产品数据交换技术

1、第四章 产品数据交换技术一. 产品数据交换接口 由于各软件的历史原因及不同的开发目的，使得各CAD软件的内部数据记录方式和处理方式不尽相同，开发软件的语言也不完全一致，因此在虚拟加工环境中不能进行有效的数据交换，主要体现在对各CAD软件给出的三维几何实体的数据共享方面。扩展名对应的CAD软件备注.igsANSYS内置转换器.satAntoCAD、CadKey、Mechanical Desktop、MicroStation Modeler需要SAT接口工具包.x_t、.xmt_txtParasolid、Solidworks、Unigraphics需要Parasolid接口工具包.prtPro/E

2、ngineer、Unigraphics需要UG接口工具包 所谓数据转换接口，实际上是一种能够实现两个以上系统间信息交换的程序或方法。数据转换接口的核心内容就是由其中一个系统(文件)读出信息，再将信息写入另一个系统(文件)。 实现数据转换接口，实际上就是把已有的模型经过处理，将特定软件的自定义表示转换成其它软件可以理解和接受的中性模式。其实现过程就是对要输出的模型中所含的基本对象进行遍历，对相应模型中的对象使用中性标准的表示形式加以说明和表示，并将这些对象按相关标准加以组织输出即可。相应的读入此中性模型的软件需要有输入接口，它们分别被称为前置、后置处理器。1. 专用数据接口 它是一个将CAD系统

3、(简称A系统)中的产品数据通过专用的数据接口程序(A-B)直接转化为符合另一个CAD系统(简称B系统)数据格式的产品数据；反之亦然。 N个系统需要N(N-1)个专用数据接口程序。 这种点对点的数据交换方式的专用数据接口程序各自不同，不能通用；但交换数据的运行效率高且不会丢失数据。2. 通用数据接口 利用一种与系统无关的标准数据格式(中性文件格式)文件来实现多个CAD系统之间的数据交换，各系统只需构造前置处理器、后置处理器，将本系统产品数据格式转化为标准数据格式，或反之。 这种格式的通用性、简单性和标准化的特点使它成为集成系统中普遍采用的格式。此方式数据共享性好；但如果标准数据格式中没有CAD系

4、统中的某些数据描述格式，产品数据将不能够被完全“翻译”，从而造成数据的“丢失”。 目前常用的数据接口标准有Parasolid、IGES、STEP、STL、PDES等。二. IGES标准 IGES是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系统中的大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交互图形标准。它建立了产品定义数据数字表示方法与通信的信息结构，可以使各种不同的CAD/CAM系统间进行产品定义数据的交换。 IGES的交换原理是通过前处理器把发送系统的内部产品定义文件翻译成符合“中性格式”的文件，再通过后处理器将中性格式文件翻译成接受系统的内部文件。1. IGES的数

5、据结构 IGES标准定义了一个ASC II码文件格式，用来表示结构、语言、拓扑、几何和非几何的产品数据，涉及描述产品工程特性和通信所必须的数据，它独立于CAD系统而存在。 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。 几何信息包括了点、线、圆弧、参数曲线、NURBS曲线、参数曲面、NURBS曲面和裁剪曲面等各种元素。 非几何信息则分为标注、定义和组织。(1) IGES的文件结构 IGES文件是以标准ASCII码(记录长度为80个字符的固定长格式)、ASC II码的压缩格式和二进制格式3种数据格式存储的数据文件。文件包括五个或六个段，它们必须依次出现。 文件标志段只适用

6、于二进制格式(用字母B标识)和压缩的ASC II格式(用字母C标识)，若是固定长格式的ASC II格式则无标志段。 开始段是给人们提供一个可读文件的序言，在第172列上可以写入任意的内容的ASC II码字符。主要记录图形文件的最初来源及生成该IGES文件的系统名称。但对于读取IGES文件可忽略该段。 全局参数段存放前置处理器的描述信息以及为处理该文件的后置处理器所需要的信息，共24个参数，以自由格式记录。主要描述了IGES文件在使用时的参数分隔符、记录分隔符、文件名、IGES版本、直线颜色、单位、建立该文件的时间、作者等等。 目录条目段的目的在于为文件提供一个索引，并含有每个实体的属性信息，每

7、一个实体对应一个目录条目，每个目录条目分两行进行记录，共有20个域，每个域占8个字符，每个域的具体含义如下： 实体信息存在于参数数据段中，该段记录了每个实体的几何数据，其格式在172列是不固定的，根据每个实体参数数据的多少，决定它在参数数据段中有几行。 结束段只有一行，前32列顺序地记录了S, G, D, P段记录的总行数，中间的40列为保留段，最后8列记录结束段T及其行数。 IGES文件虽然数据量很大，但数据是以严谨的格式存储的，各种图形实体都用编码标出。文件中最主要的是描述实体的部分，即目录条目段和参数数据段，所有的图形实体参数都包括在其中。可以通过对其信息的选择性采用和保存，达到在虚拟加

