（机械电子工程专业论文）基于stepap203的三维模型重建技术的研究.pdf

基于s t e p a p 2 0 3 的三维模型重建技术的研究 摘要 本论文的主要研究是基于s t e p a p 2 0 3 中性文件的产品数据信息提取并实现三维 实体模型重建。研究的具体思路为：利用三维c a d 软件进行实体建模，并且以 s t e p a p 2 0 3 中性文件形式存储；利用s t e p 标准的s d a i 接口，将中性文件中实体信息 读入电脑内存中；利用n u r b s 曲线曲面理论以及三维o p e n g l 显示技术，重新建立实 体，并在电脑屏幕上显示出来，方便后继操作。 本论文的具体研究工作为： 1 ) 研究并实现s t e p a p 2 0 3 协议中的扩展边界表示法。实现方法为参考a p 2 0 3 中的实体说明和各实体在扩展边界表示法中的相互关系建立相应的实体类； 2 ) 研究并实现s t e p 标准中的标准数据存取界面s d a i 。本论文采用c + + 的早联 编来实现s d a i ，完善了s d a i 的基础类库s c l 和基于s c l 的早联编模式翻译软件； 3 ) 采用o p e n g l 技术按照提取的实体信息对实体进行重现。具体实现方法为采 用n u r b s 统一表示各种曲面( 基本曲面和二次曲面) ，然后使用o p e n g l 的曲面显示 和裁剪函数来显示和裁剪各实体面，进而达到显示整个实体的目的。 本论文成功地进行了与三维c a d 模型之i 、日j 的信息交换及实体重现，实现了资源重 用和异构数据交换，使c a d 后继工作减少了实体建模的重复开发、设计，提高了应用 系统集成效率。而且，信息交换中采用的s d a i 技术也使应用可以采用不同的存贮技 术，从而大大地提高了信息共享和数据交换的有效性，避免了信息丢失。 关键字：s t e p ，a p 2 0 3 ，s d a i ，o p e n g l ，n u r b s ，中性文件，数据交换 r e s e a r c h e so nt h et e c h n o l o g i e so f3 dm o d e lr e b u i l d i n gb a s e d o ns t e p | a p 2 0 3 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tp r o d u c td a t ai n f o r m a t i o ne x c h a n g eb a s e do n s t e pn e u t r a lf i l ea n dt h ei m p l e m e n to f3 ds o l i dm o d e lr e b u i l d i n g t h em a i ni d e ao ft h i s p a p e ri ss o l i dm o d e l i n gw i t h3 dc a d a n dt os a v et h e mi nt h ef o r n lo fs t e pa p 2 0 3n e u t r a l f i l e ，t oi n p u tt h ei n f o r m a t i o ni nt h e mi n t oe m sm e m o r yb yt h es d a ii n t e r f a c eo fs t e p r e p r o d u c es o l i dm o d e lw i t ht h eh e l po ft h e o r i e so fn u r b sc u r v ea n ds u r f a c ea n dt h e t e c h n o l o g yo f3 do p e n g ld i s p l a y i n g ，t os h o wt h e mo nt h es c r e e na n dc o n v e n i e n c el a t e r o p e r a t i o n s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 ) s t u d y i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea d v a n c e db o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o ni n s t e p a p 2 0 3 ； 2 ) s t u d y i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h es t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ( s d a i ) i n s t e p i nt h i sp a p e r ，t h es d a ii si m p l e m e n t e db yt h ee a r l yb i n d i n go fc + + a