摘要：德國(guó)工程師協(xié)會(huì)根據(jù)工業(yè)的愿景和德國(guó)齒輪行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，制定了數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是由下屬齒輪和齒輪箱工作組負(fù)責(zé)制定，于年月發(fā)布。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議載體標(biāo)準(zhǔn)格式以文檔的形式定義的。

摘 要：德國(guó)于2011年率先提出工業(yè)4.0概念以提高其國(guó)內(nèi)整體工業(yè)實(shí)力和促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0的實(shí)質(zhì)是“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，而信息技術(shù)是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。齒輪作為重要的基礎(chǔ)零件，是傳動(dòng)裝置的核心。目前，齒輪設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量和使用的各個(gè)方面所涉及的數(shù)據(jù)還沒(méi)有被有效收集、存儲(chǔ)、分析和利用，數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)自由流通和利用的基礎(chǔ)和保證。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)（Verein Deutscher Ingenieure, VDE/VDI）根據(jù)工業(yè)4.0的愿景和德國(guó)齒輪行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，制定了VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition（GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)）。GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)定義和規(guī)范了齒輪全生命周期數(shù)據(jù)，使得齒輪數(shù)據(jù)自由交互和高效利用成為現(xiàn)實(shí)，對(duì)我國(guó)齒輪行業(yè)全面邁向“中國(guó)制造2025”具有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：齒輪；數(shù)據(jù)交互；格式標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)4.0；中國(guó)制造2025
中圖分類(lèi)號(hào)：U 461；TP 308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

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(dòng)裝置的核心零件，因其參數(shù)較多，加工工藝繁復(fù)，從設(shè)計(jì)到使用的各個(gè)階段需要多個(gè)生產(chǎn)企業(yè)和部門(mén)的合作，因此在設(shè)計(jì)，制造，測(cè)量，服役及報(bào)廢等各個(gè)階段都擁有繁雜的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)久以來(lái)，受生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品種類(lèi)和工藝路線(xiàn)的不同，齒輪生產(chǎn)的各個(gè)企業(yè)和部門(mén)只制定自己的齒輪數(shù)據(jù)格式，這種數(shù)據(jù)格式相對(duì)簡(jiǎn)單，只能滿(mǎn)足企業(yè)和部門(mén)內(nèi)部的使用和交；數(shù)據(jù)參數(shù)種類(lèi)和也只根據(jù)企業(yè)和產(chǎn)品需求制定，所采用的齒輪標(biāo)準(zhǔn)不一，甚至只包含本企業(yè)專(zhuān)注的個(gè)別參數(shù)，或者只是針對(duì)特定機(jī)床、量?jī)x和分析程序有效，不具有通用性，形成了業(yè)內(nèi)的“數(shù)據(jù)壁壘”。一旦企業(yè)更換相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備和軟件程序或者調(diào)整生產(chǎn)工藝，就要重新制定或者修訂齒輪數(shù)據(jù)格式，這樣極大的降低了齒輪的生產(chǎn)效率，且增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。GDE正是針對(duì)齒輪生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)損耗和低效而制定的，本文主要介紹德國(guó)GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)在此領(lǐng)域發(fā)展的思考

VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition (GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn))是德國(guó)工程師協(xié)會(huì)(Verein Deutscher Ingenieure ,VDI/VDE) 制訂的“齒輪以及齒輪的測(cè)量和檢查”專(zhuān)題標(biāo)準(zhǔn)中的第五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。GDE標(biāo)準(zhǔn)定義了基于XML的齒輪數(shù)據(jù)格式，允許所有與齒輪相關(guān)的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、制造到質(zhì)量控制和售后服務(wù)等環(huán)節(jié)之間的各個(gè)階段中進(jìn)行交互。GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)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(biāo)準(zhǔn)（插入所有引用到的標(biāo)準(zhǔn)，ISO and DIN）。齒輪數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)XML結(jié)構(gòu)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(jīng)允許用戶(hù)自定義額外信息，提供了在數(shù)據(jù)庫(kù)和互聯(lián)網(wǎng)中更進(jìn)一步處理的條件。
GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是由VDI/VDE下屬“齒輪和齒輪箱”工作組負(fù)責(zé)制定，于2014年5月發(fā)布。經(jīng)過(guò)兩年多的不斷擴(kuò)展和修正，目前公開(kāi)的最新版本是2.4，且在穩(wěn)定修改和推進(jìn)中。VDI/VDE是世界上最大的技術(shù)導(dǎo)向協(xié)會(huì)和組織，協(xié)會(huì)成員來(lái)自各個(gè)不同專(zhuān)業(yè)方向的工程師、自然科學(xué)家及電腦工程師。

