齿轮数据接口标准及应用前景

“工业4.0”掀起了全球制造业的更新换代，互联网、大数据、机器学习以及人工智能的快速发展为此次制造业革命注入了新的动力并开拓了全新的领域，同时也面临着新的挑战. 随着制造业生产部门的精确分工和标准化、模块化机械产品大范围流通，设备、工艺、产品和用户之间的数据交互更加频繁. 齿轮是重要的基础零部件，应用广泛，我国齿轮的需求量和产值在稳定增长中. 随着现代机械对齿轮装置需求、齿轮测量方法和齿轮制造技术的不断提高，对齿轮数据交互的要求也不断增加[1]. 齿轮整个生命周期内设计、制造、测量和在役等各个阶段涉及到的生产部门和企业都需要快速准确地在异构系统之间交换数据以及基于这些数据的建模、运算等操作[2-3].

我国高端制造业目前发展水平较低，基础制造业与 IT、互联网技术结合不够紧密，制造业的发展还没有充分利用信息技术的成果. 但在其他行业中，已经建立了较为成熟的标准数据接口，在商务领域中，已经有成熟的可扩展商务报告语言[4](extensible business reporting language，XBRL)应用在商务活动报告的各个方面，目前已成为该领域国际通用标准；基于北斗导航系统建立的标准[5]《道路运输车辆卫星定位系统终端通讯协议及数据格式》及《道路运输车辆卫星定位系统——平台数据交换》，构建起了终端、平台和监管层的数据交互模式；针对传感器建立了《信息技术传感器网络第701部分:传感器接口:信号接口》等标准. 以上标准的建立极大地提高了各自领域的数据交换效率，降低了沟通成本，促进了行业发展和进步.

齿轮的生产制造等环节涉及不同区域的不同单元，设计、毛坯、热处理、粗加工、精加工、测量和使用过程中，都会产生许多数据，而各个数据之间又存在千丝万缕的联系，国外相关部门也已经在探索数据交互的标准建立和应用. 德国工程师协会(VDE/VDI)于2014年发布了Gear Data Exchange Format (VDI-2610)，用以指导和帮助德国齿轮制造及相关企业之间的数据交互[6]. 该标准系统地定义了齿轮数据的交互协议，协议包含齿轮的几何、修形和公差的标准数据格式，且能根据不同用户的需求而扩展，通过定期更新数据格式定义DTD文档来不断满足多操作系统的应用中快速准确安全的数据交换，并取得了显著效果，且该标准在持续完善和稳定更新中. 德国 ZF 公司已经将 GDE 标准以及附加程序应用在其在全球工厂之间的数据交互和在刀具采购、机床使用等方面与合作伙伴之间的信息交换，提高了企业生产效率，节省了生产成本.

本文首先提出齿轮数据接口标准，分析介绍了可扩展齿轮描述语言和相应的多平台多语言齿轮数据转换接口工具开发；在此基础上，提出了齿轮领域建模，展示了齿轮领域建模的方法和过程，最后介绍了齿轮标准数据接口和齿轮领域建模的应用——平台化应用.

1 可扩展齿轮描述语言

齿轮数据接口标准主要由可扩展齿轮描述语言(extensible gear describe language, XGDL)及数据转换接口(data exchange interface, DEI)组成. XGDL是可扩展标记语言(extensible markup language，XML)在齿轮数据描述和交换领域的应用和扩展, XGDL将齿轮相关信息标签化，生成齿轮电子数据元(gear data meta，GDM)，通过GDM实现齿轮数据的采集、存储、交互和运算[7-8].

可扩展齿轮描述语言XGDL在XML语言规范的基础上，按照“开放、兼容”的设计原则，使用符合齿轮领域标准的词汇和规范来描述齿轮数据的内容和结构，使其能快速高效地被计算机系统读取和处理. 可扩展齿轮描述语言由技术规范、分类标准及实例文档3个部分构成.

