基于Javaweb的齒輪雙嚙測量數據云處理系統部署及實現

湯 潔，張溶洲，石照耀

（北京工業大學材料與制造學部北京市精密測控技術與儀器工程技術研究中心，北京100124）

1 引 言

齒輪質量是影響機械裝備整機性能的關鍵因素之一，隨著整機質量的提升，對齒輪在線快速測量的要求越來越高［1］。生產現場對產品齒輪的快速測量，大多采用齒輪雙面嚙合測量原理。齒輪雙面嚙合測量［2-3］具有儀器結構簡單、操作維護方便、測量效率高等優點，成為了現代齒輪生產中的主要測試方法之一。國際標準和國家標準中［4-6］針對齒輪雙嚙測量的誤差項目給出了定義和評定方法。

以智能制造為核心的工業4.0體系由德國于2013年提出［7-8］，為工業生產智能化的實現奠定基礎。中國于2015年提出了《中國制造2025》［9-10］，倡導利用“互聯網+”即產業互聯網，促進基礎產業向中高端產業發展。我國基礎制造業需要與IT、互聯網技術緊密結合，制造業的發展需要充分利用信息技術的成果。齒輪測量應該實現基于互聯網的測量信息獲取、分析及處理一體化。在計量領域，國內外學者對互聯互通的數據處理格式、系統流程等進行了相關研究和實踐。

德國工程師協會（簡稱VDI）面向德國齒輪行業于2014年發布了VDI 2610齒輪數據交互格式（Gear Data Exchange Format，GDE）［11-12］。石照耀、郭曉忠根據德國齒輪數據交互格式GDE［13］提出齒輪數據接口標準及應用前景，并提出齒輪標準化數據交互的整體解決方案，對提高齒輪行業協作效率具有重要意義。

2015年德國聯邦物理技術研究院（PTB）推出了國際計量軟件認證系統（TraCIM）用于實施計量軟件溯源［14］，該軟件通過在專用網絡平臺上實施“認證用戶一服務器”間的應用來實現認證流程中索要標準輸入數據、提交結果和獲得認證報告等功能。黃國健等從靜態用例建模、動態順序描述和系統部署3個層面構建了一系列面向網絡化測控的通用型智能傳感器系統模型［15］。李聚波等采用XML和Web Service技術，統一規劃并開發了信息集成管理系統，實現了弧齒錐齒輪網絡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據，以云平臺為基礎、采用Javaweb技術開發齒輪雙嚙測量數據云處理系統，主要內容包括：考慮雙嚙數據——齒輪基本參數、精度等級、原始測量數據等，依據齒輪精度標準GB/T 38192-2019給出雙嚙誤差評定方法；設計齒輪雙嚙測量數據云處理系統，制定齒輪雙嚙數據云交互格式、云處理系統架構，并給出騰訊云平臺部署流程和數據處理軟件流程；開展齒輪雙嚙云交互系統及誤差評定數據試驗。

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：以產品齒輪回轉軸線為基準，通過徑向拉力彈簧使產品齒輪與測量齒輪作無側隙的雙面嚙合轉動，嚙合中心距的連續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，出現的中心距最大值和最小值之差。設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 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360度中心距采樣個數。

（2）一齒徑向綜合偏差（f idT）當產品齒輪的左右齒面同時與測量齒輪接觸，在旋轉一周后，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相同的z個區間，設X k為第k個齒距角內的中心距變動量，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個齒距角內的中心距變動量，單位為μm；n為被測齒輪旋轉360度中心距采樣個數；z為被測齒輪齒數。

一齒徑向綜合偏差計算過程中，將以n z（z為齒數）的長度對中心距變動量進行循環掃描，求得每個區間內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據云處理系統中雙嚙誤差評定的中心距變動量由小模數齒輪雙面嚙合測量儀中光柵采集所得，其主機如圖2所示。該儀器是由北京工業大學石照耀教授團隊自主研制的針對小模數齒輪現場快速測量的雙嚙儀，可測量模數從0.15 mm到1.5 mm的齒輪。

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

3 齒輪雙嚙測量數據云處理系統

3.1 云處理系統

齒輪雙嚙測量數據云處理系統主要由客戶端、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生數據交互。在儀器端，終端用戶登陸齒輪雙嚙測量數據云處理系統，將齒輪雙嚙測量相關數據通過網絡遠程傳輸到云端服務器。齒輪雙嚙測量數據云處理系統對接收的齒輪雙嚙測量相關數據進行存儲和數據處理。在客戶端，終端用戶登錄，并發出查看齒輪雙嚙測量相關數據的請求，云端服務器將接收后命令在MySQL數據庫查詢得到的結果再次返回到客戶端，終端用戶可查看結果或下載結果。

