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第十章 产品数据交换技术第一节 产品数据交换方式产品数据交换方式主要有： (1) 通过专用数据格式的文件交换产品信息；(2)通过标准数据格式的中性文件交换产品信息；(2) 通过统一的产品模型交换产品信息。 、通过专用数据模式文件交换产品信息的集成方式 （点对点交换）这种集成方式如图10-2所示。 这种方式，各应用系统所建立的产品模型各不相同，相互间的数据交换需要存在于两个系统之间。其特点是原理简单，转换接口程序易于实现，运行效率较高。但当子系统较多时，接口程序增多（若有n个子系统，则其内部用于数据交换的最大接口数为Im2C 个，增加一个新子系统需增加的最大接口数为Im=2n个） ，而且编写接口时需要了解的数据结构也较多，当一个系统的数据结构发生变化时，引起的修改量也较多。这是CAD/CAPP/CAM系统发展初期所采用的集成方式。 图10-2 通过专用数据格式的文件交换产品信息、标准数据格式的中性文件交换产品信息的集成方式 （星式交换）这种集成方式如图10-3所示。 系统中存在一个与各子系统无关的标准格式，各子系统的数据通过前置处理转换成标准格式的文件。各子系统也可以通过后置处理。将标准格式文件，转换为本系统所需要的数据。这种集成方式，每个子系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统细节，为系统的开发者和使用者提供了较大的方便，并可以减少集成系统内的接口数（其用于数据交换的最大接口数为Im=2n， 增加一个子系统需增加的最大接口数为Im=2）和降低接口维护难度。但这种集成方式需要解决各子系统间模型统一问题，且运行效率较低，也不能算是一种十分理想的集成方式。图10-3 通过标准数据格式的文件交换产品信息、通过统一的产品模型交换信息的集成方式 这种集成方式如图10-4所示。 这种方式采用统一的产品数据模型，并采用统一的数据管理软件来管理产品数据。各子系统之间可直接进行信息交换，而不是将产品信息转换数据，再通过文件来交换，这就大大地提高了系统的集成性。这种方式是STEP进行产品信息交换的基础。图10-4 通过统一的产品模型交换信息 第三节 产品数据交换标准为了满足CAD/CAM集成的需要， 提高数据交换的速度，保证数据传输的完整、可靠和有效，则必须使用通用的数据交换标准。下面将目前世界上几种著名的数据交换标准作一介绍。一 IGES标准IGES是在美国国家标准局的倡导下，由美国国家标准协会(ANSI)公布的美国标准， 是CAD/CAM系统之间图形信息交换的一种规范。它由一系列产品的几何、 绘图、结构和其它信息组成，可以处理CAD/CAM系统中大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交互图形系统。IGES的1.0版本，偏重于几何图形信息的描述。IGES2.0版本扩大了几何实体范围，并增加了有限元模型数据的交换1987年公布的第三版本，能处理更多的制造用非几何图形信息。1989年公布的第四版本，增加了实体造型的CSG表示， 1990年公布的第五版本，又增加了实体造型的B-rep表示。、IGES描述 IGES用单元和单元属性描述产品几何模型。单元是基本的信息单位，分为几何、尺寸标注、结构、属性等四种单元。IGES的每一单元由两部分组成，第一部分称为分类入口或条目目录，具有固定长度；第二部是参数部分，是自由格式，其长度可变。几何单元包括点、线、圆、二次曲线、参数样条以及直纹面和旋转面等。标注尺寸单元有：字符、箭头线段和边界线，能标注角度、直径、半径、直线等尺寸。结构单元用来定义各单元之间的关系和意义。属性单元是描述产品定义的属性。、IGES文件格式 IGES的文件格式分为ASCII格式与二进制格式。ASCII格式便于阅读，二进制格式适于传送大容量文件。ASCII格式已分为定长和压缩两种形式。固定行长的格式中，每行为80个字符，由若干行组成一个文件。文件分成开始段、全局参数段、条目目录段、参数数据段、结束段、标志段。第行的第73列如果是，则是二进制文件，如果是，则是压缩二进制文件。下面以固定行长的ASCII文件的格式为例作一说明。n 开始段：提供人们阅读文件的序言。每行的第73列有字母，第74至80列为序号。n 全局参数段：包括描述前置处理与置处理的有关信息。例如参数界符、文件名、前置处理文本、接受系统标识符以及作者、版本等。所有记录的第73列均有字母G,74至80列为序号。n 条目目录段：为文件提供一个索引。 每行的第73列为字母，第74-80列为序号。文件的每个实体都在目录中占有一个条目。条目占两行。每个字母组成一个域，共20个域。每个域的内容：1)实体类型号；2)指向本实体参数数据记录第行的指针；3)指向结构的指针；4)线型模型；5)层；6)视图；7)变换矩阵；8)与标号显示有关的指针；9)状态号；10) 序号；11)同域；12)线宽加权值号；13)颜色号；14)实体参数数据记录行数；15) 格式号；16)和17)保留；18)实体标号；19)实体下标；20)同域10)。n 参数数据段：列出实体的参数数据。每行的第73列有字母。数据按自由格式排列，第个域含有实体类型。