數(shù)據(jù)交換技術(shù)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換技術(shù)前言產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的方式IGES文件的圖形數(shù)據(jù)交換STEP標(biāo)準(zhǔn)其他格式的數(shù)據(jù)交換

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的無紙化，首先要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的數(shù)字化，以便能在異地或同地的設(shè)計(jì)、工藝、加工部門間、在制造商和供應(yīng)商之間、在不同CAx系統(tǒng)之間順利地進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。這就要求數(shù)字化產(chǎn)品模型應(yīng)包含產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)周期中所有的信息，以達(dá)到產(chǎn)品模型信息的統(tǒng)一與共享。其次要規(guī)定數(shù)據(jù)交換的方式。為此必須制定產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，本章主要介紹IGES和STEP產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。自學(xué)DXF文件數(shù)據(jù)交換相關(guān)內(nèi)容產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的方式產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的方式主要有3種：1.專用數(shù)據(jù)格式的交換（點(diǎn)對點(diǎn)交換）2.標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的中性文件的交換（星式交換）3.統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換專用數(shù)據(jù)交換方式的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行效率高，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)數(shù)n增大時(shí)，接口數(shù)量急劇增加；此外當(dāng)某一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，與之相關(guān)的接口必須改變。專用數(shù)據(jù)格式的交換如圖1：ABDCAB接口1接口2圖1專用數(shù)據(jù)格式的交換接口數(shù)＝n(n-1)

n：系統(tǒng)個(gè)數(shù)如n＝6，接口數(shù)＝30中性文件交換方式的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)數(shù)n增大時(shí)，接口數(shù)量不會增加過多。缺點(diǎn)：每次均需通過前、后處理器接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，運(yùn)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(shù)2n如n＝6，則接口數(shù)＝12圖2中性文件的交換統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換方式的優(yōu)缺點(diǎn)：無需接口，集成性好，運(yùn)行效率高，但實(shí)現(xiàn)的難度大。統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換的圖示（圖3）：ABC數(shù)據(jù)管理軟件統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型圖3統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換IGES文件的圖形數(shù)據(jù)交換IGES概述IGES文件的結(jié)構(gòu)IGES產(chǎn)品模型IGES應(yīng)用中存在的問題IGES由ANSI公布為美國標(biāo)準(zhǔn)。我國的標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T14213－93。IGES在不同版本中的內(nèi)容是有變化的。IGES的目標(biāo)是要定義不同CAD系統(tǒng)間幾何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換格式。IGES重點(diǎn)支持下列模型的數(shù)據(jù)交換：二維線框模型、三維線框模型、三維表面模型、三維實(shí)體模型、技術(shù)圖樣模型。1992年以后IGES版本不再發(fā)展，但現(xiàn)在大多數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行用戶應(yīng)用程序的開發(fā)，本節(jié)對IGES規(guī)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(jìn)制格式。本節(jié)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(biāo)識；全局參數(shù)段（global)，用G標(biāo)識；目錄條目錄段（directoryentry)，用D標(biāo)識；參數(shù)數(shù)據(jù)段（parameterdata)，用P標(biāo)識；結(jié)束段（terminate)，用T標(biāo)識。

文件每行80個(gè)字符，每段若干行。IGES產(chǎn)品模型1.實(shí)體2.IGES的產(chǎn)品模型IGES標(biāo)準(zhǔn)采用實(shí)體來定義產(chǎn)品模型。實(shí)體為基本的信息單位，可以是單個(gè)幾何元素，也可以為若干實(shí)體的集合。實(shí)體集合（即結(jié)構(gòu)）可規(guī)定其相聯(lián)性和特性，相聯(lián)性定義實(shí)體之間的聯(lián)系；特性規(guī)定實(shí)體集的顏色、線寬等特性。實(shí)體分為幾何實(shí)體與非幾何實(shí)體兩大類。

