摘要：德國公司已經(jīng)將標準以及附加程序應用在其在全球工廠之間的數(shù)據(jù)交互以及在刀具采購，機床使用等方面與合作伙伴之間的信息交換，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省了生產(chǎn)成本。可擴展齒輪描述語言齒輪數(shù)據(jù)接口標準主要由可擴展齒輪描述語言及數(shù)據(jù)轉換接口組成。

為解決齒輪設計、制造、測量和在役等各個階段的數(shù)據(jù)種類和格式繁雜，數(shù)據(jù)交互困難且缺少相應自動化系統(tǒng)的問題，提出了基于XML語言的可擴展齒輪描述語言（eXtensible Gear Describe Language, XGDL），建立了齒輪全數(shù)據(jù)交互接口標準和規(guī)范，提供了可擴展的Schema文檔系統(tǒng)以及標準分發(fā)機制。并以齒輪描述語言為基礎，按照齒輪全生命周期特點和分類結構層次，建立了具體的XML 文件規(guī)范系統(tǒng)。 在此基礎上，開發(fā)了齒輪標準化數(shù)據(jù)格式交互接口，提供了數(shù)據(jù)生成、讀取、轉換和展示等基礎服務API，最后以此構建齒輪標準化數(shù)據(jù)交互的整體解決方案，對提高齒輪行業(yè)協(xié)作效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。
關鍵詞：齒輪；數(shù)據(jù)交換；描述語言；接口標準；

中圖分類號：TH 111       文獻標識碼：A      文章編號：

In order to solve the problem of data type and format of data, such as gear design, manufacturing, measurement and usage, it is difficult to exchange data and lack the corresponding automation system. This paper presents the eXtensible Gear Describe Language (XGDL), establish a exchange interface standard of full gear data and its specification, provide an extensible schema document system and standard distribution mechanism. And based on the gear description language, according to the gear life cycle characteristics and classification structure level, the establishment of a specific XML file specification system. On this basis, gear standardized data format exchange interface is developed, and it provides the data generation, reading, conversion, display and other basic service APIs, it is important to construct the overall solution of gear standardization data exchange finally, which is of great significance to improve the efficiency of gear industry and reduce the production cost.

