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摘要：基于关系模型和关系数据库技术，设计并构建可共享、可扩展的的滚动轴承资源库系统。在需求分析的基础上，对滚动轴承资源库进行概念设计、逻辑设计及物理设计，利用MySQL数据库管理系统分别开发滚动轴承资源库的基本信息数据库、标准数据库和非标数据库。研究基于JDBC的数据库访问技术，开发滚动轴承资源库的查询和调用模块。以圆柱滚子轴承的外形尺寸参数设计计算作为应用背景，实现在matlab开发环境中对滚动轴承资源库的调用，缩短了机械产品设计的周期。
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.
關键词：滚动轴承;资源库;关系模型;查询技术;调用技术
Key words： rolling bearing;resource database;relational model;query technology;call technology
0 引言
滚动轴承是机械设备中最基础的零部件之一。滚动轴承的设计主要包括选型设计、尺寸设计、强度及寿命校核、优化设计等工作，需要使用到大量的公式和图表，传统的轴承设计方法由设计人员根据经验反复查阅资料，增加了设计人员的工作量，容易出错且设计效率低下。计算机辅助设计技术将设计人员的经验转换为计算机可执行程序，降低了设计人员的工作量，提高了设计效率。但是对于程序开发者仍然需要大量的数据输入工作，且不同的开发者之间难以实现资源的共享，标准及非标资源未被有效利用。因此有必要构建可共享、可扩展的滚动轴承资源库，以推动滚动轴承的智能化设计。
现有的一些轴承数据库针对特定的设计任务存储所需的数据，张阗等[1]利用Access数据库管理系统开发了四列圆柱滚子轴承数据库，陈波等[2]设计了一套应用于设备故障诊断的滚动轴承数据库系统。一些轴承资源库存储了来自于不同厂家的轴承参数，闫大伟等[3]开发了基于三维的标准件管理系统，对企业标准件、行业标准件等进行管理。马嵩华等[4]建立了基于Web的跨平台开放式零件库系统。这些轴承资源库为机械设计的自动化、智能化设计提供了新思路，提高了设计效率，但对于不断变化的设计任务和应用场景难以实现自由扩展，并且只能存储现有的滚动轴承产品的数据，无法针对具体的设计任务进行新的设计。
本文针对以上问题，利用关系型数据库技术[5-6]研究滚动轴承资源库的系统构建、数据存储、查询与调用技术，并以圆柱滚子轴承为例，实现基于资源库的滚动轴承智能设计。本文设计的滚动轴承资源库可以在现有框架的基础上扩展至其他标准件及非标准件的设计。通过应用该资源库，可以管理国内外及行业多种标准，帮助用户更加方便快捷地进行机械产品的设计，缩短设计周期。
1 滚动轴承资源库的构建
1.1 滚动轴承资源库需求分析
滚动轴承的设计任务主要包括：轴承负载计算、轴承选型、轴承尺寸设计计算、轴承校核计算、轴承优化设计。本文建立的滚动轴承资源库主要存储轴承设计中涉及到的全部标准及非标数据。
1.1.1 信息要求
资源库中存储的信息包括轴承、标准、非标、轴承与标准之间关联、轴承与非标之间关联的基本信息，以及标准和非标的具体的参数数据。
1.1.2 处理要求
资源库的处理包括数据的导入、数据的增删改查等操作、数据的调用、资源库的备份与恢复、以及用户管理等。具体处理要求如下：
①导入：被授权的用户可以通过数据库管理系统将标准转换为标准格式后一键导入到资源库中，以扩展资源库的信息。
②添加、删除、修改：标准及非标的参数数据通常不需要频繁更新，由开发者或数据库管理员一次性导入后仅允许查询操作。基本信息随着设计任务的变化而不断更新，因此需要频繁的添加、删除、修改操作。 ③查询：用户通过轴承名称、轴承类型代号、标准号、标准名称、表号、表名、标准类型等信息查询数据。
