IGES——实现CADCAM系统间数据交换的规范

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摘要　介绍在不同CAD/CAM系统间进行数据交换时所采用的标准IGES的历史地位、数据交换原理、文件内容、数据记录格式、存在问题以及解决办法。
　　关键词　数据交换　IGES　实体　CAD/CAM　

　　随着CAD/CAM技术的迅猛发展和推广应用，各企业都在积极采用CAD/CAM技术。因历史原因及不同的开发目的，各CAD/CAM软件的内部数据记录方式和处理方式不尽相同，开发软件的语言也不完全一致，因此，CAD/CAM的数据交换与共享是目前面临的重要课题。
　　80年代初以来，国外对数据交换标准做了大量的研制、制订工作，也产生了许多标准。如美国的DXF、IGES、ESP、PDES，法国的SET，德国的VDAIS、VDAFS，ISO的STEP等。这些标准都为CAD及CAM技术在各国的推广应用起到了极大的促进作用。
　　笔者在参与新型红旗轿车及新型北京吉普车零件的制造过程中，曾遇到大量CAD/CAM系统间的数据交换问题。

    1　IGES的作用和文件构成

　　CAD/CAM技术在工业界的推广应用，使得越来越多的用户需要把他们的数据在不同CAD/CAM系统之间交换。IGES正是为了解决数据在不同的CAD/CAM间进行传递的问题，它定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式，以及相应的文件结构，用这些格式表示的产品定义数据可以通过多种物理介质进行交换。
　　如数据要从系统A传送到系统B，必须由系统A的IGES前处理器把这些传送的数据转换成IGES格式，而实体数据还得由系统B的IGES后处理器把其从IGES格式转换成该系统内部的数据格式。把系统B的数据传送给系统A也需相同的过程。
　　标准的IGES文件包括固定长ASCII码、压缩的ASCII及二进制三种格式。固定长ASCII码格式的IGES文件每行为80个字符，整个文件分为5段。段标识符位于每行的第73列，第74～80列指定为用于每行的段的序号。序号都以1开始，且连续不间断，其值对应于该段的行数。
　　(1)开始段，代码为S　该段是为提供一个可读文件的序言，主要记录图形文件的最初来源及生成该IGES文件的相同名称。IGES文件至少有一个开始记录。
　　(2)全局参数段，代码为G　主要包含前处理器的描述信息及为处理该文件的后处理器所需要的信息。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。主要参数有：文件名、前处理器版本、单位、文件生成日期、作者姓名及单位、IGES的版本、绘图标准代码等。
　　(3)目录条目段，代码为D　该段主要为文件提供一个索引，并含有每个实体的属性信息，文件中的每个实体都有一个目录条目，大小一样，由8个字符组成一域，共20个域，每个条目占用两行。

实体
类型号

参数
数据

结构

线型
模式

层

视图

变换
矩阵

标号
显示

状态
号

序号

实体
类型号

线权
加值

颜色

参数行
计数

格式
号

(保留)

(保留)

实体
标号

实体
下标

序号

　　(4)参数数据段，代码为P　该段主要以自由格式记录与每个实体相连的参数数据，第一个域总是实体类型号。参数行结束于第64列，第65列为空格，第66～72列为含有本参数数据所属实体的目录条目第一行的序号。
　　(5)结束段，代码为T　该段只有一个记录，并且是文件的最后一行，它被分成10个域，每域8列，第1～4域及第10域为上述各段所使用的表示段类型的代码及最后的序号(即总行数)。

    2　IGES文件的数据记录格式

　　在IGES文件中，信息的基本单位是实体，通过实体描述产品的形状、尺寸以及产品的特性。实体的表示方法对所有当前的CAD/CAM系统都是通用的，实体可分为几何实体和非几何实体，每一类型实体都有相应的实体类型号，几何实体为100～199，如圆弧为100，直线为110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)、线性尺寸标注实体(216)等，结构实体有颜色定义(324)、字型定义(310)、线型定义(304)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目录条目段，而参数数据记录在参数数据段。下面举例介绍。

    2.1　直线
　　IGES文件中实体是有界的，每一点为起点P1，第二点为终点P2，参数数据为起点和终点的坐标P1(X1，Y1，Z1)，P2(X2，Y2，Z2)。直线实体的类型号为110，其定义如下
110　1432　1　1　0　9　0　000020001D　2747
110　　 0　0　1　0　　　　　　　　0D　2748
110，442.01251，-338.64197，0.，440.41876，-338.64197，0.；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2747P　1432

　　上式中，起点坐标为(442.01251，-338.64197，0.)，终点坐标(440.41876，-338.64197，0.)，2747表示该直线实体在目录条目段中的第一行序号，1432表示该直线实体在参数数据段中的序号。

