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1、1STEPSTEP 标准在计算机辅助工程标准在计算机辅助工程 CAxCAx 中的应用中的应用董董晓岚晓岚1 秦培亮秦培亮 万万长东长东摘摘 要：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：关键词：STEP； CAx； AP 数据交换1 1 STEPSTEP 标准标准1 11 1 STEPSTEP 标准概述标准概述STEP(Standard
2、 for the Exchange of Product Model Data)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
3、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 12 2 STEPSTEP 标准的体系结构标准的体系结构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(Description Methods)；实现方法(Implementation Methods)；集成资源(Resources)：分一般资源和应用资源；应用协议(Application Protocols)；一致性测试方法论和框架(Conformance Testing)；抽象测试集(Abstract Test Suites)2。1作者简介作者简介：董晓岚（1980-），女，江苏苏州人，硕
4、士，助教，研究方向：数控技术，CAD/CAM/CAE 集成。2描描述述方方法法 #11 EXPRESS #12 EXPRESS-I .实实现现方方法法 #21 中性文件 #22 SDAI 操作 #23 SDAI C+ .一一致致性性测测试试 #31 基本概念 #32 测试环境 应应用用协协议议 #201 精确绘图协议 #203 3D设计配置控制协议 #214机械设计过程核心数据 .应应用用资资源源 #101 绘图资源 #102 船舶结构 #104 有限元分析 一一般般资资源源 #41 产品描述及支持 #42 几何&拓扑 #43 结构描述 #48 特征描述 .基基础础结结构构信信息息模模型型图
5、1 STEP 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：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（ISO 10303-11） ，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：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（ISO 10303-21）：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
6、的基础。2) SDAI 接口Standard Data Access Interface（ISO 10303-22）：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) STEP data in XML（ISO 10303-28）：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（应用协议（APAP）：
7、）：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338 个(AP-201AP-238)35。2 2 STEPSTEP 标准应用协议在计算机辅助工程标准应用协议在计算机辅助工程 CAxCAx 中的应用中的应用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
8、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 21 1 AP203/AP214AP203/AP214 与与 CADCADAP203 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（Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies） ” 。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
9、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(Core Data for Automotive Mechanical Design Process)” ，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、CA
10、TIA，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 22 2 AP224AP224 与与 CAPPCAPPAP224 全称是：“使用形状特征的面向工艺规划的机械产品定义(Mechanical Product Definition for Process P
11、lanning Using Form Features)” 。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4征的-224 产品数据模型将实现 CAD、CAM 之间的无缝连接，从根本上解除制造领域对二维图样的依赖。2 23 3 AP238AP238 与与 STEPSTEPN
12、CNCSTEPNC(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238 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 STEPNC 控制器读入直接控制数控机床。STEPNC 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
13、、倒角等)进行编程，加工程序以“工作步骤”(Working steps)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。STEPNC 摈弃了传统、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 STEPNC 的出现。目前，STEPNC 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(Part 1)、通用数据(Part 10)、数控铣削加工工艺
14、(Part11)、铣削刀具(Part 111)等。正在制订的STEPNC 标准有：数控车削加工(Part 12)、放电加工(Part 13)、木材和玻璃的加工(Part 14)、检测(Part 15)等。有关 STEPNC 的 CNC 控制器也成为业界研究的热点，据美国 STEP Tools 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 24 4 AP209AP209 与有限元技术（与有限元技术（FEAFEA）AP209 全称是：“复合材料和金属结构的分析与设计应用协议（Composite and Metallic Structur
15、al Analysis and Related Design） ” 。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 25 5 STEPSTEP 模型映射技术模型映射技术665如上所述，STEP 标准包含了多
16、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-
