摘要：德國工程師協(xié)會根據(jù)工業(yè)的愿景和德國齒輪行業(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：德國于2011年率先提出工業(yè)4.0概念以提高其國內(nèi)整體工業(yè)實力和促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0的實質(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，是傳動裝置的核心。目前，齒輪設(shè)計、加工、測量和使用的各個方面所涉及的數(shù)據(jù)還沒有被有效收集、存儲、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。德國工程師協(xié)會（Verein Deutscher Ingenieure, VDE/VDI）根據(jù)工業(yè)4.0的愿景和德國齒輪行業(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，對我國齒輪行業(yè)全面邁向“中國制造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；中國制造2025
中圖分類號：U 461；TP 308 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

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)計到使用的各個階段需要多個生產(chǎn)企業(yè)和部門的合作，因此在設(shè)計，制造，測量，服役及報廢等各個階段都擁有繁雜的數(shù)據(jù)。長久以來，受生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品種類和工藝路線的不同，齒輪生產(chǎn)的各個企業(yè)和部門只制定自己的齒輪數(shù)據(jù)格式，這種數(shù)據(jù)格式相對簡單，只能滿足企業(yè)和部門內(nèi)部的使用和交；數(shù)據(jù)參數(shù)種類和也只根據(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)專注的個別參數(shù)，或者只是針對特定機(jī)床、量儀和分析程序有效，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正是針對齒輪生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)損耗和低效而制定的，本文主要介紹德國GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)及我國在此領(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))是德國工程師協(xié)會(Verein Deutscher Ingenieure ,VDI/VDE) 制訂的“齒輪以及齒輪的測量和檢查”專題標(biāo)準(zhǔn)中的第五個標(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、制造到質(zhì)量控制和售后服務(wù)等環(huán)節(jié)之間的各個階段中進(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)允許用戶自定義額外信息，提供了在數(shù)據(jù)庫和互聯(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)過兩年多的不斷擴(kuò)展和修正，目前公開的最新版本是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)會和組織，協(xié)會成員來自各個不同專業(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)語言建立的。XML可擴(kuò)展標(biāo)記語言是標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語言的子集，是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)型的標(biāo)記語言。XML可以用來標(biāo)記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類型，設(shè)定數(shù)據(jù)規(guī)則，允許用戶對自己的標(biāo)記語言進(jìn)行定義，能夠簡便地集成到應(yīng)用程序和操作環(huán)境中。XML的創(chuàng)建、修改、存儲以及傳輸都可以獨立操作，也可以通過編程語言操作，目前主流的編程語言對XML的支持良好，開源社區(qū)也有豐富的XML解析工具。
GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)專注于齒輪的設(shè)計、加工和測量領(lǐng)域，尤其側(cè)重于各個階段的誤差信息，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)開銷將齒輪數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，也可以根據(jù)不同用戶的需求而擴(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)和計算機(jī)對XML文檔的處理習(xí)慣約束，對相關(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)鍵字最長為60個字符

關(guān)鍵字一般小寫

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

漸開線的位置數(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)記符的語法規(guī)則。它是通用標(biāo)記語言和可擴(kuò)展標(biāo)記語言的一部分，XML文檔可以根據(jù)某種DTD的語法規(guī)則驗證格式是否符合此規(guī)則。文檔類型定義文件DTD可以用作保證通用標(biāo)記語言、可擴(kuò)展標(biāo)記語言文檔格式的合法性。可通過比較文檔和文檔類型定義文件來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文檔對數(shù)據(jù)是獨立的，用戶能夠在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。
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文檔的頭部內(nèi)容，頭部內(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）字段，其支持gear，spline和beveloid三種齒輪類型，且根據(jù)DTD文檔語法，齒輪數(shù)據(jù)文件只能且必須選擇其中一個。
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（識別管理信息）、setion_geametry（?輪?何數(shù)據(jù)）、section_inspection （?輪測量、評定和測量結(jié)果） 和section_user（?戶特定數(shù)據(jù)）。
Section_identification數(shù)據(jù)塊包含了客戶對象、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)定了齒輪的測量信息，包含測量過程參數(shù)（measurement_instructions）、測量結(jié)果（measurement_results）、評定（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X輪生產(chǎn)過程中各個多帶帶工藝的組織和管理，是制造過程所有工藝的集合。process_chain_data 工藝鏈數(shù)據(jù)包含了process_id、step_number和process_step三個元素。

用戶可以自己定義數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)格式，自定義的數(shù)據(jù)必須存儲在section_user數(shù)據(jù)塊中，其他用戶和數(shù)據(jù)格式解析工具會自動忽略這些信息。GDE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)不推薦用戶過多地自定義數(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。用戶也可以根據(jù)GDE定義其他類型的齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，但必須通過擴(kuò)展gear_data定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，用戶要為新定義的數(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階段中的數(shù)據(jù)交互。ZF Friedrichshafen AG是全球重要的傳動系統(tǒng)產(chǎn)品專業(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)來標(biāo)準(zhǔn)化測量過程，將測量指令以及測量參數(shù)集中管理，這樣可以在不同的地點進(jìn)行相同條件的測量。

圖6 ZF在生產(chǎn)過程中對GDE的應(yīng)用

測量人員將GDE文件輸入到齒輪測量軟件中，這種標(biāo)準(zhǔn)化后的測量程序可以在任何支持GDE的測量儀器上獨立運(yùn)行，在不同的測量儀器上可以采用相同的測量指令和程序，甚至可以在不同儀器上從相同的齒輪位置開始測量。通過這樣的標(biāo)準(zhǔn)化測量，可以更好的比較和評定不同生產(chǎn)地點的齒輪質(zhì)量好壞。
GDE數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)在ZF的刀具采購中也發(fā)揮著積極作用。ZF將刀具設(shè)計和制造參數(shù)以GDE格式提供給刀具供應(yīng)商，其中包含刀具制造過程中所需的公差信息。標(biāo)準(zhǔn)化的接口簡化了設(shè)計、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)，齒輪箱制造過程中的各種數(shù)據(jù)都可以填入數(shù)據(jù)庫中。齒輪箱裝配和最終檢測階段的數(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)品檢測中發(fā)現(xiàn)問題，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環(huán)節(jié)。

我國齒輪行業(yè)產(chǎn)值巨大，國際國內(nèi)的需求不斷攀升，在風(fēng)電，高鐵，新能源汽車等領(lǐng)域尚有技術(shù)和工藝空白。國內(nèi)齒輪制造企業(yè)相對分散，使用的機(jī)床，刀具，工藝技術(shù)路線不盡相同，制造成本較高，測量儀器原理不一，而在齒輪服役的數(shù)據(jù)尚在空白階段，齒輪產(chǎn)品無法全面客觀比較，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，我國互聯(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)?；ヂ?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)格式通過了多行業(yè)的考驗。在商務(wù)領(lǐng)域中，已經(jīng)有成熟的可擴(kuò)展商務(wù)報告語言（Extensible Business Reporting Language，XBRL）應(yīng)用在商務(wù)活動報告的各個方面，目前已成為該領(lǐng)域國際通用標(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)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)--平臺數(shù)據(jù)交換》標(biāo)準(zhǔn)[4]，構(gòu)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(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)第701部分:傳感器接口:信號接口》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)，針對我國齒輪行業(yè)企業(yè)工藝特點，制定我國自主齒輪數(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)、跨部門的設(shè)計、生產(chǎn)、測量和用戶數(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。對我國齒輪行業(yè)的發(fā)展帶來啟發(fā)，對我國齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的制定具有積極意義。