CAD／CAM系统中的数据交换标准.doc

CADCAM系统中的数据交换标准,口一f-设计-计算?研究CAD/CAM系统中的数据交换标准.上海交通大学孽兰翌胡r-轶-.敏-林宗钦陈关龙C/z一I/,【Abstract】ThreetypesofoDiTtwlondatatransformationstandardformsanddevelopmentsituationofCADmodelintheCAD/CAMsystemare口nsented.Featuresofeachform,defemsfrequendyoccurredinthedatatransformaticaaofthesystemandremedymethodsareanalyzed.ThenmodelestablishmentprindpetobecompliedwithissetforwardduringtheCADmodeldatatransformationinordetogetaccuratedatatransformedandprecisionCADmode1.【摘要】介绍了三种常用的CAD/CAM系统中CAD模型数据交换标准格式和发展状况,分析了各种格式的特点和系统之间数据转换中常出现的缺陷及解决缺陷的方法.指出在CAD模型数据转换过程中,为转换数据的准确和所获得CAD模型的精确,应遵循一定的建模原则.Topicwords:DatatranstonnaionCAD/CAM主题词;数据变换CAD/CAM1前言计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术广泛应用在工业领域.产品设计,装配和制造等不同的生产过程中,制造商通常采用不同的CAD/CAM系统.因此,如何解决各系统之间CAD模型数据信息的兼容性成为亟待解决的问题.通过建立一个统一的信息结构标准对CAD模型进行CAD模型数据交换已经成为共识.由于产品系统化和维护的需要,数据的寿命要长于软件系统,更长于硬件设备,因此需要以中性文件作为数据的长期档案存储格式.目前广泛采用的数据交换标准有IGES,VDAFS,sTI等.图I给出了数据交换标准在CAD/CAM系统中的作用.产品数据庳ll产品数据库n图1数据交换标准在CAD/CAM系统之间的作用2数据交换标准的发展及特点2.1数据交换标准的发展1980年美国国家标准局接收初始图形交换标准IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)作为产品数据交换标准.其后许多工业发达国家为了克服IGES的不足,也制定了许多数据交换标准.如法国的航空航天业于1983年在IGES文件基础上发表了数据交换规范SET(StandardExchar.ageet一10一魄文件枨和数撇达的局限性,成功地应用于空中客车计划和雷诺等汽车公司.德国的汽车制造业鉴于IGES的不足.制定了数据交换标准VDAFS(汽车工业协会曲面标准),即DIN6630l.1984年11月,欧洲共同体的ESPRIT设置了CAD*I(ComputeraidedDsignInterface)计划,重点研究了三种接口:线框模型,曲面模型和实体模型的cAD数据交换接口;cAD数据库和CAD用户接口的内部接口:用于表达,分析优化模型的有限元分析程序接口.另外也出现了一些专用的cAD数据交换格式,如AU.TODESK公司的DXF和Intergraph公司的ISIF,应用于电子设计的EDIF(ElectronicDesignInter-changFormat)以及VHDL(VHSICHardwareDe-scriptionLanguage)等.1983年l2月,国际标准化组织ISO在产品数据表达与交换领域制定了STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)标准,1989年定为国际标准,1991年发布了s陋P1.0版本.数据交换标准不仅解决了CAD/cAM系统之问或CAM系统内的数据交换,也为CAD/CAM的高度集成创造了有利的条件.2.2常用数据交换标准及特点2.2.1S1,EP(产品模型数据交换规范-StandardfortheExchangeofProductModelData)S1,EP数据交换标准包括设计,分析,制造,测试,检验零部件及机构所需的几何,拓扑,公差,属性和性能等数据,但不包括热处理方面的数据.SnP汽车技术设计?计算?研究中采用形状特性信息模型进行产品模型定义数据的转换,强调建立存人数据库中产品模型的完整性.Sn产品模型信息包括应用层,逻辑层和物理层,如图2所示.各应用层对应不同的数据表示模型,但最终集成产品信息模型(IPIM),称为逻辑层.物理层主要是自由格式的顺序文件,通常由开始节和数据节两部分组成物理文件,用形式化词法定义.