④调用：开发者可以在MATLAB程序中编写代码直接调用资源库中的数据。
⑤资源库备份与恢复：定时备份资源库中的文件，以防止发生意外停机或数据丢失造成资源库的损失，保障资源库的安全。当资源库发生故障时，可以利用备份好的数据实现资源库恢复。
⑥用户管理：用户分为系统管理员、数据库管理员、开发者和普通用户，系统设置一个高级管理员，高级管理员能够执行资源库的全部操作，并可以添加用户、删除用户、并对其他用户进行授权，对于不同的用户可以授予不同级别的权限。用户经高级管理员授权后，登录后拥有操作资源库的权限。不同用户的权限如表1所示。
1.1.3 安全性与完整性要求
使用或操作资源库需要输入有效的用户名和密码，资源库系统针对不同用户的不同权限进行身份识别，避免用户对资源库的误操作，以保障资源库的数据安全。
1.2 滚动轴承资源库系统设计
基于数字化设计平台的资源库的建立过程需要应用传统的数据库技术。本文采用B/S（浏览器/服务器）结构的关系模型构建资源库系统。
1.2.1 概念设计
根据滚动轴承资源库的信息要求，构建滚动轴承资源库的概念模型，利用E-R图（实体-联系图）描述轴承、标准、非标等实体类型及其属性、以及实体之间的联系，其中，用矩形框表示实体，用椭圆图框表示实体的属性，用菱形框表示实体之间的联系，实体和联系之间用实线连接，并标注约束类型。滚动轴承资源库的E-R模型如图1所示。
1.2.2 逻辑设计
根据图1所示的滚动轴承资源库E-R图，设计滚动轴承资源库的关系模型，其中，基本信息表满足3NF，参数数据表满足1NF。资源库的关系模型：
①轴承基本信息表：类、子类、轴承名称、轴承类型代号（主键）、引用的标准代号、描述;
②标准基本信息表：标准号（主键）、表号（主键）、表名、标准类型、描述;
③标准名称基本信息表：标准号（主键）、标准名称、描述;
④轴承-标准基本信息表：轴承类型代号（外键）、标准号（外键）、表号（外键）;
⑤非标基本信息表：表号（主键）、表名、类型、描述;
⑥轴承-非标基本信息表：轴承类型代号（主键）、表号（主键）;
⑦标准参数数据表：标准中具体的参数数据表，按标准号分布存储于多个独立的数据库中，数据库中的各字段名为标准表格中的各参数名;
⑧非標参数数据表：非标中具体的参数数据表，按轴承类型代号分布存储于多个独立的数据库中，数据库中的各字段名为非标表格中的各参数名。
滚动轴承的类型按照国家标准进行分类。滚动轴承间的逻辑关系为多层树状结构，因此本资源库系统采用简化后的三层树状结构，滚动轴承的层次分类（部分）如图2所示。
1.2.3 物理设计
资源库的物理结构设计指的是数据文件在数据库服务器中的组织形式和存储方式。本文构建的资源库包含轴承设计中具体使用到的参数数据表和存储轴承、标准、非标的基本信息表。基本信息表的字段间存在紧密的联系，且基本信息需经常性更新操作，因此集中存储于同一个数据库中;由于参数数据表的数量巨大，字段之间不存在紧密关联，数据经一次性导入后无需进行添加、删除、修改操作，且一次计算通常只使用其中一部分数据，因此将参数数据表按照标准、轴承类型等分布存放于多个数据库中，同时在基本信息数据库中存储参数数据库的索引信息。
基本信息数据库以标准基本信息表为例，数据表的结构如表2所示。参数数据库以圆柱滚子轴承外形尺寸标准数据表为例，参数数据表的结构如表3所示。
1.3 滚动轴承资源库的实现
根据以上对滚动轴承资源库的需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计的结果，利用MySQL将基本信息数据和参数数据导入到数据库中，构建滚动轴承资源库。