圖3 齒輪雙嚙測量數據云處理系統Fig.3 Data cloud processing system for double-flank gear rolling test

3.2 齒輪雙嚙云交互數據格式

根據德國GDE齒輪數據交互格式，一次完整的齒輪雙嚙測量數據云交互及數據處理流程，需要固定的數據類型與格式，以及完整的數據。本文中齒輪雙嚙云交互數據主要有齒輪參數信息、測量及評定信息和輔助信息三部分。齒輪參數信息包括齒輪基本參數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據以及評定結果；輔助信息包括人員權限、齒輪編號和測量日期。本齒輪雙嚙測量數據云處理系統中詳細的齒輪雙嚙數據云交互格式如圖4所示。

XML可擴展標記語言是標準通用標記語言的子集，是一種用于標記電子文件使其具有結構型的標記語言［17-19］。XML可以定義數據類型、設定數據規則，具有網絡傳輸中的可擴展性以及跨平臺性等優點，廣泛使用在網絡數據交互中。本文云處理系統采用XML格式傳輸齒輪雙面測量相關數據。圖4中的中文術語后面的英文字符即為雙面嚙合測量數據的載體XML文件的關鍵字。

圖4 齒輪雙嚙數據云交互格式及其XML關鍵字Fig.4 Cloud interaction format and the XML keywords for double-flank gear test data

4 云處理系統部署及實現

齒輪雙嚙測量數據云處理系統架構如圖5所示，包括云平臺和齒輪雙嚙測量數據處理軟件兩部分，可實現了客戶端與云端、儀器端與云端的數據交互。云平臺采用“Linux+Tomcat+My SQL+Java”架構搭建，使用JavaWeb技術實現。齒輪雙嚙測量數據處理軟件分為訪問層、前端界面（網頁）、交互層（前后端數據交互）、后端邏輯處理、數據庫等幾個模塊。

圖5 云處理系統架構Fig.5 Cloud processing system architecture

4.1 云平臺部署Web應用

云平臺是指基于硬件資源和軟件資源的服務，提供計算、網絡和存儲能力。本文通過JavaWeb技術，將Web應用部署在云平臺，實現齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數據交互、誤差評定等數據處理。騰訊云自帶云服務器、支持Java語言開發，發展較為成熟，符合本文的云處理系統部署要求。圖6所示為騰訊云平臺的部署流程，主要包括在選用Linux操作系統的騰訊云服務器上注冊域名、實現遠程控制、部署Javaweb項目等。

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

4.2 齒輪雙嚙測量數據處理軟件設計

根據系統需實現的功能，齒輪雙嚙測量數據處理軟件包括用戶管理、數據管理和權限管理三個功能模塊，如圖7所示。各功能模塊的子功能包括：（1）用戶管理模塊，可實現用戶的登錄、注冊，以及用戶信息的增加、修改、刪除和查看；（2）數據管理模塊，可實現齒輪雙嚙原始測量數據的上傳與測量相關數據的下載、增加、修改、刪除、查看，以及齒輪雙嚙測量誤差評定；（3）權限管理模塊，可實現用戶信息和齒輪雙嚙測量相關數據的操作權限分配。

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

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

圖8 儀器端數據處理流程Fig.8 Instrument data processing flow

圖9 客戶端數據處理流程Fig.9 Client data processing flow

下面主要介紹齒輪雙嚙測量數據處理軟件設計中的幾個要點：網絡IP地址、齒輪雙嚙測量數據處理軟件前端訪問界面、齒輪雙嚙測量數據庫、齒輪雙嚙測量數據誤差評定模塊。

4.2.1 網絡IP地址

本系統將Web應用部署在云平臺，儀器端與客戶端通過訪問網絡IP地址實現齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數據交互及誤差評定。根據軟件功能模塊，需要配置IP地址的各訪問頁面包括：數據處理平臺登錄頁面，用戶信息管理頁面，齒輪參數信息頁面，齒輪雙嚙測量相關數據管理頁面，以及齒輪誤差評定結果顯示頁面。各網絡IP的訪問地址及對應頁面列在表1中。

表1 系統網絡IP地址說明Tab.1 System network IP address description

4.2.2 齒輪雙嚙測量數據處理軟件前端訪問界面

前端訪問界面采用“HTML+CSS+Vue”技術棧，Vue是一套JavaScript漸進式框架，只關注視圖層，其核心采用操作數據實現DOM元素在頁面的渲染。此外，數據處理平臺采用Element-UI繪制可視化曲線。齒輪參數信息管理頁面顯示了齒輪基本參數及徑向綜合公差信息；齒輪雙嚙測量相關數據管理頁面顯示了包括齒輪偏差計算、誤差評定和等級判定結果等齒輪雙嚙測量相關數據；齒輪誤差評定結果顯示頁面給出了徑向綜合偏差曲線等。

