2.5 产品数据交换标准与接口技术

由于市场上有非常多的软件共存，为了在这些软件之间取长补短，也为了保护用户的劳动成果，数据交换非常重要。数据交换根据操作环境的不同分为以下三类：

（1）不同操作系统软件之间的交换，如UNIX与Windows程序间数据的交换；有相当多的CAD/CAM软件运行于UNIX而不是Windows操作系统，进行数据交换必须采用中性的数据交换文件，即在不同的操作系统间交换数据需要将文件从一个操作系统传送到另一个操作系统，传输过程需要使用ftp命令，这个命令所有的操作系统都支持。

（2）同种操作系统中不同软件之间的交换，如I-DEAS与Pro/E数据间的交换。

（3）同种软件之间的数据交换。

根据数据性质的不同，数据交换可分为以下三类：

（1）三维模型数据之间的交换。

目前，大部分大型CAD软件能够输入输出IGES、STEP、VDA格式的文件，从而可以交换三维的曲线、曲面和实体。IGES数据交换格式的应用比较广泛，几乎所有的CAD系统都支持。STEP是国际标准化组织定义的数据交换格式，是三维数据交换的发展方向。VDA也是一种重要的数据交换文件。随着ACIS图形核心（ACIS Geometry Kernal）技术的广泛使用，扩展名为SAT的ACIS中性数据交换文件可能成为在不同CAD软件之间交换实体数据的标准。现在有的系统支持VRML。VRML是一种虚拟现实语言，适用于远程数据交互的场合。

（2）二维矢量图形之间的交换。

DWF（Drawing Web Format）文件是一个高度压缩的二维矢量文件，它能够在Web服务器上发布。用户可以使用Web浏览器，例如Navigator或Internet Explorer在Internet上查看DWF格式的文件。

用户可以将输出到DWF文件的图形的精度设置为36位到32位之间，缺省值为20位。一般来说，对于简单的图形，输出精度的高低并没有明显的差别，但对于复杂的图形，用户最好选用高一点的精度。当然，这是以牺牲输出文件的数据读取时间为代价的。

在CAD领域虽然有一些标准来保证用户在不同的CAD软件之间传递图形文件，但效果并不显著。由Autodesk公司开发的中性数据交换文件DXF（Drawing Exchange Format）格式，现已成为传递图形文件事实上的标准，得到大多数CAD系统的支持。用DXF格式建立的文件可被写成标准的ASCII码，从而可在任何计算机上阅读。

Windows的图形元文件（Metafile）不像位图，它是一个矢量图形。当它被输入到基于Windows的应用程序之中时，可以在没有任何精度损失的前提下被缩放和打印。Windows的图形元文件的扩展名为WMF。

Postscript是一种由Adobe System开发的页描述语言，它主要用在桌面印刷领域，并且只能用Postscript打印机来打印。Postscript文件的扩展名为EPS。

（3）光栅图像之间的交换。

BMP文件是最常见的光栅文件。光栅文件也叫作点阵图，文件的字节比较长。由于BMP文件占用太多的磁盘，所以人们发明了各种压缩文件格式，如JPEG、TIFF等，其压缩率很高，但有一定的图像失真。

2.5.1 标准接口

数据交换标准起始于美国国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology, NIST）研制的IGES。美国空军在IGES的基础上开发了一个从设计到制作的产品数据接口PDDI（Product Definition Data Interface）。与PDDI相衔接，NIST开发了PDES（Product Data Exchange Specification）。欧洲信息技术研究与发展战略计划（ESPRIT）开发了计算机辅助设计接口CADI（Computer Aided Design Interface）。最终大家认识到CAD软件需要一个规范的，能够对产品全生命周期内产生的所有数据进行交换的统一格式，这就是ISO正在为之努力的STEP标准。

标准接口是已经被国际标准化组织或某些国家的标准化部门所采用，具有开放性、规范性和权威性的标准，其中最具有代表性的是IGES标准和STEP标准。

1.IGES标准

IGES标准是在CAD领域应用最广泛，也是最成熟的标准，市场上几乎所有的CAD软件都提供IGES接口。它是NIST研制的，早在20世纪80年代就被纳入美国国家标准（ANSIY 14.26M）。我国在90年代初将IGES纳入国家标准（GB/T 14213—93）。

