基于ST-Developer的产品信息建模研究与实现(硕士论文)

基于ST-Developer的产品信息建模研究与实现
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基于ST-Developer的产品信息建模研究与实现
摘要
随着技术进步和社会发展，产品的功能和结构越来越完善。

大型复杂产品的开发需要更多的人员和组织部门参与，并且能够在企业内及企业之间共享产品各个阶段的数据。

因此，建立集成的产品信息模型成为大型复杂产品开发成败的关键。

本论文在总结现有一些产品建模方法的基础上，通过研究STEP标准提供的EXPRESS 语言，提出了EXPRESS信息模型的概念及构建方法。

同时，细致分析了STEP应用协议的内容及设计方法，从而建立了基于STEP标准的产品建模框架。

以破碎机为例，通过分析信息需求、定义功能单元，确定了面向破碎机全生命周期的产品信息模型，为开发破碎机行业领域的应用协议奠定了理论基础。

最后，研究了产品信息模型在各系统间的实现方法，并应用美国STEP Tools公司开发的ST-Developer工具给出了具体应用，论文从四个方面对具体应用进行了详细阐述：
1．几何模块。

基于现有三维造型软件内部的STEP前处理器，将三维零件视图转化为STEP中性文件，并应用ST-Viewer的相关功能确立几何结构与中性文件信息的对应关系。

2．非几何模块。

应用EXPRESS编译器，研究了非几何信息在STEP中性文件中的生成方法。

3．数据集成模块。

说明了在STEP中性文件中集成几何信息与非几何信息的具体流程。

4．识别模块。

基于ST-Viewer提供的接口函数，实现了零件信息的实体实例在对话框中的显示。

按照这四个模块的实现流程完成了产品信息在STEP中性文件中的集成，为开发基于ST-Developer工具的产品建模平台和后续的CAPP接口奠定了坚实基础。

关键词：产品信息建模，STEP标准，EXPRESS语言，应用协议，ST-Developer
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REARSCH AND REALIZATION OF PRODUCT
INFORMATION MODELLING
BASED ON ST-Developer
ABSTRACT
With the development of technology and society, the product function and structures are getting more and more perfect and complicated. The development of large complex product depends on participation of more personnels and the organization departments which could exchange information in every stage of product process.Therefore, the key of developing large complex product foucus on the establishment of integrated product information model.
The existing product modeling methods are summarized in this paper，then a concept and establishment of EXPRESS information model is put forward after EXPRESS language which is supplied by STEP standard is studied.Meanwhile, a product modeling framework based on STEP standard is established according to the contents and design method of STEP application protocols. Take crusher for example,a oriented-crusher product life cycle information model which lay theoretical foundation for developing protocols about the field of cursher industry is established by analyzing information demands and defining function of units.
Finally, the imeplementation method in other systems is studied, and give the specific application by applying ST-Developer Tools which is developed by STEP Tools company of America,four aspects is divided to specific expatiate these application in this paper as follows:
1. Geometry module. The view of three-dimensional part is transformed into STEP neutral file based on the internal processor of existing three-dimensional modeling software, and the corresponding relationship between geometric structure and neutral file is established by applying the relevant function of ST-Viewer.
2. Non-geometry module. The method of generating non-geometry information in STEP netural files is studied through the application of EXPRESS compiler.