1.1 技术规范

技术规范规定了齿轮描述语言使用的词汇、符号和语法. 技术规范主要由XML技术规范和齿轮标准组成，其中齿轮参数词汇和符号主要依据齿轮标准，对于不同标准有冲突的参数、名称和符号，则须在齿轮数据元中标记异同. 在现行齿轮标准体系下，结合计算机编码特点和XML规则，适当修改标准中的一部分符号，使其符合数据库、编程语言、操作系统和异构环境下的兼容性要求[9]. 可扩展齿轮描述语言的语法由XML语法结合齿轮语义习惯组成. 齿轮电子数据元 GDM的主要语法规范如下：

1) 关键字用英文定义，齿轮标准中的非英文字符由相应的英文字符表示，如α由单词alpha替代.

2) 关键字最长长度为60个字符且按照驼峰法则命名.

3) 关键字只允许出现“_”一种特殊字符.

4) 关键字字符必须是ASCII字符.

5) 长度用mm表示.

6) 角度用角度制.

7) 日期用“yyyy-mm-dd”格式表示，时间用“hh:mm:ss”格式表示.

8) 通过齿轮中心的尺寸使用直径表示.

9) 渐开线的位置数据应当使用直径表示.

10) 中英文字符一律采用“UTF-8”标准.

精度是GDM的重要信息，GDM 严格规范了精度信息. 为了规避计算机读取浮点型数据时的误差，GDM中提供 accuracy 属性来标记小数点后的精度位数，进而直观地表达数据精度. 在数据填充、计算后数据改变过程中，都要使用该属性进行数据圆整.

1.2 分类标准

分类标准是齿轮数据接口标准的主要业务体现，是对齿轮数据交互整套业务概念的统一定义，技术标准描述了元素种类、元素属性以及元素之间的关系. 这套概念和体系构成了齿轮数据交互的数据字典，称之为分类标准.

分类标准是由一系列的模式文件(Schema)组成的，Schema文件定义了元素、元素属性和元素间的关系. XML Schema是W3C组织推荐的传统DTD文档的替代者，是定义XML文档的合法构建模块[10-11]. Schema文件存储了可扩展齿轮描述语言所含元素的规范，其首先遵守Schema 内置规范，元素名称和其他约束来自可扩展齿轮描述语言的技术规范，根据齿轮各项原理和公式确定元素之间的物理关系，计算机根据上述信息可以自动校验元素的值、数据格式等，在数据交互前后都会进行该项校验[12].

可扩展齿轮描述语言最重要的特性——可扩展性，集中体现在Schema文件层次体系和可扩展性上. 根据齿轮分类的层次性和面向对象编程的“继承”特性，Schema文件也具有相应的层次体系，图1表示按照齿轮全生命周期的各个阶段划分的体系，这样的体系划分充分考虑到了齿轮各相关生产部分的分工，有利于实现相互协作. 用户可以在各个Schema文件基础上针对新的齿轮种类或新的属性进行扩展，也可以针对某个生产环节进行扩展.

图1 分类标准Schema体系结构
Fig.1 Architecture of classification standard Schema

通用的可扩展描述语言在 gear.xsd 文件中定义，由6个模块构成.

1) base:齿轮基础模块，包括齿轮基本参数和生产管理信息.

2) design:齿轮设计模块，包括齿轮设计过程中的各个参数.

3) process:齿轮制造模块，包括齿轮制造中机床、刀具、工艺、工艺链的相关信息.

4) measure: 齿轮测量模块，包括齿轮测量过程中的量仪、测量方法、测量数据、测量结果等数据.

5) usage:齿轮在役模块，包括齿轮使用过程中的振动噪声、功率效率、故障等信息.

6) custom:自定义模块，用户可根据自身需求扩展数据格式. 可扩展齿轮描述语言不推荐在自定义模块中定义、存储数据，自定义模块只针对企业内部及企业单位之间额外约定的场合，不参与标准数据接口编译和解析.

gear.xsd包含了 Schema 文件的通用标记信息 和齿轮信息，通用信息特别注明了文档的命名空间. 文档主要内容如图2所示.

