[摘要]根据飞机概念设计系统同其他CAD/CAM系统通过IGES标准进行数据交换遇到的问题为例，介绍IGES图形交换标准的重要性，总结在飞机设计CAD/CAM系统中应用IGES标准传输图形数据时需要注意的问题和解决方法，满足飞机设计在研制过程中使用CAD/CAM时数据传输的需要。此外还分析在IGES标准基础上发展起来的STEP标准出现的原因及其应用前景。
[关键词]CAD/CAM IGES 飞机设计 STEP
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1010031－02
一、引言
现代工业的集成化程度越来越高，特别是航空工业，各门学科相互交叉渗透，各个部门相互联系紧密，型号的整个设计制造过程已经不可能由单一企业承担，必须由多家单位协作完成。
现在的飞机型号研制中大量使用CAD/CAM技术，一般各协作部门使用不同的CAD/CAM系统，它们在实际的交流合作中，存在着图形数据交换的需要。这种需要通常表现在以下三方面：不同的部门（如设计、生产和加工部门）之间的图形数据传输；同一型号不同研制时期（如总体设计、初步设计和详细设计）之间的图形数据交换；不同CAD/CAM系统（如CATIA和UGII）之间或者同一CAD/CAM系统不同版本之间的图形数据交换。解决这些需要现有的方法就是用一种标准格式数据来实现数据交换接口[1](图1)。
自上世纪80年代以来，国际上尤其是西方发达国家已对图形数据交换做了大量的研究、制定工作，许多标准也由此产生，如美国的DXF、IGES、ESP、PDES，法国的SET，德国的VDAIS、VDAFS，以及由美国、德国等国联合研制的ISO/STEP标准等[2]，这些标准都为CAD/CAM技术的应用和推广起到了极大的促进作用。
二、IGES标准
IGES（Initial Graphics Exchange Standard）即初始图形交换标准[3]，是在美国国家标准和技术研究所主持下，由波音公司和通用电气公司参加研制开发的美国国家标准。不同的CAD/CAM软件都可以按照IGES标准，将其内部图形数据库的数据转换为符合IGES标准的数据文件输出，也可以接受IGES格式的数据文件输入。IGES是国际上产生最早、目前应用最成熟的图形数据交换标准之一，几乎所有的CAD/CAM系统均配有IGES接口，IGES标准已由我国与TC184对应的标准化技术委员会参照指定为适用于我国的国家标准GB/T14213-93。该标准规定了一种文件格式、一种语言格式，以及在这两种格式中几何的、拓扑的与非几何的产品定义数据的表示方法，该方法是可扩充的，且与所使用的造型方法无关。
IGES定义了两种不同的格式，即ASCII格式与二进制格式。其中ASCII格式有固定行长的格式（80个字符）与压缩格式；二进制格式使用了面向字节的结构，特别适合于大型文件的传输。下面给出IGES的SASCII格式的文件结构。
该文件中每行有80个字符，整个文件被分成五段，每段的段标识符位于第73列，第74-80列用于指定所在段的行的序号，序号都是从1开始。文件的五个段分别为：
（1）开始段，段标识符为S，向人们提供可读的文件序言，至少必须有一个记录，主要记录图形文件的最初来源等。
（2）全局参数段，段标识符为G，用以描述处理器的信息以及处理该文件的后处理器所需要的信息。全局参数以自由格式输入，用逗号分隔参数，用分号结束一个参数的输入，主要参数有参数分界符、记录分界符、文件名、前置处理器版本、单位标志、浮点数的数量级以及机关单位等。
（3）目录条目段，段标识符为D，文件中每个实体在目录条目段中都有一个目录条目，每个实体的条目由两个相邻的行组成，每个域占用8个字符，一共有20个域。目录条目为文件提供一个索引，并含有每个实体的属性信息。在目录条目段中，实体的定义必须先于实体的引用。各域内的数据都是右对齐的。
（4）参数数据段，段标识符为P，参数数据段包含与实体相连的参数数据。参数数据以自由格式存放，其第一个域总是含有实体类型号的。参数数据记录在1-64列，第65列为空格，66-72列存放本参数所属实体的目录条目第一行的序号。每个实体规定参数的末尾都定义了两组参数。第一组存放向相连引例、总注释和文本模板各实体的指针，第二个参数存放了一个或多个特性的指针。
（5）结束段，段标识符为T，结束段只有一行，它被分成了10个域，每个域8列。结束段是文件的最后一行。
