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随着CAD/CAE/CAM技术在工业界的广泛应用，越来越多的用户需要将产品数据在不同的系统之间进行交换，为此，建立一个统一的、支持不同应用系统的产品数据描述和交换标准的要求应运而生。由于各软件的历史原因及不同的开发目的，使得各CAD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，因此需通过数据转换接口来进行有效的数据交换，主要体现在对各CAD软件给出的三维几何实体模型的数据共享方面。数据转换接口，实际上是一种能够实现两个以上系统间信息交换的程序或方法。
产品数据（Production Data，PD）是指产品生命周期内所有阶段有关产品的数据总和。即为全面定义一个零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、性能和属性等数据。一个完整的产品定义数据模型不仅是产品数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式及相互间的关系。
长期以来，产品生命周期内不同阶段的工作是由不同部门、不同工作人员完成的，因此建立了很多产品应用模型，如功能模型、装配模型、几何模型、公差模型、加工模型等。这些模型缺乏统一的表达形式，所以很难实现信息集成，也无法实现过程集成或功能集成。显然，要实现CA x （包括CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ等）集成系统中各模块之间数据资源共享，必须满足两个条件：一是要有统一产品数据模型定义体系；二是要有统一的产品数据交换标准。只有建立在统一表达基础上的产品模型，才能有效地为各应用系统所接受。
产品数据不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。
①产品几何描述。如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等。
②产品形状特征。长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等。
③公差。尺寸公差与形位公差及其关联。
④表面处理。如喷涂、表面淬火等。
⑤材料。如类型、品种、强度、硬度等。
⑥说明。如总图说明、技术要求说明等。
⑦ 产品控制信息。
⑧其他。如加工、工艺装配等。
产品数据模型可定义为与产品有关的所有信息构成的逻辑单元。它不仅包括产品的生命周期内有关的全部信息，而且在结构上还能清楚地表达这些信息的关联。因此，研究集成产品数据模型，就是研究产品在其生命周期内各阶段所需信息的内容以及不同阶段之间这些信息的相互约束关系。
①产品的构成信息 产品的构成信息反映产品由哪些部件构成，各个部件又由哪些零件组成，每种零件的数量等。零、部件的构成可以呈树状关系，也可以是网状关系。
②零件信息 零件信息主要是关于零件总体特征的文字性描述，包括零件名称、零件号、设计者零件材料、热处理要求、最大尺寸等。
③基体信息 基体是造型开始的初始形体，也是一般工程人员理解的半成品。在产品数据模型中，它是用于造型的原始形体，可以是预先定义好的参数化实体，也可以是根据现场需要由系统造型功能生成的形体。基体主要包括基体表面之间的信息，以及基体与特征之间关系的信息，比如将基体划分为若干方位面，并按方位面组织特征。
④零件特征信息 零件特征信息主要记录特征的分类号、所属方位面号、控制点坐标和方向、尺寸、公差、特征所在面号、定义面及定位尺寸、切入面与切除面、特征组成面、形位公差等。
⑤零件几何、拓扑信息 这部分信息可直接由采用的实体建模软件的图形文件或数据库读出，包括面、环、边、点的数据。
在基于特征的产品模型数据结构中，面的作用十分重要。面是建立特征之间关系、尺寸关系、形位公差之间关系的基准，同时也是设计、生产中经常使用的基准和依据，如基准面、工作面、连接面等。所以，在产品数据模型中，应突出面的核心地位，提供显示的面的标号、检索、属性等功能和数据。
通过与硬件设备无关的标准化数据转换接口来进行有效的数据交换，实现不同的CAD系统之间以及CAD/CAM内部信息集成，实现信息资源共享。