“工業(yè)4.0”掀起了全球制造業(yè)的更新?lián)Q代，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習以及人工智能的快速發(fā)展為此次制造業(yè)革命注入了新的動力并開拓了全新的領域，同時也面臨著新的挑戰(zhàn)。隨著制造業(yè)生產(chǎn)部門的精確分工和標準化、模塊化機械產(chǎn)品大范圍流通，設備、工藝、產(chǎn)品和用戶之間的數(shù)據(jù)交互更加頻繁。齒輪是重要的基礎零部件，應用廣泛，我國齒輪的需求量和產(chǎn)值在穩(wěn)定增長中。隨著現(xiàn)代機械對齒輪裝置需求、齒輪測量方法和齒輪制造技術的不斷提高，對齒輪數(shù)據(jù)交互的要求也不斷增加[1]。齒輪整個生命周期內(nèi)設計、制造、測量和在役等各個階段涉及到的生產(chǎn)部門和企業(yè)都需要快速準確地在異構系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)以及基于這些數(shù)據(jù)的建模，運算等操作[2]。
我國高端制造業(yè)目前發(fā)展水平較低，基礎制造業(yè)與 IT、互聯(lián)網(wǎng)技術結合不夠緊密，制造業(yè)的發(fā)展還沒有充分利用信息技術的成果。但在其他行業(yè)中，已經(jīng)建立了較為成熟的標準數(shù)據(jù)接口，在商務領域中，已經(jīng)有成熟的可擴展商務報告語言[3]（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(tǒng)建立的《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)終端通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》及《道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)--平臺數(shù)據(jù)交換》標準[4]，構建起了終端、平臺和監(jiān)管層的數(shù)據(jù)交互模式；針對傳感器建立了《信息技術傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)交換效率和溝通成本，促進了行業(yè)發(fā)展和進步。
齒輪的生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)涉及不同區(qū)域的不同單元，設計、毛坯、熱處理、粗加工、精加工、測量和使用過程中，都會產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)，而各個數(shù)據(jù)之間又存在千絲萬縷的聯(lián)系，國外相關部門也已經(jīng)在探索數(shù)據(jù)交互的標準建立和應用。德國工程師協(xié)會（VDE/VDI）于2014年發(fā)布了Gear Data Exchange Format (VDI-2610)，用以指導和幫助德國齒輪制造及相關企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互[5]。該標準系統(tǒng)的定義了齒輪數(shù)據(jù)的交互協(xié)議，協(xié)議包含齒輪的幾何、修形和公差的標準數(shù)據(jù)格式，且能夠根據(jù)不同用戶的需求而擴展，通過定期更新數(shù)據(jù)格式定義DTD文檔來不斷滿足多操作系統(tǒng)和應用中快速準確安全地數(shù)據(jù)交換，并取得了顯著效果，且該標準在持續(xù)完善和穩(wěn)定更新中。德國 ZF 公司已經(jīng)將 GDE 標準以及附加程序應用在其在全球工廠之間的數(shù)據(jù)交互以及在刀具采購，機床使用等方面與合作伙伴之間的信息交換，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省了生產(chǎn)成本。
本文首先提出齒輪數(shù)據(jù)接口標準，分析介紹了可擴展齒輪描述語言以及相應的多平臺多語言齒輪數(shù)據(jù)轉換接口工具開發(fā)；在此基礎上，提出了齒輪領域建模，展示了齒輪領域建模的方法和過程，最后介紹了齒輪標準數(shù)據(jù)接口和齒輪領域建模的應用——平臺化應用。
1 可擴展齒輪描述語言
齒輪數(shù)據(jù)接口標準主要由可擴展齒輪描述語言（eXtensible Gear Describe Language, XGDL）及數(shù)據(jù)轉換接口（Data Exchange Interface, DEI）組成。XGDL是XML（可擴展標記語言，eXtensible Markup Language）在齒輪數(shù)據(jù)描述和交換領域的應用和擴展, XGDL將齒輪相關信息標簽化，生成齒輪電子數(shù)據(jù)元（Gear Data Meta，GDM），通過GDM實現(xiàn)齒輪數(shù)據(jù)的采集、存儲、交互和運算[6]；
可擴展齒輪描述語言XGDL在XML語言規(guī)范的基礎上，按照“開放、兼容”的設計原則，使用符合齒輪領域標準的詞匯和規(guī)范來描述齒輪數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結構，使其能夠快速高效地被計算機系統(tǒng)讀取和處理。可擴展齒輪描述語言由技術規(guī)范、分類標準及實例文檔三部分構成。
1.1 技術規(guī)范
技術規(guī)范規(guī)定了齒輪描述語言使用的詞匯、符號和語法。技術規(guī)范主要由XML技術規(guī)范以及齒輪標準組成，其中齒輪參數(shù)詞匯和符號主要依據(jù)齒輪標準，對于不同標準有沖突的參數(shù)、名稱和符號，則須在齒輪數(shù)據(jù)元中標記異同。在現(xiàn)行齒輪標準體系下，結合計算機編碼特點和XML規(guī)則，適當修改標準中的一部分符號，使其符合數(shù)據(jù)庫、編程語言、操作系統(tǒng)和異構環(huán)境下的兼容性要求[7]。可擴展齒輪描述語言的語法由XML語法結合齒輪語義習慣組成。齒輪電子數(shù)據(jù)元 GDM的主要語法規(guī)范如下：
1) 關鍵字用英文定義，齒輪標準中的非英文字符由相應的英文字符表示，如： 由 單詞alpha 替代
2) 關鍵字最長長度為60個字符且按照駝峰法則命名
3) 關鍵字只允許出現(xiàn)“_”一種特殊字符
4) 關鍵字字符必須是ASCII字符
5) 長度用毫?表示(mm)
6) 角度用角度制
7) 日期用“yyyy-mm-dd”格式表示，時間?“hh:mm:ss”格式表示
8) 通過齒輪中心的尺寸使用直徑表示
9) 漸開線的位置數(shù)據(jù)應當使用直徑表示
10) 中英文字符一律采用“UTF-8”標準
精度是GDM的重要信息，GDM 嚴格規(guī)范了精度信息。為了規(guī)避計算機讀取浮點型數(shù)據(jù)時的誤差，GDM中提供 accuracy 屬性來標記小數(shù)點后的精度位數(shù)，進而直觀的表達數(shù)據(jù)精度。在數(shù)據(jù)填充、計算后數(shù)據(jù)改變過程中，都要使用該屬性進行數(shù)據(jù)圓整。
1.2 分類標準
分類標準是齒輪數(shù)據(jù)接口標準的主要業(yè)務體現(xiàn)，是對齒輪數(shù)據(jù)交互整套業(yè)務概念的統(tǒng)一定義，技術標準描述了元素種類、元素屬性以及元素之間的關系。這套概念和體系構成了齒輪數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)字典，稱之為分類標準。
分類標準是由一系列的模式文件（Schema）組成的，Schema文件定義了元素、元素屬性和元素間的關系。XML Schema是W3C組織推薦的傳統(tǒng)DTD文檔的替代者，是定義XML文檔的合法構建模塊[8,9]。Schema文件存儲了可擴展齒輪描述語言所含元素的規(guī)范，其首先遵守Schema 內(nèi)置規(guī)范，元素名稱和其他約束來自可擴展齒輪描述語言的技術規(guī)范，根據(jù)齒輪各項原理和公式確定元素之間的物理關系，計算機根據(jù)上述信息可以自動校驗元素的值、數(shù)據(jù)格式等，在數(shù)據(jù)交互前后都會進行該項校驗[10]。
可擴展齒輪描述語言最重要的特性——可擴展性，集中體現(xiàn)在Schema文件層次體系和可擴展性上。根據(jù)齒輪分類的層次性和面向?qū)ο缶幊痰摹袄^承”特性，Schema文件也具有相應的層次體系，圖1表示按照齒輪按照全生命周期的各個階段劃分的體系，這樣的體系劃分充分考慮到了齒輪各相關生產(chǎn)部分的分工，有利于他們時間寫作。用戶可以在各個Schema文件基礎上針對新的齒輪種類或新的屬性進行擴展，也可以針對某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行擴展。