其中开始节中含有确定执行各层有关模块的信息和通信系统等;数据节含有IPIM的全部信息,信息用实体表示.在Sn中,强调产品的概念模式,包括形状模型,显示和绘图,形状特征和公差四部分.其中形状模型和形状特征比较重要.形状模型包括实体模型,表面模型和线框模型;而特征分为显示特征和隐式特征.显示特征必须明显表示出几何形状,仅需要原始数据而不需要增加新数据;隐式特征是参数化的信息,应用隐式特征可方便形体定义和计算机辅助制造系统的集成.Sn为CAD/CAM系统提供中性产品数据公共资源和应用模型,其标准体系包括:描述方法,实现方法标准,一致性测试标准,应用协议,通用信息模型和信息集成模型.逻辑应用层ll应用材袁辩和和堕囝位形集成产品信息模型l图2SIT.P产品模型信息Sn是定义应用产品全局模型的工具,已成为I90的标准.使用明P交换标准的主要优点:a.国际开发组织支持.b.Sn结构中,一个对象的逻辑规范与物理实现不同.c.有形式化的语言Express作为逻辑规范描述.Express语言定义约束以及数据结构描述了工程数据集的正确性.d.P的前后处理器的开发,可以使用格式化的规范,通过自动的软件生成器来完成.其中CAD数据产生Sn的前处理器,STEP数据产生CAD应用的后处理器.l998年第l2期e.Sn提供了大量的工程数据定义.f.STEP提供了一些技术无关的定义.g.STEP定义了一个开放的产品数据库组织结构,可供下一代CAD系统使用.2.2.2VDAFS(汽车工业协会曲面接口一verbardderDeutdhenArcomedilinduserieFiachenSChnittseelIe)目前CABCAM软件包中均有VDAFS数据转换模块.其特点如下:a.描述曲面准确,可用简单的数学表达式定义CAD/CAM系统中最常用的图形元素.b.与IGES文件相比,数据转换量小.c.转换速度快,准确性及精度均较高.d.曲线包括了二维图形元素定义(点除外),曲面包括了三维图形定义.VDAFS标准中的数据均为无量纲数据,但在工程上,常以n11n为单位,其坐标系仍采用右手直角笛卡尔坐标系.VDAFS的文件格式是ASC码,纪录长度为80字符,即为80列的顺序文本文件.文件中分三部分:文件头,数据段和结束段.a.文件头具有用户阅读定义信息以及有关文件的归档信息.包括文件传送者的姓名等个人资料以及传输项目的名称,编号,生产It期等资料,占19行,每个纪录占一行,但不作为项目数据的组成部分,而且每一项纪录中可以有空缺,即没有内容.b.数据段是VDAFS数据标准的主要组成部分,可以存放实体信息,如点,线,弧,曲线,曲面及其说明等.数据段纪录的基本格式为:实体名=元素名有关参数.数据段中实体包括5种类型:POINT点;MDI矢量点集合;P一点的集合(折线的端点);CUR曲线;瓜F-一曲面.c.结束段表示VDAFS文件的结束,其格式为:VDA实体名=END.VDAFS标准以曲线,曲面来表示各种几何元素,且采用参数方程的形式,投有直线,圆弧,线型,颜色及粗细等属性定义.2.2.3IGES(初始图形交换标准一IllitialGraphicsExchangeStandard)ICES格式独立于GCAM系统而存在,描述产品设计的制造信息,并具有将信息转换为IGES格式以及接收其它系统转换的IG】格式.Ia标准规定了文件结构的格式,语言格式以及按此格式表示的几何的,拓扑的,非几何的产品定义数据.一11?设计?计算-研究?涉及描述产品工程特性和通信所必需的数据.IGES所定义的文件是若干个实体的集合,用几何和非几何的信息描述产品.其中几何信息包括了点,线,圆弧,三次样条曲线和参数曲面等各种元素,非几何信息则分为标注,定义和组织.IGES的文件格式遵循两条原则:可以改变复杂结构及其关系;便于各种CAD/CAM系统的处理.GES文件格式是以ASCII码,纪录长度为80个字符的顺序文件.文件中分为五节,实体信息存放在目录人口(DE)和参数(PD)节中;数据的原始信息和文件本身的信息存放在整体节和结束节中;开始节存放用户可以阅读的定义信息.在DE和PD节还存放实体的有关指针及相互关系.图3给出了IGES的文件结构.圈回.图3ICES的文件结构在工业界及许多商品化的0CAM系统中.都采用IGES数据交换标准.并取得了很大的成功.但它存在一些缺点.a.不能转换属性及层信息.b由于CAM系统概念不一样,有些数据不能精确转换.C.转换数据量大,人工修改困难.4数据交换标准的应用及其发展趋势4,J数据交换可能出现的问题CAD模型在创建时会出现质量上的缺陷,造成后续应用如CAM方面的问题,有些有缺陷的模型在同一系统中使用不发生问题,但只要通过数据交换被其它领域接收并应用.问题就会暴露出来,而发生问题又很难判断错误究竟是发生在何处,有时不得不重新创建CAD模型.