n e a r l yb i n d i n gb a s e c l a s sl i b r a r yn a m e ds c la n das c h e m at r a n s l a t o ri s c o m p l e t e di nt h i sp a p e r ； 3 ) r e p r o d u c i n gt h es o li dm o d e le n t i t i e sb yo p e n g lw i t ht h es o l i d sg e o m e t r ya n d t o p o l o g yi n f o r m a t i o ne x t r a c t e df r o ms d a i t h i sp a p e ra d o p t st h en u r b st o r e p r e s e n ta l lk i n d so fs u r f a c e sa n du s e st h eo p e n g lt od i s p l a ya l lo ft h es o l i d f a c e s t h i sp a p e rh a ss u c c e s s f u l l yc a r r i e do u tt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fc a d e n t i t ya n d s o l i dm o d e lr e p r o d u c i n g ，i m p l e m e n t e dr e s o u r c er e u s ea n de x c h a n g eo fd i f f e r e n td a t a s t r u c t u r e s ，r e d u c er e p e a t e dm o d e l i n gf o rn e x to p e r a t i o n s ，e n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo f a p p l i c a t i o ns y s t e mi n t e g r a t i o n s d a ia l s o i m p r o v e sg r e a t l y t h ef e as o f t w a r e s p o r t a b i l i t yb yu s i n gd i f f e r e n ts t o r a g es y s t e m sa n dt h ee f f i c i e n c yo fd a t as h a r i n ga n d e x c h a n g ea n da v o i di n f o r m a t i o nl o s i n g k e y w o r d ：s t e p ，a p 2 0 3 ，s d a i ，o p e n g l ，n u r b s i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：装占哆 日期：衙，z ，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密臼，在乡年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：毵 f 刷币答轹夕 日期：勿硝年 日期：庆别年 f 多月7 7 日 | ，i 月庆7 日 | 墨赫 区赫_ 一 刍戋刍矢 1 1 引言 第一章绪论 计算机集成制造环境是信息密集型的环境，而产品生命周期包括产品的设计、制 造、使用、维护、报废等。围绕一个产品的生命周期，存在着各种各样的大量的产品 数据，诸如设计数据、工艺数据、加工数据、图纸、方案、订单、需求报告、手册、 目录等。虽然我们可以依靠计算机辅助信息处理系统( m i s 、c a x 、m r p 没、e r p 、 印刷出版系统、p d m 等) 自动或交互式地处理、创建、发布、传输信息、遗憾的是 这些信息处理系统各自服务于某一c i m s “孤岛”，相互间信息流动不畅。即使是同类 型信息，由于信息模型不一致，外部数据交换格式不统二_ j 相互之问也很难交换、共 享。 由此给制造业信息化过程造成了如下现实困难： 1 ) 信息共享程度不高。企业现有地计算机辅助工具大都是一些离散孤立地系统， 其产生地数据通常不兼容，结果产品数据无法在设计、工艺和制造等部门之 间有效实现信息共享和交换。 2 ) 应用系统集成系统效率不高。不同的信息处理系统不得不重复输入、处理同 样的数据，造成人、财、物的浪费，造成表达的信息不一致。 为了解决上述困难，满足产品生命周期各阶段对产品信息各自需要，迫切需要实 现产品数据共享。共享产品数据需要标准化的数据表达方法。，实现产- 韬信息共享的方 式很多。从实用性、合理性、可扩张性出发，有必要采用以集成、开放、标准化为中 心思想的信息集成及其支持方法，即应用有关数据结构、数据管理、操作平台、交互 界面等方面各类国际标准、主流工业标准，开发一种开放式的支持环境，为c i m s 的 实施，为产品数据的交换、共享、集成服务。 