德国Gear Data Exchange Format齿轮数据交互格式标准介绍

摘 要：德国于2011年率先提出工业4.0概念以提高其国内整体工业实力和促进工业转型。工业4.0的实质是“互联网+制造”，而信息技术是工业4.0的基础。齿轮作为重要的基础零件，是传动装置的核心。目前，齿轮设计、加工、测量和使用的各个方面所涉及的数据还没有被有效收集、存储、分析和利用，数据格式标准是数据自由流通和利用的基础和保证。德国工程师协会（Verein Deutscher Ingenieure, VDE/VDI）根据工业4.0的愿景和德国齿轮行业的发展现状，制定了VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition（GDE数据格式标准）。GDE数据格式标准定义和规范了齿轮全生命周期数据，使得齿轮数据自由交互和高效利用成为现实，对我国齿轮行业全面迈向“中国制造2025”具有借鉴意义。
关键词：齿轮；数据交互；格式标准；工业4.0；中国制造2025
中图分类号：U 461；TP 308 文献标识码：A 文章编号：

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

齿轮是传动装置的核心零件，因其参数较多，加工工艺繁复，从设计到使用的各个阶段需要多个生产企业和部门的合作，因此在设计，制造，测量，服役及报废等各个阶段都拥有繁杂的数据。长久以来，受生产企业，产品种类和工艺路线的不同，齿轮生产的各个企业和部门只制定自己的齿轮数据格式，这种数据格式相对简单，只能满足企业和部门内部的使用和交；数据参数种类和也只根据企业和产品需求制定，所采用的齿轮标准不一，甚至只包含本企业专注的个别参数，或者只是针对特定机床、量仪和分析程序有效，不具有通用性，形成了业内的“数据壁垒”。一旦企业更换相关的生产设备和软件程序或者调整生产工艺，就要重新制定或者修订齿轮数据格式，这样极大的降低了齿轮的生产效率，且增加了企业生产成本。GDE正是针对齿轮生产过程中数据损耗和低效而制定的，本文主要介绍德国GDE数据格式标准及我国在此领域发展的思考

1 GDE数据格式标准介绍

VDI-2610: Exchange format for gear data——Gear Data Exchange Format（GDE Format）Definition (GDE数据格式标准)是德国工程师协会(Verein Deutscher Ingenieure ,VDI/VDE) 制订的“齿轮以及齿轮的测量和检查”专题标准中的第五个标准。GDE标准定义了基于XML的齿轮数据格式，允许所有与齿轮相关的数据在设计、制造到质量控制和售后服务等环节之间的各个阶段中进行交互。GDE数据格式标准主要依据Cylindrical gears—ISO system of accuracy—part 1: Definitions and allowable values of deviations relevant to corresponding flanks of gear teeth[S]. ISO, 2013及其他主要的齿轮标准（插入所有引用到的标准，ISO and DIN）。齿轮数据格式标准XML结构包含了齿轮几何尺寸、修形、公差信息，齿轮制造工具信息，齿轮制造工艺和工艺链信息已经允许用户自定义额外信息，提供了在数据库和互联网中更进一步处理的条件。
GDE数据格式标准是由VDI/VDE下属“齿轮和齿轮箱”工作组负责制定，于2014年5月发布。经过两年多的不断扩展和修正，目前公开的最新版本是2.4，且在稳定修改和推进中。VDI/VDE是世界上最大的技术导向协会和组织，协会成员来自各个不同专业方向的工程师、自然科学家及电脑工程师。

2 GDE数据接口标准解读

2.1 GDE数据接口标准

GDE数据接口标准是基于XML(Extensible Markup Language)语言建立的。XML可扩展标记语言是标准通用标记语言的子集，是一种用于标记电子文件使其具有结构型的标记语言。XML可以用来标记数据、定义数据类型，设定数据规则，允许用户对自己的标记语言进行定义，能够简便地集成到应用程序和操作环境中。XML的创建、修改、存储以及传输都可以独立操作，也可以通过编程语言操作，目前主流的编程语言对XML的支持良好，开源社区也有丰富的XML解析工具。
GDE数据格式标准专注于齿轮的设计、加工和测量领域，尤其侧重于各个阶段的误差信息，其结构如图1所示。它能够促进这些领域内的齿轮相关数据交换，能够以较小的系统开销将齿轮数据集成到数据库系统中，也可以根据不同用户的需求而扩展。

