產品數據交換技術前言產品數據交換的方式IGES文件的圖形數據交換STEP標準其他格式的數據交換

為了實現產品設計與制造的無紙化，首先要實現產品模型的數字化，以便能在異地或同地的設計、工藝、加工部門間、在制造商和供應商之間、在不同CAx系統之間順利地進行產品數據交換。這就要求數字化產品模型應包含產品整個生產周期中所有的信息，以達到產品模型信息的統一與共享。其次要規定數據交換的方式。為此必須制定產品數據交換的標準，本章主要介紹IGES和STEP產品數據交換標準。自學DXF文件數據交換相關內容產品數據交換的方式產品數據交換的方式主要有3種：1.專用數據格式的交換（點對點交換）2.標準數據格式的中性文件的交換（星式交換）3.統一的產品數據模型交換專用數據交換方式的優缺點優點：運行效率高，易于實現。缺點：當系統數n增大時，接口數量急劇增加；此外當某一系統的數據結構改變時，與之相關的接口必須改變。專用數據格式的交換如圖1：ABDCAB接口1接口2圖1專用數據格式的交換接口數＝n(n-1)

n：系統個數如n＝6，接口數＝30中性文件交換方式的優缺點：優點：當系統數n增大時，接口數量不會增加過多。缺點：每次均需通過前、后處理器接口的數據轉換，運行效率低。中性文件交換的圖示（圖2）：ABCD中性文件abaaabbba:前端處理器接口b:后端處理器接口接口數2n如n＝6，則接口數＝12圖2中性文件的交換統一的產品數據模型交換方式的優缺點：無需接口，集成性好，運行效率高，但實現的難度大。統一的產品數據模型交換的圖示（圖3）：ABC數據管理軟件統一的產品數據模型圖3統一的產品數據模型交換IGES文件的圖形數據交換IGES概述IGES文件的結構IGES產品模型IGES應用中存在的問題IGES由ANSI公布為美國標準。我國的標準號為GB/T14213－93。IGES在不同版本中的內容是有變化的。IGES的目標是要定義不同CAD系統間幾何設計數據的交換格式。IGES重點支持下列模型的數據交換：二維線框模型、三維線框模型、三維表面模型、三維實體模型、技術圖樣模型。1992年以后IGES版本不再發展，但現在大多數CAD商用軟件仍支持IGES格式的圖形文件的輸入和輸出。利用IGES文件，用戶可以從中提取所需數據進行用戶應用程序的開發，本節對IGES規范作簡要介紹。

IGES可支持三種格式的文件，分別是ASCII碼、壓縮ASCII碼和二進制格式。本節主要介紹ASCII碼格式。ASCII碼格式的文件由五段組成：開始段（start)，用S標識；全局參數段（global)，用G標識；目錄條目錄段（directoryentry)，用D標識；參數數據段（parameterdata)，用P標識；結束段（terminate)，用T標識。

文件每行80個字符，每段若干行。IGES產品模型1.實體2.IGES的產品模型IGES標準采用實體來定義產品模型。實體為基本的信息單位，可以是單個幾何元素，也可以為若干實體的集合。實體集合（即結構）可規定其相聯性和特性，相聯性定義實體之間的聯系；特性規定實體集的顏色、線寬等特性。實體分為幾何實體與非幾何實體兩大類。