建立开放式支持环境的关键是应用国际标准或事实上的工业标准，如s q l 、 c o r b a 、s t e p 、s g m l 、x m l 、u n i x 、w i n d o w s 等，按标准化的途径描述、管理、 处理产品数据，进行产品数据交换和共享。这样，利用开放式系统的特点，可以实现 异构网络的交互可操作性，增强应用系统的可移植性，建立分布式服务体系，使系统 的成本降低，信息系统更灵活、响应更快。 i s o 国际标准s t e p 在产品数据交换方面有着显著的优点。s t e p 产品模型提供了 一个有效的产品数据交换和在计算机应用系统集成的唯一标准的可行性。该模型采用 不依赖于具体系统的中性文件格式。在所涉及的信息范围和可能的执行方式上，s t e p 都优于现今所用的交换方式( i g e s 、v d a f s 等) 。基于s t e p 技术进行产品信息交 换具有以下好处： 1 ) s t e p 为产品开发过程中相同或不同应用领域的应用系统之间信息共享和交 换奠定了基础。 2 ) e x p r e s s 信息建模语言及a a m ( 应用活动模型) 、a r m ( 应用参考模型) 、 a i m ( 应用解释模型) - - 层建模方法，为产品全生命周期的信息建模提供了一 整套完备的方法论和工具。 3 ) 借助s t e p 可实现模型的重用，s t e p 新近发展、完善了模型映射的方法及语 言( e x p r e s s m ，v ，x ) ，解决了应用系统不同版本间模型数据的兼容性问 题。 4 ) 利用s t e p 标准接口，可以使c a x 系统数据交换大大简化。如图1 1 。 不采用s t e l ) 标准掺口+ 需要n ( n 1 ) 个映射t ； 采用s t e p 标准接口一 需要2 n 个映射一 图1 1 目前各种c a x 应用系统已经得到广泛应用，尤其是繁多的二维、三维c a d 普及 很广。而各c a x 系统几乎都支持s t e p a p 2 0 3 协议，这就为系统集成和资源重用提 供了实现的途径。比如，设计工程师用c a d ( u g 等) 设计的三维产品模型，需要导 入c a e ( a n s y s 等) 软件中进行模型分析( 应力，变形等) ，来寻找设计缺陷、最优 2 化设计。利用产品模型的s t e p 中性文件重新建立模型实体，进行观察、简单分析， 可有助于更有效地进行模型分析。而对于远程访问模型数据，s t e p 中性文件可以使 模型脱离原始的c a x 创建环境，方便简练。模型重建还可以应用在c a d 下游，比如， c a m 加工中心、c a p p 工艺分析以及p d m 、e r p 和电子商务集成方面，因此利用s t e p 中性文件进行产品模型重建具有重大的理论意义和实用价值。 1 2c a d c a p p c a m 系统数据交换概况 能否实现c a d 、c a p p 、c a m 系统之间有效的、可靠的集成，涉及的因素很多； 如c a d c a p p c a m 各模块之间的数据能否共享、数据通讯、交换是否顺畅，所表达 的信息是否完备等，归纳起来主要是统一的产品定义和产品数据交换两个方面的问 题。产品数据定义就是利用计算机可以理解的语言对产品进行表达，以便进行信息 共享与交换；产品数据交换是实现c a d c a p p c a m 集成和c i m s 的基础。为此，自 8 0 年代以来，国际上尤其是西方发达国家对数据交换标准做了大量的研究、定制工作， 产生了许多的标准。如美国的d x f ，i g e s ，p d d i ，p d e s ，法国的s e t ，德国的 v d a i s ，v d a f s ，i s o 的s t e p 等，这些标准都为c a d c a m 技术在各国的推广应用起 到了极大的推动作用。 i g e s 标准是在7 0 年代末，由美国国家标准局( a n s i ) 开始研制的初始化图形交换 标准( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) ，它以机械产品的图纸作为共享数据来连 接c a d 与c a m 各系统，目的在于保证现有的计算机辅助系统之间的数据交换与共 享。i g e s 定义了产品数据交换的文件结构、语法格式以及几何与拓扑关系的表达方 法。i g e s 以后又得到不断的完善和扩充，版本不断升级，从i g e s l 0 仅包含二维图 形到i g e s 3 。0 支持曲面和三维线框模型，i g e s 4 0 版本支持构造实体模型( c s g ) 造 型技术，i g e s 5 0 支持边界表示( b r e p ) 造型技术。 p d d i ( 产品定义数据接口，p r o d u c td a t ad e f i n i t i o ni n t e r f a c e ) 是由美国麦道飞机公 司于1 9 8 2 年1 1 月开始实施的。它是在i g e s l 0 的基础上开发的，目的在于传递设计 和制造的产品定义数据，着重建立完整的产品定义数据的方法，设计产品模型与工艺、 数控、质量控制、工具设计等生产过程之间的接口。 