STEP标准在计算机辅助工程CAx中的应用

1STEP标准在计算机辅助工程CAx中的应用董晓岚1秦培亮万长东摘要：STEP是世界公认的未来产品生命周期数据交换标准，发达工业国家正大力发展制造领域的STEP标准。本文介绍了STEP标准的研究现状、接口、映射机理，重点阐述STEP应用协议组（AP）在不同CAD/CAPP/CAM/CAE/CNC及与PDM系统的数据模型和数据交换中的应用。关键词：STEP；CAx；AP数据交换1STEP标准1．1STEP标准概述STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)标准是一个正在完善中的“产品数据模型交换标准”。它是由国际标准化组织(ISO)工业自动化与集成技术委员会(TC184)下属的第四分委会(SC4)制订，ISO正式代号为IS0-10303。随着工业自动化和计算机技术的不断发展，工业界迫切需要综合性强、可靠高的信息交换机制实现计算机辅助工程(CAx)系统之间的有效集成。STEP标准既是一种产品信息建模技术，又是一种基于面向对象思想方法的软件实施技术。它支持产品从设计到分析、制造、质量控制、测试、生产、使用、维护到废弃整个生命周期的信息交换与信息共享，目的在于提供一种独立于任何具体系统而又能完整描述产品数据信息的表示机制和实施的方法与技术[1]。1．2STEP标准的体系结构STEP把产品信息的表达和数据交换的实现方法区分成六类：描述方法(DescriptionMethods)；实现方法(ImplementationMethods)；集成资源(Resources)：分一般资源和应用资源；应用协议(ApplicationProtocols)；一致性测试方法论和框架(ConformanceTesting)；抽象测试集(AbstractTestSuites)[2]。1作者简介：董晓岚（1980-），女，江苏苏州人，硕士，助教，研究方向：数控技术，CAD/CAM/CAE集成。2描述方法#11EXPRESS#12EXPRESS-I...实现方法#21中性文件#22SDAI操作#23SDAIC++...一致性测试#31基本概念#32测试环境…应用协议#201精确绘图协议#2033D设计配置控制协议#214机械设计过程核心数据...应用资源#101绘图资源#102船舶结构#104有限元分析…一般资源#41产品描述及支持#42几何&拓扑#43结构描述#48特征描述...基础结构信息模型图1STEP标准的体系结构其中，构成核心体系的关键语言有：描述语言：EXPRESS语言是STEP标准开发的面向对象的信息模型描述语言（ISO10303-11），用以描述集成资源和应用协议，即是记录产品数据的建模语言，在STEP技术中处于基础和核心的地位。实现语言：鉴于EXPRESS本身不是一种实现语言，STEP规定了若干通过映射关系来实现EXPRESS的语言。主要有：1)STEP中性文件（ISO10303-21）：中性文件采用自由格式的物理结构，不依赖于列的信息（IGES有列的概念），且无二义性，便于软件处理。中性文件格式是信息交换与共享的基础。2)SDAI接口——StandardDataAccessInterface（ISO10303-22）：是STEP中规定的标准数据存取接口，提供访问和操作STEP模型数据的操作集，为应用程序开发员提供统一的EXPRESS实体实例的编程接口需求规范。可用于更高层的数据库实现和知识库实现。3)STEPdatainXML（ISO10303-28）：提供STEP文件到XML的映射，XML是为Internet上传输信息而设计的一种中性的数据交换语言，是Internet/Intranet间存储和提取产品数据的主要语言工具。应用协议（AP）：STEP利用应用协议(AP)来保证语义的一致性。应用协议指定了在某一应用领域中，共享信息模型结构所需遵循的特定应用协议所规定的模型结构。通过应用协议，建立一种中性机制解决不同CAx系统之间的数据交换。目前，已制订或正在制订的有关工程设计与制造方面的STEP应用协议有38个3(AP-201～AP-238)[3][5]。2STEP标准应用协议在计算机辅助工程CAx中的应用STEP标准把产品设计制造全部生产活动所需的各种分散的系统有机地集成起来，为高效益、高柔性的制造系统服务。每个CAX系统通过自身的前后处理器实现与中性文件的信息交换，从而实现了CAD/CAM/CAE/CNC/PDM系统之间的产品数据交换。STEP将是二十一世纪现代先进制造技术发展的必然产物，也将是CIMS信息集成系统的核心和实施并行工程的关键。2．1AP203/AP214与CADAP203是最早成为ISO标准的应用协议之一，全称是“三维设计数据的配置控制协议（Configurationcontrolled3Ddesignsofmechanicalpartsandassemblies）”。AP203是针对有配置管理的产品三维数据交换而设定的应用协议，限于产品生命期内的设计阶段，适用于机械零件与部件。AP203协议主要描述两大类产品信息：产品配置信息和三维几何形状信息。AP214全称是“汽车机械设计过程的核心数据(CoreDataforAutomotiveMechanicalDesignProcess)”，协议以汽车作为最终产品，涵盖了产品整个生命周期活动内所需要的产品数据。最初由几乎世界所有汽车制造厂家参与开发（如：德国的宝马、奔驰，美国的通用、福特，日本的日产、丰田等），目前，国际化标准组织将其改名为“机械设计过程核心数据”，使AP214成为支持机械产品设计开发全过程的国际标准。目前，主流CAD系统，如Pro/E、UG、CATIA，都提供AP203/AP214文件的支持。应用程序通过STEP文件前/后处理器完成对STEP中性文件的读写，即STEP文件前处理器把应用程序的内部数据转换成符合STEP交换结构语法的文件；STEP文件后处理器读入STEP文件，把交换结构描述的数据转换成接收系统的内部数据。基于AP203/AP214协议的STEP文件成为产品设计阶段的重要的中性转换文件。