（机械电子工程专业论文）基于stepnc数控标准的研究.pdf

基于s t e p n c 数控标准的研究 摘要 本文在分析传统数控加工g 、m 代码的局限性的基础上，引入新一代数控标 准s t e p n c 的概念。对于与s t e p n c 相关的两个国际标准系列i s 01 0 3 0 3 及i s 0 1 4 6 4 9 进行了深入细致的研究。 描述了s t e p 标准i s 01 0 3 0 3 的体系结构，说明了i s 01 0 3 0 3 的描述方法、 实现方法、应用协议、应用集成构造、应用模块、集成资源、一致性测试方法 与框架和抽象测试套件，并分别阐述了s t e p ( i s o1 0 3 0 3 ) 的若干重要标准；分 析研究了s t e p n c 标准i s 01 4 6 4 9 的体系结构，阐述了i s 01 4 6 4 9 关于综述、 铣削和车削的标准。 归纳总结了国际上s t e p n c 的研究项目及其进展情况。 在上述工作的基础上，论文选取i s o1 4 6 4 9 1 1 标准附录中给出的一个 s t e p - n c 铣削程序实例，根据i s o1 4 6 4 9 标准对于数据模型之规定，对实例进 行了详细分析。 讨论了s t e p n c 的研究仍然面临的问题以及发展前景。 关键词：数控标准s t e ps t e p n ci s o1 0 3 0 3i s o1 4 6 4 9 t h er e s e a r c ho ns t e p n cs t a n d a r d s a b s t r a c t a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lg & mc o d e s ，t h i sa r t i c l e b r o u g h tt h ec o n c e p to f s t e p - n c ，w h i c hi st h en e ws t a n d a r do fn u m e r i cc o n t r 0 1 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d si s o1 0 3 0 3 & i s 01 4 6 4 9a r er e s e a r c h e d w h i c hh a v em u c h t od ow i t hs t e p n c t h es t r u c t u r eo fi s o1 0 3 0 3 ( s t e ps t a n d a r d ) i se x p l a i n e d t h e d e s c r i p t i o n m e t h o d s ，i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，a p p l i c a t i o np r o t o c o l s ，a p p l i c a t i o ni n t e g r a t e d c o n s t r u c t s ，a p p l i c a t i o nm o d u l e s ，i n t e g r a t e dr e s o u r c e s ，c o n f o r m a n c et e s t i n g m e t h o d o l o g ya n df r a m e w o r k 。a b s t r a c tt e s ts u i t e so fs t e po x ei n t r o d u c e da n ds o m e i m p o r m n tp a n so fs t e ps t a n d a r da r ee x p l a i n e d t h es t r u c t u r eo fi s o1 4 6 4 9 s t a n d a r di sa l s oe x p l a i n e d t h es t e p - n cs t a n d a r d sa b o u to v e r v i e w ，m i l l i n g ，a n d t u r n i n ga r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y s o m ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hp r o j c o t sa n dd e v e l o p m e n ta b o u ts t e p n ca r e s u m m a r i z e di nt h ed i s s e r t i o n o nt h eb a s i so fw o r k sa b o v e ，o n eo ft h es a m p l es t e p n cp r o g r a m m e