1、第十章 產品數據交換技術10.1 產品數據交換概述 2、產品數據交換標準意義 任何標準的發展都是和工業需求密切相關的。近年來與產品定義數據有關的狀況主要有： uCAD/CAM/CAE系統應用的大量增長；u出現了以數字形式表示的產品定義數據；u數據格式專有；u同一項目中有多種CAD/CAPP/CAM系統；u應用數據的觀點各不相同； 這樣對產品數據交換就提出了較高的要求。要求數據完整，傳輸可靠，有效。 10.2 10.2 產品數據交換方式產品數據交換方式 1、專用數據格式的交換（點對點交換） 專用數據格式交換方式。優點是運行效率高，易于實現。缺點是當系統數n增大時，接口數量急劇增加；此外當某一系統

2、的數據結構改變時，與之相關的接口必須改變。這是CAD/CAM系統發展初期采用的方式。2、標準數據格式的中性文件的交換（星式交換） 中性文件的優點是當系統數n增大時，接口數量不會增加過多。缺點是每次均需通過前、后處理器接口的數據轉換，運行效率較低。也是進行IGES圖形數據交換的思想基礎，其目的是減少和簡化各系統之間數據轉換接口程序的編寫，所以系統的數據傳輸針對標準的數據格式，所有的前后置處理程序的編寫都非常類似。3、統一的產品數據模型交換 第三種方式采用統一的產品數據模型，并采用統一的數據軟件來管理產品數據，各系統之間可以直接進行信息交換，而不是將產品信息轉換為數據，再通過文件來交換，這就大大提

3、高了系統的集成性。這種方式是STEP進行產品信息交換的基礎。統一的產品數據模型交換無需接口，集成性好，運行效率高，但實現的難度大。10.3 DXFDXF文件的圖形數據交換文件的圖形數據交換 DXF接口文件格式是美國Autodesk公司開發的首先用于AutoCAD軟件的圖形數據交換的文件格式。文件的擴展名“.DXF”，用于外部程序和圖形系統或不同的圖形系統之間交換圖形信息。由于它結構簡單、可讀性好，同時AutoCAD在全世界二維繪圖領域的廣泛應用和巨大的影響，因此大多數其他版本的CAD軟件支持該文件格式，以完成與AutoCAD軟件的圖形信息交換，或與其他系統以該文件格式進行圖形信息交換。DXF文

4、件已成為事實上的工業標準。 1、 DXF文件 在AutoCAD圖形編輯狀態下，可以將所繪制的圖形用DXFOUT命令生成DXF格式的文件，也可以用DXFIN命令導入DXF文件。DXF文件屬于文本文件，其擴展名為DXF。 此外，在有關其他對話框中，若選擇“ASC”開關按鈕，可得ASC文本的DXF文件；若選擇“BINARY”開關按鈕，可得二進制的DXF文件；若選擇“select Objects” 復選開關，可得所選實體的DXF；若選擇“Save thumbnail preview image”復選開關，可得含有預視圖像的DXF 文件;“Decimal places of accuracy（0 to1

5、6）”編輯框用來確定DXF文件中最長的小數位數。 一個文本文件其實就是一個包含對人可讀的文本的標準文件。另一種類型的文件二進制文件，則需要計算機對它進行解釋。2、DXF文件的總體結構 DXF文件有7個段和文件結尾組成u標題段（HEADER ）標題段記錄了所有標題變量的當前值或當前狀態，且標題變量的值反映了當前圖形系統的狀態。類段 記錄了應用程序定義的類，而類的實例則包含在塊段、實體段和對象段。u表段 這一段包含各種表：線形表（LTYPE）、層表（LYER）字體表（STYLE）、視圖表（VIEW）、用戶坐標系統表（UCS）、視窗配置表（VPORT）、標注字體表（DIMSTYLE）、申請符號表（A

6、PPID）u塊段（BLOCKS） 這一段含有塊定義實體，這些實體描述了圖形中組成每個塊的實體。u實體段（ENTITIES ） 這一段含有實體，包括任何塊的調用。u對象段 包含了圖形數據庫的所有非圖形實體定義的數據。u預覽段 以位圖的形式描述了生成該DXF文件時顯示在屏幕上的畫面。uEND OF FILE（文件結束）可用C語言從DXF文件中提取數據；用C語言構造DXF文件的接口程序。10.4 IGESIGES文件的圖形數據交換文件的圖形數據交換 uIGES標準是從1979年開始制定的，目前已公布5.0版本。1979年底，在美國國家標準局（NBS）的倡導下開始草擬IGES規范。目的是制定美國國內各

