基于Javaweb的齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)部署及實(shí)現(xiàn)

湯 潔，張溶洲，石照耀

（北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京100124）

1 引 言

齒輪質(zhì)量是影響機(jī)械裝備整機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一，隨著整機(jī)質(zhì)量的提升，對齒輪在線快速測量的要求越來越高［1］。生產(chǎn)現(xiàn)場對產(chǎn)品齒輪的快速測量，大多采用齒輪雙面嚙合測量原理。齒輪雙面嚙合測量［2-3］具有儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便、測量效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為了現(xiàn)代齒輪生產(chǎn)中的主要測試方法之一。國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中［4-6］針對齒輪雙嚙測量的誤差項(xiàng)目給出了定義和評定方法。

以智能制造為核心的工業(yè)4.0體系由德國于2013年提出［7-8］，為工業(yè)生產(chǎn)智能化的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。中國于2015年提出了《中國制造2025》［9-10］，倡導(dǎo)利用“互聯(lián)網(wǎng)+”即產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)向中高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國基礎(chǔ)制造業(yè)需要與IT、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，制造業(yè)的發(fā)展需要充分利用信息技術(shù)的成果。齒輪測量應(yīng)該實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的測量信息獲取、分析及處理一體化。在計(jì)量領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)處理格式、系統(tǒng)流程等進(jìn)行了相關(guān)研究和實(shí)踐。

德國工程師協(xié)會（簡稱VDI）面向德國齒輪行業(yè)于2014年發(fā)布了VDI 2610齒輪數(shù)據(jù)交互格式（Gear Data Exchange Format，GDE）［11-12］。石照耀、郭曉忠根據(jù)德國齒輪數(shù)據(jù)交互格式GDE［13］提出齒輪數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用前景，并提出齒輪標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互的整體解決方案，對提高齒輪行業(yè)協(xié)作效率具有重要意義。

2015年德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）推出了國際計(jì)量軟件認(rèn)證系統(tǒng)（TraCIM）用于實(shí)施計(jì)量軟件溯源［14］，該軟件通過在專用網(wǎng)絡(luò)平臺上實(shí)施“認(rèn)證用戶一服務(wù)器”間的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)認(rèn)證流程中索要標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)、提交結(jié)果和獲得認(rèn)證報(bào)告等功能。黃國健等從靜態(tài)用例建模、動態(tài)順序描述和系統(tǒng)部署3個(gè)層面構(gòu)建了一系列面向網(wǎng)絡(luò)化測控的通用型智能傳感器系統(tǒng)模型［15］。李聚波等采用XML和Web Service技術(shù)，統(tǒng)一規(guī)劃并開發(fā)了信息集成管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了弧齒錐齒輪網(wǎng)絡(luò)化制造過程的信息集成與管理［16］。

本文主要針對齒輪雙面嚙合測量中的數(shù)據(jù)，以云平臺為基礎(chǔ)、采用Javaweb技術(shù)開發(fā)齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括：考慮雙嚙數(shù)據(jù)——齒輪基本參數(shù)、精度等級、原始測量數(shù)據(jù)等，依據(jù)齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38192-2019給出雙嚙誤差評定方法；設(shè)計(jì)齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)，制定齒輪雙嚙數(shù)據(jù)云交互格式、云處理系統(tǒng)架構(gòu)，并給出騰訊云平臺部署流程和數(shù)據(jù)處理軟件流程；開展齒輪雙嚙云交互系統(tǒng)及誤差評定數(shù)據(jù)試驗(yàn)。

2 齒輪雙嚙測量

2.1 測量原理

雙嚙測量原理［5］如圖1所示：以產(chǎn)品齒輪回轉(zhuǎn)軸線為基準(zhǔn)，通過徑向拉力彈簧使產(chǎn)品齒輪與測量齒輪作無側(cè)隙的雙面嚙合轉(zhuǎn)動，嚙合中心距的連續(xù)變動通過測量滑架和測微裝置反映出來，其變動量即為徑向綜合偏差。將這種變動按被測齒輪回轉(zhuǎn)一周（360°）排列，記錄成徑向綜合偏差曲線。