    2.2　圆弧
　　IGES中圆弧由两个端点及弧的一个中心确定，该圆弧始点在先，终点随后，并以逆时针方向画出圆弧。参数数据为ZT，X1，Y1，X2，Y2，X3，Y3。ZT为XT，YT平面上的圆弧平行于ZT的位移量，(X1，Y1)为圆弧中心坐标，(X2，Y2)为圆弧起点坐标，(X3，Y3)为圆弧终点坐标。如果起点与终点坐标重合，则为一个整圆。圆弧的实体类型号为100，其定义为
100　6020　1　1　0　7841　8253　000010001D　8255
100　　　0　0　2　0　　　　　　　　　　　0D　8256
100，-1003.02643，-758.02863，-5144.16797，-758.02863，
-5144.16797，　　　　　　　　　　　　 8255P　6020
-758.03094，-5146.36768；　　　　　　　8255P　6021
　　即位移为-1003.02643
　　圆心坐标为(-758.02863，-5144.16797)
　　起点坐标为(-758.02863，-5144.16797)
　　终点坐标为(-758.03094，-5146.36768)

    2.3　变换矩阵
　　变换矩阵在IGES中是一个特殊实体(“算子实体”)，借助于变换矩阵实体可以实现实体由定义空间到模型空间的转换。其转换可表示为

　　列向［X1，Y1，Z1］是一个被变换向量，［X2，Y2，Z2］是变换后的向量，R=［RIJ］是实数矩阵，T=列［T1，T2，T3］是一个实数的3级行列向量，12个参数R11、R12、R13、T1、…、R31、R32、R33、T3全部为实数。
　　变换矩阵类型号为124，其定义如下
124　6034　　1　　1　　0　7841　0　000000001D　8269
124　　　0　　0　　1　　0　　　　　　　　　0D　8270
124，0.，0.，1.，0.，0.，1.，0.，0.，-1.，0.，0.，0.；8269P　6034
　　上述变换矩阵的作用是将坐标(X1，Y1，Z1)变为(X2，Y2，Z2)，且X2=Z1,Y2=Y1,Z2=-X1，即表示将某一实体绕Y轴旋转90°。

    2.4　有理B样条曲线
　　有理B样条曲线用来描述具有普遍意义的解析曲线，在实际工程中已广泛应用。它首先用于CAD/CAM技术的空间曲线，有理B样条曲线的参数数据有：K，M，P1，P2，P3，P4，T(-M)～T(N+M)，W(0)～W(K)，X0，Y0，Z0，…，XK，YK，ZK，V(0)，V(1)，XNORM，YNORM，ZNORM。
　　K为K次B样条曲线，M为基函数的阶，P1为平面标志，P2表示曲线的起点和终点是否重合，P3表示曲线是多项式或有理式，P4表示曲线对于其参数是否是周期性的，T(-M)～T(N+M)为节点序列，W(0)～W(K)为权值，X0，Y0，Z0，…，XK，YK，ZK为控制点，V(0)为起始值参数，V(1)终止值参数，XNORM，YNORM，ZNORM为单位法向。
　　有理B样条曲线实体的类型号为126，其定义为
126　2253　1　1　0　3479　0　000000001D　3883
126　　35　5　3　0　　　　　　　　　 0D　3884
126，3，3，0，0，1，0，0.，0.，0.，0.，1.，1.，1.，1.，1.，1.，1.，1.，0.，3883P　2253
-912.10699，744.65399，0.，-912.69482，744.61395，0.，-914.01208，3883P　2254
744.52753，0.，-915.29333，744.44391，0.，1.，0.，0.，0.；3883P　2255
　　上式表示样条函数及基函数都为3阶，非平面开曲线，多项式非周期曲线，权值均为1，N=K-M+1=1,A=2M+N=7。
　　有理B样条曲线也可以表示一个优选的曲线类型，其类型由目录条目段中的格式参数确定，如3表示椭圆弧，2表示圆弧等。

    3　IGES存在问题及解决办法

　　IGES目前已发展到V5.3版，每一版本的功能都有所加强，压缩了数据格式、扩充了元素范围、扩大了宏指令功能、完善了使用说明等，可以支持产品造型中的边界表示和结构的实体几何表示，并在国际上绝大多数商品化CAD/CAM系统中采用。因此，在实际工作中，由CAD/CAM系统的数据格式转换成IGES格式时，一般都不会产生问题；而由IGES格式转换成CAD/CAM系统的数据格式时常会出现问题，下面介绍几种经常发生的问题及解决办法：
　　(1)变换过程中经常会发生错误或数据丢失现象，最差的情况是因一个或几个实体无法转换，使整个图形都无法转换。如仅因一个B样条曲线无法转换，导致全部不能转换。这时可通过另一个CAD/CAM系统来进行转换，如欲把某IGES文件转换成CATIA，可先把该IGES文件转换成UGII，再通过UGII的IGES转换器转换成IGES格式，然后经CATIA的后处理器转换成CATIA的数据格式。
　　(2)在转换数据的过程中经常发生某个或某几个小曲面丢失的情况，这时可利用原有曲面边界重新生成曲面；但当子图形丢失太多时，则可通过前述第一种类似方式进行转换。
　　(3)某些小曲面(Face)在转换过程中变成大曲面(Surface)，此时可对曲面进行裁剪。
　　以上仅是在实际中经常遇到的问题，当然，IGES文件还存在着其它问题，如不能把两个零部件的信息放在一个文件中；不能转换属性信息；产生的数据量太大，以致许多CAD/CAM系统难以处理等，这些问题有待于在实践中继续完善。