圖1 分類標準Schema 體系結構
Fig.1 architecture of classification standard Schema
通用的可擴展描述語言在 gear.xsd 文件中定義，由6個模塊構成：
1) base: 齒輪基礎模塊，包含齒輪基本參數(shù)和生產(chǎn)管理信息;
2) design: 齒輪設計模塊，包含齒輪設計過程中的各個參數(shù)
3) process: 齒輪制造模塊，包括齒輪制造中機床、刀具、工藝、工藝鏈的相關信息
4) measure: 齒輪測量模塊，包括齒輪測量過程中的量儀、測量方法、測量數(shù)據(jù)、測量結果等數(shù)據(jù)
5) usage: 齒輪在役模塊，包括齒輪使用過程中的振動噪聲、功率效率、故障等信息。
6) custom: 自定義模塊，用戶根據(jù)自身需求。可擴展齒輪描述語言不推薦在自定義模塊中定義、存儲數(shù)據(jù)，自定義模塊只針對企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)單位之間額外約定的場合，不參與標準數(shù)據(jù)接口編譯和解析。
gear.xsd包含了 Schema 文件的通用標記信息 和齒輪信息，通用信息特別注明了文檔的命名空間。文檔主要內(nèi)容如圖所示：

圖2 齒輪數(shù)據(jù)接口標準 Schema文檔結構
Fig.2 Schema document architecture of gear data interface standard
在gear.xsd 基礎上，可以派生出各類型齒輪的描述文件。標準描述文件的派生是基于通用的齒輪分類標準進行的，例如 helix-gear.xsd 代表斜齒圓柱齒輪的描述語言，其結構如圖3所示。派生 Schema 在文件頭部聲明其基類 Schema，即派生Schema繼承了父級所特征。例如在 helix-gear-base.xsd 中聲明并使用其基類 gear-base.xsd。

圖3 派生Schema 聲明繼承關系
Fig.3 Derived schema declare the inherit relation
當存在派生關系的兩個齒輪數(shù)據(jù)標準 Schema 中的參數(shù)出現(xiàn)沖突時，一般在下級齒輪數(shù)據(jù)描述 xsd 文件中將沖突元素的deprecated屬性設置為 true ，重新命名新的元素即可。
分類標準的整體結構在水平方向依據(jù)齒輪生命周期的各個階段劃分成多個標準描述文件；在垂直方向上以齒輪分類結構形成繼承關系，在兩個維度上都可以根據(jù)齒輪行業(yè)的發(fā)展和需求做出擴展，其整體架構如圖4所示。