3 p d e s ( 产品数据交换规范，p r o d u c td a t ae x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 源于美国国家标准 和技术研究所( n i s t u sn a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 所属的 i g e s p d e s 组织( i s o i g e s p d e so r g a n i z a t i o n ) 领导的p d e s 计划，其长远目标是要 制定一个能用于实体数据交换的新标准。 s e t ( 数据交换规范，s t a n d a r dd e x c h a n g ee td et r a n s f e r ) 是法国宇航局开发的与 i g e s 对应的规范，它也作为法国的国家标准，其特点是文件结构紧凑，交换数据的 效率高。 s t e p ( 产品模型数据交换标准，s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d a ld a t a ) 是由i s o 国际标准化组织) 的t c 1 8 4 s c 1 4z 工作组以p d e s 为基础开发的。目的是 研究完整的产品模型数据的交换技术，最终实现在产品的生命周期内对产品数据进行 完整一致的描述与数据交换，以便无需人工解释就能使各应用系统直接接受并共享这 些信息。s t e p 规定了与i g e s 类似的中间数据，以中性文件实现数据共享。目前该标 准在全世界得到广泛应用。 1 3 课题研究背景 1 3 1c a x 信息交换技术简介 经分析发现，目前几乎所有具有较大影响的c a d c a m 系统都配有i g e s 接口，如 u gi i 、p r o e 、c a t i a 等。i g e s 的主要应用是在不同c a d c a m 系统间交换工程图纸、 零件模型、运动学仿真和动态试验所需要的几何数据、装配或销售产品所需要的图形 文件。但是在具体应用时，经常有下列问题出现： 1 ) 交换过程中经常会出现错误或信息丢失现象 2 ) 发送系统前处理器生成的i g e s 的实体类型超出了接受系统后处理器可能 接受的实体类型的范围，以及发送系统与接受系统之间实体类型集虽然相 同，但有关属性如颜色、字体、线型等代码不同，也将使部分信息丢失。 3 ) i g e s 无法描述c i m s 环境所需的产品数据的全部信息。 4 4 1 )i g e s 文件本身规模太大，影响数据文件的处理速度，使数据传输效率不高。 由于i g e s 的缺陷，它的功能还不能满足c i m s 环境下各c a x 系统的需求，因此 产生了s t e p 标准。s t e p 的精髓是对整个产品而不是仅对其几何形状进行描述，描 述方法也是该标准内容的一部分。由于基于标准的产品数据管理的重要性已越来越广 泛的为制造业所承认，s t e p 被认为是保持企业竞争的重要工具。s t e p 较i g e s 从内 容到方法学都有了很大进步，主要对比如下： 1 )i g e s 是美国国家标准局( a n s i ) 制定的国家标准；而s t e p 是国际标准 化组织( i s o ) 制定的国际标准。 2 )i g e s 的最初开发目的是在c a d c a m 系统间交换面向图形和工程图的一 些信息，重点在产品的几何信息，后来扩展到支持一些其它领域：而s t e p 最初的开发目的是交换和共享产品信息，这些信息不仅包括几何信息，也 包括制造、检测和商业等信息，它将扩展到支持产品的整个生命周期? 3 ) i g e s 用文本文件定义，没有正式定义的产品模型或机器可理解的定义方 式；s t e p 用e x p r e s s 定义数据模型，所有的产品定义均为机器可理解的 定义方式。 4 )i g e s 的存在方式仅有正文文件，无标准二进制格式，无标准程序界 5 )i g e s 无实施需求，无实施的测试和评估，有许多不完全相容的对标准的不 同子集的实施，s t e p 有严格定义的实簏需求，不允许部分子集的实施，一 致性测量方法与工具是标准的一部分。 不同c a d c a m 系统的用途和性能不尽相同，数据结构、表达格式和类型也不同， 在利用s t e p 中性文件进行数据信息交流和共享时，也会造成产品数据信息的丢失或 错误。 虽然s t e p 数据交换方式也存在某些缺陷，但该标准已经比较成熟，是目前数据 交换实用、有效、相对较为准确的一种方式，况且该标准还在不断补充完善。本论文 所做的工作是通过对s t e p 文件结构分析，建立s t e p a p 2 0 3 模式的实体一一对应映 射，实现三维模型的重建，这为不同c a d c a m 系统中s t e p 文件后处理器的设计 提供技术支持和借鉴。 