sa b o u t m i l l i n gi nt h ea p p e n d i xo fi s o1 4 6 4 9 - 1l i ss e l e c t e da n de x p l a i n e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ed a t am o d e ls p e c i f i e di ni s o1 4 6 4 9 s o m ep r o b l e m sa n dt h ep r o s p e c ta b o u ts t e p n ca r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：n cs t a n d a r d s t e p s t e p n ci s o1 0 3 0 3i s o1 4 6 4 9 插图清单 图1 - 1 数控技术从设计到制造的流程2 图1 - 2 传统数控系统从c a m 到c n c 的流程3 图2 - 1s t e p 标准的基础结构模型6 图2 2s t e p 标准的应用层、逻辑层、物理层6 图2 3i d e f o 结构表示图1 0 图2 - 4s t e p 模型之间的关系1 0 图2 - 5e x p r e s s 语言及e x p r e s s g 图的一个例子1 4 图3 - 1i s o1 4 6 4 9 的数据结构2 l 图3 2 数据模型的总体描述2 2 图3 - 3 用e x p r e s s - g 图表达的简化数据模型2 3 图3 - 4s t e p - n c 应用活动模型( 总体) 2 9 图3 - 5 三种类型的s t e p c n c 3 l 图3 - 6o n c 系统的基本体系结构3 3 图3 7 开放式数控系统的功能区及功能组件3 3 图4 一lc a d c a m 系统与c n c 系统的组合，美国2 0 0 5 年4 2 图4 - 2 加工特征所在的零件4 3 图4 - 3 闭环加工，美国2 0 0 5 年4 3 图4 4s t e p - n c 五轴加工，法国2 0 0 6 年4 4 表2 一l 表5 1 表5 - 2 表5 - 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 - 7 表5 - 8 表5 9 表5 - 1 0 表5 一l l 表5 - 1 2 表5 一1 3 表5 1 4 表5 - 1 5 表5 - 1 6 表5 - 1 7 表5 - 1 8 表5 1 9 表5 2 0 表5 2 l 表5 - 2 2 表5 - 2 3 表5 2 4 表5 2 5 表5 2 6 表5 2 7 表5 2 8 表5 - 2 9 表5 - 3 0 表5 - 3 1 表5 - 3 2 表5 3 3 表格清单 e x p r e s s 与交换文件结构的数据类型映射简表1 5 1p r o j e c t 实体的属性4 8 # 2w o r k p l a n 实体的属性4 8 # 4w o r k p i e c e 实体的属性4 9 # 6m a t e r i a l 实体的属性4 9 # 8s e t u p 实体的属性4 9 # 9w o r k p i e c e s e t u p 实体的属性5 0 # 1 0m a c h i n i n g w o r k i n g s t e p 实体的属性5 0 # 1 6p l a n a r f a c e 实体的属性5 1 # 1 7r o u n d h o l e 实体的属性5 2 # 1 8c l o s e d p o c k e t 实体的属性5 2 # 1 9p l a n e f i n i s h m i l l i n g 实体的属性5 3 # 2 0d r i l l i n g 实体的属性5 4 # 2 1r e a m i n g 实体的属性5 5 # 2 2b o t t o m a n d s i d e _ r o u g h m i l l i n g 实体的属性5 5 # 2 3b o t t o m a n d s i d e f i n i s h m i l l i n g 实体的属性5 6 # 2 41 i n e a r p a t h 实体的属性5 7 # 2 51 i n e a r p r o f i l e 实体的属性5 8 # 2 8g e n e r a l c l o s e d p r o f i l e 实体的属性5 8 # 2 9t a p e r e d _ e n d m i l l 实体的属性5 8 # 3 0t o o l d i m e n s i o n 实体的属性5 9 # 3 1t w i s t d r i l l 实体的属性5 9 # 3 3t a p e r e d r e a m e r 实体的属性6 0 # 3 5t o l e r a n c e d l e n