数据交换中可能出现数据完整性和语义方面的问题,也可能出现几何精度和容差性方面的问题.后者指的是曲线和曲面的精确性,因此建模时曲线应考虑:a.曲线的次数以及G0,G,G阶连续性.b.曲线的段数,曲线段的最小长度以及曲线一12一的朝向.建模时曲面应考虑:a.曲面的次数以及G0,G,G阶连续性.b.曲面的曲面片数量及大小.C.曲面的法向,曲面的边,曲面角点角度以及曲面的波动.d.曲面的自交,裁剪曲面的边界曲线.数据交换应该只交换定义产品的几何元素,在模型产生过程中所做的辅助几何元素常常处于不可见状态.交换后.辅助几何元素和真正的产品信息是很难分离的.因此.建议在发送模型前.删除所有的非产品几何实体,在模型中不保留该几何实体的多种表达.4.2转换的CAD模型数据分析及其质量检查工具4.21转换数据的分析使用数据分析,不仅能检查独立于系统的数据语法和语义,也能检查几何内容.使用数据分析要满足德国VDA4955标准和O1)n的ODC11C0.9504质量保证体系.数据分析的检测程序很重要,测试过程应尽可能提前并且有规律的进行,避免数据交换出现问题.数据程序应具有灵活而友好的界面,所用测试方法应能独立使用,且能提供便于阅读的测试文件.并且应有数据转换错误的人口地址以及相应的偏差.汽车覆盖件CADCAM系统转换分析应包括以下几个主要内容.c1】R(曲线)分析:a.曲线的连续性,复合曲线的连续性.b.平面曲线的波动,修剪曲线的连续性.s1JRFAcE(曲面)分析:a.曲面片的特性以及曲面片的数量.b.曲面的最大曲率.C.曲面的褶皱,曲面的波动.d.曲面的连续性以及法向.4.2.2数据转换质量保证应在CAD模型建立时实施对CAD系统用户培训的内容不仅应该包括CAD系统的软件功能,而且还应包括工作技巧和建模规范,这样才能保证必要的数据质量.因此,设计人员在CAD模型创建时应遵照建模质量要求规范.用户在使用中性文件进行数据交换时.无法直接检查中性文件格式的数据质量,因此无法断定错误究竟发生在发送模型中还是发生在接收系统的接口软件中,查找这样的错误比较困难.中性文件如IGES,VDAFS,STEP的语义正确性可以通过语汽车技术设计?计算?研究法检查工具检查.另外,中性文件图形显示工具也可以反映出几何和拓扑方面的明显错误,但不能定量检查模型精确度和容差方面的质量.4.3建立数据交换工作的规范和制度用于数据交换的CAD模型对质量要求较高.为此,必须保证模型的数据质量,交换双方制定合理的规章制度.对违反协议而造成的时间损失和产品质量问题应给以惩罚.数据交换应遵照IsO9001的要求,即具有可以追溯的文档和过程.另外,工程更改文档以及接收模型的合法性检查文档也应包括在规章制度中.4.4数据交换标准的发展趋势通过对常用数据交换标准的分析对比,可见vDAFS的精确性只局限于曲面和曲线,不能描述实体;IGES文件的大数据量和修改困难.阻碍了IGl发展.另外,IGES和VDAFS都不能描述整个生命周期内的信息,这一点难以同P相比.而标准无论从语义,语法,转换精度还是从转换的实体类型上.均优于目前存在的其它数据交换标准.该标准的发布,使新开发的CAD/CAM系统可以直接采用Sn规范定义产品数据模型或提供STEP格式的数据交换接口.采用标准是cAD/CAM系统开发的方向,其目标是提供了一个不依赖于任何具体系统而适合描述整个产品生命周期内的产品数据的中性机制,不仅适合于中性文件交换,而且可以作为实现共享产品数据库,产品存档的基础,并且把信息表达和用于数据交换的实现方法区分开来.因此.STEP更能全面描述CAD模型.随着STEP的广泛应用和不断完善,它将成为cAD/CAM系统中最好盼信息交换标准.5结束语数据交换标准是cAD/CAM系统间信息交流的媒介,应根据数据交换标准的结构及其特点,采用相应的数据交换标准.由于目前数据交换过程中还存在某些问题.因此在建立CAD模型以及数据交换过程中,应遵循一定的建模原则并制定相应的交换规章制度.参考文献l赵致格实用工程数据库技术.北京:机槭工业出版社.19卯2孙家广等.计算机图形学.北京;清华大学出版社,19953MSBk:or.CAD/CAMproductdataecchang:thenextstep.0OMPUTERAIDEDDESIGN.v23.n4.may,19914CAK)/CAMDataQualityAceMethodQrganlzationforDatabanbyTeletranmaioninEurope.5CAD/CAMDataQualityVDA4955VerbandderAuton-,obilindustrie.(贵任编辑维云)修改稿收到日期为1998年9月15日.汽车技术杂志连续十年入选为中国科技论文统计源刊中国科技信息研究所受原国家科委委托.从1988年起将我国国内公开出版的数千种自然科学科技期刊中发表科技论文数量较多,学(技)术水