滾動軸承資源庫系統設計與開發

鄧哲

摘要：基于關系模型和關系數據庫技術，設計并構建可共享、可擴展的的滾動軸承資源庫系統。在需求分析的基礎上，對滾動軸承資源庫進行概念設計、邏輯設計及物理設計，利用MySQL數據庫管理系統分別開發滾動軸承資源庫的基本信息數據庫、標準數據庫和非標數據庫。研究基于JDBC的數據庫訪問技術，開發滾動軸承資源庫的查詢和調用模塊。以圓柱滾子軸承的外形尺寸參數設計計算作為應用背景，實現在matlab開發環境中對滾動軸承資源庫的調用，縮短了機械產品設計的周期。

Abstract： Based on the relational model and relational database technology， a shared and extensible rolling bearing resource database system is designed and constructed. Based on requirement analysis， the concept design， logic design and physical design of rolling bearing resource database are carried out. The basic information database， standard database and non-standard database of rolling bearing resource database are developed by MySQL database management system. The database access technology based on JDBC is studied， and the query and call module of rolling bearing resource database is developed. Taking the design and calculation of cylindrical roller bearing's shape and dimension parameters as the application background， the rolling bearing resource database is transferred in the MatLab development environment， which shortens the design cycle of mechanical products.

關鍵詞：滾動軸承;資源庫;關系模型;查詢技術;調用技術

Key words： rolling bearing;resource database;relational model;query technology;call technology

0 ?引言

滾動軸承是機械設備中最基礎的零部件之一。滾動軸承的設計主要包括選型設計、尺寸設計、強度及壽命校核、優化設計等工作，需要使用到大量的公式和圖表，傳統的軸承設計方法由設計人員根據經驗反復查閱資料，增加了設計人員的工作量，容易出錯且設計效率低下。計算機輔助設計技術將設計人員的經驗轉換為計算機可執行程序，降低了設計人員的工作量，提高了設計效率。但是對于程序開發者仍然需要大量的數據輸入工作，且不同的開發者之間難以實現資源的共享，標準及非標資源未被有效利用。因此有必要構建可共享、可擴展的滾動軸承資源庫，以推動滾動軸承的智能化設計。

現有的一些軸承數據庫針對特定的設計任務存儲所需的數據，張闐等[1]利用Access數據庫管理系統開發了四列圓柱滾子軸承數據庫，陳波等[2]設計了一套應用于設備故障診斷的滾動軸承數據庫系統。一些軸承資源庫存儲了來自于不同廠家的軸承參數，閆大偉等[3]開發了基于三維的標準件管理系統，對企業標準件、行業標準件等進行管理。馬嵩華等[4]建立了基于Web的跨平臺開放式零件庫系統。這些軸承資源庫為機械設計的自動化、智能化設計提供了新思路，提高了設計效率，但對于不斷變化的設計任務和應用場景難以實現自由擴展，并且只能存儲現有的滾動軸承產品的數據，無法針對具體的設計任務進行新的設計。

本文針對以上問題，利用關系型數據庫技術[5-6]研究滾動軸承資源庫的系統構建、數據存儲、查詢與調用技術，并以圓柱滾子軸承為例，實現基于資源庫的滾動軸承智能設計。本文設計的滾動軸承資源庫可以在現有框架的基礎上擴展至其他標準件及非標準件的設計。通過應用該資源庫，可以管理國內外及行業多種標準，幫助用戶更加方便快捷地進行機械產品的設計，縮短設計周期。

1 ?滾動軸承資源庫的構建

1.1 滾動軸承資源庫需求分析

滾動軸承的設計任務主要包括：軸承負載計算、軸承選型、軸承尺寸設計計算、軸承校核計算、軸承優化設計。本文建立的滾動軸承資源庫主要存儲軸承設計中涉及到的全部標準及非標數據。