1）幾何實(shí)體幾何實(shí)體用來定義與物體形狀有關(guān)的信息，以

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

2）非幾何實(shí)體非幾何實(shí)體提供將有關(guān)實(shí)體組合成平面視圖的手段，并可使用注釋和尺寸標(biāo)注。非幾何實(shí)體分為：（1）注釋類實(shí)體；(尺寸、剖面線等）（2）結(jié)構(gòu)類實(shí)體。（圖樣、線型定義、關(guān)聯(lián)引用等）IGES所定義的產(chǎn)品模型包括以下內(nèi)容：（1）幾何實(shí)體。（2）模型空間及變換矩陣。（3）圖紙?jiān)兀醋⑨專＃?）結(jié)構(gòu)實(shí)體。（5）用戶自定義實(shí)體。IGES應(yīng)用中存在的問題（1）IGES“風(fēng)味”問題。不同CAD系統(tǒng)間采用IGES文件進(jìn)行交換，圖形發(fā)生失真現(xiàn)象，稱為“IGES風(fēng)味”問題。其原因是：交換雙方實(shí)體類型子集不同；實(shí)體自己雖同，但具體的實(shí)體定義或代碼不同；交換雙方硬件環(huán)境不同，出現(xiàn)不同圓整精度。（2）不能定義產(chǎn)品的全部信息，即不能構(gòu)成完整的產(chǎn)品信息模型，只能描述產(chǎn)品的幾何信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。（3）IGES標(biāo)準(zhǔn)本身不夠完善，如格式過于復(fù)雜、定義不夠嚴(yán)格、缺乏實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)性意見等。STEP標(biāo)準(zhǔn)STEP標(biāo)準(zhǔn)概述STEP標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容描述方法集成信息資源應(yīng)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法STEP應(yīng)用STEP標(biāo)準(zhǔn)由ISO工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)委員會（TC184）第四分委會（SC4）制定，并于1988年公布為STEP1.0，標(biāo)準(zhǔn)號為ISO10303。我國的標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T16656。制定STEP標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)目的：一是統(tǒng)一產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表示；二是規(guī)范產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。STEP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示是想建立一個(gè)包括產(chǎn)品整個(gè)生命周期的、完整的、語義一致的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，以滿足產(chǎn)品生命周期內(nèi)各個(gè)階段對產(chǎn)品信息的不同需求，以及保證對產(chǎn)品信息理解的一致性。STEP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換是想建立一種獨(dú)立于任何CAx系統(tǒng)，具有多種形式的交換方法。STEP標(biāo)準(zhǔn)的意義是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的交換，其目標(biāo)是要統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)式。它的精髓是要描述整個(gè)產(chǎn)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(dá)能支持產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)各種活動(dòng)對模型信息的需求，即從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品消亡過程中所需的全部信息。

STEP標(biāo)準(zhǔn)是由許多部分（稱Part）組成的。圖4所示給出了STEP標(biāo)準(zhǔn)包含的五個(gè)方面的內(nèi)容，即：描述方法、集成信息資源、應(yīng)用協(xié)議、一致性測試及實(shí)現(xiàn)方法。STEP描述方法集成信息資源應(yīng)用協(xié)議一致性測試實(shí)現(xiàn)方法集成通用資源集成解釋構(gòu)件集成應(yīng)用資源圖4STEP標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容描述方法1.STEP的三層組織結(jié)構(gòu)2.參考模型3.形式化定義語言EXPRESS

