第七章 产品数据交换标准 - 图文

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第七章 产品数据交换标准

在实际工程中，有许多应用系统，例如，有限元网格剖分系统、NC刀具轨迹生成系统

等，这些应用系统都要求有产品描述或产品定义数据作为它们的输入。主要有两种基本的产品定义数据，一种包含了绘图数据，由线的矢量数据（实线、点划线、中心线、尺寸线和延长线）、尺寸标注值、标记和符号的注释数据组成。另一种产品定义数据由带有某些关联注释数据的实体模型表示构成。因此，产品定义数据通常从CAD系统导入，不是辅助绘图系统，就是实体建模系统。但是，由于所有CAD系统都会把设计结果“产品定义数据”存储在专门系统的数据结构中。这可能会与正在使用的应用系统所要求的输入格式不一致。因此，在两个或更多的CAD/CAE/CAPP/CAM系统被集成为共享数据的大型应用系统时，就会出现数据通信问题。在实际应用中，不是在一个组织内部，就是在几个转包制造商或部件供应商之间，总是需要把几个系统集成在一起。为了解决两个系统之间的通信问题，把一个系统的产品定义数据转换成另一个系统能使用的格式是必须的，反之亦然。为了便于所有的CAX系统不开发转换程序就能进行转换，目前已经提出了几种存储产品定义数据的标准格式。

7.1 产品数据定义在工业条件下的交换 7.1.1问题的提出

在制造环境中，需以计算机可识别的形式来表示和存储产品数据，并在各自动化系统间交换这些数据。这些系统可能是在同一企业或同一地区间紧密关联的系统，但也可能分属于不同企业（例如合同承包与子合同承包商之间、供应商与用户之间）。这些信息无论是在服役期间还是在存档时都需要保持其完整性和功能性。

产品数据交换常常出现在下列情况： （1）不同技术设计部分之间； （2）设计、生产与零件供应商之间； （3）组装厂与零部件供应商之间； （4）不同时期研制的不同产品型号之间； （5）不同用途的CAX系统之间； （6）同一CAX系统的不同版本之间。

现有的CAX系统大多数是以单元自动化为目标开发的，各系统的数据在逻辑结构和物理结构上均存在较大差异，这给数据的交换带来困难，这样，产品数据交换就成了亟待解决的问题。

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7.1.2产品数据定义的交换方法

传统上，产品数据的交换是利用工程图纸和技术文件进行的，这种方式存在以下问题： （1）需在接受端人工重新输入整个模型数据，效率极低，而且容易出错； （2）工程图纸本身是面向人的，因而这种传递方式导致： 难以形成对图纸的统一的、正确理解； 工程更改管理的难度大。

现在一般采用两种办法解决CAX系统间的数据交换问题：

（1）以某种特定系统作为标准，即选用某种特定系统作为某个企业的标准系统； （2）使用数据交换接口，即把一个系统生成的数据转换为另一个系统所能识别和处理的数据。

其中第一个方案是行之有效的。

7.1.3接口方案

如7-1所示，有两种实现数据交换接口的方案：

（1）点对点交换：即在需要交换的每两个系统间开发双向转换接口，直接进行数据交换； （2）星式交换：即在需要交换的每一系统与标准数据格式（中性格式）之间开发双向转换接口，两系统通过中性数据格式进行交换。

图7-1 实现数据交换的两种接口方案

(a)点对点 （b）星式

在点对点数据交换方式下，每对系统之间的双向箭头表示两个转换器，每对特定系统之间的转换器被称为直接转换器，若有n个不同系统，就需要提供n(n?1)个直接转换器，因此当必须考虑很多系统时，直接转换法需要太多的转换器，这是不切实际的。

然而，通过一个中性数据库结构也是能完成数据转换的，这个中性数据库结构被称为中性文件，它独立于已有的或者将来出现的新的CAX系统。如图7-2所示，这种结构在不

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同的CAX系统数据库结构之间充当一个中间媒介和一个通讯枢纽的作用。此时，每个CAX系统将有自己的一对处理器，用于数据的双向转换。其中把数据从一个给定系统的数据库格式转换成中性格式的转换器被称为前处理器，而把数据从中性格式转换成另一个系统的数据库格式的转换器称为后处理器。于是，在n个系统之间的通信就只需2n个转换处理器，且每增加一个新系统，则只需增加2个处理器。尽管相对于点对点交换方法，星式交换也有缺点，例如，点对点交换的速度要远快于星式交换，且它们生成的数据文件要远比星式交换所产生的中性文件小。在星式交换中，由于增加了中间环节，一般信息遗失较多。一般来讲，中性文件通常会比特定系统所创建的数据文件大，当通过中性文件转换产品数据时，会丢失一些数据，特别是在参数建模系统中很容易丢失特征树的信息和约束信息。但在工业环境下。采用星式交换的优点还是比较多的。