GDE數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)是基于XML(Extensible Markup Language)語(yǔ)言建立的。XML可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言是標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的子集，是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)型的標(biāo)記語(yǔ)言。XML可以用來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，設(shè)定數(shù)據(jù)規(guī)則，允許用戶(hù)對(duì)自己的標(biāo)記語(yǔ)言進(jìn)行定義，能夠簡(jiǎn)便地集成到應(yīng)用程序和操作環(huán)境中。XML的創(chuàng)建、修改、存儲(chǔ)以及傳輸都可以獨(dú)立操作，也可以通過(guò)編程語(yǔ)言操作，目前主流的編程語(yǔ)言對(duì)XML的支持良好，開(kāi)源社區(qū)也有豐富的XML解析工具。
GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)注于齒輪的設(shè)計(jì)、加工和測(cè)量領(lǐng)域，尤其側(cè)重于各個(gè)階段的誤差信息，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它能夠促進(jìn)這些領(lǐng)域內(nèi)的齒輪相關(guān)數(shù)據(jù)交換，能夠以較小的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)將齒輪數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，也可以根據(jù)不同用戶(hù)的需求而擴(kuò)展。

圖1 GDE數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)整體結(jié)構(gòu)

GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)參照齒輪標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)對(duì)XML文檔的處理習(xí)慣約束，對(duì)相關(guān)齒輪數(shù)據(jù)參數(shù)格式做了額外規(guī)定，作為標(biāo)準(zhǔn)的附加規(guī)約。

關(guān)鍵字用英文定義

關(guān)鍵字最長(zhǎng)為60個(gè)字符

關(guān)鍵字一般小寫(xiě)

關(guān)鍵字只允許出現(xiàn)“_”這一種特殊字符

關(guān)鍵字字符必須是 “ASCII“字符

長(zhǎng)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(shí)間用”hh:mm:ss”格式表示(如23:24:25)

與齒輪中心有關(guān)的尺寸必須用直徑表示

漸開(kāi)線(xiàn)的位置數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)使用直徑表示。(在特殊情況下允許使用節(jié)圓尺寸)

在GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)名稱(chēng)中，單詞之間使用“_”連接。

GDE標(biāo)準(zhǔn)格式以DTD文檔的形式定義的。DTD（Document Type Definition）是一套為了進(jìn)行程序間數(shù)據(jù)交換而建立的關(guān)于標(biāo)記符的語(yǔ)法規(guī)則。它是通用標(biāo)記語(yǔ)言和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言的一部分，XML文檔可以根據(jù)某種DTD的語(yǔ)法規(guī)則驗(yàn)證格式是否符合此規(guī)則。文檔類(lèi)型定義文件DTD可以用作保證通用標(biāo)記語(yǔ)言、可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言文檔格式的合法性。可通過(guò)比較文檔和文檔類(lèi)型定義文件來(lái)檢查文檔是否符合規(guī)范，元素和標(biāo)簽使用是否正確。
一份完整的GDE文檔必須包括容納數(shù)據(jù)的XML文檔以及格式定義DTD文檔。DTD文檔對(duì)數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，用戶(hù)能夠在VDI的官方網(wǎng)站（https://www.vdi.de/xml/2610/）上獲得。DTD可以嵌入數(shù)據(jù)文檔中，也可以多帶帶存儲(chǔ)。
到?前為?，GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪和錐齒輪，圖2為DTD文檔的頭部?jī)?nèi)容，頭部?jī)?nèi)容定義了XML文檔版本及文件編碼信息。根據(jù)DTD文檔規(guī)則可知：gear_data_exchange_format元素規(guī)定文檔必須含有g(shù)ear_data元素，可以含有tool_data（刀具數(shù)據(jù)）、process_data（工藝數(shù)據(jù)）和process_chain_data（工藝鏈數(shù)據(jù)）。目前GDE的版本是2.4。