圖1 雙嚙測量原理［4］Fig.1 Measurement principle of double-flank gear roll?ing test

2.2 雙嚙誤差定義及評定

齒輪雙面嚙合測量的誤差項(xiàng)目［5］主要包括徑向綜合總偏差F id、一齒徑向綜合偏差fid。

（1）徑向綜合總偏差（F id）在徑向綜合測量時(shí)，出現(xiàn)的中心距最大值和最小值之差。設(shè)雙嚙中心距的變化量為X i，則徑向綜合總偏差

其中：i=1…n，F(xiàn) id為徑向綜合總偏差，單位為μm；X i為雙嚙中心距的變化量，單位為μm；n為被測齒輪旋轉(zhuǎn)360度中心距采樣個(gè)數(shù)。

（2）一齒徑向綜合偏差（f idT）當(dāng)產(chǎn)品齒輪的左右齒面同時(shí)與測量齒輪接觸，在旋轉(zhuǎn)一周后，所有齒距中的徑向綜合偏差的最大值，且要將長周期成分的影響從波形中去除。將X i劃分為與被測齒輪齒數(shù)相同的z個(gè)區(qū)間，設(shè)X k為第k個(gè)齒距角內(nèi)的中心距變動量，則一齒徑向綜合偏差為：

其 中：X k=Max(X ki)?Min(X ki)，k=1…z，i=1，2…n/z；fid為一齒徑向綜合偏差，單位為μm；X k為第k個(gè)齒距角內(nèi)的中心距變動量，單位為μm；n為被測齒輪旋轉(zhuǎn)360度中心距采樣個(gè)數(shù)；z為被測齒輪齒數(shù)。

一齒徑向綜合偏差計(jì)算過程中，將以n z（z為齒數(shù)）的長度對中心距變動量進(jìn)行循環(huán)掃描，求得每個(gè)區(qū)間內(nèi)中心距變動量的最大值和最小值之差，再按公式（2）求得一齒徑向綜合偏差。

2.3 齒輪雙面嚙合測量儀

本文用于齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)中雙嚙誤差評定的中心距變動量由小模數(shù)齒輪雙面嚙合測量儀中光柵采集所得，其主機(jī)如圖2所示。該儀器是由北京工業(yè)大學(xué)石照耀教授團(tuán)隊(duì)自主研制的針對小模數(shù)齒輪現(xiàn)場快速測量的雙嚙儀，可測量模數(shù)從0.15 mm到1.5 mm的齒輪。

圖2 小模數(shù)齒輪雙面嚙合測量儀Fig.2 Double-flank gear rolling tester

3 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)

3.1 云處理系統(tǒng)

齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)主要由客戶端、儀器端和云端三部分組成，如圖3所示，儀器端、客戶端分別與云端發(fā)生數(shù)據(jù)交互。在儀器端，終端用戶登陸齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)，將齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)對接收的齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理。在客戶端，終端用戶登錄，并發(fā)出查看齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)的請求，云端服務(wù)器將接收后命令在MySQL數(shù)據(jù)庫查詢得到的結(jié)果再次返回到客戶端，終端用戶可查看結(jié)果或下載結(jié)果。

圖3 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)Fig.3 Data cloud processing system for double-flank gear rolling test

