[科普中国]-工程数据处理

简介

在机械设计过程中，往往需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数或数据。在CAD中，在程序编制过程中将相关数据融于其中，将其程序化，随着程序的运行自动选择，加工处理；或者将相关资料先期以数据库或文件的形式加以管理，以便在设计时由计算机按要求自动检索和调用。

各种工程数据多以数表和线图的形式给出，有少部分是以公式的形式给出。因此，对工程数据的处理主要包括对数表和线图的处理。

工程数据的类型在工程应用中，要处理的数据种类多，结构复杂，包括文字与图形等。用于支持整个生产过程的工程数据，可以分为以下4个类型：

通用型数据通用型数据是指产品设计与制造过程中所用到的各种数据资料，如国家及行业标准、技术规范、产品目录等方面的数据。这些数据的特点是数据结构不变，数据具有一致性，数据之间关系分明，数据相对稳定，即使有变动，也只是数值的改动。1

设计型数据设计型数据是指在生产设计与制造过程中产生的数据，包括各种工程图形、图表以及三维几何造型等数据。这类数据有两大特点：一是数据呈动态，设计型数据是在设计过程中才产生的，因此，存储的数据结构随数据类型的改变而改变；二是数据由工程设计的过程所确定，“设计——评价——再设计”是典型的工程设计流程。因此，设计型数据有时被反复修改。1

工艺加工数据工艺加工数据是指专门为CAD/CAM系统工艺加工阶段服务的数据，如金属切削工艺数据、热加工工艺数据等。1

管理信息数据在高度集成的CAD/CAM系统中，还应该包括生产活动各个环节的信息数据，如与生产工时定额、物料需求计划、成本核算、销售、市场分析等相关的管理信息数据。1

工程数据库商品化的数据库系统主要是为了满足事务管理的要求，其数据库技术比较成熟，一般称为商用数据库系统，如Oracle等。在CAD/CAM系统中，人们希望能够利用数据库技术有效地管理工程应用中所涉及的图形、图像、声音等形式更加自然的信息，这时现行商用数据库系统难以适应的，因此，人们提出了工程数据库的概念。1

所谓的工程数据库，是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。理想的CAD/CAM系统，应该在操作系统支持下，以图形功能为基础、以工程数据库为核心的集成系统，从产品设计、工程分析直到制造过程中所产生的全部数据都应维护在同一个工程数据库环境中。1

特点（1）工程数据的类型和数据结构十分丰富，其相互关联也十分复杂；

（2）工程数据库的数据不但要经常修改，其模式也可能经常修改，常常是用户而不是数据管理员来修改模式，而且常常是动态修改；

（3）一个工程设计通常要持续很长时间，这期间不一致的数据也要存于数据库中；

（4）一个设计存在着多个版本，不同的版本既有区别又有联系；

（5）工程数据库不但要存储普通数据，还要存储图形、约束甚至程序。

（6）同一几何形体具有多种表示方法，不同方法有不同的用途。2

主要功能（1）支持复杂多样工程数据的存储和集成管理；

（2）支持复杂对象（例如图形数据库）的表示和处理；

（3）支持变长结构数据实体的处理；

（4）支持多种工程应用程序；

（5）支持模式的动态模式修改和扩展；

（6）支持设计过程中多个不同数据库版本的存储和管理；

（7）支持工程长事务和嵌套事物的处理和恢复等。3

工程数据库管理系统工程数据库管理系统，简称EDBMS（engineering data base management system），其功能是针对工程数据的特点而设置的。

工程数据库管理系统一般要满足以下几个主要要求：

（1）支持复杂的数据类型，反映复杂的数据结构。工程数据库中的数据除了字符和数之外，还有文本和图形数据，因此设计过程中实体之间的关系是复杂多样的，这就要求工程数据管理系统既能支持过程性的设计信息，又能支持描述性的设计信息。

（2）支持反复建立、评价、修改并完善模型的设计过程，满足数值结构经常变动的需要。

（3）工程数据模型必须支持层次性的设计结构。在分层的总图结构中，顶层表示总图，总图中的一个抽象代号可以表示下层的一个子图。下层图形中的某一个抽象代号又能表示更下一层的某一子层。如此表达，便可到达由基本零件图形组成的底层，而基本零件存储在图形库中。各种图纸所包含的数据也可按此法进行处理。这样，只要按层次结构特性，便可迅速绘制装配总图、部件图和零件图。对于每一层中的同一实体，数据模型还必须支持多种视图的表示。

（4）支持多用户的工作环境并保证在这种环境下各种数据语义的一致性。如机械设计包含机、电、液、控制等方面的技术，各类专业人员都可以按自己的观点理解同一数据结构并进行不同的应用。因此，必须提供描述与处理过程中比一般数据库管理系统更强的语义约束，以维护数据语义的一致性。