1 3 2 标准数据存取接口s d a i s d a i ( s t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ) 是由s t e p 标准提供的一个标准数据存取界 面s d a i 的目的就是针对不同的物理存贮方式而提供一个统一的、标准的数据存取机 制，这一机制操作的数据必须是以e x p r e s s 语言建模和描述的。数据的物理存储方 式可以是s t e p 文件、w o r k i n g f o r m 或数据库系统。这样基于s d a i 的应用软件就可 以以相同的接口访问模块来读写不同的物理存贮方式下的信息，达到独立于具体存贮 方式的目的。 目前国际一些软件公司专门从事s d a i 这样的中间件产品的开发，并且一些大型 c a d 软件如u g ，s o l i d w o r k s 等都采用了s d a i 来支持建立在s t e p 标准上的信息交 换。 1 3 3w i n d o w s 平台下的三维图形开发技术 w i n d o w s 平台下广泛应用的三维图形开发技术主要有两个：o p e n g l 和d i r e c t 3 d 。 1 3 3 1o p e n g l 简介 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是由s i l i c o ng r a p h i c s 公司开发的能够在w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w sn t ，m a c o s ，b e o s ，0 s 1 2 以及u n i x 上应用的三维图形开发a p i o p e n g l 的前身是s g i 公司为其图形工作站开发的i r i sg l i r i sg l 是一个工业 标准的3 d 图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好。后来，根据用户的反馈和 希望移植到开发系统的愿望，s g i 公司便在i r i sg l 的基础上开发了o p e n g l 。随后又 与微软公司共同开发了w i n d o w sn t 版本的0 p e n g l ，从而使一些原来必须在高档图 形工作站上运行的大型3 d 图形处理软件，如用于制作电影侏罗纪公园而大名鼎 鼎的s o f t i m a g e3 d ，也可以在微机上运用o p e n g l 是与硬件无关的软件接口，可以 在不同的平台之间进行移植，因此可以获得非常广泛的应用。o p e n g l 具有网络功能， 6 这一点对于制作大型3 d 图形、动画非常有用。例如侏罗纪公园等电影的电脑特 技画面就是通过应用o p e n g l 的网络功能，使1 2 0 多台图形工作站共同工作来完成的。 o p e n g l 起步较早，且其开放性和可重用性比较好，目前己成为业界标准。由于o p e n g l 的曲线、曲面及渲染功能很强，许多软件厂商特别是3 d 绘图领域的厂商都以o p e n g l 为基础开发自己的产品，其中比较著名的产品有d i s c r e e t 公司的3 ds t u d i om a x ，a l i a s w a v e l r o n t 公司的m a y a ，p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 等。 1 3 3 2d i r e e t3 d d i r e c t3 d 是微软公司专为p c 游戏开发的a p i ，与w i n d o w s9 5 和w i n d o w sn t 操作系统兼容性好，可绕过图形显示接口直接进行支持该a p i 的各种硬件的底层操 作，大大提高了游戏的运行速度。但由于要考虑与各方面的兼容性，在执行效率上未 见得最优最初的d i r e c t3 d 与传统三维领域专业级的o p e n g l 是没法比的。但借助微 软d i r e c txs d k 工具包在外围程序员中的传播，很快d i r e c t3 d 成为令大家刮目相看 i + 的3 da p i 。但d i r e c t3 d 主要应用于娱乐软件之中，很少用于3 d 绘图领域。 由以上对比，本论文采用s t e p 标准与c a d 软件交换实体模型信息，并且采用 s d a i 读取s t e p 中性文件信息，最后采用o p e n g l 技术进行实体重现 1 4 本论文所做的工作 本论文的研究以s t e p a p 2 0 3 中性文件为基础，利用s t e p s d a ic + + 早联编、 o p e n g l 三维图形显示和n u r b s 曲线曲面理论来重新建立三维模型实体，并进行相 关操作。 根据论文完成过程的进展顺序和各段工作的特点及内容，本论文的主要工作可分 为三部分： 第一部分是完整、准确地理解s t e p 标准及s t e p 文件，了解s t e p 标准的内容、 正确理解s t e p 中性文件实施的过程和s t e p 物理文件的结构是整个论文的重要准备 工作。 具体工作如下： 通过熟悉u gi i 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等著名的三维c a d 软件，了解这些 软件的产品设计过程和产品模型的s t e p 文件输出过程，以便获得s t e p 中性文件和 特定的产品数据模型( 如曲面信息等) 。 