圖2 DTD文檔頭部

gear_data數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)格式如圖3所示。Gear_data必須包含gear_id（齒輪編號(hào)）字段，其支持gear，spline和beveloid三種齒輪類(lèi)型，且根據(jù)DTD文檔語(yǔ)法，齒輪數(shù)據(jù)文件只能且必須選擇其中一個(gè)。
gear_data結(jié)構(gòu)包含所有的?輪相關(guān)數(shù)據(jù)，且按照數(shù)據(jù)功能分為section_identification（識(shí)別管理信息）、setion_geametry（?輪?何數(shù)據(jù)）、section_inspection （?輪測(cè)量、評(píng)定和測(cè)量結(jié)果） 和section_user（?戶(hù)特定數(shù)據(jù)）。
Section_identification數(shù)據(jù)塊包含了客戶(hù)對(duì)象、訂單信息、修改日期、齒輪編碼和生產(chǎn)狀態(tài)；section_geametry數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)了齒輪的基本參數(shù)、尺寸參數(shù)，修形參數(shù)和誤差信息，名稱(chēng)分別為：basic_data，spline_geometry，beveloid_geometry，modification, tolerance。section_inspection數(shù)據(jù)塊主要規(guī)定了齒輪的測(cè)量信息，包含測(cè)量過(guò)程參數(shù)（measurement_instructions）、測(cè)量結(jié)果（measurement_results）、評(píng)定（evaluation）以及輸出參數(shù)（output_parameters）等。

圖3 gear_data定義塊

tool_data模塊主要描述了齒輪制造過(guò)程中的工具信息，圖4為tool_data的結(jié)構(gòu)。其中主要內(nèi)容為tool_internal_description數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)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(xì)信息，由此也反映了德國(guó)齒輪加工行業(yè)目前工具應(yīng)用狀況。

圖4 tool_data的DTD文檔結(jié)構(gòu)

工藝數(shù)據(jù)描述了單個(gè)齒輪加工流程的所有參數(shù)。process_data工藝數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了hobbing-cutter、profile_grinding和grnding_worm三種工具的工藝參數(shù)，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

工藝鏈?zhǔn)菍?duì)齒輪生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)多帶帶工藝的組織和管理，是制造過(guò)程所有工藝的集合。process_chain_data 工藝鏈數(shù)據(jù)包含了process_id、step_number和process_step三個(gè)元素。

用戶(hù)可以自己定義數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)格式，自定義的數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在section_user數(shù)據(jù)塊中，其他用戶(hù)和數(shù)據(jù)格式解析工具會(huì)自動(dòng)忽略這些信息。GDE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)不推薦用戶(hù)過(guò)多地自定義數(shù)據(jù)格式，自定義數(shù)據(jù)不能標(biāo)準(zhǔn)化地進(jìn)行交互，不符合GDE的期望。用戶(hù)也可以根據(jù)GDE定義其他類(lèi)型的齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，但必須通過(guò)擴(kuò)展gear_data定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)要為新定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系正確負(fù)責(zé)。

GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用在齒輪全生命周期的各個(gè)階段中的數(shù)據(jù)交互。ZF Friedrichshafen AG是全球重要的傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)制造商。ZF使用自己內(nèi)部軟件gear4ZF將他們?nèi)蚍秶鷥?nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GDE格式，包括齒輪的基礎(chǔ)信息、修形參數(shù)以及加工誤差信息，如圖6。利用GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量過(guò)程，將測(cè)量指令以及測(cè)量參數(shù)集中管理，這樣可以在不同的地點(diǎn)進(jìn)行相同條件的測(cè)量。