在gear.xsd 基础上，可以派生出各类型齿轮的描述文件. 标准描述文件的派生是基于通用的齿轮分类标准进行的，例如 helix-gear.xsd 代表斜齿圆柱齿轮的描述语言，其结构如图3所示. 派生 Schema 在文件头部声明其基类 Schema，即派生Schema继承了父级所特征. 例如在 helix-gear-base.xsd 中声明并使用其基类 gear-base.xsd.

图2 齿轮数据接口标准Schema文档结构
Fig.2 Schema document architecture of gear data interface standard

图3 派生Schema声明继承关系
Fig.3 Derived schema declare the inherit relation

当存在派生关系的2个齿轮数据标准 Schema 中的参数出现冲突时，一般在下级齿轮数据描述 xsd 文件中将冲突元素的deprecated属性设置为 true ，重新命名新的元素即可.

分类标准的整体结构在水平方向依据齿轮生命周期的各个阶段划分成多个标准描述文件；在垂直方向上以齿轮分类结构形成继承关系，在2个维度上都可以根据齿轮行业的发展和需求做出扩展，其整体架构如图4所示.

1.3 实例文档

实例文档是一系列的根据技术规范和分类标准制定的成套可扩展齿轮描述语言文件及其解释手册文件，其作为范例及测试用例使用.

实例文档提供了一系列的齿轮描述实例，用以指导用户正确使用本套标准系统. 详细的 API 文档和解释手册弥补了单纯 Schema 文件表意不明的不足并提供了齿轮相关的领域知识和规范.

图4 分类标准层次结构
Fig.4 Classification standard hierarchy chart

目前的技术规范、分类标准和实例文档是按照齿轮分类层次组织的. 各层之间是派生和扩展关系，上层类型派生出下层类型齿轮，下层齿轮继承了上层齿轮描述语言的全部特性. 可扩展齿轮描述语言XGDL 中特性的描述意义遵照就近原则，例如，普通齿轮的模数在斜齿圆柱侧轮中的意义是法向模数.

2 齿轮数据转换接口

数据转换接口是XGDL齿轮数据交换的具体实现途径，使 XGDL 数据文件能自由传输和交互，降低了对标准数据建模的难度，隐藏了齿轮数据交互过程中的技术细节和底层实现，简化了接口模型. 它是在可扩展齿轮描述语言的基础上，根据各种操作系统平台和编程语言对 XML 的解析方法和代码风格[13]，按照齿轮描述语言的模块开发的相应的软件库应用. 数据转换接口对外提供统一的、类型安全的、高效的多平台多语言的数据转换支持.

数据转换接口主要支持 JVM.NET及 WIN32平台的相关语言，一级支持语言为 java、C#、C++等，其结构如图5所示；除平台和语言特性外，数据转换接口提供统一的类、方法、变量，且提供各个语言标准类库. 一般用户可以在各个语言和平台之间无缝切换，能快速准确地使用类库开发相应的应用程序. 提供在一级语言的基础上，扩展支持scala、kotlin、matlab、python等语言.

图5 齿轮数据接口转换结构
Fig.5 Gear data interface transverse architecture

随着齿轮加工技术的发展，齿轮精度不断提高，齿轮设计、制造参数运算更加复杂，对齿轮计算软件的精度要求也越来越高. 特别是在齿轮测量点云处理和计算过程中，精度损失较大，针对计算机处理浮点型数据的特点和方式，传统的 float 类型已经不能满足运算要求，double 类型数据可以满足一般计算要求. 所以数据接口所有浮点数据采用double 类型(除个别语言只有一种浮点型 float 外)，但提供精度更高的 BigDecimal 及 BigInteger 等数值类型及计算方法，此高精度版本可以严格控制浮点数据值、计算过程精度、结果舍入等，但在其后的领域算法执行中效率显著下降. 目前只提供 java 和 python 两个版本.

