誤或者管理層決策失誤。對我國齒輪行業的發展帶來啟發，對我國齒輪數據接口標準的制定具有積極意義。