1 ) 通过熟悉、消化s t e p 标准中的应用协议2 0 3 ( 三维产品定义设置) 和与之 相关的集成资源，理解s t e p 中性文件实施的基本原理和过程，掌握a p 2 0 3 应用解释模型( a i m ) 的e x p r e s s 语言描述到s t e p 物理文件的映射关系， 归纳总结a p 2 0 3 的e x p r e s s 语言描述所用的实体关键字以及s t e p 物理 文件的结构和格式。 2 ) 通过熟练掌握c + + 语言和三维图形处理软件o p e n g l ，为程序设计打好基 础。 第二部分是根据s t e p 的标准数据存取界面s d a i 标准来设计并完善c + + 早联编 相关类库和软件。 具体工作为： 1 ) 掌握s t e p a p 2 0 3 协议中的几何实体的拓扑和继承关系。在a p 2 0 3 协议的 启发下建立自己的几何实体类构架，并使其能正确反映原协议中各几何实 体间的拓扑和继承关系。 2 ) 在s c l 及e x p t r a n s l a t o r 生成的模式相关代码的基础上设计s d a i 上层接 口模块s c l i n p u t o r ，以便将s d a i 库中的几何实体信息转换为本软件中的 几何实体信息。 3 ) 设计各几何实体类，使它们能利用s c l i n p u t o r 将s d a i 中的几何实体信息 正确转化为自己的信息，并参考a p 2 0 3 防议添加各实体类的约束。 第三部分工作是实体重建相关工作。主要是利用已经读取的信息重现并且最逼真 的重建二维实体，。包括各实体类的实现。 具体工作为： 1 ) b 样条曲线曲面理论研究及其编程实现。这里涉及到b 样条曲线有理b 样 条、带节点b 样条、准均匀b 样条、贝齐尔、均匀b 样条曲线。b 样条曲 面有有理b 样条、贝齐尔、准均匀b 样条、带节点b 样条和均匀b 样条 曲面。 2 ) n u r b s 理论的研究及其o p e n g l 实现。因为三维实体不可避免的有许多复 杂曲线、曲面，而o p e n g l 关于曲线、曲面显示的n u r b s 函数有自己的 实现原理，所以必须彻底掌握n u r b s 理论才能正确使用o p e n g l 的 n u r b s 函数来达到显示曲线曲面的目的。 3 ) 三维实体重现的实现具体工作是根据几何实体类中的三维实体拓扑及几 何信息来设计各几何实体类中的显示及相关函数，使其能利用o p e n g l 正 确重现三维实体。 9 第二章s t e p 标准及其a p 2 0 3 应用协议 2 1s t e p 标准及其应用概述 2 1 1s t e p 标准的发展和现状 随着各种数据标准的开发与应用，人们开始认识到有必要采用一种统一的标 准来实现产品数据信息的表达与交换。在美国和法国的提议下，国际标准化组织 ( i s o ) 于1 9 8 3 年1 2 月在负责工业自动化技术委员会t c l 8 4 内部成立了产品数 据的外部表示分会s c 4 ( e x t e r n a lr e p r e s e n t a t i o no f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 。 1 9 8 4 年1 1 月，在法兰克福召开第一次会议，讨论关于c a d c a m 系统的数据交换问 题，并确定标准名称为“s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g e o f p r o d u c tm o d a ld a t a ”，取其 英文字头简称为“s t e p ”。 为加速发展s t e p ，1 9 8 5 年7 月在美国的m a d i s o n 召开了第三次会议， 会议 确立了美国担任开发s t e p 的领导地位，开发s t e p 所完成的国家标准与i s o 标 准相一致经过对s t e p 进行审议，于1 9 8 8 年11 月末在东京召开会议，投票通 过了s t e p 第一版草案。1 9 9 1 年6 月，国际标准化组织的( ( i s o 公告第六期中 的一篇文章曾指出：“s t e p 项目正在开发的重要标准已经表明了潜在的影响并 迅速取得成果。” s t e p 标准从1 9 9 3 年起较成熟部分陆续发表，其正式代号为i s o 1 0 3 0 3 ，是一 个计算机可理解的关于产品数据表达和交换的国际标准。s t e p 实现产品数据交 换的方式分为四级：中性文件交换j 工作格式交换、数据库交换、知识库交换， 目前中性文件交换已经比较成熟。s t e p 应用协议横跨很宽的范围，从钣金冲模 1 0 到汽车设计，从电子学到复合材料，从数控机床编程到三维测量。s t e p 是 c a d c a m 系统在进行数据交换时所用的标准。它规定了从产品设计、开发、制 造以及全部生命周期内包括产品形状、解析模型、材料力几工方法、组装分解顺 序、管理数据等方面的必要信息定义和数据交换的外部描述。 