圖4 分類標準層次結構圖
Fig.4 Classification standard hierarchy chart
1.3 實例文檔
實例文檔是一系列的根據(jù)技術規(guī)范和分類標準制定的成套可擴展齒輪描述語言文件及其解釋手冊文件，其作為范例及測試用例使用。
實例文檔提供了一系列的齒輪描述實例，用以指導用戶正確使用本套標準系統(tǒng)。詳細的 API 文檔和解釋手冊彌補了單純 Schema 文件表意不明的不足以及提供了齒輪相關的領域知識和規(guī)范。
目前的技術規(guī)范、分類標準和實例文檔是按照齒輪分類層次組織的。各層之間是派生和擴展關系，上層類型派生出下層類型齒輪，下層齒輪繼承了上層齒輪描述語言的全部特性。可擴展齒輪描述語言XGDL 中特性的描述意義遵照就近原則，例如，普通齒輪的模數(shù) 在斜齒圓柱側輪中的意義是法向模數(shù)。
2 齒輪數(shù)據(jù)轉換接口
數(shù)據(jù)轉換接口是XGDL齒輪數(shù)據(jù)交換的具體實現(xiàn)途徑，使 XGDL 數(shù)據(jù)文件能夠自由傳輸和交互，降低了對標準數(shù)據(jù)建模的難度，隱藏了齒輪數(shù)據(jù)交互過程中的技術細節(jié)和底層實現(xiàn)，簡化了接口模型。它是在可擴展齒輪描述語言的基礎上，根據(jù)各種操作系統(tǒng)平臺和編程語言對 XML 的解析方法和代碼風格[11]，按照齒輪描述語言的模塊開發(fā)的相應的軟件庫應用。數(shù)據(jù)轉換接口對外提供統(tǒng)一的、類型安全的、高效的多平臺多語言的數(shù)據(jù)轉換支持。
數(shù)據(jù)轉換接口主要支持 JVM、.NET及 WIN32平臺的相關語言，一級支持語言為 java，C#，C++ 等，其結構如圖5所示；除平臺和語言特性外，數(shù)據(jù)轉換接口提供統(tǒng)一的類、方法、變量，且提供各個語言標準類庫。一般用戶可以在各個語言和平臺之間無縫切換，能夠快速準確的使用類庫開發(fā)相應的應用程序。提供在一級語言的基礎上，擴展支持 scala，kotlin，matlab，python 等語言。