圖6 ZF在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)GDE的應(yīng)用

測(cè)量人員將GDE文件輸入到齒輪測(cè)量軟件中，這種標(biāo)準(zhǔn)化后的測(cè)量程序可以在任何支持GDE的測(cè)量?jī)x器上獨(dú)立運(yùn)行，在不同的測(cè)量?jī)x器上可以采用相同的測(cè)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(kāi)始測(cè)量。通過(guò)這樣的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量，可以更好的比較和評(píng)定不同生產(chǎn)地點(diǎn)的齒輪質(zhì)量好壞。
GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)在ZF的刀具采購(gòu)中也發(fā)揮著積極作用。ZF將刀具設(shè)計(jì)和制造參數(shù)以GDE格式提供給刀具供應(yīng)商，其中包含刀具制造過(guò)程中所需的公差信息。標(biāo)準(zhǔn)化的接口簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、制造和供應(yīng)商之間的溝通。
基于GDE齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，齒輪箱制造過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)都可以填入數(shù)據(jù)庫(kù)中。齒輪箱裝配和最終檢測(cè)階段的數(shù)據(jù)也同樣采用GDE接口標(biāo)準(zhǔn)表示，最終形成齒輪全生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)。一旦在最終產(chǎn)品檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則可以從齒輪全生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)中溯源到粗加工、精加工以及熱處理等齒輪制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。

我國(guó)齒輪行業(yè)產(chǎn)值巨大，國(guó)際國(guó)內(nèi)的需求不斷攀升，在風(fēng)電，高鐵，新能源汽車(chē)等領(lǐng)域尚有技術(shù)和工藝空白。國(guó)內(nèi)齒輪制造企業(yè)相對(duì)分散，使用的機(jī)床，刀具，工藝技術(shù)路線(xiàn)不盡相同，制造成本較高，測(cè)量?jī)x器原理不一，而在齒輪服役的數(shù)據(jù)尚在空白階段，齒輪產(chǎn)品無(wú)法全面客觀(guān)比較，企業(yè)在數(shù)據(jù)交互方面付出了較大的成本。一定程度上制約著行業(yè)發(fā)展。
近年來(lái)，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)展迅速，軟件技術(shù)信息技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)制造業(yè)信息化改革提供了比較豐富的技術(shù)基礎(chǔ)。互聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)交互方面已經(jīng)具備了豐富的格式標(biāo)準(zhǔn)，這些數(shù)據(jù)格式通過(guò)了多行業(yè)的考驗(yàn)。在商務(wù)領(lǐng)域中，已經(jīng)有成熟的可擴(kuò)展商務(wù)報(bào)告語(yǔ)言（Extensible Business Reporting Language，XBRL）應(yīng)用在商務(wù)活動(dòng)報(bào)告的各個(gè)方面，目前已成為該領(lǐng)域國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)；基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建立的《道路運(yùn)輸車(chē)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(yùn)輸車(chē)輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)--平臺(tái)數(shù)據(jù)交換》標(biāo)準(zhǔn)[4]，構(gòu)建起了終端、平臺(tái)和監(jiān)管層的數(shù)據(jù)交互模式；針對(duì)傳感器建立了《信息技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)第701部分:傳感器接口:信號(hào)接口》等標(biāo)準(zhǔn)。以上標(biāo)準(zhǔn)的建立極大的方便了各自領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換效率和溝通成本，促進(jìn)了各自行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。
因此，我國(guó)在齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)基礎(chǔ)，技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)完全具備，在吸收德國(guó)GDE的基礎(chǔ)上，適當(dāng)應(yīng)用目前互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，針對(duì)我國(guó)齒輪行業(yè)企業(yè)工藝特點(diǎn)，制定我國(guó)自主齒輪數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)是完全可行且具有現(xiàn)實(shí)意義的。
5 總結(jié)
作為工業(yè)4.0重要的一方面，GDE提供了一套跨企業(yè)、跨部門(mén)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)量和用戶(hù)數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得齒輪和齒輪箱的制造商、工具制造商以及零部件供應(yīng)商之間可以自由和準(zhǔn)確地交換數(shù)據(jù)。除此之外GDE還提供了訂單管理等完整的工藝鏈數(shù)據(jù)接口，極大的促進(jìn)了企業(yè)上產(chǎn)效率和行業(yè)發(fā)展，減少了由于數(shù)據(jù)格式和傳輸帶來(lái)的成本，杜絕了不同數(shù)據(jù)和格式可能導(dǎo)致的工藝失誤或者管理層決策失誤。對(duì)我國(guó)齒輪行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)啟發(fā)，對(duì)我國(guó)齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的制定具有積極意義。