3.2 齒輪雙嚙云交互數(shù)據(jù)格式

根據(jù)德國GDE齒輪數(shù)據(jù)交互格式，一次完整的齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云交互及數(shù)據(jù)處理流程，需要固定的數(shù)據(jù)類型與格式，以及完整的數(shù)據(jù)。本文中齒輪雙嚙云交互數(shù)據(jù)主要有齒輪參數(shù)信息、測量及評定信息和輔助信息三部分。齒輪參數(shù)信息包括齒輪基本參數(shù)和齒輪徑向綜合公差；測量及評定信息包括測得的原始測量數(shù)據(jù)以及評定結(jié)果；輔助信息包括人員權(quán)限、齒輪編號和測量日期。本齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)中詳細(xì)的齒輪雙嚙數(shù)據(jù)云交互格式如圖4所示。

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［17-19］。XML可以定義數(shù)據(jù)類型、設(shè)定數(shù)據(jù)規(guī)則，具有網(wǎng)絡(luò)傳輸中的可擴(kuò)展性以及跨平臺性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互中。本文云處理系統(tǒng)采用XML格式傳輸齒輪雙面測量相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4中的中文術(shù)語后面的英文字符即為雙面嚙合測量數(shù)據(jù)的載體XML文件的關(guān)鍵字。

圖4 齒輪雙嚙數(shù)據(jù)云交互格式及其XML關(guān)鍵字Fig.4 Cloud interaction format and the XML keywords for double-flank gear test data

4 云處理系統(tǒng)部署及實(shí)現(xiàn)

齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，包括云平臺和齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，可實(shí)現(xiàn)了客戶端與云端、儀器端與云端的數(shù)據(jù)交互。云平臺采用“Linux+Tomcat+My SQL+Java”架構(gòu)搭建，使用JavaWeb技術(shù)實(shí)現(xiàn)。齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件分為訪問層、前端界面（網(wǎng)頁）、交互層（前后端數(shù)據(jù)交互）、后端邏輯處理、數(shù)據(jù)庫等幾個(gè)模塊。

圖5 云處理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Cloud processing system architecture

4.1 云平臺部署Web應(yīng)用

云平臺是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力。本文通過JavaWeb技術(shù)，將Web應(yīng)用部署在云平臺，實(shí)現(xiàn)齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數(shù)據(jù)交互、誤差評定等數(shù)據(jù)處理。騰訊云自帶云服務(wù)器、支持Java語言開發(fā)，發(fā)展較為成熟，符合本文的云處理系統(tǒng)部署要求。圖6所示為騰訊云平臺的部署流程，主要包括在選用Linux操作系統(tǒng)的騰訊云服務(wù)器上注冊域名、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、部署Javaweb項(xiàng)目等。

圖6 騰訊云平臺部署流程Fig.6 Tencent Cloud platform deployment process

4.2 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能，齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件包括用戶管理、數(shù)據(jù)管理和權(quán)限管理三個(gè)功能模塊，如圖7所示。各功能模塊的子功能包括：（1）用戶管理模塊，可實(shí)現(xiàn)用戶的登錄、注冊，以及用戶信息的增加、修改、刪除和查看；（2）數(shù)據(jù)管理模塊，可實(shí)現(xiàn)齒輪雙嚙原始測量數(shù)據(jù)的上傳與測量相關(guān)數(shù)據(jù)的下載、增加、修改、刪除、查看，以及齒輪雙嚙測量誤差評定；（3）權(quán)限管理模塊，可實(shí)現(xiàn)用戶信息和齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)的操作權(quán)限分配。

圖7 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件功能模塊Fig.7 Function module for double-flank gear rolling data processing software

齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)的終端用戶分為儀器端用戶與客戶端用戶，各用戶根據(jù)操作權(quán)限的不同又分為：管理員、科研人員和普通用戶。儀器端和客戶端的數(shù)據(jù)處理流程略有不同，儀器端數(shù)據(jù)處理流程見圖8、客戶端數(shù)據(jù)處理流程見圖9。

圖8 儀器端數(shù)據(jù)處理流程Fig.8 Instrument data processing flow

圖9 客戶端數(shù)據(jù)處理流程Fig.9 Client data processing flow

下面主要介紹齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)IP地址、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件前端訪問界面、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)庫、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定模塊。