1）幾何實體幾何實體用來定義與物體形狀有關的信息，以

IGES4.0為例有以下幾何實體：（1）幾何定義類實體；（2）有限元模型類實體；（3）CSG模型類實體。

2）非幾何實體非幾何實體提供將有關實體組合成平面視圖的手段，并可使用注釋和尺寸標注。非幾何實體分為：（1）注釋類實體；(尺寸、剖面線等）（2）結構類實體。（圖樣、線型定義、關聯引用等）IGES所定義的產品模型包括以下內容：（1）幾何實體。（2）模型空間及變換矩陣。（3）圖紙元素（即注釋）。（4）結構實體。（5）用戶自定義實體。IGES應用中存在的問題（1）IGES“風味”問題。不同CAD系統間采用IGES文件進行交換，圖形發生失真現象，稱為“IGES風味”問題。其原因是：交換雙方實體類型子集不同；實體自己雖同，但具體的實體定義或代碼不同；交換雙方硬件環境不同，出現不同圓整精度。（2）不能定義產品的全部信息，即不能構成完整的產品信息模型，只能描述產品的幾何信息并進行數據交換。（3）IGES標準本身不夠完善，如格式過于復雜、定義不夠嚴格、缺乏實現的指導性意見等。STEP標準STEP標準概述STEP標準的內容描述方法集成信息資源應用協議實現方法STEP應用STEP標準由ISO工業自動化系統技術委員會（TC184）第四分委會（SC4）制定，并于1988年公布為STEP1.0，標準號為ISO10303。我國的標準號為GB/T16656。制定STEP標準有兩個目的：一是統一產品的數據表示；二是規范產品數據交換。STEP的產品數據表示是想建立一個包括產品整個生命周期的、完整的、語義一致的產品數據模型，以滿足產品生命周期內各個階段對產品信息的不同需求，以及保證對產品信息理解的一致性。STEP的產品數據交換是想建立一種獨立于任何CAx系統，具有多種形式的交換方法。STEP標準的意義是遠遠超越了產品模型數據的交換，其目標是要統一產品數據的表達式。它的精髓是要描述整個產品的信息，而不僅僅是描述其幾何形狀。因此，這種描述與表達能支持產品整個生命周期內各種活動對模型信息的需求，即從產品設計到產品消亡過程中所需的全部信息。

STEP標準是由許多部分（稱Part）組成的。圖4所示給出了STEP標準包含的五個方面的內容，即：描述方法、集成信息資源、應用協議、一致性測試及實現方法。STEP描述方法集成信息資源應用協議一致性測試實現方法集成通用資源集成解釋構件集成應用資源圖4STEP標準的內容描述方法1.STEP的三層組織結構2.參考模型3.形式化定義語言EXPRESS

STEP將產品信息的應用、表達（邏輯描述）、數據交換的實現區分開來，形成了圖5的三層結構。汽車設計船舶結構繪圖鈑金模具設計集成信息資源（集成通用資源＋集成應用資源＋應用解釋構件）Part41Part42…….Part49…….Part101……Part501…….交換模式，存儲模式應用層表達層物理層圖5STEP的三層組織結構1.應用層由針對各種不同應用領域的應用協議及對應的抽象測試集組成。2.表達層根據各應用協議的需求模型，進行分析、歸類，找出共同點，形成各種資源構件（即圖中Part41等），統稱為集成信息資源，由集成通用資源、集成應用資源和應用解釋構件三部分組成。3.物理層提出數據交換及數據存儲的方式。EXPRESS是一種面向對象的非編程語言，用于信息建模，既能為人所理解，又能被計算機處理（通過EXPRESS編譯程序）。EXPRESS主要用來描述應用協議或集成資源中的產品數據，使描述規范，它是STEP中數據模型的形式化描述工具。EXPRESS語言采用模式（schema)作為描述數據模型的基礎。標準中每個應用協議，每種資源的構件都由若干個模式組成。每個模式內包含類型(type)說明、實體（entity)定義、規則（rule)、函數（function)和過程（procedure)。實體是重點，實體由數據（data)和行為（behavior)定義，數據說明實體的性質，行為表示約束與操作。作為一種形式化描述語言，EXPRESS吸收了Ada，C，C++,Modula2,Pascal,PL/1,SQL多種語言的功能，有強大的描述信息模型的能力，但又不同于編程語言，不具有輸入與輸出語句。EXPRESS簡介豐富的數據類型模式中的各種說明表達式執行語句各種內部常量、函數和過程接口語句實例豐富的數據類型簡單數據類型。包括NUMBER,REAL,INTEGER,STING,BOOLEAN,LOGICAL,BINARY。聚合數據類型。有ARRY,LIST,SET,BAG命名數據類型。由用戶定義，包括ENTITY,TYPE構造數據類型。包括ENUMERATION，SELECT模式中的各種說明一個實體說明的結構如下：ENTITY實體標識符；[子類，超類說明]；[顯式屬性]；[導出屬性]；[逆向屬性]；[惟一性規則]；[值域約束]；END-ENTITY；例：定義圓為實體，使用了導出屬性ENTITYcircle；