近年来，国际社会对s t e p 高度重视，s c 4 的各种活动日益频繁，每年都有 召开年会和各种研讨会。我国也努力加强有关s t e p 方面的国际交流与合作，收 集s t e p 的有关信息，跟踪s t e p 的发展动向。目前s t e p 制定工作的重要任务是 制定众多的面向各个应用领域的应用协议，建立完整、一致、有效的集成产品模 型，提出更高的实现方式。s t e p 将成为一个由多部分组成的国际标准，以满足 所有应用c a d c a m 系统的工业部门对产品数据传输的需要。 2 1 2s t e p 标准的组成分析 s t e p 标准可分成许多部分，主要包括实现标准的方法( m e t h o d su s e dt op r e s e n tt h e s t a n d a r d ) 、执行系统机构( i m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r e s ) 、一致性测试程序( c o n f o r m a n c e t e s t i n gp r o c e d u r e s ) 资源信息模型( i n f o r m a t i o nm o d e l s ) 、应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c o l s ) 等。s t e p 的内容分成7 个系列：0 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，1 0 0 和2 0 0 系列。其中，1 0 系列为描述方法，2 0 系列为实现方法，3 0 系列为一致性测试方法，4 0 系列为通用产 品模型，1 0 0 系列为应用资源，2 0 0 系列为应用协议。 产品数据的表达和交换构成了s t e p 标准，s t e p 把产品信息的表达和用于数 据交换的实现方法区分开来。它把所有分标准分成六类，每一类包含若干p a r t ， 这些类及相应包含的部分编号为：描述方法( p a r t1 1 - 1 9 ) ；集成资源( p a r t4 1 9 9 为一般资源，p a r t1 0 1 - 1 9 9 为应用资源) ：应用协议( p a r t2 0 1 一1 1 9 9 ) ：一致性 测试方法论和框架( p a r t3 1 3 9 ) ；抽象测试集( p a r t1 2 0 1 - 2 1 9 9 ，与应用协议的 p a r t 2 0 1 - 1 1 9 9 对应) ；实现方法( p a r t2 1 2 9 ) 。 s t e p 的体系结构可以看作三层，最上层是应用层，包括应用协议集对应的抽象 测试集，这是面向具体应用，与应用有关的一个层次第二层是逻辑层，包括集成资源， 是一个完整的产品模型，从实际应用中抽象出来，并与具体实现无关。最低层是物理 层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现形式，其关系如图2 i 。 这三层组织结构在形式上类似于数据库的三级模式结构( 外模式，概念模式和 内模式) 。 应用层支持以i d e f 0 方法为基础的功能分析，并在此基础上设计产品数据模 型。逻辑层用来生成形式化的规格说明( s t e p 数据模型的形式化规格说明相当 于定义概念模式，它独立于数据结构模型) ，e x p r e s s 语言就是支持形式化规格 说明的建模语言。物理层来导出和指明形式化的需求规格的实施机制。目前已定 义了该层物理文件和对数据库的标准数据存取接口( s d a i ) 。使用三级模式设计 语义模型时，可通过功能分析导出形式化的需求规格说 应用协议 p a r t2 0 1 一 ，、 集成资源 p a r t4 1 1 9 9 e x p r e s s ( 及相关语言) p a r t i1 。1 9 9 实现方法i 集成资源， l 髫 l p a r t l 2 0 1 图2 - 1s t e p 标准的体系结构 抽 象 测 明，然后根据形式化的需求规格说明，导出面向实施的规格说明j 这就使得s t e p 独立于应用，独立于计算机系统，、独立于任何语法标准。 2 1 3s t e p 各组成部分概述 1 ) 产品数据描述方法 集成资源和应用协议中的产品数据描述要求使用形式化的数据规范语言来保证 1 2 描述的一致性，消除二义性。这种形式化语言既具有可读性，使人们能够理解其中的 含义，又具有能被计算机理解的形式化程度，有利于计算机应用程序和支撑软件的生 成。 e x p r e s s 语言就是根据这些要求制定的数据规范语言。它提供了对集成资源和 应用协议中产品数据进行标准化描述的机制，e x p r e s s 语言将在下一节详细讲述。 数据模型还可以用图示化表达来进一步说明标准数据定义。模型的图示化表达是 为了帮助读者进一步理解模型，而不是模型的标准化定义。为帮助读者进一步理解模 型，s t e p 中有四种模型使用了图示化表达，它们是： 集成资源中的资源构件； 应用活动模型( a a m ) ； 应用参考模型( a r m ) ； 应用解释模型( a i m ) 。 