3. Data integration module.The specific process about integrating geometry information and non-geometry information in STEP neutral files is explained.
4. Interactive module. The display of entity instances of part information in dialog based on interactive interface which is provided by ST-Viewer is realized.
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According to these four modules,integration of product information in STEP neutral file is achieved which lay solid foundation for the development of product modeling and subsequent CAPP interface based on ST-Developer.
KEY WORDS:product information modeling,STEP standard,EXPRESS language,application protocols,ST-Developer
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目录
第一章绪论 (1)
§1-1 论文选题的背景 (1)
1-1-1 系统集成面临的困难 (1)
1-1-2 信息建模的提出 (1)
§1-2STEP标准及产品信息模型的国内外研究现状 (2)
1-2-1 STEP标准的国内外研究现状 (2)
1-2-2 产品信息模型的国内外研究现状 (3)
§1-3论文选题的目的和意义 (4)
§1-4主要研究内容及框架 (5)
§1-5本章小结 (5)
第二章产品信息建模技术及开发工具 (6)
§2-1产品信息建模的的基本要求及关键技术 (6)
2-1-1 产品信息建模的基本要求 (6)
2-1-2 产品信息建模的关键技术 (6)
§2-2已有的产品建模语言 (7)
§2-3EXPRESS信息建模方法 (7)
2-3-1 STEP标准的结构 (7)
2-3-2 EXPRESS信息建模语言 (9)
2-3-3 EXPRESS信息模型 (10)
2-3-4 EXPRESS信息模型的语法检查 (11)
§2-4开发工具ST-D EVELOPER简介 (12)
§2-5本章小结 (13)
第三章基于STEP的产品信息建模框架 (14)
§3-1已有的产品信息模型种类 (14)
§3-2STEP应用协议的内容 (14)
3-2-1 应用活动模型 (15)
3-2-2 应用参考模型 (17)
3-2-3 应用解释模型 (17)
§3-3STEP应用协议的设计 (18)
§3-4基于STEP应用协议开发方法的产品建模框架 (19)
§3-5本章小结 (21)
第四章面向破碎机的EXPRESS信息模型的建立 (22)
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§4-1破碎机全生命周期内的信息需求 (22)
§4-2建模过程中的STEP资源 (24)
§4-3破碎机信息模型中功能单元的建立 (24)
4-3-1 破碎机的构件 (25)
4-3-2 破碎机的形状 (26)
4-3-3 破碎机构件的材料 (27)
4-3-4 破碎机构件的工艺 (28)
4-3-5 机械加工工具 (29)
4-3-6 度量单位 (29)
4-3-7 整机数据管理 (30)
§4-4破碎机信息模型的EXPRESS表示 (31)
§4-5本章小结 (32)
第五章基于ST-Developer产品信息模型的实现 (33)
§5-1EXPRESS信息模型的实例化 (33)
5-1-1 STEP中性文件 (33)
5-1-2 EXPRESS信息模型到STEP中性文件的映射 (34)
§5-2ST-Developer工具的应用 (36)
5-2-1 STEP中性文件浏览器 (36)
5-2-2 ST-Viewer视图平台 (39)
5-2-3 EXPRESS编译器 (40)
§5-3基于ST-Developer的信息建模系统 (45)
5-3-1 几何模块 (46)
5-3-2 非几何模块 (47)
5-3-3 数据集成模块 (49)
5-3-4 ST-Viewer识别模块 (49)
§5-4本章小结 (52)
第六章结论和展望 (53)
§6-1论文总结 (53)
§6-2工作展望 (53)
参考文献 (54)
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第一章绪论
§1-1 论文选题的背景
1-1-1 系统集成面临的困难
自二十世纪八十年代以来，随着计算机软硬件技术的发展，企业为了提高市场应变能力，计算机应用系统逐渐从单项、分散走向综合和集成。

系统集成的关键是数据集成，也就是说，要在不同的CAX 系统（CAD/CAM/CAE/CAPP）之间、企业内各部门之间、企业与企业之间实现产品数据的无缝连接，达到全系统数据共享。

不幸的是，由于历史的原因，不同的软件系统，不同部门和不同企业之间对数据的描述、定义格式各不相同，因此无法进行直接的数据交换，实现数据的共享，这就直接加大了CAX 系统集成的难度[1]。

在企业实施CAX集成系统来提高开发产品和生产效率的过程中，因为目前没有任何一套CAX系统能单独地满足现代企业在产品全生命周期内的设计和维护产品的要求，从而不得不选择不同的CAX 系统来处理产品设计和生产中的日常工作。

这将直接造成产品数据迅速膨胀，描述格式不尽相同的局面[2]。

因此，各系统之间的数据交换就成为CAX系统集成急需解决的问题。

二十世纪七十年代末、八十年代初发达国家在推广CAX系统以后，都被这些系统间的数据交换问题所困扰。

他们都在各自积极地寻求解决的办法，研究并且开发出了几种数据交换的标准。

由于当时作为产品几何模型交换标准的IGES （Initial Graphics Exchange Specification）存在着“信息失真”问题，国际标准化组织（International Organization for Standards，ISO）同200多名专家开始了产品数据新标准的研发工作。