g t h m e a s u r e 实体的属性6 0 # 3 6p l u sm i n u s v a l u e 实体的属性6 0 # 3 9m i l l i n g c u t t i n g t o o l 实体的属性6 1 # 4 0m i l l i n g t e c h n o l o g y 实体的属性6 1 # 4 1m i l l i n g m a c h i n e f u n c t i o n s 实体的属性6 2 # 4 2b i d i r e c t i o n a l 实体的属性6 3 # 4 6d r i l l i n g t y p e s t r a t e g y 实体的属性6 3 # 5 1c o n t o u r _ b i d i r e c t i o n a l 实体的属性6 4 # 5 3c o n t o u r p a r a l l e l 实体的属性6 4 # 5 7n u m e r i c p a r a m e t e r 实体的属性6 4 # 5 9p o l y l i n e 实体的属性6 5 表5 3 4 表5 3 5 表5 3 6 表5 - 3 7 # 6 0p l u n g e r a m p 实体的属性6 5 # 6 2e l e m e n t a r y s u r f a c e 实体的属性6 5 # 7 1a x i s 2 一p l a c e m e n t 一3 d 实体的属性6 6 # 1 2 5c u t t i n g c o m p o n e n t 实体的属性6 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：胡静签字日期：z 0 0 7 年岁月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆工业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：胡静导师躲夏逸 签字日期：2 耐7 年岁月1 7 日签字日期：弦哆年j 月，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在夏链副教授和韩江教授的指导之下完成的。值此论文完成之际， 首先要衷心地感谢夏老师和韩老师在我学位论文完成过程中所给予的悉心指 导。两位导师知识渊博，治学严谨，学术见解独到，平易近人。在我近三年的 硕士学习阶段，两位导师在学习上和生活上对我的关怀与帮助，我将永远铭记。 感谢合肥工业大学c i m s 研究所的王治森教授、祖垣老师、何高清老师、余 道洋老师等给予我的帮助和指导。 感谢安徽省数字化设计与制造重点实验室提供的工作环境。 感谢李小伟、陆青松、刘向前、张栋栋、苏志远、张国权等同届同学， 感谢师弟谢捷、王整、戴文明、次青波、唐保、田艺、夏静霆、李志鹏等。 他们给予我很多帮助。与他们在一起的学习生活值得回忆。 感谢合肥工业大学2 0 0 4 级研究生2 0 班全体同学。作为班级的一员，我与 他们在一起共同度过了一段美好的时光。 感谢室友黄恭伟、张冰战两位同学在各方面给予我的帮助。 感谢合肥工业大学2 0 0 6 届毕业硕士研究生王亮、吕冬梅、辛达、赵春亮、 周晓峰、甘维强等同学。他们是我大学本科阶段的同班同学，他们在我读研期 间为我提供了很多帮助。 感谢我的父亲和母亲，他们为我付出了太多。感谢我所有的长辈、亲戚、 老师、同学、朋友对我的关心、帮助和支持。 作者：胡静 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控铣床。数控 技术出现以来，其取得了突飞猛进的发展。数控( n u m e r i e a lc o n t r o l ，n c ) 的 定义是；用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控加 工是计算机辅助设计与制造技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。但是迄 今为止，其采用的编码仍是基于i s o6 9 8 3 标准( r s 2 7 4 d ) 的。该标准的思想 可以追溯到使用穿孔纸带的时代。 1 1 什么是i s 06 9 8 3 ( 或者r s 2 7 4 d ) g 、m 代码指的是驱动n c 与c n c 机床的数控编程语言。它最初是由e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ，电子工业联合会) 于2 0 世纪6 0 年代早期开 发出来，后来在1 9 8 0 年2 月，标准的最终版本得到了批准，编号是r s 2 7 4 d ， 其对应的国际标准是i s o6 9 8 3 。 i s o6 9 8 3 ( r s 2 7 4 d ) 是目前广泛采用的数据标准，这个标准告诉c n c 系 统如何去加工一个零件。文件包含着一系列的g 、m 代码指令。