1.1.1 信息要求

資源庫中存儲的信息包括軸承、標準、非標、軸承與標準之間關聯、軸承與非標之間關聯的基本信息，以及標準和非標的具體的參數數據。

1.1.2 處理要求

資源庫的處理包括數據的導入、數據的增刪改查等操作、數據的調用、資源庫的備份與恢復、以及用戶管理等。具體處理要求如下：

①導入：被授權的用戶可以通過數據庫管理系統將標準轉換為標準格式后一鍵導入到資源庫中，以擴展資源庫的信息。

②添加、刪除、修改：標準及非標的參數數據通常不需要頻繁更新，由開發者或數據庫管理員一次性導入后僅允許查詢操作。基本信息隨著設計任務的變化而不斷更新，因此需要頻繁的添加、刪除、修改操作。

③查詢：用戶通過軸承名稱、軸承類型代號、標準號、標準名稱、表號、表名、標準類型等信息查詢數據。

④調用：開發者可以在MATLAB程序中編寫代碼直接調用資源庫中的數據。

⑤資源庫備份與恢復：定時備份資源庫中的文件，以防止發生意外停機或數據丟失造成資源庫的損失，保障資源庫的安全。當資源庫發生故障時，可以利用備份好的數據實現資源庫恢復。

⑥用戶管理：用戶分為系統管理員、數據庫管理員、開發者和普通用戶，系統設置一個高級管理員，高級管理員能夠執行資源庫的全部操作，并可以添加用戶、刪除用戶、并對其他用戶進行授權，對于不同的用戶可以授予不同級別的權限。用戶經高級管理員授權后，登錄后擁有操作資源庫的權限。不同用戶的權限如表1所示。

1.1.3 安全性與完整性要求

使用或操作資源庫需要輸入有效的用戶名和密碼，資源庫系統針對不同用戶的不同權限進行身份識別，避免用戶對資源庫的誤操作，以保障資源庫的數據安全。

1.2 滾動軸承資源庫系統設計

基于數字化設計平臺的資源庫的建立過程需要應用傳統的數據庫技術。本文采用B/S（瀏覽器/服務器）結構的關系模型構建資源庫系統。

1.2.1 概念設計

根據滾動軸承資源庫的信息要求，構建滾動軸承資源庫的概念模型，利用E-R圖（實體-聯系圖）描述軸承、標準、非標等實體類型及其屬性、以及實體之間的聯系，其中，用矩形框表示實體，用橢圓圖框表示實體的屬性，用菱形框表示實體之間的聯系，實體和聯系之間用實線連接，并標注約束類型。滾動軸承資源庫的E-R模型如圖1所示。

1.2.2 邏輯設計

根據圖1所示的滾動軸承資源庫E-R圖，設計滾動軸承資源庫的關系模型，其中，基本信息表滿足3NF，參數數據表滿足1NF。資源庫的關系模型：

①軸承基本信息表：類、子類、軸承名稱、軸承類型代號（主鍵）、引用的標準代號、描述;

②標準基本信息表：標準號（主鍵）、表號（主鍵）、表名、標準類型、描述;

③標準名稱基本信息表：標準號（主鍵）、標準名稱、描述;

④軸承-標準基本信息表：軸承類型代號（外鍵）、標準號（外鍵）、表號（外鍵）;

⑤非標基本信息表：表號（主鍵）、表名、類型、描述;

⑥軸承-非標基本信息表：軸承類型代號（主鍵）、表號（主鍵）;

⑦標準參數數據表：標準中具體的參數數據表，按標準號分布存儲于多個獨立的數據庫中，數據庫中的各字段名為標準表格中的各參數名;

⑧非標參數數據表：非標中具體的參數數據表，按軸承類型代號分布存儲于多個獨立的數據庫中，數據庫中的各字段名為非標表格中的各參數名。

滾動軸承的類型按照國家標準進行分類。滾動軸承間的邏輯關系為多層樹狀結構，因此本資源庫系統采用簡化后的三層樹狀結構，滾動軸承的層次分類（部分）如圖2所示。

1.2.3 物理設計

資源庫的物理結構設計指的是數據文件在數據庫服務器中的組織形式和存儲方式。本文構建的資源庫包含軸承設計中具體使用到的參數數據表和存儲軸承、標準、非標的基本信息表。基本信息表的字段間存在緊密的聯系，且基本信息需經常性更新操作，因此集中存儲于同一個數據庫中;由于參數數據表的數量巨大，字段之間不存在緊密關聯，數據經一次性導入后無需進行添加、刪除、修改操作，且一次計算通常只使用其中一部分數據，因此將參數數據表按照標準、軸承類型等分布存放于多個數據庫中，同時在基本信息數據庫中存儲參數數據庫的索引信息。