在IGES标准中，用于描述产品数据的基本单元是实体。IGES 1.0版本中有几何实体、注释实体和结构实体三种；2.0版本扩大了几何实体的范围，能进行有限元模型数据的传输；3.0版本增加了更多的制造用非图形信息；4.0版本增加了实体造型中的CSG表示；5.0版本增加了一致性需求。IGES标准不仅包含描叙产品数据的实体，而且规定了用于数据传输的格式，它还可以用ASCII码和二进制这两种格式来表示。ASCII格式可有两种类型：固定行长格式和压缩格式。二进制格式采用字节结构，适用于传输大文件。IGES文件是由任意行数所组成的顺序文件，一个文件可由5～6个独立的段组成，分别是标记段、起始段、全局段、目录条目段、参数数据段和结束段。

IGES的特点是数据格式相对简单，当发现使用IGES接口进行数据交换所得到的结果有问题时，用户对结果进行修补较为容易。但是IGES标准存在四个方面的问题：

（1）数据传输存在不完备性，往往一个CAD系统在读、写一个IGES文件时会有部分数据丢失。

（2）一些语法结构具有二义性。

（3）交换文件所占的存储空间太大，影响了数据文件处理的速度。

（4）不能适应在产品生命周期的不同阶段中数据的多样性和复杂性。

2.STEP标准

STEP标准是解决制造业当前产品数据共享难题的重要标准，它为CAD系统提供中性产品数据的公共资源和应用模型，并规定了产品设计、分析、制造、检验和产品支持过程中所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，还包括一些与处理有关的数据。

STEP标准为三层结构，包括应用层、逻辑层和物理层。在应用层，采用形式定义语言描述了各应用领域的需求模型。逻辑层对应用层的需求模型进行分析，形成统一的、不矛盾的集成产品信息模型（Integrate Product Information Model, IPIM），再转换成Express语言描叙，用于与物理层联系。在物理层，IPIM被转化成计算机能够实现的形式，如数据库、知识库或交换文件格式。

ISO 10303产品数据的表达与交换是由ISO/TCT 84/SC 4工业数据分技术委员会制定的一套系列标准。我国正逐渐把它转化为国家标准（GB/T 16656）。

STEP确定的项目共有36个，SC 4将这36个部分分成以下六组：

（1）描述方法（Description Methods）。

（2）集成资源（Integrated Resource）。

（3）应用协议（Application Protocols）。

（4）抽象测试套件（Abstract Test Suites）。

（5）实现方法（Implementation Methods）。

（6）一致性测试（Conformance Testing）。

现在，STEP标准的基础部分已经很成熟。到目前为止，国际市场上有实力的CAD系统几乎都配备了STEP数据交换接口。与IGES标准相比较，STEP标准的优点是它针对不同的领域制定了相应的应用协议，以解决IGES标准适应面窄的问题。根据标准化组织制定的STEP应用协议，该标准所覆盖的领域除了包括目前已经成为正式的国际标准的二维工程图、三维配置控制设计以外，还将包括一般机械设计和工艺、电工电气、电子工程、造船、建筑、汽车制造、流程工厂等。

2.5.2 业界接口

在软件的发展过程中，由于当时没有完全满足要求的标准接口，但又需要和其他软件进行数据的共享和交换，于是诞生了有影响的、被业界认可的通用接口规范，例如，二维CAD软件中有AutoCAD公司的DXF，三维CAD软件中有Spatial Technology公司的ACIS SAT, EDS公司的Parasolid X_T。