1.3.1 参数数据表的导入
资源库中的数据主要来源于标准及非标，通常为PDF文档格式，本文利用图片文字识别软件将PDF文档中的数据表格识别并转换为EXCEL文档，再利用数据库管理工具将EXCEL文档中的数据导入到MySQL数据库管理系统中，并导出为sql数据库文件。具体资源库的数据导入导出流程如图3所示。
标准和非标数据参数表格在通常情况下不会有改动，因此在一次性导入后，不再执行查询以外的其他操作。基本信息表中的记录随着后期标准和非标数据表格的录入而不断更新，当资源库导入新的参数数据表时，同步更新基本信息表中的基本信息及索引信息。
1.3.2 资源库实现
根据以上资源库系统的设计结果，采用结构化查询语言SQL。数据库（表）名使用小写英文字母和下划线组成，备份数据库（表）名使用正式库（表）名加上备份时间组成。字段名使用英文字母（大小写不敏感）和下划线组成，关联字段使用统一名称。字段类型包括整型、浮点型、字符型、时间戳等，根据存储数据尽量使用少的存储空间来存储一个字段的数据。
2 滚动轴承资源库查询与调用技术
资源库管理包括：用户管理、资源库备份与恢复、数据导入、资源库操作（增、删、改）、资源库的使用（查询、调用）。其中面向开发者的资源库查询技术是滚动轴承资源库系统中的关键技术，包括轴承基本信息和参数数据表格的查询、在轴承设计程序中实现对参数数据表格的调用。资源库的使用流程如图4所示。
2.1 滚动轴承资源库查询
滚动轴承资源库的查询分为基本信息查询和参数数据表查询。
为实现不同开发者之间的资源共享，需要在基本信息数据库中登记各参数数据表的基本信息。为使开发者能够在不断扩展的海量数字资源中迅速找到设计所需的参数数据表，开发滚动轴承资源库的检索模块，支持对滚动轴承资源库的基本信息数据库的精确检索、条件检索和模糊检索。精确检索指的是输入精确检索条件，返回检索结果，需保证检索条件的准确性。条件检索指的是输入部分检索条件，返回多条候检索结果，若检索条件输入有误可能会造成检索结果为空。模糊检索指的是输入模糊检索条件，检索条件可全部或部分匹配，返回多条检索结果，由用户手动选择。
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.
關键词：滚动轴承;资源库;关系模型;查询技术;调用技术
Key words： rolling bearing;resource database;relational model;query technology;call technology
0 引言
滚动轴承是机械设备中最基础的零部件之一。滚动轴承的设计主要包括选型设计、尺寸设计、强度及寿命校核、优化设计等工作，需要使用到大量的公式和图表，传统的轴承设计方法由设计人员根据经验反复查阅资料，增加了设计人员的工作量，容易出错且设计效率低下。计算机辅助设计技术将设计人员的经验转换为计算机可执行程序，降低了设计人员的工作量，提高了设计效率。但是对于程序开发者仍然需要大量的数据输入工作，且不同的开发者之间难以实现资源的共享，标准及非标资源未被有效利用。因此有必要构建可共享、可扩展的滚动轴承资源库，以推动滚动轴承的智能化设计。
现有的一些轴承数据库针对特定的设计任务存储所需的数据，张阗等[1]利用Access数据库管理系统开发了四列圆柱滚子轴承数据库，陈波等[2]设计了一套应用于设备故障诊断的滚动轴承数据库系统。一些轴承资源库存储了来自于不同厂家的轴承参数，闫大伟等[3]开发了基于三维的标准件管理系统，对企业标准件、行业标准件等进行管理。马嵩华等[4]建立了基于Web的跨平台开放式零件库系统。这些轴承资源库为机械设计的自动化、智能化设计提供了新思路，提高了设计效率，但对于不断变化的设计任务和应用场景难以实现自由扩展，并且只能存储现有的滚动轴承产品的数据，无法针对具体的设计任务进行新的设计。
