王宇，姚新景，张洪良，刘瑞弢，王黎阳，张登攀

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

齿轮是重要的传动件，在机械传动中占有重要的地位。随着世界智能化进程的加快，全球制造业迎来了翻天覆地的变化,齿轮产业值也逐年增长，产品日新月异，新技术层出不穷，传统的齿轮测量和制造方法已经无法满足当前齿轮产业对于短交货期、高质量、高效率、智能化的要求[1]。

近年来，以数字化、网络化、智能化云平台为特征的云制造模式在制造业领域展现出明显的优势[2-4]，基于云计算的齿轮云测量也随之成为齿轮智能制造的关键课题。但齿轮测量数据量大，数据种类多样且涉及多种不同的平台及语言，如何对这些数据进行标准化、数字化和网络化，是实现齿轮智能制造和云制造的关键。要将这些异构数据统一到云平台上，首先就要解决数据的异构问题。当前，世界上已经有许多有关齿轮数据数字化和标准化的研究，如德国工程师协会(verein deutscher ingenieure，VDE /VDI)为对齿轮数据进行规范，制定了齿轮数据交换格式GDE(gear data exchange format)，旨在实现齿轮数据格式标准化，解决由齿轮数据的异构造成的传输问题[5]；
在GDE的基础上，德国联邦物理研究院(PTB)提出了齿轮数字校准证书(GDCC)，将齿轮测量校准结果及签名等数据以XML语言的形式进行存储、认证和传输，保证数字证书的安全[6]；
石照耀等[7]针对齿轮全生命周期内产生的数据设计了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)，并为其设定了语法及命名规则，为齿轮数据的跨平台采集、存储、交换和运算提供了先决条件;李聚波[8]设计了基于NET的螺旋锥齿轮网络化制造平台，将制造资源进行封装，实现了锥齿轮制造资源的网络化等。

测量语言标准化是齿轮测量数字化的第一步，只有确定了数据的标准格式，才能确保后续数据传输的完整和正确。XML(extensible markup language)是一种专门用来描述数据的语言，它将数据从以代码为中心的结构中独立出来，仅表示数据的数值和结构，因而具有良好的可扩展性和平台独立性，且适用于需要对大量数据进行存取和调用的情况[9]。XML使用XML DTD(document type definition，文档类型定义)或XML Schema对数据的结构进行规范和约束，格式良好且遵循相同DTD或Schema的XML文档可直接进行数据交换、存储和查询。

1.1 齿轮测量数据分析

齿轮测量数据具有大数据、异构性、多源性的特点[10]，为保证数据能够有效利用，还应保证数据传输的实时性和安全性。常见的数据交换模式可分为如图1所示的3种形式[11-12]。

图1 常见的数据交换格式Fig.1 Common data exchange modes

(1)纯文本文档。纯文本文档是最常见也是最基础的数据储存方式，该方式储存的文档可直接使用文本编辑器进行编辑，且没有格式限制，十分简单易用。但是受传输速度和文件大小的限制，网络状态不佳时会出现数据下载错误，当数据量大时不易进行存取和调用，且安全性不足。

(2)非标准XML文档的数据交换。虽然交互双方都是XML文档，但由于遵循不同的DTD或Schema，在转换时需要先将其转换成相同格式的XML文档，而后才能进行数据交换。

(3)标准XML文档之间的数据转换。若转换的双方文档均为使用相同DTD或Schema的标准文档，则双方进行数据交换时就可以直接进行交换而不需要进行格式规范。标准格式的XML文档之间数据传输具有高效、实时、跨平台、可扩展性的特点，且支持多种数据库之间的存取。本文拟建立齿轮测量标准语言以规范XML文档的格式，可使数据传输更为高效[13]。

1.2 齿轮测量标准语言GXML的定义

齿轮的全生命周期中会产生大量的数据，实现齿轮测量数据的数字化需要对这些数据进行标准化处理，再同步到统一的云平台上。齿轮测量标准语言GXML(gear extensible markup language)是用来定义齿轮测量数据的标准，是XML语言在齿轮测量领域的拓展。根据实际生产需要，GXML包含一个根元素gear_Data，根元素下有订单信息、设计信息、设备信息、振噪检测、标准信息、误差信息、加工信息等7个子元素，每个子元素下又分为若干个子元素，形成如图2所示的GXML家族树。GXML的树形格式可有效防止数据的丢失，也便于数据的溯源和高效查找。

图2 GXML 家族树Fig.2 GXML family tree

XML通过XML DTD或XML Schema定义格式，保证XML文档的格式良好且语义合法。其中Schema相比DTD定义的数据范围更广，并支持自定义数据类型。根据齿轮测量数据交换的特点，使用XML Schema定义GXML的标准，以保证数据交换双方具有相同的数据格式。