基本信息數據庫以標準基本信息表為例，數據表的結構如表2所示。參數數據庫以圓柱滾子軸承外形尺寸標準數據表為例，參數數據表的結構如表3所示。

1.3 滾動軸承資源庫的實現

根據以上對滾動軸承資源庫的需求分析、概念設計、邏輯設計和物理設計的結果，利用MySQL將基本信息數據和參數數據導入到數據庫中，構建滾動軸承資源庫。

1.3.1 參數數據表的導入

資源庫中的數據主要來源于標準及非標，通常為PDF文檔格式，本文利用圖片文字識別軟件將PDF文檔中的數據表格識別并轉換為EXCEL文檔，再利用數據庫管理工具將EXCEL文檔中的數據導入到MySQL數據庫管理系統中，并導出為sql數據庫文件。具體資源庫的數據導入導出流程如圖3所示。

標準和非標數據參數表格在通常情況下不會有改動，因此在一次性導入后，不再執行查詢以外的其他操作。基本信息表中的記錄隨著后期標準和非標數據表格的錄入而不斷更新，當資源庫導入新的參數數據表時，同步更新基本信息表中的基本信息及索引信息。

1.3.2 資源庫實現

根據以上資源庫系統的設計結果，采用結構化查詢語言SQL。數據庫（表）名使用小寫英文字母和下劃線組成，備份數據庫（表）名使用正式庫（表）名加上備份時間組成。字段名使用英文字母（大小寫不敏感）和下劃線組成，關聯字段使用統一名稱。字段類型包括整型、浮點型、字符型、時間戳等，根據存儲數據盡量使用少的存儲空間來存儲一個字段的數據。

2 ?滾動軸承資源庫查詢與調用技術

資源庫管理包括：用戶管理、資源庫備份與恢復、數據導入、資源庫操作（增、刪、改）、資源庫的使用（查詢、調用）。其中面向開發者的資源庫查詢技術是滾動軸承資源庫系統中的關鍵技術，包括軸承基本信息和參數數據表格的查詢、在軸承設計程序中實現對參數數據表格的調用。資源庫的使用流程如圖4所示。

2.1 滾動軸承資源庫查詢

滾動軸承資源庫的查詢分為基本信息查詢和參數數據表查詢。

為實現不同開發者之間的資源共享，需要在基本信息數據庫中登記各參數數據表的基本信息。為使開發者能夠在不斷擴展的海量數字資源中迅速找到設計所需的參數數據表，開發滾動軸承資源庫的檢索模塊，支持對滾動軸承資源庫的基本信息數據庫的精確檢索、條件檢索和模糊檢索。精確檢索指的是輸入精確檢索條件，返回檢索結果，需保證檢索條件的準確性。條件檢索指的是輸入部分檢索條件，返回多條候檢索結果，若檢索條件輸入有誤可能會造成檢索結果為空。模糊檢索指的是輸入模糊檢索條件，檢索條件可全部或部分匹配，返回多條檢索結果，由用戶手動選擇。

參數數據表是軸承設計中使用到的具體數據表，由用戶通過數據庫名、表名、查詢字段、條件進行查詢。其中查詢字段可以是指定的一個或多個字段，也可以是全部字段，查詢條件包含比較運算、邏輯運算、模糊查詢、范圍查詢、空判斷等，適用于多種不同表格結構和數據類型的查詢。

2.2 滾動軸承資源庫調用

滾動軸承資源庫的調用需要在Matlab開發環境中實現對MySQL數據庫的訪問及數據讀取。JDBC是Java與數據庫的接口規范[7]，與Matlab的兼容性好，可實現跨平臺的數據庫快速訪問。因此本文通過JDBC實現Matlab程序與滾動軸承資源庫之間的交互功能。

實現滾動軸承資源庫調用的步驟如下：

①在Matlab開發環境中加載JDBC驅動;

②連接并訪問MySQL數據庫，連接代碼：conn = database（dbname，username，password，'com.mysql.jdbc.Driver'，['jdbc：mysql：//localhost：3306/'，dbname]）;