CAD/CAE/CAM的集成涉及不同的CAD/CAE/CAM字系统的信息传递。由于各子系统内的数据结构及格式不相同，因而在信息传递过程中必须提供一个数据转换接口，以便提高各子系统之间信息传递的效率。这类接口是将各子系统的图形与非图形数据按照某种标准规定的格式进行转换，得到一种统一的中性文件。该文件独立于已有的CAD/CAE/CAM子系统和各种不同应用模块，并通过分布式数据库系统和网络，传递到其他系统或本系统的其他应用模块，最后还原成系统具体的图形或非图形数据。
所谓数据转换接口，实际上是一种能够实现两个以上系统间信息交换的程序或方法。数据转换接口的核心内容就是由其中一个系统（文件）读出信息，再将信息写入另一个系统（文件）。实现数据转换接口，实际上就是把已有的模型经过处理，将特定软件的自定义表示转换成其他软件可以理解和接受的中性模式。其实现过程就是对要输出的模型中所含的基本对象进行遍历，对相应模型中的对象使用中性标准的形式加以说明和表示，并将这些对象按相关标准加以组织输出即可。相应的读入此中性模型的软件需要有输入接口，它们分别被称为前置、后置处理器。
①借助专用或标准（中性）文件进行交换。产品数据信息交换方式如图2-40所示。
图2-40 产品数据信息交换方式
a.专用数据接口。它是一个将CAD系统1中的产品数据通过专用的数据接口程序直接转化为符合另一个CAD系统2数据格式的产品数据；反之亦然。NG个系统需要 N （ n -1）个专用数据接口程序。这种点对点的数据交换方式的专用数据接口程序各自不同，不能通用；但交换数据的运行效率高且不会丢失数据。
专用格式文件集成方式特点：原理简单、易于实现、运行效率高，但需要接口模块量大，如 N 个系统需2 N 个接口模块。
b.通用数据接口。利用一种与系统无关的标准数据格式（中性文件格式）文件来实现多个CAD系统之间的数据交换，各系统只需构造前置处理器、后置处理器，将本系统产品数据格式转化为标准数据格式，或反之。这种格式的通用性、简单性和标准化的特点使它成为集成系统中普遍采用的格式。此方式数据共享性好；但如果标准数据格式中没有CAD系统中的某些数据描述格式，产品数据将不能够被完全“翻译”，从而造成数据的“丢失”。目前常用的数据接口标准有IGES/STEP/STL/PDES等。
中性数据文件集成方式特点：标准化接口形式，大大减少数据接口数，降低开发维护难度，如 N 个系统需2 N 个接口模块。
②借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换。采用统一的产品数据模型，并采用统一的数据管理软件来管理产品数据。各系统之间可以直接进行数据交换，而不是将产品信息转换为数据，再通过文件来交换，这将有利于提高系统的集成性。 数据库管理系统（Engineering Data Base Management System，EDBMS）是一组管理工程数据库的软件集合，用于建立、组织、存储、维护、管理和操作各应用系统基于统一产品数据模型所产生的各类工程（产品）数据。各应用系统可以在EDBMS支持下直接进行产品数据的存取，实现产品信息的共享。
IGES（Initial Graphics Exchange Specification，初始图形交换规范）是在美国国家标准局的倡导下，由美国国家标准协会（ANSI）于1980年公布的国际上最早的标准，是CAD/CAE/CAM系统之间图形信息交换的一种规范。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其他信息组成，可以处理CAD/CAE/CAM系统中的大部分几何信息。目前几乎所有的CAD/CAE/CAM系统均配有IGES接口。我国针对IGES颁布的最新标准为GB/T 14213—2008《初始图形交换规范》。
IGES1.0版本偏重于几何图形信息的描述；IGES2.0版本扩大了几何实体范围，并增加了有限元模型数据的交换；1987年公布的第三版本，能处理更多的制造用的非几何图形信息；1989年公布的第四版本，增加了实体造型的CSG表示；1990年公布的第五版本，又增加了实体造型的B-rep表示，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/CAE/CAM系统中采用。IGES目前的最新版本为5.3。