本文针对以上问题，利用关系型数据库技术[5-6]研究滚动轴承资源库的系统构建、数据存储、查询与调用技术，并以圆柱滚子轴承为例，实现基于资源库的滚动轴承智能设计。本文设计的滚动轴承资源库可以在现有框架的基础上扩展至其他标准件及非标准件的设计。通过应用该资源库，可以管理国内外及行业多种标准，帮助用户更加方便快捷地进行机械产品的设计，缩短设计周期。
1 滚动轴承资源库的构建
1.1 滚动轴承资源库需求分析
滚动轴承的设计任务主要包括：轴承负载计算、轴承选型、轴承尺寸设计计算、轴承校核计算、轴承优化设计。本文建立的滚动轴承资源库主要存储轴承设计中涉及到的全部标准及非标数据。
1.1.1 信息要求
资源库中存储的信息包括轴承、标准、非标、轴承与标准之间关联、轴承与非标之间关联的基本信息，以及标准和非标的具体的参数数据。
1.1.2 处理要求
资源库的处理包括数据的导入、数据的增删改查等操作、数据的调用、资源库的备份与恢复、以及用户管理等。具体处理要求如下：
①导入：被授权的用户可以通过数据库管理系统将标准转换为标准格式后一键导入到资源库中，以扩展资源库的信息。
②添加、删除、修改：标准及非标的参数数据通常不需要频繁更新，由开发者或数据库管理员一次性导入后仅允许查询操作。基本信息随着设计任务的变化而不断更新，因此需要频繁的添加、删除、修改操作。 ③查询：用户通过轴承名称、轴承类型代号、标准号、标准名称、表号、表名、标准类型等信息查询数据。
④调用：开发者可以在MATLAB程序中编写代码直接调用资源库中的数据。
⑤资源库备份与恢复：定时备份资源库中的文件，以防止发生意外停机或数据丢失造成资源库的损失，保障资源库的安全。当资源库发生故障时，可以利用备份好的数据实现资源库恢复。
⑥用户管理：用户分为系统管理员、数据库管理员、开发者和普通用户，系统设置一个高级管理员，高级管理员能够执行资源库的全部操作，并可以添加用户、删除用户、并对其他用户进行授权，对于不同的用户可以授予不同级别的权限。用户经高级管理员授权后，登录后拥有操作资源库的权限。不同用户的权限如表1所示。
1.1.3 安全性与完整性要求
使用或操作资源库需要输入有效的用户名和密码，资源库系统针对不同用户的不同权限进行身份识别，避免用户对资源库的误操作，以保障资源库的数据安全。
1.2 滚动轴承资源库系统设计
基于数字化设计平台的资源库的建立过程需要应用传统的数据库技术。本文采用B/S（浏览器/服务器）结构的关系模型构建资源库系统。
1.2.1 概念设计
根据滚动轴承资源库的信息要求，构建滚动轴承资源库的概念模型，利用E-R图（实体-联系图）描述轴承、标准、非标等实体类型及其属性、以及实体之间的联系，其中，用矩形框表示实体，用椭圆图框表示实体的属性，用菱形框表示实体之间的联系，实体和联系之间用实线连接，并标注约束类型。滚动轴承资源库的E-R模型如图1所示。
1.2.2 逻辑设计
根据图1所示的滚动轴承资源库E-R图，设计滚动轴承资源库的关系模型，其中，基本信息表满足3NF，参数数据表满足1NF。资源库的关系模型：
①轴承基本信息表：类、子类、轴承名称、轴承类型代号（主键）、引用的标准代号、描述;
②标准基本信息表：标准号（主键）、表号（主键）、表名、标准类型、描述;
③标准名称基本信息表：标准号（主键）、标准名称、描述;
④轴承-标准基本信息表：轴承类型代号（外键）、标准号（外键）、表号（外键）;
⑤非标基本信息表：表号（主键）、表名、类型、描述;
