摘要：德國公司已經將標準以及附加程序應用在其在全球工廠之間的數據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，提高了企業生產效率，節省了生產成本。可擴展齒輪描述語言齒輪數據接口標準主要由可擴展齒輪描述語言及數據轉換接口組成。

為解決齒輪設計、制造、測量和在役等各個階段的數據種類和格式繁雜，數據交互困難且缺少相應自動化系統的問題，提出了基于XML語言的可擴展齒輪描述語言（eXtensible Gear Describe Language, XGDL），建立了齒輪全數據交互接口標準和規范，提供了可擴展的Schema文檔系統以及標準分發機制。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 文件規范系統。 在此基礎上，開發了齒輪標準化數據格式交互接口，提供了數據生成、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據交互的整體解決方案，對提高齒輪行業協作效率和降低生產成本具有重要意義。
關鍵詞：齒輪；數據交換；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4.0”掀起了全球制造業的更新換代，互聯網、大數據、機器學習以及人工智能的快速發展為此次制造業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。隨著制造業生產部門的精確分工和標準化、模塊化機械產品大范圍流通，設備、工藝、產品和用戶之間的數據交互更加頻繁。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值在穩定增長中。隨著現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，對齒輪數據交互的要求也不斷增加[1]。齒輪整個生命周期內設計、制造、測量和在役等各個階段涉及到的生產部門和企業都需要快速準確地在異構系統之間交換數據以及基于這些數據的建模，運算等操作[2]。
我國高端制造業目前發展水平較低，基礎制造業與 IT、互聯網技術結合不夠緊密，制造業的發展還沒有充分利用信息技術的成果。但在其他行業中，已經建立了較為成熟的標準數據接口，在商務領域中，已經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，促進了行業發展和進步。
齒輪的生產制造等環節涉及不同區域的不同單元，設計、毛坯、熱處理、粗加工、精加工、測量和使用過程中，都會產生許多數據，而各個數據之間又存在千絲萬縷的聯系，國外相關部門也已經在探索數據交互的標準建立和應用。德國工程師協會（VDE/VDI）于2014年發布了Gear Data Exchange Format (VDI-2610)，用以指導和幫助德國齒輪制造及相關企業之間的數據交互[5]。該標準系統的定義了齒輪數據的交互協議，協議包含齒輪的幾何、修形和公差的標準數據格式，且能夠根據不同用戶的需求而擴展，通過定期更新數據格式定義DTD文檔來不斷滿足多操作系統和應用中快速準確安全地數據交換，并取得了顯著效果，且該標準在持續完善和穩定更新中。德國 ZF 公司已經將 GDE 標準以及附加程序應用在其在全球工廠之間的數據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，提高了企業生產效率，節省了生產成本。
本文首先提出齒輪數據接口標準，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據轉換接口工具開發；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據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
齒輪數據接口標準主要由可擴展齒輪描述語言（eXtensible Gear Describe Language, XGDL）及數據轉換接口（Data Exchange Interface, DEI）組成。XGDL是XML（可擴展標記語言，eXtensible Markup Language）在齒輪數據描述和交換領域的應用和擴展, XGDL將齒輪相關信息標簽化，生成齒輪電子數據元（Gear Data Meta，GDM），通過GDM實現齒輪數據的采集、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范來描述齒輪數據的內容和結構，使其能夠快速高效地被計算機系統讀取和處理。可擴展齒輪描述語言由技術規范、分類標準及實例文檔三部分構成。
1.1 技術規范
技術規范規定了齒輪描述語言使用的詞匯、符號和語法。技術規范主要由XML技術規范以及齒輪標準組成，其中齒輪參數詞匯和符號主要依據齒輪標準，對于不同標準有沖突的參數、名稱和符號，則須在齒輪數據元中標記異同。在現行齒輪標準體系下，結合計算機編碼特點和XML規則，適當修改標準中的一部分符號，使其符合數據庫、編程語言、操作系統和異構環境下的兼容性要求[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。齒輪電子數據元 GDM的主要語法規范如下：
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“_”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) 漸開線的位置數據應當使用直徑表示
10) 中英文字符一律采用“UTF-8”標準
精度是GDM的重要信息，GDM 嚴格規范了精度信息。為了規避計算機讀取浮點型數據時的誤差，GDM中提供 accuracy 屬性來標記小數點后的精度位數，進而直觀的表達數據精度。在數據填充、計算后數據改變過程中，都要使用該屬性進行數據圓整。
1.2 分類標準
分類標準是齒輪數據接口標準的主要業務體現，是對齒輪數據交互整套業務概念的統一定義，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據交互的數據字典，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范，其首先遵守Schema 內置規范，元素名稱和其他約束來自可擴展齒輪描述語言的技術規范，根據齒輪各項原理和公式確定元素之間的物理關系，計算機根據上述信息可以自動校驗元素的值、數據格式等，在數據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，集中體現在Schema文件層次體系和可擴展性上。根據齒輪分類的層次性和面向對象編程的“繼承”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環節進行擴展。

