Последовательная трансформация моделей формата STEP-NC

Авторы: Мартинова Л. И.,
Мартинов Г.М.
Лаборатория систем ЧПУ

Опубликовано: 11.04.2005

Подавляющее большинство станкостроителей высказываются против стандарта ISO 14649 STEP-NC, боясь его сложности, тогда как проблема состоит не в формате описания данных, а в способе внедрения стандарта. Здесь предложен оригинальной путь внедрения формата STEP-NC, основанный на последовательной трансформации моделей и форматов данных с целью определения формального набора компонентов для работы с данными в формате STEP-NC. Качественные изменения, произошедшие в программной индустрии в области моделирования и представления данных, потребовали переосмысления модели форматов данных STEP-NC, использующих до сих пор язык EXPRES и его графическую нотацию EXPRES-G.

Как стандарт формат ISO 14649 STEP-NC все еще находится в активный фазе разработки. Если на сегодня уже есть версии спецификации по части 1- введение (Introduction), части 10 - общие положения (General Process Data) и части 11 - фрезерование и сверление (Milling, Drilling), то часть 12 - токарная обработка (Turning) и часть 13- электроэрозионная обработка (Wire EDM) находятся в разработке, а часть 14 - контурное резание (Contour Cutting) стекла, дерева, камня - пока только в проекте. Такие технологические виды обработки, как прототипирование (Rapid Modeling), пока только предполагаются быть включенными в проект.

Фаза активного развития STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) приходится на конец 80-х - начало 90-х годов. В качестве описания форматов данных был создан язык EXPRES, а для графического представления (моделирования) - язык EXPRES-G. STEP-NC исторически унаследовал использование этих языков [1].

Параллельно с программной индустрией качественные изменения произошли и в области моделирования и представления данных. Во-первых, появился графический язык моделирования UML (Unified Modeling Language) [1] ISO 19501 [3], ставший стандартом де-факто для визуализации, спецификации, конструирования и документирования систем, в которых ключевая роль принадлежит программному обеспечению. Во-вторых, появился стандарт разметки документов консорциума W3C - расширяемый язык разметки XML (eXtensible Markup Language) [4]. Формат XML для компьютерных документов достаточно гибок для того, чтобы приспособить его для самых разнообразных сфер деятельности. XML определяет общие правила синтаксиса, используемые для разметки данных при помощи простых доступных для чтения тегов.

Сегодня порядка 80-85% разработчиков на фирмах, производящих системы ЧПУ, связаны с программным обеспечением, и лишь 15-20% занимаются аппаратурой. Это и определяет долю программного обеспечения в современной системе ЧПУ. Начинать внедрение формата STEP-NC в сложную программную систему без учета последних тенденций в области программирования - это мероприятие, заранее обреченное на провал.

Последовательная трансформация моделей и форматов данных, с целью определения формального набора компонентов для работы с форматом STEP-NC, представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Последовательная трансформация моделей формата данных STEP-NC

EXPRESS - это язык согласования и формального описания информационных моделей STEP. В EXPRESS-модели концепции объектно-ориентрованного и процедурного подхода переплетены с концепцией базы данных, что предоставляет полное и недвусмысленное описание статических моделей изделия. EXPRESS определяет информационную модель в терминах объектов данных (entities), т.е. классов объектов, разделяющих общие свойства. Эти свойства представлены связанными атрибутами и ограничениями (constraints). В EXPRESS ограничения записываются с помощью смеси элементов процедурного языка и декларации. EXPRESS-модель данных формата STEP-NC дает нам иерархическое представление данных. EXPRESS-модель заложена в самом стандарте ISO 14649 и понятна только узкому кругу специалистов, занимающихся моделированием жизненного цикла изделия (Product Modelling).

Современные программисты нуждаются в UML модели STEP-NC, с помощью которой будут разрабатываться редакторы, верификаторы и другой программный инструментарий.

Исторически предпринимались разные попытки создать конверторы из EXPRESS-G в UML, но интерес представляют лишь две из них.

• Первая из них - коммерческий продукт "Rational Rose EXPRESS Extension" шведской фирмы SoftLab AB. Продукт реализован в виде встраиваемого модуля (AddIns) для CASE системы "Rational Rose 98" [5]. К сожалению, фирма не поддерживает продукт для уже четырех последующих версий "Rational Rose";
• Вторая - это разработка университета "Kaiserslautern", Германия [6].