⑥轴承-非标基本信息表：轴承类型代号（主键）、表号（主键）;
⑦标准参数数据表：标准中具体的参数数据表，按标准号分布存储于多个独立的数据库中，数据库中的各字段名为标准表格中的各参数名;
⑧非標参数数据表：非标中具体的参数数据表，按轴承类型代号分布存储于多个独立的数据库中，数据库中的各字段名为非标表格中的各参数名。
滚动轴承的类型按照国家标准进行分类。滚动轴承间的逻辑关系为多层树状结构，因此本资源库系统采用简化后的三层树状结构，滚动轴承的层次分类（部分）如图2所示。
1.2.3 物理设计
资源库的物理结构设计指的是数据文件在数据库服务器中的组织形式和存储方式。本文构建的资源库包含轴承设计中具体使用到的参数数据表和存储轴承、标准、非标的基本信息表。基本信息表的字段间存在紧密的联系，且基本信息需经常性更新操作，因此集中存储于同一个数据库中;由于参数数据表的数量巨大，字段之间不存在紧密关联，数据经一次性导入后无需进行添加、删除、修改操作，且一次计算通常只使用其中一部分数据，因此将参数数据表按照标准、轴承类型等分布存放于多个数据库中，同时在基本信息数据库中存储参数数据库的索引信息。
基本信息数据库以标准基本信息表为例，数据表的结构如表2所示。参数数据库以圆柱滚子轴承外形尺寸标准数据表为例，参数数据表的结构如表3所示。
1.3 滚动轴承资源库的实现
根据以上对滚动轴承资源库的需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计的结果，利用MySQL将基本信息数据和参数数据导入到数据库中，构建滚动轴承资源库。
1.3.1 参数数据表的导入
资源库中的数据主要来源于标准及非标，通常为PDF文档格式，本文利用图片文字识别软件将PDF文档中的数据表格识别并转换为EXCEL文档，再利用数据库管理工具将EXCEL文档中的数据导入到MySQL数据库管理系统中，并导出为sql数据库文件。具体资源库的数据导入导出流程如图3所示。
标准和非标数据参数表格在通常情况下不会有改动，因此在一次性导入后，不再执行查询以外的其他操作。基本信息表中的记录随着后期标准和非标数据表格的录入而不断更新，当资源库导入新的参数数据表时，同步更新基本信息表中的基本信息及索引信息。
1.3.2 资源库实现
根据以上资源库系统的设计结果，采用结构化查询语言SQL。数据库（表）名使用小写英文字母和下划线组成，备份数据库（表）名使用正式库（表）名加上备份时间组成。字段名使用英文字母（大小写不敏感）和下划线组成，关联字段使用统一名称。字段类型包括整型、浮点型、字符型、时间戳等，根据存储数据尽量使用少的存储空间来存储一个字段的数据。
2 滚动轴承资源库查询与调用技术
资源库管理包括：用户管理、资源库备份与恢复、数据导入、资源库操作（增、删、改）、资源库的使用（查询、调用）。其中面向开发者的资源库查询技术是滚动轴承资源库系统中的关键技术，包括轴承基本信息和参数数据表格的查询、在轴承设计程序中实现对参数数据表格的调用。资源库的使用流程如图4所示。
2.1 滚动轴承资源库查询
滚动轴承资源库的查询分为基本信息查询和参数数据表查询。
为实现不同开发者之间的资源共享，需要在基本信息数据库中登记各参数数据表的基本信息。为使开发者能够在不断扩展的海量数字资源中迅速找到设计所需的参数数据表，开发滚动轴承资源库的检索模块，支持对滚动轴承资源库的基本信息数据库的精确检索、条件检索和模糊检索。精确检索指的是输入精确检索条件，返回检索结果，需保证检索条件的准确性。条件检索指的是输入部分检索条件，返回多条候检索结果，若检索条件输入有误可能会造成检索结果为空。模糊检索指的是输入模糊检索条件，检索条件可全部或部分匹配，返回多条检索结果，由用户手动选择。