辛國軍

(內(nèi)蒙古包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

0 引言

在拖拉機(jī)齒輪的設(shè)計過程中，齒輪輪廓線的生成需要大量的計算過程，輪廓線的繪制也需要通過關(guān)系模型來控制，而不同的齒輪有不同的繪制方法，這就加大了齒輪的設(shè)計難度。如果采用參數(shù)設(shè)計方法，這些參數(shù)包括齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角等，通過創(chuàng)建對話框輸入?yún)?shù)的方法直接生產(chǎn)齒輪則可以大大地提高齒輪的設(shè)計效率。為了提高設(shè)計效率，拖拉機(jī)設(shè)計制造的企業(yè)之間可以通過數(shù)據(jù)共享的方式分享參數(shù)化設(shè)計成果，這就需要一個大型的企業(yè)間數(shù)據(jù)庫，而SaaS協(xié)同平臺便是一個很好的解決方案。SaaS產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同平臺可以方便地通過Internet進(jìn)行部署，不同的企業(yè)通過登錄客戶端便可以對參數(shù)化設(shè)計模塊進(jìn)行操作，從而滿足拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)群的業(yè)務(wù)協(xié)同需求。

1 現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺框架

隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)從最初的二維平面設(shè)計向三維立體設(shè)計轉(zhuǎn)換。三維CAD技術(shù)在以往的發(fā)展過程中共經(jīng)歷了4個階段，包括曲面造型、實體造型、參數(shù)化建模和變量建模等。

1)曲面造型技術(shù)。曲面造型技術(shù)是在飛機(jī)和汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的過程中產(chǎn)生的，由于貝塞爾算法的出現(xiàn)，人們可以利用計算機(jī)對曲線和曲面進(jìn)行操作，并開發(fā)出了自由曲面造型技術(shù)，還推出了CATIA軟件進(jìn)行三維曲面的造型。曲面造型的出現(xiàn)使設(shè)計人員可以不局限于三視圖的設(shè)計繪圖，單純利用計算機(jī)就可以描繪出產(chǎn)品的主要信息，使產(chǎn)品的研發(fā)有了質(zhì)的飛躍。

2)實體造型技術(shù)。隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機(jī)輔助工程除了可以表達(dá)三維表面信息之外，還可以表達(dá)實體的一些屬性，如重心、慣性矩和質(zhì)量等。利用三維數(shù)字化設(shè)計軟件，還可以計算三維實體模型的應(yīng)力應(yīng)變等情況，實現(xiàn)三維實體模型的虛擬設(shè)計，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了非常好的方法。

3)參數(shù)化技術(shù)。隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步，提出了參數(shù)化模型設(shè)計。該設(shè)計方法主要是基于三維實體模型的特征、尺寸約束和尺寸驅(qū)動，可以利用修改尺寸的方法直接得到三維模型，而不用再重新進(jìn)行建模設(shè)計，從而大大提高了零部件的設(shè)計效率。

4)變量化技術(shù)。變量化技術(shù)要求在數(shù)字化設(shè)計過程中要進(jìn)行方法的創(chuàng)新，利用最短的時間開發(fā)高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品，從而滿足數(shù)字化設(shè)計需求。為了實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計的創(chuàng)新，可以結(jié)合SaaS產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同設(shè)計平臺，平臺的建設(shè)要求具有前瞻性、穩(wěn)定性和高效性。其總體的設(shè)計框架應(yīng)從4個方面集成，包括應(yīng)用集群、SaaS服務(wù)架構(gòu)、SOA應(yīng)用和J2EE架構(gòu)。

1)應(yīng)用集群、分布式部署。平臺是整個數(shù)字化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的入口，采用集群式的服務(wù)可以同時供多個企業(yè)并行運行，集群的同時還需要將平臺的主要功能分解，分布式部署到每個應(yīng)用部分。

2)SAAS服務(wù)架構(gòu)。采用SAAS架構(gòu)需要以云計算為技術(shù)核心，在設(shè)計時需要考慮多個用戶的并行計算能力，每個用戶都有自己的獨立區(qū)域，為了使數(shù)據(jù)安全的共享，將每個用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行完全獨立，從而實現(xiàn)軟件即服務(wù)。

3)基于SOA的服務(wù)架構(gòu)。SOA是一種面向服務(wù)的架構(gòu)體系，是SaaS的技術(shù)核心，利用該服務(wù)架構(gòu)可以采用接口的方式將平臺的功能開放，從而解決集成第三方也能夠保證平臺的穩(wěn)定運行的問題。

4)基于J2EE的技術(shù)架構(gòu)。J2EE是目前最常使用的穩(wěn)定的技術(shù)架構(gòu)，采用J2EE架構(gòu)模式可以實現(xiàn)平臺的基礎(chǔ)功能。為了實現(xiàn)平臺的多功能設(shè)計需求，還可以綜合多種技術(shù)架構(gòu)。

如圖1所示，在基于SaaS平臺的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同數(shù)據(jù)庫中，企業(yè)之間的數(shù)據(jù)是獨立的，相關(guān)企業(yè)可以通過關(guān)聯(lián)的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，這種獨立和關(guān)聯(lián)的存儲數(shù)據(jù)方法保證了數(shù)據(jù)的安全性。例如，企業(yè)的核心數(shù)據(jù)可以存儲在自己獨立的數(shù)據(jù)庫中，確保了數(shù)據(jù)的隔離性，而一些用戶權(quán)限和SaaS定制信息及用戶登錄信息被存儲在共享數(shù)據(jù)庫中。