STEP將產(chǎn)品信息的應(yīng)用、表達(dá)（邏輯描述）、數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)區(qū)分開來，形成了圖5的三層結(jié)構(gòu)。汽車設(shè)計(jì)船舶結(jié)構(gòu)繪圖鈑金模具設(shè)計(jì)集成信息資源（集成通用資源＋集成應(yīng)用資源＋應(yīng)用解釋構(gòu)件）Part41Part42…….Part49…….Part101……Part501…….交換模式，存儲模式應(yīng)用層表達(dá)層物理層圖5STEP的三層組織結(jié)構(gòu)1.應(yīng)用層由針對各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用協(xié)議及對應(yīng)的抽象測試集組成。2.表達(dá)層根據(jù)各應(yīng)用協(xié)議的需求模型，進(jìn)行分析、歸類，找出共同點(diǎn)，形成各種資源構(gòu)件（即圖中Part41等），統(tǒng)稱為集成信息資源，由集成通用資源、集成應(yīng)用資源和應(yīng)用解釋構(gòu)件三部分組成。3.物理層提出數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)存儲的方式。EXPRESS是一種面向?qū)ο蟮姆蔷幊陶Z言，用于信息建模，既能為人所理解，又能被計(jì)算機(jī)處理（通過EXPRESS編譯程序）。EXPRESS主要用來描述應(yīng)用協(xié)議或集成資源中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使描述規(guī)范，它是STEP中數(shù)據(jù)模型的形式化描述工具。EXPRESS語言采用模式（schema)作為描述數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)應(yīng)用協(xié)議，每種資源的構(gòu)件都由若干個(gè)模式組成。每個(gè)模式內(nèi)包含類型(type)說明、實(shí)體（entity)定義、規(guī)則（rule)、函數(shù)（function)和過程（procedure)。實(shí)體是重點(diǎn)，實(shí)體由數(shù)據(jù)（data)和行為（behavior)定義，數(shù)據(jù)說明實(shí)體的性質(zhì)，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(qiáng)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(shù)據(jù)類型模式中的各種說明表達(dá)式執(zhí)行語句各種內(nèi)部常量、函數(shù)和過程接口語句實(shí)例豐富的數(shù)據(jù)類型簡單數(shù)據(jù)類型。包括NUMBER,REAL,INTEGER,STING,BOOLEAN,LOGICAL,BINARY。聚合數(shù)據(jù)類型。有ARRY,LIST,SET,BAG命名數(shù)據(jù)類型。由用戶定義，包括ENTITY,TYPE構(gòu)造數(shù)據(jù)類型。包括ENUMERATION，SELECT模式中的各種說明一個(gè)實(shí)體說明的結(jié)構(gòu)如下：ENTITY實(shí)體標(biāo)識符；[子類，超類說明]；[顯式屬性]；[導(dǎo)出屬性]；[逆向?qū)傩註；[惟一性規(guī)則]；[值域約束]；END-ENTITY；例：定義圓為實(shí)體，使用了導(dǎo)出屬性ENTITYcircle；

center：point；

radius：REAL；

DERIVEarea：REAL：=PI*radius**2；END-ENTITY；例：單位向量為實(shí)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(shí)體A2及其它的超類B2，C2ENTITYA2；

SUPERTYPEOF（B2，C2）；

…END-ENTITY；表達(dá)式可進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，關(guān)系運(yùn)算，BINARY運(yùn)算（索引與連接），邏輯運(yùn)算，字符串運(yùn)算，聚合運(yùn)算（索引、交、和、差、子集、超集），實(shí)體運(yùn)算（關(guān)系比較，屬性訪問，組訪問，復(fù)雜實(shí)體構(gòu)成等）執(zhí)行語句如賦值語句、case、if-then-else、ESCAPE、過程調(diào)用、REPEAT、RETURN、SKIP等各種常量函數(shù)和過程如常量PI、SELF，函數(shù)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?qū)嶓w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(shí)體、類型等，但在本模式中不能獨(dú)立地實(shí)例化。實(shí)例SCHEMACE_product_definition_schema;REFERENCEFROMproduct_definition_schema;REFERENCEFROMrepresentation_schema;ENTITYproduct;

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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(shù)據(jù)，每個(gè)論題均為多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的共同的論題。集成信息資源分成三個(gè)部分：集成通用資源、集成應(yīng)用資源和應(yīng)用解釋構(gòu)件。第一部分在應(yīng)用上有通用性；后兩部分則描述某一應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，它們以來于集成通用資源的支持。集成通用資源（integratedgenericresources)Part41－49Part41：產(chǎn)品描述與支持的基本原理(ISO)(fundamentalsofproductdescription&support)。包含通用產(chǎn)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(jié)構(gòu)。Part42：幾何與拓?fù)浔磉_(dá)（ISO)(geometricandtopologicalrepresentation)。包括兩個(gè)大的模式，即幾何模式和拓?fù)淠Ｊ剑總€(gè)模式中又包括許多小模式。Part43：表達(dá)結(jié)構(gòu)（ISO)(representationstructures)。有幾何表達(dá)模式與掃描區(qū)域?qū)嶓w表示模式，包括它們的概念，它們的類型、函數(shù)、規(guī)則與實(shí)體的定義，以及分類結(jié)構(gòu)等。Part44：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置(ISO)(productstructureconfiguration)。有產(chǎn)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(jié)構(gòu)與特性（DIS)(processstructureandproperties)。集成應(yīng)用資源(integratedapplicationresources)Part101－107Part101：繪圖（ISO）（draughting)。規(guī)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(quán)模式。Part102：船舶結(jié)構(gòu)（WD）（shipstructure)。Part103：電工電子連接（E/Econnectivity)，已撤銷。Part104：有限元分析（CD）(finiteelementanalysis)。Part105：運(yùn)動(dòng)分析（ISO）（kinematics)。Part106：建筑核心模型（WD）（buildingcoremodel)。應(yīng)用解釋構(gòu)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(biāo)注(CD)(draughtingannotation)Part505：繪圖結(jié)構(gòu)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(dá)(CD)(elementaryB-rep)Part514：高級邊界表達(dá)(CD)(advancedB-rep)Part515：構(gòu)造實(shí)體幾何(CD)(constructive-solidgeometry)應(yīng)用協(xié)議