s t e p 中用到的图示化表示方法有 e x p r e s s g ：e x p r e s s 定义的图形表示，如实体用方框表示，实体和属一 1， 性之间用线相连，线上标上属性名和基数约束。实体和属性之间的关系是 隐含的。e x p r e s s g 图支持超类子类层次结构。 i d e f 0 ：用于描述应用协议中的应用活动模型。 i d e f l x ：i d e f l x 方法的图形表示，用于描述信息模型。 n a i m ：n a i m 数据建模方法的图形表示，用于描述信息模型。 2 ) 集成资源 集成资源是s t e p 推荐使用的概念模型，是s t e p 的核心部分。集成资源属于s t e p 体系结构中的逻辑层，相当于概念模式，它提供了产品信息的表达。每一集成资源是 一个由e x p r e s s 描述的产品数据的集合，这些数据描述称为资源构件：一个集成资 源的定义可能依赖于其它集成资源的定义。一个资源构件可经过修改、增加约束、关 系和属性来支持特殊的应用，不同应用中相似的信息可以用一个资源构件来表达。 集成资源定义了产品数据的全局信息模型，要支持某一应用的信息要求，必须对 集成资源增加许多特定的约束和关系。s t e p 中定义的应用协议通过解释集成资源来 满足特定应用的信息要求。集成资源的解释就是选择合适的资源构件，迸一步细化 含义，增加必须的约束和关系。解释的结果就形成应用解释模型( a i m ) ，这是应用协 议文本的一部分。至于应用的范围和要求，以应用领域的术语描述。应用协议提供了 以组映射，显示集成资源的解释如何满足应用的信息要求。 集成资源的组成分两大部分：通用资源和应用资源。 通用资源部分有产品描述于支持的原理、几何拓扑表示、结构表示、产品结构配 置、材料、视图描绘、公差和形状特征等。应用资源部分有制图、舶体结构和有限元 分析等。 几何与拓扑表示包括几何部分、拓扑部分、几何形体模型等，用于产品外形的显 式表达。其中几何部分只包括参数化曲线、曲面定义以及与此相关的定义，拓扑部分 涉及物体的连通关系。几何形体模型提供了物体的一个完整外形表达i 在很多场合， 都要包括产品的几何和拓扑数据，它包含了c s g 模型和b r e p 模型这两种主要的实体 模型。 结构表示描述几何表示的结构和这些结构的控制关系。它包括表面模式和扫描实 体表示模式两方面内容。 形状特征分为通道、凹陷、凸起、过渡、域和变形等6 大类。并由此派生出具有 各种细节的特征，有相应的模式、实体及属性定义。 应用资源内容包括有关制图信息的资源，有图样定义模式、制图元素模式和尺寸 图模式等。 集成资源应该是一个完整的产品数据模型，模型的定义精确、无二义性。目前， s t e p 中比较成熟的通用资源有产品描述基础和支持( p a r t4 1 ) 、几何和拓扑表示 ( p a r t4 2 ) 、表达结构( p a r t4 3 ) 、产品结构配置( p a r t4 4 ) 、直观表示( p a t4 6 ) 等。 比较成熟的应用资源有：绘图( p a r t1 0 1 ) 、有限元分析( p a r t1 0 4 ) 、a p 2 0 3 等。 3 ) 应用协议 s t e p 标准支持广泛的应用领域。具体的应用系统很难采用标准的全部内容，一 1 4 般只实现它的一个子集。应用协议就是对这个用到的子集进行完整而准确的描述。它 实际上是一份文件，用以说明如何用标准的s t e p 集成资源来解释产品数据模型文本， 以满足工业需求。也就是说，根据不同的应用领域的实际需要，认定标准的逻辑子集， 再加上必须补充的信息，作为标准，强制地要求各应用系统在交换、传输与存储数据 时应符合应用协议的规定。 逻辑子集是通过应用活动模型( a a m ) 、应用参考模型( a r m ) 、与应用解释 模型( a i m ) 来实现的。子集不是将s t e p 的集成资源分割出来，而是通过应用解释 模型来认定其中的部分。 。 根据应用领域的需要，由有关专家对该领域内的过程及其信息流做出描述，此为 应用活动模型( a a m ) ，它是一种功能模型，可以用i c a m 的i d e f 0 方法来描述。需 列出活动的输入输出控制与机制( i c o m ) 。有了a a m 以后，再由熟悉规范化信息 描述语言的专家，根据上述应用活动定义出应用协议的信息需求与约束，即为应用参 考模型( a r m ) 。对a r m 的描述，可采用信息建模语言e x p r e s s 。然后根据应用 解释模型( a i m ) 对应用参考模型和集成资源进行认同。应用解释模型采用e x p r e s s 语言，它认定或改动集成资源以满足应用参考模型的信息需求，可以改动( 更改或增 加) 集成资源中实体的属性，但不能增加集成资源的实体。 s o l 0 3 0 3 标准中已经制定有多种应用协议。对于有特殊需要的应用领域，要专 f - j n 定应用协议。应用协议中还包括实现形式的规定与一致性测试的要求。 4 ) 一致性测试和抽象测试集 即使资源模型定义的非常完善，但经过应用协议，在具体的应用程序中，其数据 交换是否符合原来意图，尚需经过一致性测试。s t e p 标准制定了一