经过多年的努力，终于形成了产品数据模型表达与交换标准（Standard Exchange of Product data model，STEP），并于1994年正式将它确定为产品数据模型的国际标准，代号为ISO-10303[3~4]。

此后，应用STEP标准解决CAX 系统集成困难的课题研究就成为了国内外的研究热点。

1-1-2 信息建模的提出
目前，复杂的定制产品通常是由不同的制造企业联合开发的，这些企业关心最多的是产品数据共享和交换过程中的效率问题。

大多数企业使用不同的建模方法来结构化各自的产品。

因此，当开发一种特殊产品时，就需要彼此相互协作完成产品的开发。

一般地，在设计过程中都会执行一个额外的数据转化过程实现产品设计信息在企业内部的传输，这将直接导致产品设计的低效率，且有时会因为模型结构间的定义冲突与不一致造成有用信息的丢失。

由此看来，不一致的产品模型就会成为协调产品开发过程中的重大障碍。

因此，开发新的建模方法以求能够建立高度一致的产品模型就成为了研究热点[5]。

为了适应全球竞争的市场需要，以最快的时间、最低的成本开发高质量的新产品已成为工业界最为迫切的任务之一。

为此，许多新的产品开发策略，比如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、精益制造技术（Lean Production）不断被提出和应用[6]。

这些技术虽然从不同的角度探讨提高了产品开发质量和效率的方法，但它们都需要一个共同的基础，就是需要先进的信息处理技术来统一和协调产品
1
开发过程中的各种活动。

这些信息处理技术要完成的工作就是将与产品相关的各种信息用某种描述方式表示并以某种格式存储起来，以反应出产品全生命周期中的各种信息，方便用户将来能够从中提取有效信息建立子模型，而这些信息处理技术则逐渐被“信息建模”一词取代。

信息建模是将产品的信息进行抽象，建立对应的数据模型，以方便同类型的产品进行信息参考与查询工作。

最初，由于产品信息种类的复杂化，人们只能分阶段逐步建立各个子模型，很难实现集成化，这也使得CAX系统的集成遇到了困难。

随着科技发展，各领域专家都致力于建立集成的产品模型，将制造系统中产品的整个生命周期作为研究对象，如将零件的几何信息（形状、拓扑、尺寸）和非几何信息（材料、表面加工等工艺信息）集成到一个信息模型中，以实现不同系统间的数据共享和交换[7]。

信息模型与传统产品模型的不同在于信息模型是对某种事物的一种抽象表达，信息模型的建立避开了一些非基本的细节，比起传统模型所表达的真实事物易于构造、处理，并且信息模型具有形式化的描述，与具体的实现方式无关[8]。

现如今用于信息建模的一些国际标准主要有：
STEP（Standard Exchange of Product data model）：用于产品数据表达与交换的国际标准
CIS/2（CIMsteel Integration Standard）：用于钢铁建筑领域的美国标准
IFC（Industry Foundation Classes）：用于建筑学、机械、建筑领域的国际标准
由于STEP标准可兼顾产品的全生命周期，故本文采用了STEP标准作为信息建模的理论基础，展开了相关研究。

§1-2 STEP标准及产品信息模型的国内外研究现状
1-2-1 STEP标准的国内外研究现状
国际上，研究STEP标准比较全面的是Julian Fowler，早在1995年，由他编写并向国际发行的《STEP book》向同领域的其他学者展示了STEP标准的组成部分及各部分之间的关系，此后，国内外许多学者纷纷投入了对STEP的研究与探索。

1994年3月由国家技术监督局、航空工业总公司、一汽和二汽联合在北京建立了STEP产品数据技术中心C-STEP，目的在于推动产品数据技术（包括STEP标准、零件标准库及产品数据管理）在我国的应用。