这一系列的指 令几何传送给数控装置，依靠这些指令使得加工刀具按照直线或者圆弧或者其 他曲线运动，控制主轴的回转、停止、切削液的开关、自动换刀装置和工作台 自动交换装置的动作等。如果所有的指令被c n c 正确执行，那么工件就被加工 出来。每一个文件通常包含成百上千行的代码，每一个代码都是非常简单原始 的川【2 1 。 例如，g 、m 代码包含下面的元素。顺序号：以字母n 开头，其后是2 - 4 位的数字；准备功能g 指令：从g 0 0 到g 9 9 ：辅助功能m 指令：从m o o 到 m 9 9 ；尺寸指令：x ，y ，z ，i ，j ，k ；进给功能：f 指令；主轴转速功能：s 指令；刀具指令：t 。 1 2 传统的加工流程 在i s o6 9 8 3 标准体系下，使用数控技术进行生产的流程可以由图1 1 【2 】来表 示。使用传统c n c 控制器制造零件有两种方法。第一种方法是：首先绘制出 详细零件图，用i g e s 和p d f 文件将图纸传送到工厂；操作人员将i g e s 文件 读入c a m 系统，定义加工工艺，然后通过后置处理器，将加工工艺转换成特 定格式的g 、m 代码，再将g 、m 代码文件输入c n c 系统，控制机床加工出 零件。第二种方法是采用集成的c a d c a m 系统，该系统输出a p t 语言，再 经过后置处理，生成g 、m 代码，将g 、m 代码文件输入c n c 系统，控制机 床加工出零件。 传统方法2 图l - 1 数控技术从设计到制造的流程【3 l 1 3g 、m 代码的局限性 由于加工处理的效率比较高，加工精度比较高，操作相对比较容易，使用g 、 m 代码的数控系统目前在全世界范围内被广泛使用，并且大多数数控系统都是 基于g 、m 代码的。但是，它的缺点和局限性确是客观存在的，并且不能很好 地适应制造业进一步发展的需要。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 由于存在着i s o6 9 8 3 标准缺乏更进一步的发展、机床的配置在不断发生 变化、在互操作协调工作方面的要求没有得到重视等原因，很少有机床控制器 ( c n c s ) 完全依赖于这个标准。各个机床的制造商总是对其指令进行独立的扩 展和修改，并且将新的功能特征扩展到控制器中。这就意味着机床的操作者要 熟悉他们所使用的特定机床的“方言”和“风格”，而这些并没有被标准化。 所以，为某个特定c n c 所写的程序可能不能用于另外的供应商的c n c ，针对 同一零件的编程在不同控制系统之间不能通用，不同控制系统之间互不兼容。 而c a m 系统所支持的机床种类总是有限的，限制了某种特定c a m 系统的适用 范围。图1 2 s j 表示了传统数控系统从c a m 到c n c 的流程。 ( 2 ) 从c a d c a m 到c n c 的信息传输是单向的，c n c 只是被动地执行命令， c n c 接收的机床控制数据是为了完成对工件的加工所定义的相对于机床轴而 言的刀具的运动，它是一种层次很低的指令【4 】( 5 l 。c n c 无法获取关于它们所执 行的任务或者它们所加工的工件的高层次信息。c a d c a m 系统也无法得知机 床的运行情况。不支持系统的集成和数据共享，不支持先进制造模式，很难对 c n c 控制进行优化。 ( 3 ) g 、m 代码只定义机床的运动和转换动作，丢失了尺寸公差、精度要求、 表面粗糙度等大量有用信息，因此c n c 系统不能获得完整的产品信息，无法实 现真正的智能化。 依 控 图卜2 传统数控系统从c 腿n c n c 的流程 1 4s t e p - n c 概念的提出 由于传统的机床控制系统存在局限性，以及目前的数控加工指令代码标准 i s o6 9 8 3 ( g ，m 代码) 存在着问题，一种被称为s t e p - n c 的新的加工代码标准 ( i s o1 4 6 4 9 ) 正在被开发，s t e p n c 标准的某些部分已经制定出来，成为正式 的标准或者标准草案。 与s t e p n c 概念相联系的是s t e p 标准，s t e p 标准是一个体系庞大的标准， 它的全称是产品数据模型交换标准，s t e p 标准对产品信息提供了完整、明确、 无歧义的描述，目的是促进产品数据信息的集成与交换。目前s t e p 标准在机械 方面的应用主要还是在c a d 领域。主流的c a d 设计软件都支持与s t e p 格式之间 的互相转化。 然而s t e p 标准只是涵盖了产品的设计信息，并没有涉及到产品的工艺规 划、制造领域。也就是说目前在实际应用中s t e p 标准仅仅是在c a d 领域，不涉 及c a m 、c a p p 、c n c 。( 注意：此处所说的s t l 弹不包括a p2 3 8s t e p n c 。) 为了在更广泛的范围内实现产品信息的集成，所谓的“s t e p - n c ”对几何数 据交换标准进行了扩展，s t e p n c 标准通过定义c a m i 艺规划与n c 控制系统 的接口，将s t e p 数据交换格式扩展到了制造领域，s t e p n c 数据模型于是产生 了。