未来的多语言齿轮数据转换接口类库支持发布到通用的依赖中心库：java 支持 maven 中央仓库，C#版本类库支持Nuget仓库；python 支持 pip 组件库，且支持对应仓库的通用操作.

标准数据接口的公开成员变量和方法作为附件随整个标准发布，即可以让所有企业和单位根据此接口开发出适合自身的转换工具.

3 齿轮数据接口标准应用前景

齿轮数据接口标准主要应用在齿轮行业不同企业及不同部门之间的数据交互场景中. 目前，我国齿轮设计、生产、测量等企业部门内部基本制定了不同形式私有数据格式，这些数据格式在其内部应用比较普遍且起到了重要作用. 这些企业可以在此基础上，在不改动原有数据格式的前提下，只需根据可扩展齿轮描述语言和标准数据接口的规范及数据转换工具库开发相应的转换工具(translate toolkit)即可参与企业之间数据转换.

经过转换的数据均处于同一标准下，即不同的齿轮生产部门的产品、工艺等具有可比性. 例如，不同企业的计量室在其测量软件中导入相同的可扩展齿轮描述文件后即可进行完全一致的测量，传统的测量只专注于被测齿轮的一致性而忽略且不可能保证测量的细节一致性，可扩展齿轮描述文件中包含了测量起始齿序号、量仪调整参数、测量指令等细节信息. 这种全面的信息增加了不同企业、不同地区之间齿轮质量评定结果的可信度，特别是那些跨地区的大型企业可以更好地进行质量比较和控制.

齿轮行业的发展呈现分工精细化的趋势，材料、设计、制造、测量、客户、零部件供应商、装配等环节的参与者来自全球各个地区，与齿轮相关的直接数据和诸如机床、刀具、量仪等间接设备的数据的交互同样相当重要，可扩展齿轮描述语言文件可以直观准确地表达齿轮产品的全面信息，进而帮助参与者做出科学的决策[14]. 图6中的所有连线两端的角色或过程均可以通过齿轮数据接口标准甚至部分接口进行准确、快速和安全的交互.

图6 齿轮全周期相关角色和过程关系
Fig.6 Roles and workflow relation with gear

齿轮加工过程中的工艺链调整和误差溯源均需要大量的过程数据作为决策依据. 基于齿轮全信息的标准数据接口可以描述和记录齿轮全生命周期的数据，特别在加工阶段，通常需要经过复杂的工艺链，工艺链内部有多重在线测量或在机测量来确保本次加工的质量，且在测量阶段会进行综合测量. 齿轮标准数据记录贯穿齿轮全生命周期，一旦某个环节出现偏差，则可以利用齿轮数据接口标准进行误差分析和溯源[15-16]，分析结果可以作为工艺链调整的依据，其过程如图7所示. 上述的调整属于基于误差的被动型工艺链调整，而对于主动性的工艺链创新调整，齿轮标准数据同样起到很重要的作用，齿轮标准数据可以全面准确及时地反映出调整前后的齿轮质量信息，设计生产人员可以直观地得到差异，帮助其更好地调整工艺流程.

图7 利用齿轮数据接口标准进行误差溯源
Fig.7 Error tracing by gear data interface standard

4 结论

本文在研究齿轮技术原理和标准的基础上，提出了齿轮数据接口标准. 利用 XML 语言的可扩展和易解析的特点，创造了可扩展齿轮描述语言，并在技术规范、分类标准和实例文档3个方面实现和完善了现有语言架构，在此基础上开发了齿轮数据接口标准工具软件库，使其在显示应用中更加方便快捷. 重点阐述了可扩展齿轮描述语言的架构设计和实现途径，在“开放，兼容”的接口标准原则基础上，构建了齿轮标准数据接口的整体解决方案. 改善了行业目前数据交互混乱的问题，促进了行业内部的生产协作，降低了企业生产沟通成本.