4.2.3 齒輪雙嚙測量數據庫

本系統采用MySQL關系型數據庫來存儲數據，數據主要包括以下兩類：用戶管理關系數據和齒輪雙嚙數據管理關系數據。用戶管理關系數據存儲記錄了用戶信息、用戶登陸失敗次數、用戶重置密碼這三個數據表；齒輪雙嚙數據管理關系數據存儲記錄了齒輪參數信息、齒輪原始測量數據、齒輪提交信息這三個數據表。圖10所示為用戶管理關系數據E-R圖。圖11所示為齒輪雙嚙數據管理關系的數據E-R圖，其中gear_info（齒輪信息數據表）、gear_raw_data（齒輪原始測量數據表）和gear_attachment（齒輪提交信息數據表）分別都是一對多的關系。

圖10 用戶管理關系數據E-R表Fig.10 Data table E-R diagram for User managed rela?tionship

圖11 齒輪雙嚙數據管理關系數據E-R表Fig.11 Data table E-R diagram for Managed relationship for double-flank gear rolling data

4.2.4 齒輪雙嚙測量數據誤差評定流程

齒輪雙嚙測量數據誤差評定模塊根據注射成型塑料圓柱齒輪精度制標準GB/T 38192-2019對儀器端上傳的齒輪雙嚙測量數據進行誤差評定。

齒輪雙嚙測量誤差評定按以下步驟進行：根據被測齒輪設計需求確定齒輪精度等級；根據標準GB/T 38192-2019及齒輪雙嚙原始測量參數計算被測齒輪徑向綜合總偏差；計算一齒徑向綜合偏差；根據被測齒輪模數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的精度等級，取兩項中的較大公差等級作為被測齒輪精度等級；比較被測齒輪設定齒輪精度等級和計算所得精度等級，判斷被測齒輪是否合格。

5 數據云處理系統試驗

5.1 云處理系統界面

云處理系統界面包括用戶登錄界面、軟件用戶管理界面及數據管理界面。用戶登錄界面中，通過輸入賬號、密碼進行“登錄”，或者進行“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、聯系電話、數據狀態、登錄次數、創建時間、操作等進行列表顯示。測量數據管理界面（見圖13）中，顯示測量相關參數和測量數據曲線。

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

圖13 測量數據管理界面Fig.13 Measurement parameters management interface

5.2 齒輪雙嚙誤差評定結果

將儀器端上傳的齒輪雙嚙測量相關數據通過齒輪雙嚙測量數據誤差評定軟件進行評定，可得到齒輪雙嚙測量結果，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數據包括被測齒輪基本參數及齒輪雙嚙測量原始數據。被測齒輪為漸開線圓柱直齒輪，其參數如表2所示。

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

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

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

在數據處理軟件中計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所示為測量數據的評定結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果Fig.14 Evaluation results of gear radial composite deviations

6 結 論

針對齒輪雙面嚙合測量在云平臺的數據處理問題，給出了齒輪雙嚙測量數據云處理系統的系統架構、齒輪雙嚙云交互數據格式、雙嚙誤差評定方法。齒輪雙嚙測量數據云處理系統包括云平臺和齒輪雙嚙測量數據處理軟件兩部分，可實現了客戶端與云端、儀器端與云端的數據交互。云平臺采用“Linux+Tomcat+My SQL+Java”架構搭建，用JavaWeb技術實現。齒輪雙嚙測量數據處理軟件分為訪問層、前端界面（網頁）、交互層（前后端數據交互）、后端邏輯處理、數據庫等幾個模塊。

本文給出了在云平臺部署Web應用的方法，介紹了齒輪雙嚙測量數據處理軟件設計中的幾個要點：網絡IP地址、齒輪雙嚙測量數據處理軟件前端訪問界面、齒輪雙嚙測量數據庫、齒輪雙嚙測量數據誤差評定模塊。最后設計了云處理系統界面，并開展了齒輪雙嚙測量誤差評定試驗，將儀器端上傳的齒輪雙嚙測量相關數據通過齒輪雙嚙測量數據誤差評定軟件進行評定，可得到齒輪雙嚙測量結果，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，按標準GB/T 38192-2019評定為8級精度。齒輪雙嚙測量數據云處理系統部署及實現相關技術研究，對精密儀器測量數據云處理具有一定的參考價值。