IGES用单元和单元属性描述产品几何模型，单元是基本的信息单位，分为几何、尺寸标注、结构和属性四个单元。IGES的每一个单元由两部分组成：第一部分称为分类入口或条目目录，具有固定长度；第二部分是参数部分，为自由格式，其长度可变。
几何单元包括点、线、面、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。尺寸标注单元有字符、箭头线段和边界线等，能标注角度、直径、半径和直线等尺寸。结构单元用来定义各单元之间的关系和意义。属性单元是描述产品定义的属性。
IGES的文件格式分为ASCII格式和二进制格式。ASCII格式便于阅读，分为定长和压缩两种形式；二进制格式适用于传送大容量文件。在ASCII码格式中，数据文件中的数据按顺序存储，每行80个字符，称为一个记录。整个文件按功能划分为5个部分，记为起始段、全局段、目录段、参数段、结束段。
起始段：存放对该文件的说明信息，格式和格数不限。第73列的标志符为“S”。
全局段：提供和整个模型有关的信息，如文件名、生成日期及前处理器、后处理器描述所需信息。第73列标志符为“G”。
目录段：记录IGES文件中采用的元素目录。每个元素对应一个索引，每个索引记录有关元素类型、参数指针、版本、线型、图层、视图等20项内容。第73列标志符为“D”。
参数段：记录每个元素的几何数据，记录内容随元素不同而各异。第73列标志符为“P”。
结束段：标识IGES文件的结束，存放该文件中各段的长度。第73列标志符为“T”。
IGES实现数据交换过程的原理：通过前处理器把发送系统的内部产品定义文件翻译成符合IGES规范的“中性格式”文件，再通过后处理器将中性格式文件翻译成接收系统的内部文件。前、后处理器一般都由下列4个模块组成。
①输入模块。读入由CAD/CAM系统生成的产品模型数据或IGES产品模型数据。
②语法检查模块。对读入的模型数据进行语法检查并生成相应的内存表。
③转换模块。该模块具有语义识别功能，能将一种模型的数据映射成另一模型。
④输出模块。把转换后的模块转换成IGES格式文件或另一个CAD/CAM系统的产品模型数据文件。
在实际工作中，由CAD/CAE/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/CAE/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/CAE/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。
产品数据交换标准STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data），是由国际标准化组织（ISO）于1983年专门成立的技术委员会TC184下设的制造语言和数据分委员会SC4所提出的。STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准。它的目标是提供一个不依赖于任何具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，甚至于产品生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检测测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述，因而STEP是基于集成的产品信息模型。产品数据，指的是全面定义一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、性能和属性等数据。产品信息的交换，指的是信息的存储、传输和获取。因交换方式不同，从而导致数据形式的差异。为满足不同层次用户的需求，STEP提供了四种产品数据交换方式，即文件交换、应用程序界面访问、数据库交换和知识库交换。
产品信息的表示包括零件和装配体的表示，产品数据的中性机制。这个机制的特点是：它不仅适合中性文件交换，而且可以作为实现共享产品数据库、产品数据库存档的基础。STEP标准中包括以下方面的内容：描述方法；集成资源；应用协议；实现方法；一致性测试和抽象测试。
STEP的体系结构分为三层：底层是物理层，给出在计算机上的实现形式；第二层是逻辑层，包括集成资源，是一个完整的产品模型，从实际应用中抽象出来，与具体实现无关；最上层是应用层，包括应用协议及对立的抽象测试集，给出具体在计算机上的实现形式。