国家技术监督局还成立了工业自动化委员会工业数据标准化分会（TC159/SC4），对口ISO 负责制定STEP标准的TC184/SC4委员会，对国内的STEP研究实施组织工作[9~10]。

STEP的研究还被列入我国的高新技术研究863计划。

清华大学、浙江大学、上海交通大学、北京航空航天大学、东南大学、航空工业总公司625所、航天工业总公司201所等院校及科研单位已经开始在STEP标准方面进行研究。

几年来，国内的STEP标准研究工作已经取得了一定的成绩。

如：北京航空航天大学720国家重点实验室对其CIMS共享数据库已经全部采用STEP标准；上海交通大学CIMS研究所在CAPP方面已经取得了STEP标准数据格式与NC通讯；航天部204所提出了CIMS标准体系等等。

这些成果对我国STEP 标准的发展和推广具有重要的指导意义[11]。

目前，由于欧美等国比我国较早投入STEP标准的探索和研究，同样取得了可喜的成绩，并投入了2
市场使用。

波音公司建立STEP 777项目，在飞机的设计及生产中全面采用STEP标准。

美国GM公司成立的STC-STEP转换中心正式用语生产过程的数据交换。

CSATR项目成功地采用STEP标准的AP203协议（三维设计数据的配置控制设计）作为中性交换机制，在麦道公司的Long Beach分部和ST.Louis 分部之间交换了C-17机型设备的设计数据，所交换数据的设计信息约525张图纸、2200个零件，总共超过75兆的数据信息，经过该中性机制实现了转换[12]。

STEP标准最初发布的应用协议（Application Protocol，AP）只有Part 201（显示绘图）和Part 203（三维配置控制设计），截止到目前，成熟的应用协议部分已发布到Part 236（家具产品数据和投影数据），其它未发布的部分仍处于草案修订阶段。

可以看出，STEP标准时至今日仍处于发展之中，其中许多应用协议已经成为正式标准，可以直接被相关软件使用，如CATIA、UG、Pro/Engineer、I-Deas等都具有支持应用协议的STEP前处理接口，为STEP标准在制造业的深入应用奠定了基础。

其余还需要经过不断的修改和测试工作才能正式发布。

根据应用协议的研究对象来看，STEP标准所覆盖的领域除了包括二维工程图、三维配置控制设计以外，还包括：机械工艺、电工电气、电子工程、造船、建筑、汽车制造等领域[13]。

目前，STEP标准的维护工作主要由德国的ProSTEP公司和美国的PDES公司来完成。

最近，由这两个公司实施的PDMI2工程也展开了研究，希望使用STEP标准实现产品的非几何数据和产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统间的互操作[14~15]。

此外，国内外公司还开发了一些面向STEP标准的辅助工具，例如：德国ProSTEP公司开发的PStep-Caselib 4.0和美国STEP Tools公司的ST-Developer。

本文所采用的实现工具正是ST-Developer。

1-2-2 产品信息模型的国内外研究现状
产品信息是产品设计连接工艺设计、物料管理、生产管理和产品数据管理系统之间的纽带。

因此，实现产品信息的集成化直接影响了企业信息化的步伐。

国外早在1996年，A.Goh在分析了EXPRESS描述语言的特点后，提出了基于EXPRESS语言的建模思想。

由于当时STEP标准刚刚颁布，因此，他这种思想并没有广为流传。

在随后的一年里，Shaw C．Feng借鉴A.Goh的思想，在分析STEP Part 47（形状变化公差）后，提出了应用EXPRESS语言表示产品形状公差信息的数据模型，并指出信息建模的核心思想是定义产品的信息需求。

至此，世人才逐渐发现采用STEP标准描述产品数据的优越性，并在不同领域中作为核心技术开始研究。

与此同时，在计算机辅助加工规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）领域，X．Ｇ．Ming采用面向对象的建模技术，提出了基于STEP标准的CAPP的信息模型，为了详细说明CAPP信息模型的主要内容，他将该模型细化为三个子模型：零件信息模型、工艺规划信息模型、生产资源信息模型，并给出了各自的EXPRESS描述[17]。