1.DXF

DXF是包含了对AutoCAD图形上各种实体及绘图环境的详细描述的ASCII文件，其二进制为DXB。主要用于：

（1）同版本的AutoCAD之间的图形转换。

（2）与其他二维CAD系统之间的图形转换。

2.ACIS SAT

ACIS是美国Spatial Technology公司推出的三维几何造型引擎，它集线框、曲面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中，为各种三维造型应用的开发提供了几何造型平台。许多著名的大型系统都是以ACIS作为造型内核的，如AutoCAD、CADKEY、MDT、TurboCAD等。

ACIS提供两种模型存储文件格式：以ASCII文本格式存储的SAT（Save as Text）文件和以二进制格式存储的SAB（Save as Binary）文件。

3.Parasolid X_T

EDS公司的Parasolid是与ACIS、DesignBase等系统齐名的商用几何造型系统，可以提供精确的几何边界表达（B.Rep），能在以它为几何核心的CAD系统间可靠地传递几何和拓扑信息。它的拓扑实体包括点、边界、片、环、面、壳体、区域、体，如UG、SolidWorks、SolidEdge等都采用其作为内核。

2.5.3 单一的专用接口

为了扩大市场和兼容其他软件厂商的模型，有些CAD软件专门开发了读取和写入其他软件模型格式文件的接口，例如，CAXA电子图板能直接读取AutoCAD的DWG文件，I-DEAS、ANSYS可以直接读取来自CATIA、UG、Pro/E的文件，SolidWorks可以读取SAT、X_T文件。CAD软件之间的数据交换技术，是由于人们刚开始开发各领域软件时没有认识到各种数据模型的集成性而造成的，如果需要进行不同软件间的数据交换，目前建议的一般原则如下：

（1）如果有专用接口，就使用专用接口，因为专用接口都是具有针对性开发的，数据传输时信息丢失最少。

（2）如果没有专用接口，尽可能使用输出软件内核系统的事实通用接口。例如，需要将CAD的数据输出到有限元分析软件ANSYS中，由于在ANSYS软件中能够读取多种中间格式的文件（IGES、SAT、Parasolid等），如果中间模型文件是从SolidWorks软件中导出的，应使用Parasolid（SolidWorks软件使用的几何内核是Parasolid）接口；如果是从MDT软件中导出的，就应该使用SAT（MDT软件使用的几何内核是ACIS）接口。这样做数据丢失比较少。

（3）使用标准通用接口。从目前来看，几乎所有的CAD软件中都同时配备有IGES、STEP转换接口。

必须注意，不论使用哪种接口，都需要确保两端软件的接口版本和参数尽量一致，只有这样才能获得较高的数据传输精度。

2.5.4 CAD软件数据交换的实现

数据交换的实现一般有以下三种方式。

1．直接开发转换程序

当采用标准转换方式不能解决问题，或者没有找到合适的文件转换工具时，对于大量待转换文档，可以直接进行格式转换程序的开发。这种方式耗费的人力和机时较多，而且需要相关CAD软件的开发资源。

2．手动实现

根据转换关系描述数据表，查询到可以进行格式转换的软件，可通过CAD系统软件进行转换。以UG 13.0为例，首先将待转换文件拷贝到安装有UG的计算机上，运行UG，创建一个新的模型文件或者打开一个模型文件，然后选择菜单项，从弹出的菜单中选择要输入的类型，即可导入源文件。

3．由程序自动实现

当CAD文件格式转换在PDM或其他集成系统、文件共享系统中应用时，能够实现文件格式自动转换是非常方便和必要的。一般来说，自动转换功能的实现依赖于CAD系统能够提供有效的开发工具。所幸的是，常见的CAD系统都提供了开发接口，比如Pro/E的Pro/DEVELOP、AutoCAD的ADS等。利用这些接口，我们就可以实现文件格式的自动转换了。

习题

1．数字化设计与制造系统需要具备哪些主要功能？

2．参数化造型系统的主要技术特点是什么？

3．尺寸驱动系统与变量设计系统的主要区别在哪里？

4．产品数据交换的意义是什么？目前有哪些常用的交换接口？

5．图形的概念及描述图形的方法有哪些？

6．为什么要制定和采用计算机图形标准？已经由ISO批准的计算机图形标准软件有哪些？

7．证明表示一个旋转变换。