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)IP地址

本系統(tǒng)將Web應(yīng)用部署在云平臺，儀器端與客戶端通過訪問網(wǎng)絡(luò)IP地址實(shí)現(xiàn)齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數(shù)據(jù)交互及誤差評定。根據(jù)軟件功能模塊，需要配置IP地址的各訪問頁面包括：數(shù)據(jù)處理平臺登錄頁面，用戶信息管理頁面，齒輪參數(shù)信息頁面，齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)管理頁面，以及齒輪誤差評定結(jié)果顯示頁面。各網(wǎng)絡(luò)IP的訪問地址及對應(yīng)頁面列在表1中。

表1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)IP地址說明Tab.1 System network IP address description

4.2.2 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件前端訪問界面

前端訪問界面采用“HTML+CSS+Vue”技術(shù)棧，Vue是一套JavaScript漸進(jìn)式框架，只關(guān)注視圖層，其核心采用操作數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)DOM元素在頁面的渲染。此外，數(shù)據(jù)處理平臺采用Element-UI繪制可視化曲線。齒輪參數(shù)信息管理頁面顯示了齒輪基本參數(shù)及徑向綜合公差信息；齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)管理頁面顯示了包括齒輪偏差計(jì)算、誤差評定和等級判定結(jié)果等齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)；齒輪誤差評定結(jié)果顯示頁面給出了徑向綜合偏差曲線等。

4.2.3 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要包括以下兩類：用戶管理關(guān)系數(shù)據(jù)和齒輪雙嚙數(shù)據(jù)管理關(guān)系數(shù)據(jù)。用戶管理關(guān)系數(shù)據(jù)存儲記錄了用戶信息、用戶登陸失敗次數(shù)、用戶重置密碼這三個(gè)數(shù)據(jù)表；齒輪雙嚙數(shù)據(jù)管理關(guān)系數(shù)據(jù)存儲記錄了齒輪參數(shù)信息、齒輪原始測量數(shù)據(jù)、齒輪提交信息這三個(gè)數(shù)據(jù)表。圖10所示為用戶管理關(guān)系數(shù)據(jù)E-R圖。圖11所示為齒輪雙嚙數(shù)據(jù)管理關(guān)系的數(shù)據(jù)E-R圖，其中g(shù)ear_info（齒輪信息數(shù)據(jù)表）、gear_raw_data（齒輪原始測量數(shù)據(jù)表）和gear_attachment（齒輪提交信息數(shù)據(jù)表）分別都是一對多的關(guān)系。

圖10 用戶管理關(guān)系數(shù)據(jù)E-R表Fig.10 Data table E-R diagram for User managed rela?tionship

圖11 齒輪雙嚙數(shù)據(jù)管理關(guān)系數(shù)據(jù)E-R表Fig.11 Data table E-R diagram for Managed relationship for double-flank gear rolling data

4.2.4 齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定流程

齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定模塊根據(jù)注射成型塑料圓柱齒輪精度制標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38192-2019對儀器端上傳的齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差評定。

齒輪雙嚙測量誤差評定按以下步驟進(jìn)行：根據(jù)被測齒輪設(shè)計(jì)需求確定齒輪精度等級；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38192-2019及齒輪雙嚙原始測量參數(shù)計(jì)算被測齒輪徑向綜合總偏差；計(jì)算一齒徑向綜合偏差；根據(jù)被測齒輪模數(shù)及分度圓直徑分別得到徑向綜合總偏差和一齒徑向綜合偏差對應(yīng)的精度等級，取兩項(xiàng)中的較大公差等級作為被測齒輪精度等級；比較被測齒輪設(shè)定齒輪精度等級和計(jì)算所得精度等級，判斷被測齒輪是否合格。

5 數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)試驗(yàn)