图1 GDE数据接口标准整体结构

2.2 GDE附加规约

GDE数据格式标准参照齿轮标准和计算机对XML文档的处理习惯约束，对相关齿轮数据参数格式做了额外规定，作为标准的附加规约。

1. 关键字用英文定义
2. 关键字最长为60个字符
3. 关键字一般小写
4. 关键字只允许出现“_”这一种特殊字符
5. 关键字字符必须是 “ASCII“字符
6. 长度用毫米表示(“mm”)
7. 角度用分度制
8. 日期用”yyyy-mm-dd”格式表示(如：2016-03-05)
9. 时间用”hh:mm:ss”格式表示(如23:24:25)
10. 与齿轮中心有关的尺寸必须用直径表示
11. 渐开线的位置数据应当使用直径表示。(在特殊情况下允许使用节圆尺寸)
12. 在GDE数据格式标准中的参数名称中，单词之间使用“_”连接。

2.3 GDE数据格式标准协议载体

GDE标准格式以DTD文档的形式定义的。DTD（Document Type Definition）是一套为了进行程序间数据交换而建立的关于标记符的语法规则。它是通用标记语言和可扩展标记语言的一部分，XML文档可以根据某种DTD的语法规则验证格式是否符合此规则。文档类型定义文件DTD可以用作保证通用标记语言、可扩展标记语言文档格式的合法性。可通过比较文档和文档类型定义文件来检查文档是否符合规范，元素和标签使用是否正确。
一份完整的GDE文档必须包括容纳数据的XML文档以及格式定义DTD文档。DTD文档对数据是独立的，用户能够在VDI的官方网站（https://www.vdi.de/xml/2610/）上获得。DTD可以嵌入数据文档中，也可以单独存储。
到⽬前为⽌，GDE数据格式标准支持圆柱齿轮和锥齿轮，图2为DTD文档的头部内容，头部内容定义了XML文档版本及文件编码信息。根据DTD文档规则可知：gear_data_exchange_format元素规定文档必须含有gear_data元素，可以含有tool_data（刀具数据）、process_data（工艺数据）和process_chain_data（工艺链数据）。目前GDE的版本是2.4。

图2 DTD文档头部

2.3.1 gear_data 齿轮数据

gear_data数据块的数据格式如图3所示。Gear_data必须包含gear_id（齿轮编号）字段，其支持gear，spline和beveloid三种齿轮类型，且根据DTD文档语法，齿轮数据文件只能且必须选择其中一个。
gear_data结构包含所有的⻮轮相关数据，且按照数据功能分为section_identification（识别管理信息）、setion_geametry（⻮轮⼏何数据）、section_inspection （⻮轮测量、评定和测量结果） 和section_user（⽤户特定数据）。
Section_identification数据块包含了客户对象、订单信息、修改日期、齿轮编码和生产状态；section_geametry数据块存储了齿轮的基本参数、尺寸参数，修形参数和误差信息，名称分别为：basic_data，spline_geometry，beveloid_geometry，modification, tolerance。section_inspection数据块主要规定了齿轮的测量信息，包含测量过程参数（measurement_instructions）、测量结果（measurement_results）、评定（evaluation）以及输出参数（output_parameters）等。

图3 gear_data定义块

2.3.2 tool_data 工具数据

tool_data模块主要描述了齿轮制造过程中的工具信息，图4为tool_data的结构。其中主要内容为tool_internal_description数据块，该数据块包含了hobbing-cutter(加工刀具)、profile_grinding（磨削工具）和grinding_worm（蜗杆）三种工具的详细信息，由此也反映了德国齿轮加工行业目前工具应用状况。

图4 tool_data的DTD文档结构

2.3.3 process_data 工艺数据

工艺数据描述了单个齿轮加工流程的所有参数。process_data工艺数据详细描述了hobbing-cutter、profile_grinding和grnding_worm三种工具的工艺参数，其结构如图5所示。除此还附加了工艺id等描述信息用于管理工艺信息（主要用于工艺链的管理）。