Сделать транслятор моделей в чистом (обобщенном) виде (как это пытались сделать в указанных выше вариантах) нельзя без накладывания некоторых дополнительных ограничений. Поэтому использование существующих решений в качестве готовых трансляторов невозможно, отчасти и из-за их неполноты. Но наша задача облегчается, с одной стороны - тем, что мы концентрируемся на конкретной модели STEP-NC, а не на трансляции всех теоретически возможных моделях EXPRESS-G, а с другой стороны - тем, что можем использовать накопившийся за последние годы опыт.

В результате анализа и исследования, сформулируем следующие правила трансформации EXPRESS-G модели формата STEP-NC в UML-модели:

1. Со стороны UML-представления достаточно использовать диаграммы классов, поскольку они определяют статическую структуру модели.
2. Осуществлять формальную замену элементов модели, имеющих прямое семантическое соответствие.
3. Отображать элементарные типы EXPRESS-G, такие, как Binary, Boolean, Integer, Logical, Real, Number и String, в базовые типы UML, а пользовательские типы декларировать как базовые типы UML.
4. Реализовывать коллекции ARRAY (коллекция фиксированного размера с упорядоченными элементами), BAG (неупорядоченная коллекция, допускающая повторение элементов), LIST (упорядоченная коллекция, не допускающая повторения элементов) и SET (неупорядоченная коллекция, не допускающая повторения элементов) на базе шаблонов готовых библиотек.

UML модель - это только очередная фаза трансформации, следующая за EXPRESS-фазой. На базе UML-модели построим представление в виде электронного документа с файлов данных XML и файлов схем XSD (XML Schema definition language). Этот формат данных довольно легко считывается коммерческими разборщиками (parser) для построения объектной модели документа DOM (Document Object Model) и объектной модели схем SOM (Schema Object Model). Конечная цель - определить формальный набор программных компонентов, которые нужны производителям систем ЧПУ, станкостроителям и конечным пользователям для работы с управляющими программами в формате STEP-NC.

Предлагается использовать однотипные настраиваемые управляющие элементы для представления информации на экране. Проанализировав существующие коммерческие решения, выделим следующие элементы управления:

• 3D-модель изделия, которая, помимо стандартных возможностей проектирования, редактирования и верификации изделия и его процесса обработки, обладает также и возможностью контекстного выделения "features";
• Дерево навигации, служащее для представления иерархических зависимостей, как, например, план производства. Дерево навигации может отрисовываться как в отдельном окне, так и в заданном окне, например, в окне 3D-модели;
• "Grid" - таблицы, необходимые для упорядочивания в табличной форме. Это позволяет уйти от сложных диалоговых окон для отображения параметров "feature", тем более что каждый производитель использует свою реализацию. "Grid"-таблицы можно организовывать в виде сложных табличных редакторов с помощью tab страниц или wizards;
• Векторные схемы, необходимые для отображения эскизов. В качестве основы может быть использован графический язык SVG. Векторные схемы предполагают контекстную подсказку для параметров;
• Текстовое представление с синтаксической подсветкой формата STEP-NC.

Все элементы управления настраиваются с помощью конфигурационных файлов.

Таким образом, в результате последовательной трансформации получаем DOM и SOM модели данных формата STEP-NC, которые можно отображать в унифицированных окнах.

Список литературы

1. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: интеграция на основе комплекса производственных стандартов STEP (Standard for the Exchange of Product model data) Информационные технологии в проектировании и производстве. - М.: ВИМИ 2003. №2. С. 38-44.
2. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. - М. ДМК Пресс, 2001. - 432 с.:ил. (Серия <Для програмистов DESIGNTIMESP=22235>). ISBN 5-94074-144-4.
3. ISO 19501-1 Unified Modeling Language (UML)-Part :1 Specification.
4. Гаролд Э., Минс С. XML. Справочник. - Пер. с англ. - СПб: Символ-Плюс, 2002. -576 с. ил. ISBN 5-93286-025-1.
5. www.softlab.se
6. Florian Arnold and Gerd Podehl. Best of both worlds - a mapping from EXPRESS-G to UML. In Jean B?ezivin and Pierre-AlainMuller, editors, The Unified Modeling Language, UML'98 - Beyond the Notation. First International Workshop, Mulhouse, France, June 1998, pages 45-54.