8、工环境中应用的目的。(2) IGES的图形数据记录格式 在IGES文件中，信息的基本单位是实体，通过实体描述产品的形状、尺寸以及产品的特性。 实体的表示方法对所有当前的CAD/CAM都是通用的，实体可分为几何实体和非几何实体。 每一类型实体都有相应的实体类型号，几何实体为100199，如圆弧为100，直线为110等。非几何实体又可分为注释实体和结构实体，类型号为200499。如注释实体有直径尺寸标注实体(206)、线性尺寸标注实体(216)等，结构实体有颜色定义(324)、字型定义(310)、线型定义(304)等。 IGES所有的图形数据都包含两部分，一部分是在目录条目段给出实体的相关属性数据

9、；另一部分是根据目录条目段的指针在参数数据段读出相应的实体数据。a. 线 IGES文件中实体是有界的，第一点为起点P1，第二点为终点P2，参数数据为起点和终点的坐P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)。直线实体的类型号为110，其在目录条目段和参数数据段的定义如下：110 7 1 1 0 0 0 00000 0001D 3110 0 0 1 0 0D 4110,41.284,2.175,0.0D0,52.647,2.175,0.0D0; 3P 7 该段文件表示直线实体的起点坐标为(41.284,2.175,0.0)，终点坐标(52.647,2.175,0.0)，3表示该直线实体在目

10、录条目段中的第一行序号，7表示该直线实体在参数数据段中的序号。b. 圆弧 IGES中圆弧由起始点及圆弧所在圆的圆心确定。该圆弧始点在先，终点随后，是以逆时针方向画出。参数数据为ZT, x1, y1, x2, y2, x3, y3。ZT为圆弧所在平面xTyT平面的平行位移，(x1,y1)为圆弧所在圆的圆心坐标，(x2,y2)为圆弧起点坐标，(x3,y3)为圆弧终点坐标。 在IGES中，用于定义圆弧实体的定义空间坐标的选定是将圆弧位于和xTyT平面重合或平行的平面内，且从ZT轴正向上的一点向下看，圆弧为逆时针。另外，在IGES中没有独立的圆实体，如果圆弧起点与终点坐标重合，则为一个整圆。圆弧的实体

11、类型号为100，其在目录条目段和参数数据段的定义为：100 18 1 1 0 0 0 00001 0001D 7100 0 0 1 0 0D 8100,-21.32677,17.54315,-20.49655,-19.19423,7.572457,-12.46768,-55.66549; 7P 18 圆弧所在平面xTyT在Z方向上的位移为-21.32677;圆心坐标为(17.54315,-20.49655);起点坐标为(-19.19423,7.572457);终点坐标为(-12.46768, -55. 66549)。2. IGES应用中的问题 IGES标准仅仅是一个对所交换的几何图形及相应尺寸

12、的中性文件说明，它没有描述产品信息模型中的复杂信息，因而它不能满足机械CAD/CAM信息集成的需要。此外，IGES本身也不够完善，如数据格式过于复杂，可读性差，标准定义不够严密等，因而会造成数据交换的不稳定。三. STEP标准 STEP是一个关于产品数据计算机可理解的表示和交换的国际标准，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。产品在各过程产生的信息多而复杂，而且分散在不同的部门和地方。 在产品开发过程中，要求这些产品信息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。

13、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分开来。1. STEP标准的体系结构 STEP的ISO正式代号为ISO 10303，并将所有标准部分分成七类，每一类包括若干部分Part，相应的编号为：(1) 描述方法：Part 11-19;(2) 实现方法：Part 21-29;(3) 一致性测试方法论和框架：Part 31-39;(4) 通用集成资源：一般资源Part 41-99 ;(5) 应用集成资源：应用资源Part 101-199;(6) 应用协议：Part 201-299;(7) 与应用协议对应的抽象测试集：Part 301-399。 ST

14、EP的体系结构可划分为三层。最上层是应用层，包括应用协议及对应的抽象测试集，这是面向具体应用的，与应用有关。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，与具体实现无关。最底层是物理层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现形式。2. STEP标准的组成部分(1) 标准的描述语言 STEP有自己专用的描述语言EXPRESS，EXPRESS是一种信息建模语言，有强大的描述信息模型能力。(2) 集成资源 这是STEP核心部分，采用EXPRESS语言描述。集成资源又分为通用集成资源与应用集成资源两大部分。通用集成资源独立于产品信息，应用集成资源是描述某一应用领域的数据，并