（5）具有良好的用户界面。应支持交互作业，设计者可以用交互方式对工程数据库进行操作、检索和激活某一软件包。同时，应保证系统具有快速的、实时性的响应，以满足设计者对数据库的使用和对库中数据值及数据结构修改的需要。1

处理方法在计算机辅助设计中，处理工程数据的方法有三种：程序化处理、文件化处理、数据库管理。由于工程数据处理的规模大小不同，因此，须根据实际情况选用三种数据处理方法中的一种。对于规模较小的设计任务可采用管理方式或程序化处理方式，而对数据量十分庞大的一类设计任务则可以采用数据库管理方式。

程序化处理程序化处理，即是在应用程序内部对数表、线图进行查询、处理或计算。具体处理方法有两种：一种方法是将数表中的数据或线图离散化，以一维、二维或多维数组的形式存入计算机，用查表或者插值的方法检索所需要的数据；另一种是将数表或线图拟合成公式，编制成计算机程序，再利用程序计算出所需要的数据。

数值的程序化处理方法：数值程序化就是将要使用的各个参数及其函数关系，用一种合理编制的程序存入计算机，以便运行使用，其方法要具体问题具体分析。若要使用的数据是一组单一、严格的而又无规律可言的数列，通常的方法是用数组形式存储数据，程序运行时，直接检索使用；若要使用的数值是一组单一地、严格的但能找到某种规律的数列，则不必定义数组逐项赋值，将反应这种规律的数学公式编入程序，通过计算即可快速、准确地到达目的。

数表的程序化处理方法：数表的程序化就是应用程序完整、准确地描述不同函数关系的数表，以便在运行过程中迅速、有效地检索和使用数表中的数据。数表程序化一般有3种方法：屏幕直观输出法、数组存储法、公式计算法，使用时需要具体问题具体分析。

线图的程序化处理方法：在机械设计中，很多参数间的函数关系是用线图表示的。线图的特点是鲜明直观，能表现出函数的变化趋势。目前，线图不能直接存储在计算机中，在编程序前必须进行预处理，以便计算机能应用这些设计资料。对线图的处理方法有两种：一是将其转换成相应的数表，对数表中没有的节点值采用插值法求得；二是将线图公式化。

优点：程序与数据结合在了一起；

缺点：数据无法共享，并会增大程序的长度。1

文件化处理工程数据文件处理中通常采用两种类型的文件，一类是文本文件，另一类是数据文件。文本文件用于存储行文档案资料时，如技术报告、专题分类、论证材料等，可利用任何一种计算机文字处理工具软件建立。数据文件有自己固定的存取格式，用于存储数值、短字符串数据，如切削数据、标准零件尺寸等，可利用字表处理软件建立，但为了便于应用程序调用，通常采用高级语言中的文件管理功能实现文件的建立、数据的存取。简单地说，文件化处理即是将数表及线图中的数据按照一定的结构存放在数据结构中，需要数据时，由程序来打开文件并读取数据。以文件形式保存的数据独立于应用程序之外，可以供多个应用程序使用。1

对工程数据的文件化需要注意如下几个问题：

（1）数据资料的正确组织。由于大部分数据资料并不是简单的表格形式，可能含有组合项、多重嵌套表格，而数据文件不具备支持各种复杂格式的能力，因此需要先对数据资料进行正确的分解和组织，将复杂的表格拆分成若干个简单的表格，做好建立文件的准备工作。

（2）选择合适的文件组织方法。应根据要存储数据的使用情况、数量大小选择建立顺序、索引文件等的类型。

（3）正确录入数据。这是系统正确运行的前提。在录入数据时要细致认真，确保数据有效。

（4）主要保存、备份数据文件。因文件与程序独立存在，因此在保存程序的同时，还要注意数据文件的计算机建档和管理。

优点：数据与程序作了初步的分离，实现了有条件的数据共享，增强了数据管理的安全性，提高了数据系统的可维护性。

缺点：

（1）文件只能表示事物而不能表示事物之间的联系；

（2）文件较长；

（3）数据与应用程序之间仍然有依赖关系；

（4）安全性和保密性差。1

数据库管理在CAD/CAM系统的设计、分析、制造等过程中，要查阅各种标准、规范等相关资料，并产生各个阶段的结果数据信息，包括图形和数据。对这些数据信息的管理效率，直接影响CAD/CAM系统的应用水平。随着计算机技术的发展，CAD/CAM系统中的信息管理从文件模式发展成为数据库模式，直至目前流行的工程数据库模式。

建工程化数据存放到数据库中，可以克服文件化的不足。

优点：

（1）数据实现共享；

（2）数据集中；

（3）数据结构化，既表示了事物，又表示了事物之间的联系；

（4）数据与应用程序无关；

（5）安全性和保密性好。1