7、種CAD/CAM系統間換幾何信息的統一標準。 u于1980年初完成了IGES1.0版本。后經過修訂，于1981年9月由美國國家標準協會（ANSI）公布為美國標準。uIGES1.0中描述產品的實體（Entity）有幾何（Geometry）、注釋（Annotation）和結構（Structure）三類，偏重于幾何圖形信息的描述。 uIGES2.0版本擴大了幾何實體的范圍，并增加有限元模型數據的交換。 u1987年頌的第三版中，能處理更多的制造用非幾何圖形信息，并在這一版本中引入了“壓縮ASCII碼”文件格式1990年10月的IGES5.0版本，又增加了實體圖形的B-rep表示。 1 1、 IGES

8、（Initial Graphics Exchange Specification ）發展發展 IGES的作用是在不同的CAD/CAM系統之間交換數據，如數據要從系統A傳送到系統B中，必須由系統A中的IGES前處理器把這些數據轉換成IGES格式，而所傳送的實體數據須由系統B中的IGES后處理器把其從IGES格式轉換成系統內部的數據格式。將系統B中的數據傳送到系統A也需要相同的過程。它的特點是數據格式相對簡單。IGES重點支持下列模型的數據交換：二維線框模型、三維線框模型、三維表面模型、三維實體模型、技術圖樣模型。 現有大多數CAD商用軟件仍支持IGES格式的圖形文本的輸入輸出。利用IGES文件，

9、用戶可從中提取所需數據進行用戶應用程序的開發。2、 IGES文件的結構 IGES可支持三種格式的文件，分別是ASC碼、壓縮ASC碼和二進制格式。 該文件由5段組成，依次為：開始段(start)，用S表識；全局參數段(global)，用G 標識；目錄條目段(directory entry), 用D標識；參數數據段(parameter data)，用P標識；結束段(terminate)，用T標識。SAMPLE PART S0000001開始段11H 112C87901.5,11HIGES SAMPLES,6HME1.00,1H1,16,11H112C37901.5 G00000011.2, 2hm

10、m,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; 0000

11、00003 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 結束段 一個圖形及其IGES文件的實例3、 IGES應用中存在的問題uIGES“風味”問題。不同CAD系統間采用IGES文件進行交換，圖形發生失真現象，稱為“IGES風味”問題。其原因是：交換雙方實體類型子集不同；實體子集雖同，但具體的實體定義或代碼不同；交換雙方硬件環境不同，

12、出現不同圓整精度。解決此類問題有兩個辦法：加中間調整器。如圖所示：A系統經前處理器生成 IGES文件，經中間調整器，產生調整后的IGES文件，在經B系統的后處理器，得到B系統上不失真的圖形。反之亦然。 建立用戶協議。在用戶組之間訂立協議，統一實體子集及實體定義方式，杜絕發生失真的根源。u不能定義產品的全部信息，既不能構成完整的產品信息模型，只能描述產品的幾何信息并進行數據交換，例如，工程圖的幾何圖形，尺寸標注，注釋說明等。uIGES標準本身不夠完善，如格式過于復雜，定義不夠嚴密，缺乏實現的指導性意見等。10.5 STEPSTEP文件的圖形數據交換文件的圖形數據交換 1、簡介 為了克服IGES存

13、在的問題，擴大CAD/CAM系統數據交換中幾何、拓撲數據的范圍，國際標準化組織（ISO）于1988年開發了產品模型數據轉換標準STEP( Standard for the Exchange of Product model Data)。標準號為ISO 10303, 我國的標準號為GB/T 16656。 制定STEP標準有兩個目的：一是統一產品的數據表示，二是規范產品數據的交換。 2、特點uSTEP產品的數據表示是想建立一個包括產品整個生命周期的、完整的、語義一致產品數據模型，從而滿足產品生命周期內各個階段對產品信息的不同需求，并保證對產品信息理解的一致性。STEP的產品數據交換是想建立一種獨立

14、于任何CAx系統，具有多種形式的交換方法。uSTEP標準是以中性格式概括出一個在產品生命周期內具有完整性與集成性的計算機化的產品模型所需信息，它采用統一的產品數據模型，并采用統一的數據管理，各系統間可直接進行信息交換，而不必轉換為數據，從而提高信息傳遞的準確性和系統的集成性。 uSTEP標準采用全局數據模型的方法，模型所包含的信息不僅有幾何信息，還有特征信息，因而能從根本上解決CAD/CAM信息集成問題，使企業在計算機環境下共享產品數據,加快制造業的巨大發展。表：表：STEPSTEP與與IGESIGES的差異的差異 STEP是啟圖克服IGES在實踐中出現的缺點而發展起來的。IGES雖然應用廣泛