集成资源和应用协议中的产品数据描述要求使用形式化的数据规范语言来保证描述的一致性。形式化语言即具有可读性，使人们能够理解其中的含义，又能被计算机理解。EXPRESS就是符合上述要求的数据规范语言，它能完整地描述产品数据上的数据和约束。EXPRESS用数据元素、关系、约束、规则和函数来定义资源构件，对资源构件进行分类，建立层次结构。资源构件可以通过EXPRESS的解释功能，对原有构件进行修改，增加约束、关系或属性，以满足应用协议的开发要求。有关EXPRESS语言的详细内容见ISO 10303-11EXPRESS语言参考手册。
数据模型可以用图示化表达来进一步说明标准数据定义。STEP中用到的图示化表示方式有EXPRESS-G/IDEF/IDEF1x和NIAM。
集成资源提供STEP中每个信息元素的唯一表达。集成资源通过解释来满足应用领域的信息要求。集成资源分为两类：一般资源，此类与应用无关；应用资源，此类针对特定的应用范围。
STEP中介绍的一般资源的内容有：产品描述基础和支持；几何和拓扑表示；表达结构；产品结构配置；视觉展现。
产品描述基础和支持包括：①一般产品描述资源，提供STEP集成资源的一种整体结构，如产品构造定义、产品特性定义和产品特性表达；②一般管理资源，它所描述的信息用以管理和控制集成产品描述资源涉及的信息；③支持资源是STEP集成资源的底层资源，例如一些国际标准计量单位的描述。
几何和拓扑表示：用于产品外形的显示表达，包括几何部分（参数化曲线曲面的定义及与此相关的定义）拓扑部分（涉及物体之间的关系）；几何形体模型提供物体的一个完整外形表达（包括CSG和边界表示模型）。
表达结构：描述了几何表达的结构和控制关系；利用这些结构可以区别什么是几何相关，什么不是几何相关，包括表达模式（定义了表达的整体结构）、扫描面实体表达模式（定义了区别扫描面实体中不同元素的一种机制）。
产品结构配置：支持管理产品结构和管理这些结构的配置所需的信息，根据修改过程的需求以及产品开发生命周期的不同阶段，保存多个设计版本和材料单，产品结构配置模型主要围绕产品生命周期中产品详细设计接近完成的阶段。
视觉展现：可以是工程图纸或屏幕上显示的图纸。它是一个从产品模型产生图形的拓扑信息模型，当产品的展现数据从一个系统传到另一个系统时，它是一个从产品模型产生图形的拓扑变成图形，这部分内容和绘图、图形标准、文本等有紧密关系。
STEP中介绍的应用资源包括有关绘图、船舶结构系统、有限元分析等。
关于集成资源标准的详细内容见ISO 10303-41/ISO 10303-48/ISO 10303-101/ISO 10303-105。
STEP标准支持广泛的应用领域，具体的应用系统很难采用标准的全部内容，一般只实现标准的一部分，如果不同的应用系统所实现的部分不一致，则在进行数据交换时，会产生类似IGES数据不可靠的问题。为了避免这种情况，STEP计划制订了一系列应用协议。所谓应用协议是一份文件，用以说明如何用标准的STEP集成资源来解释产品数据模型文本，以满足工业需要。也就是说，根据不同的应用领域的实际需要，确定标准的有关内容，或加上必须补充的信息，强制要求各应用系统在交换、传输和存储产品数据时应符合应用协议的规定。
一个应用协议包括应用的范围、相关内容、信息的定义、应用解释模型、规定的实现方式、一致性要求和测试意图。STEP中介绍的应用协议有：第201项——显示绘图；第203项——配置控制设计协议；第202项——相关绘图；第204项——边界模型机械设计；第205项——曲面模型机械设计。关于应用协议的标准详细内容见ISO 10303-202～ISO 10303-208。
产品数据的实现方式有四级，包括文件交换、应用程序界面访问、数据库实现、知识库交换。CAD/CAE/CAM系统可以根据对数据交换的要求和技术条件选取一种或多种形式。
文件交换是最低一级。STEP文件有专门的格式规定，利用明文或二进制编码，提供对应用协议中产品数据描述的读和写操作，是一种中性文件格式。各应用系统之间数据交换是经过前置处理或后置处理程序处理为标准中性文件进行交换的。某种CAD/CAE/CAM系统的输出经前置处理程序映射成STEP中性文件，STEP中性文件再经后置处理程序处理传至CAD/CAE/CAM系统。在STEP应用中，由于有统一的产品数据模型，由模型到文件只是一种映射关系，前后处理程序比较简单。