s t e p n c 数据模型包括了产品的全部信息，它是对产品( 零件) 及其制造 过程的完整描述。s t e p n c 作为中性的数据描述，是独立于c a m 和机床控制器 的，它相对于传统的数控加工而言，是一种全新的思路，它所描述的是对零件 而言的加工过程f 4 】。有文献称s t e p n c 的出现将会在未来给数控技术乃至整个 制造业带来革命性的影响。 1 5s t e p n c 的优点 基于s t e p n c 的数控系统具有以下优点： ( 1 ) 促进c a d 、c a m 、c n c 的集成，提高生产效率，减少工艺规划时间和数 据准备时间，减少在图纸绘制等方面的重复劳动。 ( 2 ) 符合s t e p n c 要求的智能c n c 控制器实现之后，由于智能控制器具有加 工优化功能，可以减少加工时间。 ( 3 ) s t e p n c 的最终目标是消除后处理，它是与机床独立的，s t e p - n c 的数 据模型不是针对特定机床的。s t e p n c 的目标之一也是为了解决在不同机床之 问后处理各不相同的问题。 ( 4 ) 避免信息丢失。s t e p n c 提供了完整的产品信息模型，包括几何信息、技 术信息、刀具信息、任务信息等【4 1 。在产品从设计到制造的不同的阶段不存在 信息的丢失。 ( 5 ) 实现c a d c a m 与c n c 系统之间的双向信息流。不仅c a d 系统的设计信息 最终可以传递到c n c ，而且在车间的c n c 端所作出的修改也可以被保存并且反 馈到设计部门。 需要指出的是，由于s t e p n c 的理论和实践仍在不断发展之中，并不完善， s t e p n c 追求的目标仍未完全实现。 1 6 本论文的主要内容 本论文的第一章是绪论部分，通过对传统g 、m 代码的局限性的分析引入 s t e p n c 的概念。 第二章对s t e p 标准进行介绍。s t e p n c 概念的提出是是以s t e p 为基础的。 本章说明了s t e p 标准的体系结构，并且分别阐述了其中的一些重要标准，这些 重要的标准是s t e p n c 标准的基础，或者是被s t e p n c 标准所引用。 第三章对s t e p n c 标准进行学习与研究。所谓s t e p n c 标准，一般是指i s o 1 4 6 4 9 。其在s t e p 标准中也有一个集成版本，即i s o1 0 3 0 3 2 3 8 。第三章对这两 者都进行了解释，并且讨论了s t e p n c 的发展前景以及存在的若干问题。 第四章总结了s t e p n c 在国际上的研究项目的一些情况，这些项目包括 i m ss t e p n c 项目、s u p e rm o d e l 项目等。文章还对国际上近年来关于s t e p n c 研究进展与成果的展示进行了介绍。 第五章选取了i s o1 4 6 4 9 1 l 附录中的一个s t e p ，n c 铣削加工程序，主要在 参考i s o1 4 6 4 9 1 0 ，i s o1 4 6 4 9 - 1 1 ，i s o1 4 6 4 9 1 l l 标准对于数据模型的规定以 及i s o1 0 3 0 3 - 1 1 ，i s o1 0 3 0 3 - 2 1 这两个工具的基础上，对这个加工程序特别是其 所涉及的由e x p r e s s 语言定义的实体的属性进行了较为详细的解释。 第六章是本论文的结尾部分，进行总结和展望。 第二章s t e p 标准体系i s 01 0 3 0 3 2 1 产品数据交换标准s t e p 国际标准化组织( i s o ) 工业自动化与集成技术委员会( t c l 8 4 ) 下属的第 4 分技术委员会s c 4 ( 即i s ot c i8 4 s c 4 ) 开发了产品模型数据交换标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) ，编号是i s o1 0 3 0 3 。s t e p 是适用于用计算机对产品数据进行表达和交换的一个国际标准系列。标准的目 标是建立一种完整的，明确无歧义的，中性的，计算机可处理的标准来表示产 品全生命周期的产品数据，并且独立于任何特定的系统。除了表达产品数据之 外，标准还需要有相应的机制和定义来使得能够进行产品交换。交换是在与包 括设计和制造在内的完整的产品生命周期过程相关的不同计算机系统和环境中 进行的，在这些过程中生成的产品信息被用于许多计算机系统中，其中一些计 算机系统可能位于不同的部门之内。为了支持这种使用，这些不同的部门必须 以一种共同的计算机可以理解的形式来表达各自的产品信息，这种形式是当进 行数据交换时为了保持数据的完整性和一致性所需要的。s t e p 标准不仅仅适 合于中性文件交换，还是实现和共享产品数据库的基础，也是资料存档的基础。 