IGES文件中，信息的基本单位是实体，通过实体描述产品形状、尺寸以及产品的特性。实体可以分为几何实体和非几何实体，每种类型的实体都有相应的类型号，几何实体的类型号是100-199，如直线为110，有理B样条曲面为126，裁减曲面为144等。非几何实体又可分为注释实体和结构实体，类型号为200-499，如注释实体有直径尺寸标注实体（206），角度尺寸标注实体（202）等，结构实体有单子图定义（308），颜色定义（314），正文显示模版（312）等。几何实体和非几何实体通过一定的逻辑关系和几何关系构成产品图形的各类信息，实体的属性信息记录在引导入口段，而参数数据记录在参数数据段。
三、SEACD系统与其他CAD/CAM软件进行图形数据交换
SEACD（Synthetic Environment for Aircraft Conceptual Design，综合化飞机概念设计环境）是一个以PC机为平台的计算机辅助飞机概念设计系统。它可以根据输入的设计要求分析确定出新飞机设计中的起飞重量、推重比、翼载荷等基本参数，以此为基础设计人员通过交互式绘制和参数化定义的方式同性的得到包括外形、发动机及导弹等主要载荷在内的方案俯视/左视草图与三维数值模型[4]。该三维模型表示了在概念设计阶段确定的几个满足设计要求的初步设计方案之一。
商用的CAD软件如UG和CATIA等不适用于对飞机方案作频繁修改的飞机概念设计阶段，而主要在后续的初步设计和详细设计阶段发挥作用[5]。这些初步设计方案要进入到较为详细的初步设计阶段，即进入到这些商业CAD软件中布置安排各种机载设备、主要的承力构件等，就需要通过IGES标准作为中间标准格式进行图形数据交换。SEACD系统具有IGES文件的前、后置处理器，可以读取和存储IGES格式的图形数据[6]。
在实际图形数据转换操作中，我们发现SEACD系统的图形数据经过标准IGES格式转换成IGES文件，然后被其他系统读取时一般都不会出现问题，但在读取由其他CAD/CAM系统转换的IGES数据时经常产生一些图形转换错误，常见的错误如下：
1．一些曲面在转换过程中会变大。如图，由CATIA转换得到的IGES文件传入SEACD中，原来图形中的某些曲面会变大。
2．在变换过程中会发生曲面转换错误的现象。比如从CATIA中导入图形时，会发生曲面裁减环错误[7]，有时候会因为一个或几个实体无法转换而导致整个图形都无法转换。
3．有时候发生曲面片丢失现象。在SEACD、CATIA以及Proe中进行图形转换时，有一些很小的曲面片就会丢失。图3中，用CATIA造型的机翼曲面，通过IGES中间格式转换到SEACD系统时，丢失了翼根和翼梢的小曲面片。
研究发现，这些错误并不完全是由SEACD系统的IGES前处理器造成的，其他的CAD系统如Proe、CATIA等也存在此类问题。它们在读取由本系统存储的IGES文件时都很正常，但在读取由其它CAD/CAM系统存储的IGES文件时也会出现上面的错误。以上这些错误与IGES 标准本身的一些缺陷[8]有关。
通常IGES表现出来的一些缺点如下：
（1）不能转换属性和层的信息，有时候转换如线型、线宽、颜色等时会和原来的实体有所差别。
（2）IGES 标准数据格式过于复杂，数据量大，同时元素之间定义不够严密，容易造成数据交换丢失和不稳定。
（3）一般的商用软件所配置的前、后置处理器基本上仅支持IGES规范的一个子集且是互不相同的子集，而且相当多的CAD软件接口使用的是不同版本号的IGES标准，所以经常出现因各系统所采用的IGES标准版本不同及所支持的子集不同而产生的风格不一致的问题[9]。
以上IGES标准自身的缺陷以及在实际图形数据交换中所反映出来问题，在实际工作中会经常碰到。根据经验，为了尽量降低在图形传送过程中的错误，可以采取下面几种解决途径：
（1）可以通过人工交互的方法进行修改。这种方法有两种形式，一种是对数据交换后的图形进行修改，通过边界重新生成曲面或者裁掉多余曲面。另一种方式是直接对IGES文件进行修改，这种修改只能对全局参数段的单位标志、双精度浮点数的有效数字位数线宽加权值等以及目录条目段的已知实体的颜色、线型模式、状态号等的值进行修改。总之，这种人工交互方法的效率很低。
（2）通过一个“中间调整器”[1]来改变不同前后置处理器的兼容实体的数据模型和实体模型，使发送系统和接收系统实现兼容。例如在CATIA和SEACD交换图形数据时出现了问题，可以用Proe作为“中间调整器”，先把CATIA生成的IGES文件传入Proe，再从Proe里面生成IGES文件，然后再用SEACD打开，这样就可以实现数据兼容。