通过应用程序界面访问产品数据是第二级，利用C、C++等通用程序设计语言调用内存缓冲区的共享数据，这种方法的存取速度最快，但是要求不同的应用系统采用相同的数据结构。
第三级数据交换方式是通过共享数据实现的。产品数据经数据库管理系统DBMS存入STEP数据库，每个应用系统交换方式可以从数据库取出所需的数据，运用数据字典，应用系统可以向数据库系统直接查询、处理、存取数据。
第四级知识库交换是通过知识库来实现数据交换的。各应用系统通过知识库管理向知识库存取产品数据，它们与数据库交换级的内容基本相同。
一个STEP实现的一致性是指实现符合应用协议中规定的一致性要求。若两个实现符合同一应用协议的一致性要求，两者应该是一致的，两方数据可以顺利交换。应用协议对应的抽象测试集规定了对该应用协议的实现进行一致性测试的测试方法和测试题。一致性测试方法论和框架提出一致性测试的方法、过程和组织结构等。应用协议需指定一种或几种实现方式。抽象测试集的测试方法和测试题与实现方式无关。关于一致性测试和抽象测试的详细内容见ISO 10303-31～ISO 10303-34。
IGES处理数据是以图形描述数据为主，或者说是以线框或简单的面形数据为中心。通过对产品数据结构的分析，不难发现以IGES为代表的当前流行的数据交换标准已不能适应信息集成发展的需要。而STEP的目标是研究完整的产品模型数据交换技术，最终实现在产品生命周期内对产品模型数据进行完整一致的描述和交换。产品模型数据可以为生成制造指令、直接质量控制测试和进行产品支持功能提供全面的信息，它是实现CAD/CAE/CAM集成的一条充满希望的可行途径。许多CAD软件公司已着手开发基于STEP标准的新一代CAD/CAE/CAM集成系统。STEP广泛应用于机械CAD、CAE、电子CAD、制造过程软件工程以及其他专业领域。使用STEP交换标准的主要优点如下。
①得到广泛的国际开发组织的支持。
②STEP定义了一个开放的产品数据库组织结构。
③有形式化的语言EXPRESS作为逻辑规范的描述。EXPRESS语言定义约束以及数据结构。这些约束描述了工程数据集的正确标准。
④STEP的前后处理器的开发，可以使用格式化的规范，通过自动的软件生成器来完成由CAD数据产生STEP的前处理器和由STEP数据产生CAD应用的后处理器。
⑤STEP提供了大量的工程数据定义。这些定义包括机械CAD、电子CAD、制造过程、软件工程以及其他专业领域。
⑥由STEP标准提供的一些技术无关的定义，可以编译成任何数据库系统可用的数据结构，无论是面向对象数据库或是关系数据库系统。
STL文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。它的文件格式非常简单，应用很广泛。STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。
STL文件格式简单，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息，是计算机图形学处理（CG）、数字几何处理（如CAD）、 数字几何工业应用（如三维打印机）支持的最常见文件格式。表面的三角剖分之后造成3D模型呈现多面体状，见图2-41文件存储前后的对比。输出STL档案的参数选用会影响到成形质量的良莠，所以，如果STL档案属于粗糙或是呈现多面体状，您将会在模型上看到真实的反映。
图2-41 存储为STL文件格式前后对比
在CAD软件包中，当您输出STL档案时，您可能会看到的参数设定名称，如弦高（chord height）、误差（deviation）、角度公差（angle tolerance）或是某些相似的名称。建议储存值为0.01或是0.02。
尽管IGES、STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上（金属塑性成形过程），目前只能采用三角形或四边形描述；也就是说，只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。利用STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。