s t e p 标准的最终目标是实现一个集成的产品信息数据库，并且这个数据库对 于用于支持产品全生命周期活动的所有需要的资源来说是可以访问的和有用的 【6 l 【7 1 。 s t e p 标准为c a d c a m 系统提供了一种中性机制，它规定了产品设计、 制造以至于产品全生命周期内所需要的有关产品形状、解析模型、材料、加工 方法、装配顺序、加工方法、装配顺序、检验测试等方面信息的定义和数据交 换的外部描述。它提供了健壮的信息模型。因此，s t e p 标准能够解决生产过 程中产品信息的共享以及从根本上解决c i m s 信息的集成问题。 s t e p 标准的开发需要使用以下内容作为基础：信息模型，产品数据建模框 架，正式的数据规范语言，以及用于将信息需求与实现方法区分开的一个架构 i s 。s t e p 标准的使用可以带来经济效益，根据调查，在美国，航空、汽车、船 舶等企业每年在生产实施中使用s t e p 标准可节约总共1 5 亿美元f 9 1 。 2 2 s t e p 的组成部分 s t e p 是一个体系十分庞大的标准系列，由很多部分组成。它涉及机械、 电气、船舶、建筑等多个学科。文献【l o 】给出了s t e p 标准的全部名称目录内容。 文献【l l 】s t e po nap a g e ”列出了s t e p 标准进展的情况。 在s t e p 系列标准中的每一个标准被称为一个“部分( p a r t ) ”，并单独发 表。s t e p 标准从结构上可分为以下8 个类别：描述方法、实现方法、集成资 源、应用协议、抽象测试套件、一致性测试【6 l 【m 】【1 1 1 。后文将分类进行介绍。 从层次上来说，s t e p 标准分为应用层、逻辑层、物理层。应用层面向具体 应用，包括应用协议及对应的抽象测试套件，以形式化语言或图表的方式表达 各应用领域内的产品信息参考模型：逻辑层从实际应用中抽象出来，包括通用 集成资源和应用集成资源，用来描述不同的产品信息模型，并通过形式化规格 说明与物理层建立联系；物理层为最下层，包括实现方法，给出具体在计算机 上的实现形式。下图表示了s t e p 标准的三层结构d 2 1 。 固圉 图2 - 1s t e p 标准的基础结构模型 图2 2s t e p 标准的应用层、逻辑层、物理层 2 2 1 描述方法( d e s c r i p t i o nm e t h o d s ) s t e p 标准第1 1 ，1 2 ，1 4 部分是关于描述方法的。其中第1 1 部分是关于 e x p r e s s 语言的。e x p r e s s 语言是s t e p 标准使用的正式的规范语言，由该 语言来详细描述所要表达的产品信息。这种正式的语言保证了产品信息表达的 6 准确性和一致性，并且推动了实现方法的发展。 e x p r e s s 语言是s t e p 标准的不可缺少的一个重要组成部分。e x p r e s s 为一种正式( f o r m a l ) 、无歧义的文字形态资料描述语言，也是一种模型建构语 言( m o d e l i n gl a n g u a g e ) 。其具有面向对象及继承的特性。但它是一种静态的资 料描述结构，并非实际编程语言。它可以进行编译( c o m p i l e ) ，但却无一般程 式语言具有的输入及输出的功能，因此它不能被执行产生任何结果。 e x p r e s s g 则是描述e x p r e s s 资料架构的图形化表示法，为人们提供了建立 和理解模型的更佳途径。通过这种图形化的表示，模型中各个实体和属性的关 系将更容易被理解和表现【l ”。 e x p r e s s 语言语法是按照沃思语法表示法( w i n hs y m a xn o t a t i o n ) 方案 定义的1 1 4 。前文已经指出，e x p r e s s 作为s t e p 标准的描述方法。e x p r e s s 语言的主要作者称这种语言是一种面向对象风格的信息描述语言。e x p r e s s 语言是一种在产品建模领域广泛使用的数据定义语言。e x p r e s s 语言已经在 i s ot c l 8 4 s c 4 更为广阔的活动中被s t e p 本身广泛使用。e x p r e s s 语言的意 义在于很多的产品模型都是用这种语意丰富的可用计算机处理的语言来定义 的。 2 2 2 实现方法( i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ) s t e p 标准第2 1 到第2 9 部分是关于实现方法的。s t e p 标准的实现方法是 一种数据交换的方法，是指用什么方法或格式在具体领域实现数据交换。s t e p 的各种实现方法，是将描述方法映射为相应的形式语言，这种映射不依赖于应 用协议。映射结果以一种形式化的符号来描述。s t e p 至少有交换文件结构、 标准数据访问接口、x m l 这三种实现方法。在这三种方法中，使用最为广泛的 是交换文件结构。本论文研究的重点也在于交换文件结构。 