n 结束段：标志文件的结束占一行。第73列为。该行分为10个域，第10域为结束段，该域中填T0000001。下面通过图10-12所示的图形介绍IGES接口数据文件中的实例。、 IGES的前后处理程序 IGES是一种中性文件。将某种CAD/CAM系统的输出转成IGES文件时需经前置处理程序处理。IGES文件传至另一种CAD/CAM系统时则需经过后置处理程序处理。 因此要求各种应用系统必须具备相应的前后置处理程序，以便利用IGES文件的传递产品的信息。图10-12 二维图形、IGES标准的缺点 IGES标准的缺点主要表现在以下几个方面：首先IGES中定义的实体主要是几何图形方面的信息，而不是产品定义的全面信息。它的目的是在屏幕上显示图形或用绘图机绘出图形、尺寸标注和文字注释。所有这些都是供人理解的，而不是面向计算机的，所以不能满足CAD/CAM集成的要求。 其次，IGES对数据传输不可靠，往往一个CAD系统只有一部分数据能转换成IGES数据， 在读入IGES数据时，也经常有部分数据被丢失。此外IGES的一些语法结构有二义性，不同的系统会对同一个IGES文件给出不同的解释，这可能导致数据交换的失败。第三个缺点是它的交换文件所占的存储空间大，影响数据文件的处理速度和传输效率。SAMPLE PART S0000001开始段11H 112C87901.5,11HIGES SAMPLES,6HME1.00,1H1,16,11H112C37901.5 G00000011.2, 2hmm,0,0.01,13H012880,093243,4HT。BAN,4HBCAC G000000212400000001 1 000100 D0000001124 1 MTX 1D00000021100000002 1 1 10 00000 D0000003110 0 1 1 L 1D0000004110000003 1 1 10 00000 D0000005110 0 1 1 L 2D0000006:124,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0, 00000001 P0000001110,20.0,20.0,0.0,50.0,0,20.0,0.0; 000000003 P0000002110,50.0,20.0,0.0,50.0,40.0,0.0; 000000005 P0000003110,55.0,50.0,0.0,75.0,30.0,0.0; 000000007 P0000004T000000 S0000001 G0000002 D0000032 P00000016 结束段二 STEP标准STEP标准是一个关于产品数据的计算机可理解的表示和交换国际标准。其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据。产品生命周期包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等整个周期。这种描述不仅适合于中性文件转换，而且是实现和共享产品数据库以及存档的基础。产品在生命周期的各个过程产生的信息既多又复杂，而且分散在不同的部门和地方。这就要求产品信息应以计算机能理解的形式表示，而且在不同的计算机系统之间进行交换时保持一致和完整。产品信息的交换包括信息的存储、传输、获取和存档。产品数据的表达和交换，构成了STEP标准。STEP把产品信息的表达和用于数据交换的实现方法区别开来。STEP标准包括以下五个方面的内容：1)标准的描述方法；2)集成资源；3)应用协议；4)实现形式；5)一致性测试和抽象测试。、标准的描述方法 STEP的体系结构是应用层、逻辑层、物理层三个层次构成。最上层是应用层，包括应用协议及对象的抽象测试集，这是面向具体应用的一个层次。第二层是逻辑层，包括集成通用资源和集成应用资源及由这些资源建造的一个完整的产品模型。它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。STEP采用参照模型和形式定义语言进行模型的描述。参照模型可以用来构造其它的模型。不论是应用层还是逻辑层，均由许多参照模型组成。高层次的参照模型可以由低层次的参照模型构成。 EXPRESS语言是IPO(IGES/PDES Organization)专门开发的形式定义语言。采用形式化数据规模规范语言的目的是保证产品描述的一致性和无二义性， 同时也要求它具有可读性及能被计算机所理解。EXPRESS语言就是根据这些要求制订的，它是一种信息建模语言，它提供了对集成资源和应用协议中产品数据进行标准描述的机制。EXPRESS语言的基础是模式(Schema) ，每种模型由若干模式组成，其重点是定义实体，包括实体属性和这些属性上的约束条件，而属性可以是简单数据类型， EXPRESS不仅用来描述集成资源和应用协议，而且也用来描述中性文件实现方式的数据模型和标准访问接口SDAI实现方式中的所有数据。用这种形式语言描述标准，使标准在计算机上的实现提供了良好的基础。EXPRESS语言类型丰富， 有简单数据类型、聚合数据类型、实体数据类型、定义数据类型、枚举数据灯型和选择数据类型等。实体内有属性、 局部规则，还有超类与子类的说明等。