2．2AP224与CAPPAP224全称是：“使用形状特征的面向工艺规划的机械产品定义(MechanicalProductDefinitionforProcessPlanningUsingFormFeatures)”。AP224定义了单个机械零件的制造过程所需的信息模型，其核心思想是采用面向制造的形状特征描述产品外形，并提供相应的加工信息。AP224产品模型提供的信息可以用于刀具与工作台的选择、车床切削速度和进给度等加工参数确定、材料单的制订、加工时间的规划等，其数据可直接作为CAPP系统的输入。在CAD/CAPP/CAM集成系统中，特征已成为沟通设计与制造的纽带。基于特征的ＡＰ-224产品数据模型将实现CAD、CAM之间的无缝连接，从根本上解除制4造领域对二维图样的依赖。2．3AP238与STEP—NCSTEP—NC(ISO-I4649)是CAD/CAM与CNC之间基于STEP建立的一种新的接口标准。其内部定义的ＡＰ238的应用协议，涵盖了产品的设计和制造信息，包括几何模型(AP203或AP214)、特征定义(AP224)、公差定义(AP219)、工艺流程(铣、车、EDM等)等。CAM系统(包括操作者)只负责加入工艺信息和刀具信息，生成AP-238格式加工程序，无需经过后处理，由STEP—NC控制器读入直接控制数控机床。STEP—NC将STEP标准扩展至CNC领域，以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来。新的数据模型按制造特征(如孔、型腔、螺纹、倒角等)进行编程，加工程序以“工作步骤”(Workingsteps)作为加工流程的基本单位，每个工步定义一具体的机床操作。STEP—NC摈弃了传统Ｇ、Ｍ代码(ISO-6983)程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，鉴于这种面向运动和开关控制的数控程序限制了CNC系统的开放性和智能化发展，使得CNC与CAx技术之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展，直接导致了STEP—NC的出现。目前，STEP—NC标准草案(ISO-DIS-14694)正在完善中。有关基本规则与铣削加工的标准(草案)已完成，包括基本概念和规则(Part1)、通用数据(Part10)、数控铣削加工工艺(Part11)、铣削刀具(Part111)等。正在制订的STEP—NC标准有：数控车削加工(Part12)、放电加工(Part13)、木材和玻璃的加工(Part14)、检测(Part15)等。有关STEP—NC的CNC控制器也成为业界研究的热点，据美国STEPTools公司的预测，STEP-NC控制器有望在本世纪的第一个十年内出现，届时人们将会看到自动化制造的全新景象。2．4AP209与有限元技术（FEA）AP209全称是：“复合材料和金属结构的分析与设计应用协议（CompositeandMetallicStructuralAnalysisandRelatedDesign）”。AP209是2001年上升为STEP标准草案(DIS)的关于有限元分析的应用协议。协议定义了有限元分析的实体，包括有限元网络模型(节点、单元、局部坐标等)、材料和特性(材料参数、截面特性等)、有限元分析的控制模型(载荷、约束、加载过程等)、有限元分析的结果模型以及用来描述控制和结果的状态模型等几个方面的实体。AP209可以满足结构静力分析、模态分析、动力响应、热传导、电磁场分析等线性分析和较简单的非线性分析方面的需求[4]。2．5STEP模型映射技术[6]如上所述，STEP标准包含了多个应用协议，每个应用协议针对若干个特定的应用领域。然而，一个应用协议往往只能实现一定的范围内的系统互操作，例5如，AP214的设计特征模型可用于CAD系统之间的信息共享；AP224的制造特征模型用于CAPP系统之间的信息共享，当有多个STEP应用协议同时使用，且需在不同应用协议的系统间交换数据时，通常使用模型映射技术来完成异构系统间的信息共享。STEP应用协议间在产品的几何信息的内容和形式上都有一部分交集。以AP214为最典型，AP224和AP214对特征模型的定义与描述方法是一致的，两者在特征模型的处理方式上也具有相似性；AP209和AP238都含有与AP214描述一致的产品配置以及与产品的结构和几何形状的实体定义，这使得两种模型之间的映射成为可能，实现信息的动态、双向传送。STEP模型映射的实现依赖于EXPRESS-X语言，EXPRESS-X语言是EXPRESS-M（Mappingdefinitionlanguage）和EXPRESS-V(ExtensionofEXPRESSwhichenablesthecreationofviews)的合集。EXPRESS-X映射模式的主体是VIEW和MAP，通过VIEW定义新的实体，用于建立EXPRESS数据模型的视图；通过MAP描述实体间映射关系，用于建立不同EXPRESS数据模型之间的映射关系。开发设计EXPRESS-X编译器与模型映射器(MappingEngine)可以完成模型间的转换。Pro/EUGCATIASTEP214中性文件模型映射器(MappingEngine)EXPRESS-X编译器STEP224中性文件STEP209中性文件STEP238中性文件CAPP系统有限元分析ANSYSSTEP-NC控制器图2基于STEP模型映射的CAx信息集成2．6XML在基于Internet产品数据共享和交换中的应用XML(ExtendableMarkupLanguage，可扩展标记语言)，是由万维网协会(WK)设计的一种可扩展标记语言，最大的特点在于它的可扩展性和允许内容与形式相分离的特性（即可在JSP等页面中的嵌入特性）。因为STEP文件在网络中传输速度远远低于页面的传输速度；而且由于网络的不稳定性，文件容易丢失数据。利用STEPdatainXML（Part-28），将STEP文件映射