（3）建立用户使用标准。对于不同的CAD/CAM系统又需要数据图形交换的用户建立标准，规定双方可交换的实体类型范围相同或者在前期进行实体造型的时候，对于造型的方法应该统一规范，避免出现不兼容的实体类型。此外，在造型中尽可能减少高阶曲面的产生。
四、STEP标准
出了IGES标准以外，国际标准化组织ISO的国际标准STEP（产品数据交换标准）标准近几年来发展非常迅速，目前已经进入到应用阶段。STEP从一开始就借鉴了IGES的许多成功之处，STEP的精髓是对整个产品而不是仅对几何外形进行描述[10]，还包括制造、检测和商业等信息，它扩展到了产品的整个生命周期。同时它有严格定义的实施要求，不允许部分子集的实施，克服了IGES这方面的缺点。目前STEP有27个应用协议在标准中制定[8]，其中有：AP201为显示绘图应用协议；AP203为配置控制设计应用协议；AP210为印刷电路装配产品设计数据应用协议等，覆盖了一般机械设计和工艺、电工电气、建筑、造船等领域。
STEP标准数据应用范围广、精度高，易于集成、便于扩充，层次清楚，支持产品生命周期概念，基于STEP标准的这些优越性，引起了业界的普遍关注，许多PDM系统都支持STEP标准。
但是STEP标准也有其缺点[11]，比如它不能满足所有数据交换界面，不包括更高级的交换如工作形式交换、数据库交换，以及知识库交换等。此外，STEP固然是国际标准，但它并不完全符合我国的CAD/CAM工业，应该在吸收STEP的基础上，对各领域的应用协议作一些补充，使STEP标准成为适合我国国情的CAD/CAM交换标准。
五、结束语
虽然IGES标准有缺陷，给图形在转换过程中会带来一些错误，所以使用IGES进行数据交换的过程中，采取必要措施尽量避免以上错误的发生。但IGES标准是目前应用最成熟的数据交换标准之一，几乎所有的CAD/CAM系统均配有IGES接口。目前我们国家实际应用的大部分CAD/CAM软件也都支持IGES接口，IGES标准在一段时间内，还会是数据交换的主流标准之一。
现今CAD/CAM技术向集成化、智能化、协同化的方向发展[12]，不同CAD/CAM之间的数据交换是实现集成、智能、协同的“瓶颈”。STEP的出现打破了这种约束，实现产品在整个生命周期的数据交换和共享。随着STEP标准的不断改进、扩充和完善，必将成为受到广大研究和使用CAD/CAM系统人员欢迎的数据交换标准之一。
参考文献：
[1]《CAD通用技术规范》编写组，CAD通用技术规范.中国标准出版社. 1995.
[2]沈纪桂，陈廉清，IGES-实现CAD/CAM系统间数据交换的规范.机电工程. NO.2:5-7，1998.
[3] GB/T 14213-93，初始图形交换规范. 1993.
[4]刘虎，卢新来，刘亮，武哲，面向对象的飞机概念设计系统中的重心估算. 北京航空航天大学学报. 2004（已录用）.
[5]Raymer Daniel P. Aircraft Design: A conceptual approach, 3rd EDITION. AIAA Education Series, Reston: AIAA Inc., 1999.
[6]Liu Hu, Bai-Zhen dong, Wu Zhe. Methord for Estimation Geometric Characteristics of Numerical Conceptual Aircraft Models Based on Surface Elements. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. Vol.20 No.2, 2003.
[7]叶小平，纪劲松，单岩，童水光. IGES格式中裁减曲面信息的解析. 机电工程. Vol.19 No.6:8-12，2001.
[8]王永辉，CAD数据转换格式的对比. 机械设计与制造. No.3:44-46，2002.
[9]曾健，王家弟，卢晨，丁文江，金永锡，孔卫中，UGII和PROCAST之间的图形数据交换研究，铸造. NO.12:11-14. 1999.
[10]陈小安，谭宏，李昌兵，基于AP203曲面模型的STEP/IGES转换工具的研究. 重庆大学学报. Vol.25 No.7:5-8，2002.
[11]张思荣，谭健荣，STEP中性交换文件的实现方法. 计算机辅助设计与图形学学报. Vol.11 No.1:43-48. 1999.
[12]郑俊峰，CAD中的数据转换及处理技术.现代机械. NO.3，2003.
作者简介：
李春友，男，海军飞行学院教研部电子教研室讲师，主要研究方向为飞行器无线电通讯专业。