5.1 云處理系統(tǒng)界面

云處理系統(tǒng)界面包括用戶登錄界面、軟件用戶管理界面及數(shù)據(jù)管理界面。用戶登錄界面中，通過輸入賬號、密碼進(jìn)行“登錄”，或者進(jìn)行“忘記密碼”操作。軟件用戶管理界面（見圖12）中，可作“查詢”、“新增”操作，可對登錄賬號、姓名、用戶、聯(lián)系電話、數(shù)據(jù)狀態(tài)、登錄次數(shù)、創(chuàng)建時(shí)間、操作等進(jìn)行列表顯示。測量數(shù)據(jù)管理界面（見圖13）中，顯示測量相關(guān)參數(shù)和測量數(shù)據(jù)曲線。

圖12 軟件用戶管理界面Fig.12 Software user management interface

圖13 測量數(shù)據(jù)管理界面Fig.13 Measurement parameters management interface

5.2 齒輪雙嚙誤差評定結(jié)果

將儀器端上傳的齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)通過齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定軟件進(jìn)行評定，可得到齒輪雙嚙測量結(jié)果，即徑向綜合總偏差和一齒徑向綜合偏差。齒輪雙嚙誤差評定試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括被測齒輪基本參數(shù)及齒輪雙嚙測量原始數(shù)據(jù)。被測齒輪為漸開線圓柱直齒輪，其參數(shù)如表2所示。

表2 被測齒輪參數(shù)Tab.2 Measured gear parameter

齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)為圖2中的齒輪雙嚙測量儀的測量試驗(yàn)中，通過高精度光柵傳感器獲取的雙嚙轉(zhuǎn)動一周中被測齒輪的n個(gè)中心距變動量，其單位為μm。雙嚙轉(zhuǎn)動一周測得中心距變動量共1 800個(gè)。表3所示為部分測量數(shù)據(jù)。

表3 部分中心距變動量T ab.3 Partial center distance variation （μm）

在數(shù)據(jù)處理軟件中計(jì)算被測齒輪徑向綜合總偏差及一齒徑向綜合偏差，并基于每組中心距變動量繪制徑向綜合偏差曲線。如圖14所示為測量數(shù)據(jù)的評定結(jié)果及繪制的徑向綜合偏差曲線，得到的徑向綜合總偏差是32.7μm，一齒徑向綜合偏差是9.5μm。

圖14 齒輪雙嚙綜合偏差評定結(jié)果Fig.14 Evaluation results of gear radial composite deviations

6 結(jié) 論

針對齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數(shù)據(jù)處理問題，給出了齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、齒輪雙嚙云交互數(shù)據(jù)格式、雙嚙誤差評定方法。齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)包括云平臺和齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，可實(shí)現(xiàn)了客戶端與云端、儀器端與云端的數(shù)據(jù)交互。云平臺采用“Linux+Tomcat+My SQL+Java”架構(gòu)搭建，用JavaWeb技術(shù)實(shí)現(xiàn)。齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件分為訪問層、前端界面（網(wǎng)頁）、交互層（前后端數(shù)據(jù)交互）、后端邏輯處理、數(shù)據(jù)庫等幾個(gè)模塊。

本文給出了在云平臺部署Web應(yīng)用的方法，介紹了齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)IP地址、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)處理軟件前端訪問界面、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)庫、齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定模塊。最后設(shè)計(jì)了云處理系統(tǒng)界面，并開展了齒輪雙嚙測量誤差評定試驗(yàn)，將儀器端上傳的齒輪雙嚙測量相關(guān)數(shù)據(jù)通過齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)誤差評定軟件進(jìn)行評定，可得到齒輪雙嚙測量結(jié)果，示例被測齒輪的徑向綜合總偏差為32.7μm和一齒徑向綜合偏差為9.5μm，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38192-2019評定為8級精度。齒輪雙嚙測量數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)部署及實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)研究，對精密儀器測量數(shù)據(jù)云處理具有一定的參考價(jià)值。