EXPRESS语言的表达式除一般算术、 逻辑、字符等表达式外，还有实体的实例运算。EXPRESS语言是定义对象、描述概念模式的形式化建模语言，而不是一种程序设计语言，它不包含输入/输出、信息处理等语旬。有关EXPRESS语言的详细内容见ISO1030311 EXPRESS语言参考手册。、集成资源 STEP逻辑层统一的概念模型为集成的产品信息模型，又称集成资源。 它是STEP标准的主要部分，采用EXPRESS语言描述。集成资源提供的资源是产品数据描述的基础。集成资源分为通用资源和应用资源两类，通用资源在应用上有通用性，与应用无关；而应用资源则描述某一应用领域的数据，它们依赖于通用资源的支持。通用资源部分有产品描述与支持的原理、几何与拓扑表示、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。产品描述与支持的基本原理包括通用产品描述资源、通用管理资源及支持资源三部分。应用资源部分有制图、舶体结构和有限元分析等。产品描述与支持的基本原理包括通用产品描述资源、通用管理资源及支持资源三部分。和产品描述资源包含产品定义构造、产品定义、产品特征定义和产品特征表达等内容。几何与拓扑表示包括几何部分、拓扑部分、几何形体模型等，用于产品外形的显示表达。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。几何形状模型提供了物体的一个完整外形表达，在很多场合，都要包括产品的几何和拓扑数据，它包含了CSG模型和B-rep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。关于集成资源标准的详细内容见ISO 103034148， ISO10303-101105。、应用协议 STEP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，一般只实现标准的一部分，如果不同的应用系统所实现的部分不一致，则在进行数据交换时，会产生类似IGES数据不可靠的问题。为了避免这种情况，STEP计划制订了一系列应用协议。所谓应用协议是一份文件，用以说明如何用标准的STEP集成资源来解释产品数据模型文本，以满足工业需要。也就是说，根据不同的应用领域的实际需要，确定标准的有关内容，或加上必须补充的信息，强制要求各应用系统在交换、传输和存储产品数据时应符合应用协议的规定。应用协议(AP)包括庆用的范围、相关内容、信息需求的定义，应用解释模型(AIM) 、规定的应用方式、一致性要求和测试意图。应用范围的说明可描述过程、信息流、功能需求的图示化应用活动模型(AAM) 来支持， 而AAM可以作为应用协议的附录。应用相关内容的信息要求和约束由一组功能和应用对象来定义，定义的结果是一个应用参考模型(ARM)。 ARM是一个形式化信息模型，它也作为应用协议的附录非标准知识性附录。应用解释模型(AIM)表示应用的信息要求。AIM中的资源从定义在集成资源中的资源构件选取。资源构件的解释，就是通过修改、增加构件上的约束、关系、属性等方式来满足应用协议规定领域内的信息要求。1991年发表的初始版即STEP R1中发表的应用协议， 只有显式制图及配置的控制设计。显式制图面向机械工程和建筑结构工程应用，建立了用于CAD图纸交换的应用协议。 配置控制设计应用协议为应用系统之间配置了控制三维产品定义数据和方法。关于应用协议的标准详细内容见ISO10303202ISO10303-208。、实现形式 STEP标准将数据交换的实现形式分为四级：第一级为文件交换；第二级为工作格式(Working form)交换；第三级为数据库交换； 第四级为知识库交换。对于不同的CAD/CAM系统，可以根据对数据交换的要求和技术条件选取一种或多种形式。文件交换是最低一级。STEP文件有专门的格式规定，利用明文或二进制编码，提供对应用协议中产品数据描述的读和写操作，是一种中性文件格式STEP文件含有两个节：首部节和数据节。首部节的记录内容为文件名、文件生成日期、作者姓名、单位、文件描述、前后处理程序名等。数据节为文件的主体，记录内容主要是实体的帝例及其属性值，实例用标识号和实体名表示，属性值为简单或聚合数据类型的值或引用其它实例的标识号。各应用系统之间数据交换是经过前置处理或后置处理程序处理为标准中性文件进行交换的 。某种CAD/CAM系统的输出经前置处理程序映射成STEP中性文件，STEP中性文件再经后置处理程序处理传至另一CAD/CAM系统。 在STEP应用中，由于有统一的产品数据模型，由模型到文件只是一种映射关系，前后处理程序比较简单。 工作格式交换是一种映射关系，前后处理程序比较简单。工作格式交换是一种特殊的形式。它是产品数据结构在内存的表现形式，利用内存数据管理系统使要处理的数据常驻内存，对它进行集中处理，即利用内存数据管理系统产生一个数据管理环境，利用这个数据环境对工作格式(WF)中的数据进行操作，产生STEP文件。其特点是待处理的数据常驻内存，可对它集中处理，故提高了运行速度；另外，不必考虑数据的存储方式、指针、链表的维护，减轻了设计人员的负担。数据库交换方式是通过共享数据库实现的。如图10-13所示，产品数据经数据库管理系统DBMS存入数据库，每