他的研究工作为STEP标准在产品信息模型中的应用奠定了理论基础。

进入21世纪后，随着计算机技术的不断发展，产品数据管理（Product Data Management，PDM）技术逐渐走入各大企业，有效管理企业内部的产品数据可以为企业节约产品开发时间，减少维护成本。

Yin-Ho Yao等人将PDM管理系统作为研究对象，从理论层面对其进行信息建模，为STEP标准在PDM系统中的应用打下基础。

随后的几年内，ProSTEP公司和PDES公司开始了研究制定可用于PDM系统的STEP应用协议，并初步将其模式命名为STEP-PDM-Schema。

至此，应用STEP标准进行产品信息建模逐步在国内外各
大高校和研究机构开始研究和实施。

2002年，X.F.Zha提出了装配体模型的等级分层，以螺钉—螺母卡盘固定为例，采用EXPRESS-G 图分别给出了结构功能分解图和装配结构分解图。

2005年，R．Sudarsan提出了一个支持产品全生命周期（Product Lifecycle Management，PLM）信息需求的信息建模框架，该框架分为几个子模型：核心产品模型（CPM）、开放的装配模型（OAM）、设计与分析集成模型（DAIM）、产品族变更模型（PFEM）。

这些模型都采用UML语言进行了详细描述。

2006年，Sang-Ho Lee以设计铁桥的工程为例，应用STEP 标准给出了铁桥信息模型，将产品模型细分为：工程模型、桥梁结构模型、桥梁成员模型、应用环境模型、形状和属性模型、材料模型、合作系统模型。

同年，Julio Garrido Campos以数控加工过程为研究，提出了一种可追踪CNC制造过程的信息模型，将STEP标准应用到制造过程链的各个环节中（CAD到CADD到CAM到CNC）。

2009年，T．Ｋjellberg利用制造系统本体论建立了机器刀具模型。

到目前为止，STEP技术和系统本体论知识已成为信息建模领域内的研究热点。

国内许多高校及研究机构也对产品信息建模进行了相关研究，并取得了一定成果，如：上海交通大学的CAD/CAM研究所在分析了并行工程、精节生产、智能制造等先进制造技术的特点后，提出了制定统一信息模型的思想，已满足产品生命周期各阶段对信息的需求[16]。

为此，他们探讨了产品生命周期信息需求，系统地总结了基于STEP的建模方法。

浙江工业大学机电学院的CAD应用工程研究所分析了基于STEP中性文件三维模型重建相关的技术，以SDAI C++早联编方式，利用OpenGL显示技术和NURBS曲线曲面理论展示了三维CAD模型信息读取和模型重建。

初步实现了不同CAD的信息共享，解决了企业内不同CAD的信息共享，解决了企业内不同CAD系统之间的信息共享的难题，对不同的存储系统提高了信息交换频率，避免了重复开发[17]。

此外，兰州理工大学、合肥工业大学、江苏大学、东北大学、天津大学、南京航空航天大学、复旦大学等高校及相关研究机构也都对STEP标准和产品信息建模做了较深入的研究，为产品数据的共享和各CAX系统的集成奠定了坚实的理论基础。

§1-3 论文选题的目的和意义
迄今为止，由于数据不兼容而给全球制造业造成的损失已多达900多亿美元，而且这个问题仍在困扰着人们。

解决这一问题的根本出路在于建立了一个能支持产品全生命周期各种活动（包括设计、分析、制造、质量控制、维修、回收等）的数据模型。

STEP标准的制定正是基于此目的，发达国家正逐渐花大力量把STEP标准推向工业应用，特别是在航空航天、汽车、船舶等行业已经有了很大的发展，也制定了一系列的应用协议。

在我国的企业信息化进程中，基于STEP标准开发出具有自主知识产权的计算机辅助建模工具就成为当务之急，避免因为不同应用系统间数据交换的问题而浪费大量资金和时间。

STEP标准提供的EXPRESS信息建模方法吸收了面向对象的思想，它既可表示几何信息，又可描述非几何信息，可从根本上解决CAX系统间信息集成的问题，使企业在计算机和网络环境下共享产品数据，加快制造业的发展。