图7-2 用中性文件进行数据交换

在实际工程应用中，有三种典型的中性格式文件，初始图形数据交换规范（IGES，the Initial Graphics Exchange Specification），绘图交换格式（DXF，Drawing Interchange Format）和产品模型数据交换标准（STEP，Standard for the exchange of product data）。目前IGES是最流行的数据交换格式；DXF是主要应用于绘图数据交换的格式；STEP是用于存储产品整个生命周期所有相关数据的标准数据格式，包括设计、分析、制造、质量保证、检测和维护方面的数据，再加上简单的产品定义数据。

7.2初始图形交换规范（IGES）

1979年，由波音公司、通用电气公司和美国国家标准局组成的技术委员会在美国空军集成计算机辅助制造计划中被指派承担开发数据交换方法的任务，其结果就是1980年1月发布的IGES1.0版，并于1981年9月成为美国国家标准协会ANSI的一项标准。

IGES是国际上产生最早、目前应用最成熟的、也是当竞应用最广泛的数据交换标准。目前几乎所有有影响的CAX系统均配有IGES接口。我国已批准该标准为国家标准GB/T14213-93。由于IGES的早期版本是针对20世纪70、80年代的CAX系统开发的，其主要是面向图纸数据的交换，最近的版本扩展了数据交换的类型。例如，2.0版的IGES支持有限元数据和印刷线路版数据的交换；3.0版加强了用户自定义宏的功能，这些宏是交换标

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准零件库所必须的；4.0版支持实体CSG树；5.0版能过处理实体的b-rep数据结构等。 IGES自问世以来，已发布了6个版本。 IGES在应用中暴露出来的问题： （1）IGES的目的只是传输几何图形及相应的尺寸标准、说明，即只是传输工程图。它无法描述工业环境所需要的产品定义数据的全部信息。另外由于工程图是面向人的，需要经过技术人员解释，易造成二义性。 （2）IGES本身也不够完善：如数据格式过于复杂，不好懂，很难阅读，定义不够严格，有些元素之间定义模糊，造成数据交换不稳定，且没有如何实现的指导性意见。 7.2.1IGES的文件格式 IGES文件包括5个或6个段组成，它们必须依次出现，如表7-1所示： 表7-1 IGES的组成部分 标志段（flag）（可选）：（通常的ASCII格式不用此段） 开始段（start）：（用字母S标识） 全局参数段（Global）（用字母G标识） 目录条目段（DE，Directory Entry）（用字母D标识） 参数数据段（PD，Parameter Data）（用字母P标识） 结束段（Terminate）（用字母T标识）

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标志段只有与压缩的ASCII吗和二进制一起才能使用，文件中的IGES数据可以用ASCII吗和二进制两种格式来表示。ASCII吗格式又包含两种类型：一种是固定80个字符

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的记录长度，而另一种是压缩格式。压缩格式简单地说就是通过消除记录空格所得到的ASCII格式文件。二进制格式是固定记录长度格式中一个比特流的二进制表示。为了识别压缩的ASCII格式文件，字母C存储在标志部分的第73列。这是开始部分前一条单独记录。在二进制文件格式中，标志部分的第一个字节以ASCII字母B作为文件标示符。 1、开始段 开始段向人们提供可读的文件序言，例如，生成原始数据的发送系统、预处理器和所描述的产品等。它至少必须有一个记录，该段的所有记录在第73列为字母S，第74－80列为记录顺序号，第1－72列为用ASCII字符给出的说明。 2、全局参数段 全局参数段包含描述处理器的信息以及处理该文件的后处理器所需的信息。该段处理所有记录在73列为字母G，第74－80列为记录顺序号，第1－72列为全局参数内容。全局参数以自由格式输入，需要时，前两个参数用来定义参数分界符与记录分界符，其缺省值分别是逗号“，”和分号“；”。 表7-2全局参数段中的参数 域序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 域类型 字符串 字符串 字符串 字符串 字符串 字符串 整 数 整 数 整 数 整 数 整 数 整 数 整 数 说明 参数分界符（缺省值为逗号） 记录分界符（缺省值为分号） 发送系统的产品标志（模型标志、图纸标志） IGES文件名 发送系统标志（包括系统名、版本号、供应商） 前处理标志、版本 发送系统标识整数的二进制位数 发送系统单精度浮点数可以表示的以10为底的最大幂指数 发送系统单精度浮点数有效数字的位数 发送系统双精度浮点数可以表示的以10为底的最大幂指数 发送系统双精度浮点数有效数字的位数 接受系统的产品标志（模型标志、图纸标志等） 模型空间比（例125表示1个单位的模型空间代表8个单位现实世界） 指明IGES文件中的单位 1＝英寸，6＝米 2＝毫米，7＝千米 14 整 数 3＝（ANSI/IEEE260标准），8＝0.001英寸 4＝英里，9＝微米 5＝英里，10＝厘米，11＝微寸 15 16 17 字符串 整 数 实 数 计量单位的标志，共11种 线宽加权值的最大等级数（1～32768） 按单位计，线的最大宽度 8