圖1 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺框架

2 基于SaaS的數(shù)字化設(shè)計協(xié)同平臺及其安全模型

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計和制造技術(shù)是提高現(xiàn)代企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段，特別是近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，在很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實現(xiàn)了CAD/CAM的無紙化生產(chǎn)，使整個生產(chǎn)過程完全數(shù)字化。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計涉及到產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造、信息的傳遞與共享及數(shù)字化管理等業(yè)務(wù)，數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)主要經(jīng)歷了以下4個階段，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)經(jīng)歷階段

數(shù)字化設(shè)計制造首先要經(jīng)歷的裝備數(shù)字化。裝備數(shù)字化主要體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，并且隨著計算機(jī)技術(shù)的深度發(fā)展，以計算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)字化設(shè)計制造過程中，還出現(xiàn)了數(shù)控三維坐標(biāo)測量、工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)的設(shè)備。數(shù)字化設(shè)計制造更新了很多加工制造設(shè)備，因此這個階段被叫做數(shù)字化裝備階段。

云平臺是近年來發(fā)展起來的一種服務(wù)平臺，包括3個層次的服務(wù)：IaaS基礎(chǔ)設(shè)置、PaaS平臺、SaaS軟件。其中，SaaS是利用互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的一種模式，該模式將軟件安裝在云端，在終端用戶可以利用云端如Web瀏覽器對軟件進(jìn)行使用，以虛擬化的方式提供服務(wù)，將虛擬服務(wù)布置完成后，終端用戶安裝客戶軟件后便可以實現(xiàn)資源的共享。

本設(shè)計主要是利用SaaS平臺為各農(nóng)機(jī)設(shè)計制造企業(yè)提供一種產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同服務(wù)，在設(shè)計過程中可以實現(xiàn)企業(yè)間的數(shù)據(jù)共享；但是，這種模式存在較高的安全隱患，因此設(shè)計了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺的數(shù)據(jù)安全模型框架，如圖3所示。在安全模型框架的構(gòu)建時主要考慮存儲數(shù)據(jù)的安全性，對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密業(yè)務(wù)，具體操作如圖4所示。

存儲的安全模塊利用數(shù)據(jù)庫的TDE算法來進(jìn)行編譯，可以為企業(yè)間共享的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密服務(wù)，防止被攻擊者竊取或者使用人員泄露。TDE算法可以提供較為細(xì)致的加密，企業(yè)只需要將數(shù)據(jù)的列進(jìn)行加密；數(shù)據(jù)庫便可以創(chuàng)建一個表密鑰TK，然后利用密鑰對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；而TK的保護(hù)也是非常重要的，本次利用盟主企業(yè)的EK對TK進(jìn)行加密來保護(hù)TK的安全，將加密的結(jié)果{TK}保存到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)加密業(yè)務(wù)。

圖3 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺數(shù)據(jù)安全模型框架

圖4 數(shù)據(jù)存儲安全模型

3 SaaS平臺及其安全性測試

為了驗證基于SaaS的數(shù)字化農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同設(shè)計平臺對現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計的可行性，以拖拉機(jī)的齒輪設(shè)計為例，對平臺的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計功能以及安全性進(jìn)行了驗證。

如圖5所示，齒輪是傳統(tǒng)拖拉機(jī)和現(xiàn)代重型拖拉機(jī)的重要部件，相比傳統(tǒng)的拖拉機(jī)，現(xiàn)代重型拖拉機(jī)使用了更多的斜齒輪和錐形齒輪等，這就要求協(xié)同設(shè)計平臺具有復(fù)雜齒輪的參數(shù)化設(shè)計能力。

如圖6所示，為了簡化齒輪的設(shè)計，采用參數(shù)化設(shè)計方程的方法生成齒輪模型，根據(jù)齒輪的結(jié)構(gòu)特性在不同的結(jié)構(gòu)位置設(shè)置不同的方程，最終可以實現(xiàn)齒輪的快速生成。

如圖7所示，利用參數(shù)化設(shè)計可以快速地生成不同尺寸的普通的齒輪，但錐齒輪的設(shè)計與普通齒輪又有較大的不同，錐齒輪的錐度和成對出現(xiàn)的問題都需要考慮，其設(shè)計過程如圖8所示。

圖5 現(xiàn)代重型拖拉機(jī)示意圖

圖6 參數(shù)化設(shè)計方程

圖7 齒輪效果圖

圖8 錐形齒輪參數(shù)設(shè)計結(jié)果

在設(shè)置一系列的參數(shù)后，利用參數(shù)化設(shè)計方式生成了錐形齒輪，將參數(shù)化設(shè)計方法在企業(yè)間共享后，各個協(xié)同企業(yè)間利用SaaS協(xié)同設(shè)計平臺通過登錄用戶端的方式，便可以使用參數(shù)化設(shè)計模塊，快速地設(shè)計齒輪。

如圖9所示，為了驗證拖拉機(jī)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺數(shù)據(jù)安全模型的可行性，以重要數(shù)據(jù)的平均存儲時間為例，對其加密效率進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明：采用直接存儲和加密存儲的時間相當(dāng)，加密效率較高，從而驗證了方案的可行性。

圖9 數(shù)據(jù)安全模型可行性驗證

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)齒輪的設(shè)計效率，將參數(shù)化設(shè)計方法引入到了拖拉機(jī)齒輪的設(shè)計過程中，并將參數(shù)化設(shè)計模塊使用到農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺上，并針對平臺數(shù)據(jù)的安全性建立了數(shù)據(jù)安全模型，從而有效地提高了拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)群的協(xié)同設(shè)計能力。為了驗證方案的可行性，主要對參數(shù)化設(shè)計方法和SaaS平臺數(shù)據(jù)加密的效率進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：采用參數(shù)化設(shè)計方法可以快速地生成拖拉機(jī)的普通齒輪和錐形齒輪，利用數(shù)據(jù)安全模型存儲重要數(shù)據(jù)和直接存儲的時間相差不大，從而驗證了方案的可行性。