15、，但問題也不少。主要表現在以下幾個方面。首先IGES中定義的實體主要是幾何圖形方面的信息，而不是產品定義的全面信息，它的目的是在屏幕上顯示圖表或用繪圖機繪出圖紙、繪出尺寸標準和文字注釋。所有這些輸出形式都是供人使用理解的，不是面向計算機的，所以不能滿足CAD/CAM集成的要求。其次，IGES的另一個缺點是數據傳輸不可靠，往往一個CAD系統只有一部分數據能轉換成IGES數據，在讀入IGES數據時也經常有部分數據被忽略。此外IGES的一些語法結構有二義性，不同的系統會對同一個IGES文件給出不同的解釋，這可能導致數據交換的失敗。IGES的第三個缺點是它的交換文件所占的存儲空間太大，雖然后來提出了壓

16、縮的ASCII碼格式，但多數IGES處理器都不支持。由于這個缺點也影響了數據文件的處理速度，使得傳輸效率不高。IGES的這些缺點，正是STEP標準要注意解決的問題。 3、STEP標準體系結構 STEP標準由若干部分組成，按功能主要分5類，既描述方法、集成信息資源、應用協議、實現方法、一致性測試方法等。 形式化定義語言EXPRESS 是一種面向對象的非編程語言，用于信息建模，既能為人所理解，又能被計算機處理（通過EXPRESS編譯程序）。EXPRESS主要用來描述應用協議或集成資源中的產品數據，使描述規范化，它是STEP中數據模型的形式化描述工具。作為一種形式化描述語言，EXPRESS吸收了Ad

17、a, C, C+, Modula 2, Pascal, PL/1, SQL多種語言的功能，有強大的描述信息模型的能力，但有不同于編程語言，不具有輸入與輸出語句。4、STEP應用 STEP不僅是一項國際標準，而且還是一種思想、一門技術、一種方法學。它的出現對產品信息建模、信息集成與交換帶來了深遠的影響。 u STEP應用的需求（1）產品開發部門的需求。在實施協同設計、并行設計、虛擬產品集成開發等環境下，SEEP能提供數據共享的機制，即建立統一的產品信息模型并進行數據交換。（2）CAx 和DBMS軟件廠商的需求。STEP能支持接口標準化和概念模型標準化要求， 這就使他們的精力不再浪費在這些問題上。

18、uSTEP應用舉例 STEP應用領域極廣，從單項任務到整個企業的信息化。應用舉例如下：（1）數據交換。 在應用系統間進行數據交換式STEP的主要用途之一，例如，各種基于STEP的CAD/CAPP集成系統；各種基于STEP的集成框架或集成平臺；將IGES、DXF和 ACIS（三維實體建模核心系統）的數據轉換為克在 C+環境下訪問的STEP模型數據。為此要編寫STEP的前、后處理器或用C+語言調用的 API(Application Programming Interface 應用編程接口)接口.（2）建立STEP產品數據庫。利用STEP定義統一的產品數據庫，將企業內各應用程序集成到這個公共數據庫上

19、。當企業的CAD系統、其他應用軟件、硬件發生了改變，該數據庫仍可保留下來而無需重新定義，這就使企業能繼續使用多年經營的數據庫。（3）營造并行工程、CIMS等大型復雜系統的集成環境。利用STEP在上述集成環境中使數據庫、文件庫和CAD系統間通過公用的EXPRESS模型進行交換。（4）產品數據的長期存檔。產品數據在生產結束后通常還要保留15年以上，以滿足備件生產和對用戶產品維護的承諾，這個時間一般大于CAX的服役期。利用STEP將產品數據轉換成獨立于應用系統的中性格式文件，長期存檔，保證了產品數據的可用性。5、STEP面臨的困難（1）體系結構問題（2）應用協議問題（3）應用協議實現的代價問題10.

20、6 其他格式的數據交換其他格式的數據交換 u其他三維模型數據的交換 1、ACIS圖形核心 隨著ACIS圖形核心（ACIS geometry kernel）技術被越來越多的CAD系統所采用，擴展名為SAT的ACIS中性文件格式已在許多CAD系統中實現，并有可能成為一種事實上的標準。2、 VRML建模語言 VRML語言是一種虛擬現實建模語言， 用來描述三為對象并把它們組合到虛擬場景中，可用來建立仿真系統。所以模型和場景易于在因特網上傳輸與交換，現在不少CAD系統都具有三維模型的VRML格式的輸入與輸出。3、STL文件交換 STL格式文件是一種將實體表面三角形化進行數據交換的方法，起初用在CAD系統和快速原型 制造(RPM)系統間傳遞幾何數據，由于其格式簡單，逐漸成為一種CAD系統交換數據的流行格式，在許多三維CAD系統上均可輸出和輸入這種格式的文件。可以利用STL格式文件開發用戶的基于實體的應用系統，例如從STL文件生成數控加工代碼，生成有限元網格，進行圖形仿真等。4、XBF-2 CAM-I (computer Aided Manufacturing-International)國際組織在1982年制定了三維立體的邊界文件格式試