2 2 2 1 交换文件结构 为了传递由e x p r e s s 语言所表达的信息，s t e p 标准通常采用的是中性文 件的实现方法。i s o1 0 3 0 3 2 1 就是关于交换文件结构的实现方法。该标准规定 了一种把e x p r e s s 语言中确立的概念模型用于产品数据纯正文编码交换文件 结构的格式。这一文件格式适合于在计算机系统之间进行产品数据的传输。该 标准中对e x p r e s s 语言向交换文件结构语法的映射做了规定。e x p r e s s 模式 能够映射到交换文件结构的语法【1 5 l 【l “。s t e pp a n2 1 格式是一个a s c i i 数据 格式，这种格式用来在s t e p 使用者之间交换由e x p r e s s 模型定义的数据。 p a x2 l 格式是在x m l 成为一种流行的在系统之间交换数据的格式之前出现的。 2 2 2 2 标准数据访问接口( s d a i ) s d a i 是s t e p 的另外一种实现方法，其全称为s t a n d a r dd a t aa c c e s s i n t e r f a c e ( 标准数据访问接口) 。s d a i 定义了一个抽象的应用程序接口 ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) ，工作于e x p r e s s 语言定义所给定 的数据模型的应用数据。s d a i 允许用户的各种应用通过接口存取产品数据， 此存取接口可用多种程序语言进行设计。s d a i 的目标是通过实现具体工程应 用在数据库之间的可移植性来减少集成产品数据库的成本【1 7 1 ”】。 i s o1 0 3 0 3 2 2 包括了对于s d a i 的功能性的描述，i s o1 0 3 0 3 2 3 是关于 s d a i 的c + + 语言绑定，i s o1 0 3 0 3 2 4 是关于s d a i 的c 语言绑定，i s o1 0 3 0 3 2 7 是关于s d a i 的j a v a 语言绑定。在具体开发过程中，需要从c + + 语言、c 语 言、j a v a 语言中选择其一，遵从相对应的标准，并且符合i s o1 0 3 0 3 2 2 的功 能要求】【1 8 1 。 s d a i 及其到特定编程语言绑定的最初目的是实现不同实施方法之间软件 应用的可移植性。但由于商业实施相对较少，并且在a p i 的细节上是显著不同， 这种目的随后被放弃。如今s d a i 这个术语有时用来指支持s t e p 的各类a p i ， 即便它们只是部分地支持i s o1 0 3 0 3 2 2 定义的功能及其实施方法 1 8 j 。s t e p 标 准的第3 5 部分i s o1 0 3 0 3 - 3 5 ( a b s t r a c tt e s tm e t h o d sf o rs d a ii m p l e m e n t a t i o n s ) 提供了检验s d a i 实施方法一致性的正式方式。 s d a i 的主要组成部分包括l i ”： ( 1 ) s d a i 字典模式( s d a id i c t i o n a r ys c h e m a ) 。它是一个e x p r e s s 元层次( m c t a l e v e l ) 模式，用于描述e x p r e s s 模式。 ( 2 ) 管理对象( m a n a g i n go b j e c t s ) 。管理对象包括s d a is e s s i o n 、s d a ir e p o s i t o r y 、 s d a im o d e l 、s c h e m ai n s t a n c e 。s d a is e s s i o n 用于控制包括可选处理控制在内 的用于单用户线程的整个s d a i 环境。s d a ir e p o s i t o r y 通常是一个用于在物理 上存储s d a i 模型和模式引例的“容器”，例如数据库。s d a im o d e l 是s d a i r e p o s i t o r y 的一个分支，s d a i m o d e l 包含着依照特定e x p r e s s 模式的实体引例。 s c h e m ai n s t a n c e 是关于一个或者多个s d a i 模型( s d a im o d e l ) 的逻辑上的分 组，s c h e m ai n s t a n c e 依据特定的e x p r e s s 模式组成有效的成员。 ( 3 ) 操作( o p e r a t i o n s ) 。它用于处理管理对象；对应用数据进行创造、删除 或者修改；依据e x p r e s s 指定的所有约束和规则对应用数据进行验证。 2 2 2 3x m l 实现 x m l 可以作为s t e p 的另外一种实现形式。