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，包含齒輪基本參數和生產管理信息;
2) design: 齒輪設計模塊，包含齒輪設計過程中的各個參數
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、測量數據、測量結果等數據
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、存儲數據，自定義模塊只針對企業內部及企業單位之間額外約定的場合，不參與標準數據接口編譯和解析。
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。文檔主要內容如圖所示：

圖2 齒輪數據接口標準 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據標準 Schema 中的參數出現沖突時，一般在下級齒輪數據描述 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齒輪行業的發展和需求做出擴展，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技術規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。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范。
目前的技術規范、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 在斜齒圓柱側輪中的意義是法向模數。
2 齒輪數據轉換接口
數據轉換接口是XGDL齒輪數據交換的具體實現途徑，使 XGDL 數據文件能夠自由傳輸和交互，降低了對標準數據建模的難度，隱藏了齒輪數據交互過程中的技術細節和底層實現，簡化了接口模型。它是在可擴展齒輪描述語言的基礎上，根據各種操作系統平臺和編程語言對 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的相應的軟件庫應用。數據轉換接口對外提供統一的、類型安全的、高效的多平臺多語言的數據轉換支持。
數據轉換接口主要支持 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，數據轉換接口提供統一的類、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 齒輪數據接口轉換結構圖
Fig.5 Gear data interface transverse architecture
隨著齒輪加工技術的發展，齒輪精度不斷提高，齒輪設計、制造參數運算更加復雜，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據的特點和方式，傳統的 float 類型已經不能滿足運算要求，double 類型數據可以滿足一般計算要求。所以數據接口所有浮點數據采用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 等數值類型及計算方法，此高精度版本可以嚴格控制浮點數據值、計算過程精度，結果舍入等，但在其后的領域算法執行中效率顯著下降。目前只提供 java 和 python 兩個版本。
未來的多語言齒輪數據轉換接口類庫支持發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。
標準數據接口的對外公開成員變量和方法隨著整個標準發布，即可以讓所有企業和單位根據此接口開發出適合自身的轉換工具。
3 齒輪數據接口標準應用前景
齒輪數據接口標準主要應用在齒輪行業不同企業及不同部門之間的數據交互場景中。目前，我國齒輪設計、生產、測量等企業部門內部基本制定了不同形式私有數據格式，這些數據格式在其內部應用比較普遍且起到了重要作用。這些企業可以在此基礎上，在不改動原有數據格式的前提下，只需根據可擴展齒輪描述語言和標準數據接口的規范和數據轉換工具庫開發相應的轉換工具（Translate Toolkit）即可參與企業之間數據轉換。
經過轉換的數據均處以同一標準下，即不同的齒輪生產部門的產品、工藝等具有可比性。例如，不同企業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，量儀調整參數，測量指令等細節信息。這種全面的信息增加了不同企業，不同地區之間齒輪質量評定結果的可信度，特別是那些跨地區的大型企業更好的進行質量比較和控制。
齒輪行業的發展呈現分工精細化的趨勢，材料、設計、制造、測量、客戶、零部件供應商、裝配等環節的參與者來自全球各個地區，與齒輪相關的直接數據和諸如機床，刀具，量儀等間接設備的數據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據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整和誤差溯源均需要大量的過程數據作為決策依據。基于齒輪全信息的標準數據接口可以描述和記錄齒輪全生命周期的數據，特別在加工階段，通常需要經過復雜的工藝鏈，工藝鏈內部有多重在線測量或在機測量來確保本次加工的質量，且在測量階段會進行綜合測量。齒輪標準數據記錄貫穿齒輪全生命周期，一旦某個環節出現偏差，則可以利用齒輪數據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整的依據，其過程如圖7所示。上述的調整屬于基于誤差的被動型工藝鏈調整，而對于主動性的工藝鏈創新調整，齒輪標準數據同樣起到很重要的作用，齒輪標準數據可以全面準確及時的反映出調整前后的齒輪質量信息，設計生產人員可以直觀的得到差異，幫助其更好的調整工藝流程。

圖7 利用齒輪數據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，提出了齒輪數據接口標準。利用 XML 語言的可擴展和易解析的特點，創造了可擴展齒輪描述語言，并在技術規范，分類標準和實例文檔三個方面實現和完善了現有語言架構，在此基礎上開發了齒輪數據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，構建了齒輪標準數據接口的整體解決方案。改善了行業目前數據交互混亂的問題，促進了行業內部的生產協作，降低了企業生產溝通成本。

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