文件生成的日期与时间13HYYMMDDHHNNSS YY年的后两位，HH时（00～23） 18 字符串 MM月（01～12），NN分（00～59） DD日（01～31），SS秒（00～59） 19 20 21 22 实 数 实 数 字符串 字符串 按单位表示的最小的用户需要的分辨率或粒度（如：0.0001） 按单位表示的模型中出现的最大坐标值 作者名 机关单位 建立本文所使用的IGES版本号 1＝IGES V1.0，4＝IGES V3.0 23 整 数 2＝ANSI Y14.26.M.1981，5＝ANSI Y14.26.M.1987 3＝IGES V2.0，6＝IGES V4.0 生成本文件编码所遵照的标准 0＝没有标准，4＝BSI（英国标准） 24 整 数 1＝ISO（国际标准），5＝CSA（加拿大标准） 2＝AFNOR（法国标准），6＝DIN（德国标准） 3＝ANSI（美国标准），7＝JIS（日本标准） 8＝GB（中国国家标准） 3、目录条目段 IGES文件中的每个实体在目录段中都有个目录条目。每个实体的条目由两个相邻的长度为80个字符的行组成。每个域占用8个字符，共20个域。目录条目段为文件提供一个索引，并含有每个实体的属性信息。在目录条目段中，实体定义必须先于实体的引用，各域的数据向右看齐。 表7-3 IGES目录条目端的组成 1～8 （1） 实体类型号 ＃ 9～16 （2） 参数 结构 → 17～24 25～32 33～40 41～48 49～56 57～64 65～72 73～80 （3） （4） （5） 结构 线型 层 模式 ＃，→ ＃，→ ＃，→ （6） 视图 0，→ （7） 交换 矩阵 0，→ （8） 标号显示关联 0，→ （9） 状态 ＃ （10） 顺序号 D ＃ （11） （12） （13） （14） （15） （16） （17） （18） （19） （20） 实体类线宽 颜色 参数行 格式 保留 保留 实体 实体 顺序 型号 加权 计数 标号 下标 号 1 2 ＃ ＃ ＃，→ ＃ ＃ ＃ D ＃ 1 注：（n） 域编号 ＃ 整型数 → 指针 ＃，→ 整型数或指针 0，→ 零或指针

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4、参数数据段

参数数据段包含了在目录条目端所列出的每个实体相联的参数数据。参数数据以自由格式存放，其第一个域总是放实体类型号。各参数间用参数分界符隔开。参数数据可记入1～64列，第65列为空格，第66～72列放本参数所属实体目录条目第一行的序号，第73列为P，第74～80列为记录顺序号。在参数数据段，每个实体最少有2条记录，如果需要每个实体所需的记录个数是可变的，也就是可以多于2条，它根据实体的不同而不同，由不同实体所需要数据的多少来决定。

5、结束段

结束段只有一行，它被分成10个域，每个域8列。结束段是文件的最后一行，在第73列放字母T，第74～80列的顺序号为1。

结束段的各域含有前述各段的标识字母（S、G、D、P）及其最末一行的序号。

9.2.2 IGES产品模型

IGES产品模型指用于定义某种产品的实体集合。定义IGES产品模型就是通过实体对产品模型产品形状、尺寸以及说明产品的特性信息进行描述。

1、实体

实体是IGES规范的基本信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若干个实体的集合（称为结构）。实体可分为几何实体和非几何实体。在IGES规范中，每个实体都被赋有一个特定实体符号。某些实体类型还包括一个作为属性的格式号，格式号用来进一步说明该实体类型内的实体。

实体集合有相联性和特性的规定。相联性提供了建立实体间联系与定义该联系的意义的机制。特性允许向一个实体或实体集合赋予特定的特征，如颜色、线宽等。每个实体的格式都包括一个用于指向相联性与特性指针的结构，指针的个数是任意的。 （1）几何实体

几何实体定义与物体形状有关的信息，包括点、线、面、体以及相类似结构的实体集合关系。在IGES V4.0中包括几何定义；有限元模型；CSG模型。 （2）非几何实体

非几何实体提供把有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富这个模型。此外，它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义与实例。非几何实体分为：注释和结构两类。

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