[科普中国]-产品数据交换

概念与简介

我们在计算机上保存自己所做的工作时，经常保存成所用软件的默认文件格式，通俗地讲，就是保存成有默认扩展名的文件。如Microsoft Word默认保存为扩展名为.doc的文件，AutoCAD默认保存为扩展名为.dwg 的文件。这些软件也支持另外一些文件格式, 如Microsoft Word就可以保存为扩展名为.txt 的纯文本文件，AutoCAD保存为扩展名为.dxf 的文件。这样，其他一些支持TXT或DXF格式的软件就可以直接使用这些数据了，这个过程就是数据交换。1

与此类似, 随着科学技术的迅猛发展，CAX技术得到了越来越广泛而深人的普及。许多行业都在以CAX 技术为契机进行着产业的升级换代。如此众多的单元技术在运作时将生产出大量的产品数据, 而这些数据由于出自不同的单元技术，在数据的格式、结构方面均存在较大的差异。而且大多数软件的几何造型引擎都与相应CAD 产品的源代码紧密结合，因此文件和数据从一个工程师传递给另一个工程师后往往会面目全非。除了当今市场上部分昂贵的、已无缝集成有CAD、CAE、CAM、PDM 等模块的高端CAX 软件外, 这些数据间很难互相兼容。1

在一个企业内部，不兼容的产品数据妨碍了产品数据的共享，使各种单元技术仅在某些局部才有相应的计算机系统支持，形成所谓的“ 信息弧岛” 。而FMS、PDM、MRPl、CIMS 等技术的核心在于集成。为使各种单元技术间协调工作，必须通过信息共享，使各种功能有机地集成在一起，实现企业信息的整体优化。这就要求产品数据格式标准化，数据间具有可交换性。1

在企业之间，不兼容的产品数据妨碍产品数据的交换，不利于集成系统的信息交换与管理，对于敏捷制造和动态联盟企业尤为重要。在多变和很难预测的市场竞争中，需要有支持全球合作的数据交换标准，允许企业有效地与它们全球的合作伙伴、客户和零部件供应商交换信息，企业必须确保这种交换是一致的、准确的并且是及时的。例如美国的波音公司在波音777的零件设计中做到了100% 的数字化定义和三维模拟装配，并将这些数据传递到全球众多的零部件供应商那里而并没用图纸，号称世界上第一架“ 无图纸飞机” 。1

研究进展人们对产品数据交换的研究是从如何传递不同CAD模型的数据开始的。早在70年代初美国国家标准协会ANSI Y14 委员会就意识到产品数据交换规范的必要性，此后麦道自动化公司( McAuto)，形状数据公司都积极开展此类工作。1979年底美国国家标准局NBS和美国空军USAF主持开发了IGES规范，并于1980年公布了它的第一个版本IGES 1.0。与美国同步, 欧洲各国在产品数据标准方面也做了不懈的努力，法国宇航公司于1984年制订了目标与IGES相当的数据交换传输标准SET Rve 1.1， 联邦德国汽车工业协会于1983 年公布的VDAFS1.0 标准用于传递任意自由曲面。欧洲最大的CIMS研究工程— ESPRIT项目322CAD计划于1984年开始实施，最初目的是开发一个功能完善的CAD 数据接口。2

IGES自公布以来得到了广泛的应用，几所有的商用CAD/CAM 软件, 如CADAM、PRO / ENGI-NEER、CATIA 等系统都配备了IGES 接口。IGES标准规定了供数据交换用的IGES文件格式和结构语言格式及以此种格式描述的产品定义数据的几何、拓扑及非几何的表示方法。作为一个发展中的技术标准，IGES 在应用中出现了一些问题,主要归纳为三个方面：数据文件过大; 定义存在模糊性；侧重图形数据的交换。受IGES的影响CAM-I国际组织在1982 年制定了三维立体的边界文件格式试行标准XBF-2，XBF-2 的研究工作列入后来的ESP, 研究的目的在于考查实体造型数据在IGES中的表示这些内容都纳入后来的IGES 4.0和IGES 5.0 中。2

随着各种数据交换标准的制定，人们逐渐意识到应当采用一种面向产品数据的统一的标准才能最终解决不同系统间的数据交换问题。从1982年开始, 美国空军作为ICAM 计划的部分，在IGES 基础上进行一个从设计到制造的产品定义数据接口PDDI计划。与PDDI 相衔接, 美国LGES 委员会于1984 年开始实施研究新一代产品数据交换规范PDES 计划，于1957 年中期完成PDES 版本1.0，并已得到150/TC 184 的认可纳入其STEP计划。1986年公布的PDES 初始报告和1958年底公布的STEP 1.0版本( 草案)，是PDES/STEP计划的两个最重要的文件，它们描述了PDES/STEP的基本思想和规范的发展计划。2

产品数据交换标准基本内容产品数据交换标准，简称STEP，是ISO国际标准化组织实施的长期计划, 是一个不依赖具体系统的中性机制, 它能完整地规定产品设计制造甚至是产品生命周期各个环节的数据，STEP的三个主要特点为：支持广泛的应用领域,中性机制, 完整表示产品数据。STEP 研究的着眼点是产品数据PD，产品数据是产品生命期中全部数据的集合，它是整个CIMS的研究和处理的对象。产品数据的详细内容包括：2

（1） 产品控制信息：如零件的标识、批准发布状态、材料清单等。

（2）产品几何描述： 如线框表示、几何表示、实体表示等。

（3）产品特征信息：产品特性, 各类形状特征如凸起、凹陷、通道等。

（4）公差：尺寸公差和形位公差。

（5）材料：如类型、品种、金相、硬度等。

（6）表面处理：如喷涂、喷丸等。

（7）有关说明: 如总图说明等。

（8）其他 : 如工艺、质量控制、加工、装配等。

STEP 的应用范围非常广泛，STEP的标准内部又划分为许多子标准。迄今为止，STEP 确立的部分有36 个， 可划分为7 组。如图所示：2

组织结构STEP 的组织结构分为三层：应用层、逻辑层和物理层。在形式上这三层组织结构类似于数据库的三级模式结构(外模式、概念模式和内模式)，然而概念上有较大不同。数据库模式的核心是概念模式，外模式是为了适应用户的不同需要而从概念模式中抽取出来的, 是概念模式的子集；STEP 则是先有应用层, 逻辑层数据模型是从应用层的数据模型映射和集成而来的。2

在应用层，根据不同的应用领域提出相应的论题模型，描述模型的工具主要采用IDEFIX，NIAM和形式化建模语言EXPRESS，此语言的采用使得描述的数据模型可直接由计算机进行处理、翻译成相应的数据库结构或物理文件结构。目前, 应用层主要为机械、电子、有限元分析、建筑工程等。2

在逻辑层，根据应用层所提出的论题模型进行分析和集成，获得一个统一的最小信息冗余的、明确而完整的信息模型IPIM，也称概念模型, 最后转换成EXPRESS表示。1

物理层提供四种产品数据交换方式，即文件交换、工作格式交换、数据库交换和知识库交换。其中STEP文件是一种采用WSN 形式化句法、无二义、自由格式的顺序文件。1

体系结构产品数据交换标准的体系可以看作三层，如图所示。最上层是应用层，包括应用协议及对应的抽象测试集，是面向具体应用的, 这是与应用有关的一个层次。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，并与具体实现无关。最底层是物理层，包括实现方法，给出在计算机上的具体实现形式。3