1.制定應(yīng)用協(xié)議（AP）的目的

2.應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)舉例（范圍AP201－232）

3.怎樣制定應(yīng)用協(xié)議

為避免IGES的“風(fēng)味問題”，確定STEP標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)邏輯子集，加上必須補(bǔ)充的信息，作為標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)應(yīng)用中強(qiáng)制執(zhí)行。即該行業(yè)中所使用的CAD系統(tǒng)或別的應(yīng)用系統(tǒng)在交換、傳輸與存儲產(chǎn)品數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)符合本行業(yè)應(yīng)用協(xié)議的規(guī)定。應(yīng)用協(xié)議是一份文件，用來說明如何用標(biāo)準(zhǔn)的集成資源來解釋產(chǎn)品數(shù)據(jù)以滿足工業(yè)需求，采用EXPRESS語言進(jìn)行描述。AP201：顯式繪圖（ISO）（explicitdraughting)AP202：相關(guān)繪圖（ISO）（associativedraughting)AP203：配置控制設(shè)計(jì)（ISO）（configuration-controlleddesign)AP204：邊界表示的機(jī)械設(shè)計(jì)（CD）（mechanicaldesignusingboundaryrep.)AP205：面表示的機(jī)械設(shè)計(jì)（CD）（mechanicaldesignusingsurfacerep.)AP206：線框表示的機(jī)械設(shè)計(jì)（撤銷）（mechanicaldesignusingwireframe)AP207：鈑金模具規(guī)劃和設(shè)計(jì)（DIS）（sheetmetaldieplanninganddesign)AP208：生命周期產(chǎn)品變更過程管理(CD)(lifecycleproductchangeprocess)AP213：數(shù)控加工零件工藝規(guī)劃(DIS)(numericalcontrolprocessplansformachinedparts)AP214：汽車設(shè)計(jì)核心數(shù)據(jù)(CD)(coredataforautomotivemechanicaldesignprocesses)

應(yīng)用協(xié)議的制定不是一次到位的，成熟一個(gè)公布一個(gè)。3.怎樣制定應(yīng)用協(xié)議1）建立應(yīng)用活動(dòng)模型（AAM）2）建立應(yīng)用參考模型（ARM）3）建立應(yīng)用解釋模型（AIM）4）規(guī)定抽象的測試集

STEP標(biāo)準(zhǔn)按實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的完善程度，依次規(guī)定了文件、工作格式、數(shù)據(jù)庫及知識庫4級交換實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品數(shù)據(jù)在內(nèi)存的表現(xiàn)格式，因此工作格式的交換本質(zhì)上就是對內(nèi)存的數(shù)據(jù)管理。

3.數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)庫交換能適應(yīng)數(shù)據(jù)共享的要求。在CIMS或并行工程環(huán)境下，CAD，CAPP，CAM，CAE等系統(tǒng)間需要傳遞信息，由于所傳遞的信息復(fù)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(shù)據(jù)庫交換內(nèi)容基本相同，僅要求對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行約束檢查。這種交換是考慮到發(fā)展的需求而設(shè)立的。

STEP不僅是一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)，而且還是一種思想、一門技術(shù)、一種方法學(xué)。它的出現(xiàn)對產(chǎn)品信息建模、信息集成與交換帶來了深遠(yuǎn)的影響。本章從應(yīng)用的角度，闡述了STEP給應(yīng)用帶來的積極的作用，同時(shí)指出了目前面臨的困難。

1.STEP應(yīng)用的需求（1）產(chǎn)品開發(fā)部門的需求。（2）CAx和DBMS軟件廠商的需求