center：point；

radius：REAL；

DERIVEarea：REAL：=PI*radius**2；END-ENTITY；例：單位向量為實體，使用值域約束ENTITYUnit-vector；

a，b，c：REAL；

WHERElength：a**2+b**2+c**2=1.0；END-ENTITY；例：定義實體A2及其它的超類B2，C2ENTITYA2；

SUPERTYPEOF（B2，C2）；

…END-ENTITY；表達式可進行算術運算，關系運算，BINARY運算（索引與連接），邏輯運算，字符串運算，聚合運算（索引、交、和、差、子集、超集），實體運算（關系比較，屬性訪問，組訪問，復雜實體構成等）執行語句如賦值語句、case、if-then-else、ESCAPE、過程調用、REPEAT、RETURN、SKIP等各種常量函數和過程如常量PI、SELF，函數SIN、COS、SIZEOF，過程INSERT等。接口語句常用的有USEFROM，即使用另一模式中的類型或實體名，效果等于在本模式中說明一樣；還有REFERENCEFROM，即引用另一模式中的實體、類型等，但在本模式中不能獨立地實例化。實例SCHEMACE_product_definition_schema;REFERENCEFROMproduct_definition_schema;REFERENCEFROMrepresentation_schema;ENTITYproduct;

id:identifier;

name:label;description:text;

frame_of_reference:SET[1:?]OFproduct_context;END_ENTITY;ENTITYproduct_contextSUBTYPEOF(application_context_element);

discipline_type:label;END_ENTITY;ENTITYproduct_definitionid:identifier;description:text;formation:product_definition_formation;

frame_of_reference:product_definition_context;END_ENTITY;ENTITYproduct_definition_contextSUBTYPEOF(application_context_element);

life_cycle_stage:label;END_ENTITY;ENTITYproduct_definition_formation

id:identifier;description:text;of_product:product;END_ENTITY;ENTITYproduct_definition_relationship

id:identifier;name:label;description:text;

relating_product_definition:product_definition;

related_product_definition:product_definition;END_ENTITY;ENTITYproduct_contexSUBTYPEOF(application_context_element);

discipline_type:label;END_ENTITY;ENTITYproduct_definition_shapeSUBTYPEOF(property_definition);

rep_model:represention;END_ENTITY;ENTITYshape_aspectSUPERTYPEOF(dt_feature,form_feature);name:label;description:text;

of_shape:product_definition_shape;

product_definitional:LOGICAL;END_ENTITY;END_SCHEMACE_product_definition_schema;

集成信息資源由許多論題模型（topicmodel)組成。論題模型用于描述特定論題的數據，每個論題均為多個應用領域的共同的論題。集成信息資源分成三個部分：集成通用資源、集成應用資源和應用解釋構件。第一部分在應用上有通用性；后兩部分則描述某一應用領域的數據，它們以來于集成通用資源的支持。集成通用資源（integratedgenericresources)Part41－49Part41：產品描述與支持的基本原理(ISO)(fundamentalsofproductdescription&support)。包含通用產品描述資源、通用管理資源和支持資源。屬集成資源中高層次結構。Part42：幾何與拓撲表達（ISO)(geometricandtopologicalrepresentation)。包括兩個大的模式，即幾何模式和拓撲模式，每個模式中又包括許多小模式。Part43：表達結構（ISO)(representationstructures)。有幾何表達模式與掃描區域實體表示模式，包括它們的概念，它們的類型、函數、規則與實體的定義，以及分類結構等。Part44：產品結構配置(ISO)(productstructureconfiguration)。有產品模型模式和配置管理模式。Part45：材料(DIS)(materials).Part46：可視表示(ISO)(visualpresentation)。Part47：形狀公差（DIS）（shapetolerances)。Part48：形狀特征（formfeatures)，已撤銷。Part49：工藝結構與特性（DIS)(processstructureandproperties)。集成應用資源(integratedapplicationresources)Part101－107Part101：繪圖（ISO）（draughting)。規定了圖樣定義模式（定義圖樣、圖紙等）；繪圖元素模式（定義尺寸線、界線、引線等）；尺寸圖模式（定義角度、直徑等尺寸）和受權模式。Part102：船舶結構（WD）（shipstructure)。Part103：電工電子連接（E/Econnectivity)，已撤銷。Part104：有限元分析（CD）(finiteelementanalysis)。Part105：運動分析（ISO）（kinematics)。Part106：建筑核心模型（WD）（buildingcoremodel)。應用解釋構件（application-interpretedconstructs)Part501：基于邊的線框(CD)(edge-basedwireframe)Part502：基于殼的線框(CD)(shell-basedwireframe)Part503：幾何邊界二維線框(CD)(geometrybounded2Dwireframe)Part504：繪圖標注(CD)(draughtingannotation)Part505：繪圖結構和管理(CD)(drawingstructureandadministration)Part506：繪圖元素(CD)(draughtingelements)Part507：幾何邊界曲面(CD)(geometryboundedsurface)Part513：基本邊界表達(CD)(elementaryB-rep)Part514：高級邊界表達(CD)(advancedB-rep)Part515：構造實體幾何(CD)(constructive-solidgeometry)應用協議