③資源庫的調用，采用SQL語句，調用程序代碼模板：SELECT select_list FROM tablename WHERE conditions，其中select_list表示查詢指定的列，可查詢所有字段或查詢指定字段，tablename表示查詢行所在的表，conditions表示指定返回行的查詢條件，包括比較運算、邏輯運算、模糊查詢、范圍查詢、空判斷等。

3 ?滾動軸承資源庫的應用

滾動軸承資源庫為滾動軸承的設計提供設計所需的數字資源，以基于matlab開發環境的圓柱滾子軸承的設計為例，圓柱滾子軸承設計內容包括基本參數設計、滾子尺寸參數設計、保持架尺寸參數設計、內外圈尺寸參數設計，輸入參數為軸承型號、工況載荷，輸出參數為軸承滾子、保持架、內外圈的尺寸參數。

在圓柱滾子軸承設計主程序中，根據輸入的軸承型號，在標準數據庫中的圓柱滾子軸承外形尺寸參數數據表中查詢并調用圓柱滾子軸承的基本尺寸參數。在滾子設計子程序、保持架設計子程序、內外圈設計子程序中，根據已知參數計算得到軸承的詳細尺寸參數，在各程序執行過程中，根據已知參數數據分別調用非標數據庫中的滾子端及圓窩深度表等參數數據表，獲取相應的設計參數數據。各程序通過資源庫調用程序實現對資源庫中數據的調用。

圓柱滾子軸承設計的流程、設計中使用資源庫中的參數數據表及輸出參數如圖5所示。

設計軸承型號為NU217E圓柱滾子軸承。調用的參數數據通過執行資源庫調用程序在資源庫中獲取，可調參數由用戶自定義，其中，取值各系數的值，取KP=0.01，KD=0.26，KL=1.1，KS=0.11，取最小裝配倒角rsmin=0.3，內圈裝配倒角r1=0.3，外圈裝配倒角r2=0.3。程序運行結果的部分輸出參數如表4所示。

4 ?結論

在圓柱滾子軸承外形尺寸設計程序的開發過程中，將需要手動查詢或手動輸入標準及非標參數數據的部分以調用資源庫的方式替代，程序開發人員僅需要利用開發好的調用程序，輸入調用資源庫的SQL語句，即可實現在matlab開發環境中對資源庫中的參數數據進行調用，大大縮短了程序的開發周期。

本文設計的滾動軸承資源庫系統，實現了開發者之間的資源共享，資源庫中的數字資源可以由不同的開發者和數據庫管理員不斷進行擴展，并可擴展用于其他標準件及非標準件的設計。本文構建的滾動軸承資源庫，存儲了軸承設計中使用到的標準及非標通用參數數據，同時提供面向開發者的滾動軸承資源庫查詢和調用技術，解決了軸承設計程序的開發者需反復輸入通用設計數據的問題，提高了軸承設計計算程序的開發效率，為滾動軸承的設計提供了新思路，推動滾動軸承的自動化和智能化設計。

參考文獻：

[1]張闐，李雪飛.基于Access的四列圓柱滾子軸承數據庫的開發與應用[J].軸承，2017（3）：60-63.

[2]陳波，馬孝江.滾動軸承故障診斷數據庫系統的設計與應用[J].組合機床與自動化加工技術，2002（11）：37-39.

[3]閆大偉，潘康華，陳杰，等.基于三維的標準件庫管理方法研究[J].機電產品開發與創新，2019，32（4）：10-11.

[4]馬嵩華，田凌.領域本體組織的自助式零件庫[J].計算機集成制造系統，2014，20（2）：250-258.

[5]陳國紅.數據庫技術及其發展趨勢[J].紡織高校基礎科學學報，2001，14（3）：244-248.

[6]CODD E F. A RELATIONAL MODEL OF DATA FOR LARGE SHARED DATA BANKS [J]. Communications of the Acm， 1970， 13（6）： 377-387.

[7]郭廣軍，陳代武，胡玉平，等.基于JDBC的數據庫訪問技術的研究[J].南華大學學報（自然科學版），2005，19（2）：50-54，57.