15、依赖于通用集成资源的支持。(3) 应用协议 STEP标准支持非常广泛的应用领域，具体的应用系统很难采用STEP标准的全部内容，一般只实现标准的一个子集。 如果不同的应用系统实现的子集不一致，则在进行数据交换时会出现信息丢失或信息歧义现象，为避免这种情况的发生，STEP制定了一系列应用协议，用以说明如何用标准的STEP集成资源制定各个应用领域的产品数据模型，以满足不同应用领域的实际需要。作为标准，不同应用系统在交换、传输和存储产品数据时，强制要求符合应用协议的规定。(4) 实现形式 实现形式是指用什么方法在具体领域内实现产品信息的交换。STEP的实现形式大致分为四级： 第一级，中性文件交换； 第

16、二级，工作格式交换； 第三级，数据库交换； 第四级，知识库交换。 由于不同的CADCAM集成系统对数据交换的要求不同，可以根据具体情况选择一种或多种交换方式。(5) 一致性测试 提供一般的一致性测试方法、过程和组织机构等。其目标是保证一个STEP应用协议的软件产品符合相应应用协议的一致性要求。 STEP的抽象测试方法具有一定的抽象性，与具体实现形式、测试工具或测试过程无关。具体实现时则需编制相应的检测软件。3. STEP标准的特点 STEP是一个描述怎样表达和交换数字化产品信息的ISO标准(IS010303)。STEP包含几何、拓扑、公差、约束、属性、装配、尺寸和其它许多方面的内容，因此，ST

17、EP被构造成一个由多个分部组成的ISO标准。(1) 可扩充性 用EXPRESS的语言来定义描述产品所需的信息，还能表达约束;(2) 直接性 基于STEP的建模是建立在统一的产品模型基础上，系统间数据交换达到最大限度的一致性，通过标准模型的接口，实现系统间的数据交换目的;(3) 完整性 基于STEP建模覆盖产品生命周期的设计、分析、制造、测试和产品支持而全面定义零部件所需的几何、拓扑、公差、关系及属性等;(4) 中性机制 以中性格式概括出一个在产品生命周期内具有完整性与集成性的 计算机化的产品模型所需的信息，独立于任何CAD、CAE、CAM和PDM系统;(5) 灵活性 实现方式上可以是中性文件、

18、数据库和知识库。4. STEP-NC数据模型 尽管借助于STEP标准可以实现不同CAD系统之间以及CAD和CAM之间的信息交流和共享。但是对于CAD/CAM与CNC系统之间，以及不同CNC系统之间的信息交流和共享却一直是一个盲区。为此国际标准组织将STEP应用从CAM系统延伸到了CNC控制器，并将延伸部分的标准命名为STEP-NC。 STEP-NC数据模型的基本原理是根据制造特征采用面向对象的方法来进行NC编程，这里的对象是指制造特征及加工特征时相对应的工艺数据。 STEP-NC数据模型主要包含工件(workpiece)和加工计划(workplan)两大部分。 工件是由制造特征来定义。制造特征

19、是指工件上一个具有语义的几何实体，它描述一个工件的材料切除区域，表达一个加工过程的结果。制造特征通过几何属性描述，描述“是什么”，但不给出工件如何加工的任何指令，与加工过程有关的信息只包含在加工操作中。 加工计划是一个加工工步序列。 加工工步是制造特征与工艺信息的组合，是加工过程的基本组成部分。它将制造特征与具体的加工操作联系起来，描述材料切除顺序、位置及相关参数。 加工操作描述做什么和使用的加工方法和参数，包括加工方法、刀具、加工策略和刀具路径等。5. STEP-NC程序的结构 基于STEP-NC的零件数控加工程序是根据IS010303 Part21规定的一种物理文件格式来描述的，零件程序从

20、结构上分为两部分:文件头和数据段。 第一部分为文件头，其以“HEADER”为标记，说明文件名、编程者、编程日期和注释等。 第二部分为数据段部分，这是零件程序的主要和核心部分，该部分以“DATA”关键字作为开始标记，数据段部分包含了所有的制造任务及其相关的工艺数据和几何信息，文件头和数据段都以“ END SEC”作为结束标志。 数据段部分的内容可以分为三大部分：加工计划及可执行操作(workplan andexecutables)、工艺信息描述(technology description)和几何信息描述(geometry description )，数据段中的“PROJECT”实体关键字是可执行任务开始的入口点。(