x m l 语言是可扩展标记语言 ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 是由s g m lf s t a n d a r dg e n e r a l i z e d m a r k u pl a n g u a g e ，i s o8 8 7 9 ) 发展变化而来的一种简单灵活的文本格式。x m l 8 最初是设计用来满足大规模电子出版的挑战，而目前它在网络等广泛的领域交 换数据方面发挥着重要作用 1 9 1 。x m l 格式与交换文件结构的风格不同之处在 于：x m l 包含着冗余数据，占用的空间比交换文件结构更大，然而x m l 相对于 交换文件结构来说，可以使数据更容易被编程者和程序使用者理解。s t e p 也在 寻求用x m l 文件格式代替交换文件结构对e x p r e s s 进行表达，i s o1 0 3 0 3 2 8 标 准 2 0 1 就是关于如何用x m l 语言对e x p r e s s 语言的规定的模式和数据进乎亍编码 表达的方法，可以记为s t e p x m l 。 2 2 3 应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c o l s ) 2 2 3 1 应用协议概述 s t e p 标准定义了很多应用协议，应用协议是描述信息需求以及保证可靠数 据通讯的机制。应用协议用于在一种或者多种指定的应用领域中详细说明产品 信息的表达。s t e p 标准的发展的重点之一就在于各类应用协议的开发。应用 协议定义了前后关系、范围、信息需求，以及用于满足信息需求的s t e p 资源 构造。应用协议是用于交换关于产品生命周期活动的特定工业的信息模型。具 体的应用协议的范围中会规定产品的类型、在产品生命周期中的阶段、所需要 的产品数据类型、产品数据的使用、使用产品数据的规则，此外，应用协议还 会列举出实现应用协议进行一致性测试的一致性需求。应用协议是应用解释模 型( a i m ) 、一致性级别( c c ) 、抽象测试套件( a t s ) 的组合，应用协议为 i s o1 0 3 0 3 的实施奠定了基础，并且为应用协议实施的一致性测试提供了抽象 测试套件，以满足特定工业领域的明确的产品数据需求【8 l 【1 7 】。 2 2 3 2 应用协议的几个模型 应用协议采用了三种模型，分别是应用活动模型( a a m ，a p p l i c a t i o n a c t i v i t ym o d e l ) 、应用参考模型( a r m ，a p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 和应用 解释模型( a i m ，a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t e dm o d e l ) 。这些模型的具体含义与所依 赖的应用协议有关。 应用活动模型用于描述在特定工业活动的应用领域使用和产生产品数据的 活动和过程。应用活动模型应当由i d e f 0 语言来描述，i d e f o 是一种正式的过 程建模语言。i d e f 0 图的形式如图2 3 【4 】所示。 应用参考模型规定了概念上的结构和约束，用于描述具体应用的信息需求。 它描述了应用活动模型所定义的信息流的范围内的细节上的数据需求。a r m 应 当使用形式化的建模语言例如e x p r e s s ，i d e f i x ，n i a m 来编写，其中s t e p 标准中应用较多的是e x p r e s s 语言。在a r m 中每一个信息需求都应当有一个标 准化的定义。 应用解释模型满足了应用参考模型的数据需求，a i m 包含挑选出来的集成 资源，这些资源是受约束的，专门化的或者是完整的，用于支持a r m 的信息 需求。a i m 应当由e x p r e s s 或e x p r e s s g 来定义。 几个模型之间的关系可以用图2 4 【2 1 l 来表示 输入 控制 机制 图2 - 3i d e f 0 结构表示图 定义活动与数据流 详细的应用数据需求 满足需求的s t e p 概念模型 通用s t e p 解决方案能力 输出 图2 4s t e p 模型之间的关系【2 1 】 2 2 3 3 应用协议的一致性级别 s t e p 的应用协议包括了不同的一致性级别( c o n f o r m a n e e c l a s s ，简称c c ) 。 s t e p 的应用协议要求所有实体以某种一致性级别来实施。这种明确的一致性需 求是为了避免由必选和可选元素共存所引起的混乱。以往的标准的可选项的实 施通常会导致不同实施之间的风格不同。在这种情况之下，虽然不同的具体应 用之间都符合相同的规范，但是由于它们使用了不同的可选元素集，可能造成 互不兼容的情况。例如，i g e s 中性格式规范以及r s 2 7 4 d 机床控制语言规范就 存在着这样的问题，由于标准中存在着可选项，导致很多的具体实现之间互不 兼容。为了避免这种情况，s t e p 标准包括了严格的一致性