根据GXML家族树可编写GXML Schema，并根据需要对其属性进行定义。根元素gear_Data下的第一级元素均为复杂类型，含有下级元素。第二级元素则按照生产需求划分为几大类，并含有详细的信息项目及具体约束要求。例如GXML为每一个齿轮都设计了唯一的标识号，可供用户追踪该齿轮的全生命周期中产生的所有数据,则在Schema中需要规定齿轮标识号唯一且必须出现，因此将“minOccurs” 和 “maxOccurs” 的值设置为1以约束其仅可出现1次,type定义元素类型，并将属性“use” 值设置为“required”以约束其必须出现，如图3所示。

图3 GXML SchemaFig.3 GXML Schema

由于XML语言的可扩展性，GXML可根据用户的实际需要进行结构和内容调整，直接对Schema的内容进行修改，而无需对整个程序进行改动。

数据标准化是实现齿轮测量数据数字化的第一步，而将数据传输到云平台上，供客户使用和分析，则是齿轮测量数字化的最终目的。为了保证数据存储、传输和显示正确、高效、稳定，平台上的各部分数据都应遵循GXML格式。

2.1 基于GXML的数据交换流程

数据的存取均通过GXML文档和数据库的映射完成，通过GET方法查询数据库，测量数据会转换为原始的XML文档，根据GXML Schema 将文档转换为标准格式的GXML文档。为了保证数据在传输过程中的完整性和安全性，在GXML文档传输之前，先对其进行加密封装，然后将标准的GXML文档发送至齿轮测量数字化平台上。此时的GXML文档包括测量所得的各项数据，经过解密和解压，转换为GXML文档，储存在本地数据库中。当云平台用户对某一项数据的参数提出访问时，客户端即从本地数据库中调出相应的数据，通过相应的调用和转换，使其以文档或图表的形式显示在齿轮测量数据云平台上。

图4 数据交换系统Fig.4 Data exchange system

如图4所示，工厂将测量所得的一系列数据存入工厂的数据库中，以便备份和需要时调用。齿轮测量数据云平台所需的各类服务如用户验证、数据查询、图表生成等，使用web Service封装和发布，集成服务引擎通过各类接口将基于javaee平台的各类应用系统封装成web组件，并提供统一的web服务接口，将服务发布到UDDI(universal description discovery and integration)注册中心，当用户需要使用服务时，则通过相应的接口调用服务[14]。

2.2 基于GXML的XML文档到数据库的映射

为完成数据从数据库到云平台的映射，需要解决2个映射问题：从数据库到GXML文档的映射及GXML文档到数据库的映射。在从数据库到GXML文档的映射中，由于GXML Schema已经赋予了GXML文档良好的格式，因而可利用XML文档树与关系型数据库相似的树形结构建立如表1所示的映射[15]。从GXML文档到数据库的映射则利用DOM ( document object model,文档对象模型)技术对GXML文档进行解析和定位。

表1 数据库到GXML文档的映射

2.3 平台应用实例分析

测量仪器接入平台后，用户即可登陆云平台的客户端查看相应的内容。使用XML文档存储测量齿轮的数据项目名称及其数值，需要时通过检索其项目名称以调用相应的数据。例如，被测齿轮的齿数为30个，其中第17齿右侧齿面的单个齿距偏差测量数据及其对应的XML文档如表2所示。

表2 测量数据与对应的XML文档

当需要查看齿轮所有齿的右侧齿面单个齿距偏差fp的柱状图时，系统将调用绘图服务，通过建立起xy二维坐标系，以齿数为横坐标，从数据库中调取Pintch No.1～30的齿，以每个齿对应的为纵坐标，建立如图5所示的右侧单个齿距偏差图，并将其上传到齿轮测量数字化云平台上，供用户查阅。

图5 右齿面单个齿距偏差图Fig.5 Single pitch deviation diagram of right flank

2.4 GXML应用前景

齿轮测量数据的数字化为齿轮测量数据及时、安全和网络化提供了保障，所有的测量数据使用相同的格式存取，提高了数据的传输效率。

齿轮加工过程中难免会产生各类加工误差，为进行误差溯源，需要大量的测量数据进行分析比对，测量数据的数字化为误差的发现和溯源提供了保障。各类数据以图表等更为直观的方式显示在云平台上，监管人员可不受场地限制随时查看。一旦某个环节出现问题，可及时发现并调整工艺链，减少原材料的浪费，提高生产效率。

随着生产全球化进程的加快，与齿轮生产相关的原料、设计、生产、人工、销售等部门参与者来自于不同的地区，各个部门之间的信息交流就显得尤为重要[16]。齿轮数字化平台可提供全面实时的齿轮测量信息，从部门而帮助各个部门进行生产协调。

本文在分析对比当前几种数据交换形式的基础上，提出了描述齿轮测量数据的语言GXML并分析其主要架构，设计其标准格式，探讨了基于GXML 的齿轮数据测量数据交换方法，并对测量数据的数字化实现过程进行了实例分析。实际应用表明，该方法通过建立GXML与数据库之间的映射，解决了齿轮测量数据化中的异构传输问题，实现了齿轮测量数据的跨平台传输，提高了生产效率，为齿轮的误差溯源和齿轮的生产部门协调提供了技术支持。

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