本论文的研究目的就是利用EXPRESS信息建模语言的特点，建立全生命周期的产品信息模型，以
统一产品数据的描述，并以实例讲述信息模型的在计算机内的实现，为STEP标准在软件内及企业间的应用提供有力依据。

§1-4 主要研究内容及框架
本论文主要做了如下工作：
（1）阐述了STEP标准的基本概念及组成部分，其中重点讲述了EXPRESS信息建模语言的特点及表示方法，提出了EXPRESS信息模型的概念，同时给出了EXPRESS语言的语法检查方法。

（2）介绍了ST-Developer工具的各模块功能，重点给出了ST-Viewer、STEP中性文件浏览器和EXPRESS编译器三个模块在产品信息建模过程中的具体应用。

（3）总结了已有的产品信息模型种类，参考STEP标准中已有的资源定义和应用协议，提出了基于STEP应用协议开发方法的产品建模框架。

并以破碎机为例，通过细化全生命周期内各阶段的信息需求，定义功能单元，建立了面向破碎机领域的应用协议。

（4）通过研究信息模型在计算机中的实现方法，明确了EXPRESS信息模型与STEP中性文件间的映射关系，并基于ST-Developer的三个模块开发出产品信息建模系统，实现了EXPRESS信息模型的实例化工作，初步完成几何信息与非几何信息的集成。

本论文共分为六章，各部分内容简述如下：
第一章：阐述了本论文研究的背景、国内外现状、研究目的、意义和论文框架；
第二章：分析了产品信息建模的基本要求及关键技术，具体论述包括：EXPRESS语言的特点和表示、EXPRESS信息模型的结构、ST-Developer各模块的功能；
第三章：首先总结了已有的产品信息模型种类，对STEP应用协议的内容及开发方法进行了详细的分析，提出了基于应用协议的产品建模框架。

第四章：以破碎机为例，通过分析信息需求、定义功能单元等工作开发出面向破碎机领域的应用协议；
第五章：探讨了产品信息模型在计算机内的实现方法，提出了基于ST-Developer的产品信息建模系统；
第六章：总结本论文的核心成果，并对进一步的研究工作做出展望。

§1-5 本章小结
本章主要是对STEP标准和产品信息模型的国内外现状进行研究，明确了STEP标准在产品信息建模领域内的重要位置，同时，给出了论文选题的背景、目的、意义和内容框架，对全文起着不可忽视的指导作用。

第二章产品信息建模技术及开发工具
§2-1 产品信息建模的的基本要求及关键技术
2-1-1 产品信息建模的基本要求
经济的发展离不开企业，企业的发展离不开产品，产品的不断创新在于科学技术对设计制造过程的指导和规划。

于是，在产品投入生产之前，建立可行的产品信息模型对产品的预期效益起到了积极的推动作用。

而在产品信息建模方面，过去已有的建模技术已有很多种，主要体现在应用建模语言表达二维、三维信息方面，也就是说，在制造业的制图方面对产品的外观形状有了很好的表述方法。

另一方面，随着特征建模技术的发展，基于特征的产品数据模型由于具有容易表达、处理，能够反映设计师意图及描述信息完备等特点而引起广泛重视，该数据模型是一种为设计、分析、加工各环节都能自动理解的全局性模型，它还可以与参数化设计等设计思想相结合，为设计者提供一个全新的设计环境[18~20]。

而产品作为企业的核心，越来越多的信息已归纳入产品模型中，而不仅仅局限于产品的几何信息，一个完整的的产品信息模型应包括产品全生命周期内的所有信息，并支持产品的各种开发活动，如图2.1所示。

通过产品信息建模技术将不同信息作为产品子模型存储起来，以有效地支持产品信息模型在不同领域及系统中的应用。

图2.1 完整的产品信息模型
Fig.2.1 A complete product information model
2-1-2 产品信息建模的关键技术
为了满足上述要求，必须深入开展下面几个关键技术的研究：
（1）面向产品的特征建模技术
根据集成化制造系统以及智能制造系统的要求，统一规划产品描述的多级抽象结构，以提高特征建模的效率。

面向产品的特征建模技术应具备信息描述的完备性、特征定义的灵活性、操作方便性、表。