1.制定應用協議（AP）的目的

2.應用協議標準舉例（范圍AP201－232）

3.怎樣制定應用協議

為避免IGES的“風味問題”，確定STEP標準的一個邏輯子集，加上必須補充的信息，作為標準在行業應用中強制執行。即該行業中所使用的CAD系統或別的應用系統在交換、傳輸與存儲產品數據時應符合本行業應用協議的規定。應用協議是一份文件，用來說明如何用標準的集成資源來解釋產品數據以滿足工業需求，采用EXPRESS語言進行描述。AP201：顯式繪圖（ISO）（explicitdraughting)AP202：相關繪圖（ISO）（associativedraughting)AP203：配置控制設計（ISO）（configuration-controlleddesign)AP204：邊界表示的機械設計（CD）（mechanicaldesignusingboundaryrep.)AP205：面表示的機械設計（CD）（mechanicaldesignusingsurfacerep.)AP206：線框表示的機械設計（撤銷）（mechanicaldesignusingwireframe)AP207：鈑金模具規劃和設計（DIS）（sheetmetaldieplanninganddesign)AP208：生命周期產品變更過程管理(CD)(lifecycleproductchangeprocess)AP213：數控加工零件工藝規劃(DIS)(numericalcontrolprocessplansformachinedparts)AP214：汽車設計核心數據(CD)(coredataforautomotivemechanicaldesignprocesses)

應用協議的制定不是一次到位的，成熟一個公布一個。3.怎樣制定應用協議1）建立應用活動模型（AAM）2）建立應用參考模型（ARM）3）建立應用解釋模型（AIM）4）規定抽象的測試集

STEP標準按實現產品數據交換的完善程度，依次規定了文件、工作格式、數據庫及知識庫4級交換實現方法。

1.文件交換文件交換屬最低一級，即采用通常所說的中性文件交換，是目前最成熟的交換形式。

2.工作格式交換工作格式(workingform)是指產品數據在內存的表現格式，因此工作格式的交換本質上就是對內存的數據管理。

3.數據庫交換數據庫交換能適應數據共享的要求。在CIMS或并行工程環境下，CAD，CAPP，CAM，CAE等系統間需要傳遞信息，由于所傳遞的信息復雜，采用文件交換方式很難滿足要求。

4.知識庫交換知識庫交換與數據庫交換內容基本相同，僅要求對數據庫進行約束檢查。這種交換是考慮到發展的需求而設立的。

STEP不僅是一項國際標準，而且還是一種思想、一門技術、一種方法學。它的出現對產品信息建模、信息集成與交換帶來了深遠的影響。本章從應用的角度，闡述了STEP給應用帶來的積極的作用，同時指出了目前面臨的困難。

1.STEP應用的需求（1）產品開發部門的需求。（2）CAx和DBMS軟件廠商的需求