圖5 齒輪數(shù)據(jù)接口轉換結構圖
Fig.5 Gear data interface transverse architecture
隨著齒輪加工技術的發(fā)展，齒輪精度不斷提高，齒輪設計、制造參數(shù)運算更加復雜，對齒輪計算軟件的精度要求也越來越高。特別是在齒輪測量點云處理和計算過程中，精度損失較大，針對計算機處理浮點型數(shù)據(jù)的特點和方式，傳統(tǒng)的 float 類型已經(jīng)不能滿足運算要求，double 類型數(shù)據(jù)可以滿足一般計算要求。所以數(shù)據(jù)接口所有浮點數(shù)據(jù)采用double 類型（除個別語言只有一種浮點型 float 外），但提供精度更高的 BigDecimal 及 BigInteger 等數(shù)值類型及計算方法，此高精度版本可以嚴格控制浮點數(shù)據(jù)值、計算過程精度，結果舍入等，但在其后的領域算法執(zhí)行中效率顯著下降。目前只提供 java 和 python 兩個版本。
未來的多語言齒輪數(shù)據(jù)轉換接口類庫支持發(fā)布到通用的依賴中心庫：java 支持 maven 中央倉庫，C#版本類庫支持Nuget倉庫；python 支持 pip 組件庫，且支持對應倉庫的通用操作。
標準數(shù)據(jù)接口的對外公開成員變量和方法隨著整個標準發(fā)布，即可以讓所有企業(yè)和單位根據(jù)此接口開發(fā)出適合自身的轉換工具。
3 齒輪數(shù)據(jù)接口標準應用前景
齒輪數(shù)據(jù)接口標準主要應用在齒輪行業(yè)不同企業(yè)及不同部門之間的數(shù)據(jù)交互場景中。目前，我國齒輪設計、生產(chǎn)、測量等企業(yè)部門內(nèi)部基本制定了不同形式私有數(shù)據(jù)格式，這些數(shù)據(jù)格式在其內(nèi)部應用比較普遍且起到了重要作用。這些企業(yè)可以在此基礎上，在不改動原有數(shù)據(jù)格式的前提下，只需根據(jù)可擴展齒輪描述語言和標準數(shù)據(jù)接口的規(guī)范和數(shù)據(jù)轉換工具庫開發(fā)相應的轉換工具（Translate Toolkit）即可參與企業(yè)之間數(shù)據(jù)轉換。
經(jīng)過轉換的數(shù)據(jù)均處以同一標準下，即不同的齒輪生產(chǎn)部門的產(chǎn)品、工藝等具有可比性。例如，不同企業(yè)的計量室可以在其測量軟件中導入相同的可擴展齒輪描述文件后即可進行完全一致的測量，傳統(tǒng)的測量只專注于被測齒輪的一致性而忽略且不可能保證測量的細節(jié)一致性，可擴展齒輪描述文件中包含了測量起始齒序號，量儀調(diào)整參數(shù)，測量指令等細節(jié)信息。這種全面的信息增加了不同企業(yè)，不同地區(qū)之間齒輪質(zhì)量評定結果的可信度，特別是那些跨地區(qū)的大型企業(yè)更好的進行質(zhì)量比較和控制。
齒輪行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)分工精細化的趨勢，材料、設計、制造、測量、客戶、零部件供應商、裝配等環(huán)節(jié)的參與者來自全球各個地區(qū)，與齒輪相關的直接數(shù)據(jù)和諸如機床，刀具，量儀等間接設備的數(shù)據(jù)的交互同樣相當重要，可擴展齒輪描述語言文件可以直觀準確的表達齒輪產(chǎn)品的全面信息，進而幫助參與者做出科學的決策。圖 6 中的所有連線兩端的角色或過程均可以通過齒輪數(shù)據(jù)接口標準甚至部分接口即可準確、快速和安全地進行交互。

圖6 齒輪全周期相關角色和過程關系
Fig.6 Roles and workflow relation with gear
齒輪加工過程中的工藝鏈調(diào)整和誤差溯源均需要大量的過程數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)。基于齒輪全信息的標準數(shù)據(jù)接口可以描述和記錄齒輪全生命周期的數(shù)據(jù)，特別在加工階段，通常需要經(jīng)過復雜的工藝鏈，工藝鏈內(nèi)部有多重在線測量或在機測量來確保本次加工的質(zhì)量，且在測量階段會進行綜合測量。齒輪標準數(shù)據(jù)記錄貫穿齒輪全生命周期，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，則可以利用齒輪數(shù)據(jù)接口標準進行誤差分析和溯源[12]，分析結果可以作為工藝鏈調(diào)整的依據(jù)，其過程如圖7所示。上述的調(diào)整屬于基于誤差的被動型工藝鏈調(diào)整，而對于主動性的工藝鏈創(chuàng)新調(diào)整，齒輪標準數(shù)據(jù)同樣起到很重要的作用，齒輪標準數(shù)據(jù)可以全面準確及時的反映出調(diào)整前后的齒輪質(zhì)量信息，設計生產(chǎn)人員可以直觀的得到差異，幫助其更好的調(diào)整工藝流程。

圖7 利用齒輪數(shù)據(jù)接口標準進行誤差溯源
Fig.7 error tracing by gear data interface standard
4 結論
本文在研究齒輪技術原理和標準的基礎上，提出了齒輪數(shù)據(jù)接口標準。利用 XML 語言的可擴展和易解析的特點，創(chuàng)造了可擴展齒輪描述語言，并在技術規(guī)范，分類標準和實例文檔三個方面實現(xiàn)和完善了現(xiàn)有語言架構，在此基礎上開發(fā)了齒輪數(shù)據(jù)接口標準工具軟件庫，使其在顯示應用中更加方便快捷。重點闡述了可擴展齒輪描述語言的架構設計和實現(xiàn)途徑，在“開放，兼容”的接口標準原則基礎上，構建了齒輪標準數(shù)據(jù)接口的整體解決方案。改善了行業(yè)目前數(shù)據(jù)交互混亂的問題，促進了行業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)協(xié)作，降低了企業(yè)生產(chǎn)溝通成本。

文章詳情參考  http://kns.cnki.net/KCMS/deta...