图5 process_data的DTD文档结构

2.3.4 process_chain_data 工艺链数据

工艺链是对齿轮生产过程中各个单独工艺的组织和管理，是制造过程所有工艺的集合。process_chain_data 工艺链数据包含了process_id、step_number和process_step三个元素。

2.4 用户自定义数据

用户可以自己定义数据及数据格式，自定义的数据必须存储在section_user数据块中，其他用户和数据格式解析工具会自动忽略这些信息。GDE数据结构标准不推荐用户过多地自定义数据格式，自定义数据不能标准化地进行交互，不符合GDE的期望。用户也可以根据GDE定义其他类型的齿轮数据接口标准，但必须通过扩展gear_data定义数据结构实现，用户要为新定义的数据结构及其之间的关系正确负责。

3 GDE的应用

GDE数据格式标准可以应用在齿轮全生命周期的各个阶段中的数据交互。ZF Friedrichshafen AG是全球重要的传动系统产品专业制造商。ZF使用自己内部软件gear4ZF将他们全球范围内的数据转换成GDE格式，包括齿轮的基础信息、修形参数以及加工误差信息，如图6。利用GDE数据格式标准来标准化测量过程，将测量指令以及测量参数集中管理，这样可以在不同的地点进行相同条件的测量。

图6 ZF在生产过程中对GDE的应用

测量人员将GDE文件输入到齿轮测量软件中，这种标准化后的测量程序可以在任何支持GDE的测量仪器上独立运行，在不同的测量仪器上可以采用相同的测量指令和程序，甚至可以在不同仪器上从相同的齿轮位置开始测量。通过这样的标准化测量，可以更好的比较和评定不同生产地点的齿轮质量好坏。
GDE数据格式标准在ZF的刀具采购中也发挥着积极作用。ZF将刀具设计和制造参数以GDE格式提供给刀具供应商，其中包含刀具制造过程中所需的公差信息。标准化的接口简化了设计、制造和供应商之间的沟通。
基于GDE齿轮数据接口标准，齿轮箱制造过程中的各种数据都可以填入数据库中。齿轮箱装配和最终检测阶段的数据也同样采用GDE接口标准表示，最终形成齿轮全生命周期数据系统。一旦在最终产品检测中发现问题，则可以从齿轮全生命周期数据系统中溯源到粗加工、精加工以及热处理等齿轮制造的各个环节。

4 我国发展齿轮数据格式标准的思考

我国齿轮行业产值巨大，国际国内的需求不断攀升，在风电，高铁，新能源汽车等领域尚有技术和工艺空白。国内齿轮制造企业相对分散，使用的机床，刀具，工艺技术路线不尽相同，制造成本较高，测量仪器原理不一，而在齿轮服役的数据尚在空白阶段，齿轮产品无法全面客观比较，企业在数据交互方面付出了较大的成本。一定程度上制约着行业发展。
近年来，我国互联网信息发展迅速，软件技术信息技术的发展为基础制造业信息化改革提供了比较丰富的技术基础。互联网在数据交互方面已经具备了丰富的格式标准，这些数据格式通过了多行业的考验。在商务领域中，已经有成熟的可扩展商务报告语言（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《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》标准[4]，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的方便了各自领域的数据交换效率和沟通成本，促进了各自行业发展和进步。
因此，我国在齿轮数据接口标准的行业基础，技术基础已经完全具备，在吸收德国GDE的基础上，适当应用目前互联网新技术，针对我国齿轮行业企业工艺特点，制定我国自主齿轮数据格式标准是完全可行且具有现实意义的。
5 总结
作为工业4.0重要的一方面，GDE提供了一套跨企业、跨部门的设计、生产、测量和用户数据的接口标准，使得齿轮和齿轮箱的制造商、工具制造商以及零部件供应商之间可以自由和准确地交换数据。除此之外GDE还提供了订单管理等完整的工艺链数据接口，极大的促进了企业上产效率和行业发展，减少了由于数据格式和传输带来的成本，杜绝了不同数据和格式可能导致的工艺失误或者管理层决策失误。对我国齿轮行业的发展带来启发，对我国齿轮数据接口标准的制定具有积极意义。