工程數據處理

在機械設計過程中，往往需要從有關的工程手冊或設計規範中查找各種係數或數據。在CAD中，在程序編制過程中將相關數據融於其中，將其程序化，隨着程序的運行自動選擇，加工處理；或者將相關資料先期以數據庫或文件的形式加以管理，以便在設計時由計算機按要求自動檢索和調用。

各種工程數據多以數表和線圖的形式給出，有少部分是以公式的形式給出。因此，對工程數據的處理主要包括對數表和線圖的處理。

在工程應用中，要處理的數據種類多，結構複雜，包括文字與圖形等。用於支持整個生產過程的工程數據，可以分為以下4個類型：

通用型數據是指產品設計與製造過程中所用到的各種數據資料，如國家及行業標準、技術規範、產品目錄等方面的數據。這些數據的特點是數據結構不變，數據具有一致性，數據之間關係分明，數據相對穩定，即使有變動，也只是數值的改動。 ^[1] 

設計型數據是指在生產設計與製造過程中產生的數據，包括各種工程圖形、圖表以及三維幾何造型等數據。這類數據有兩大特點：一是數據呈動態，設計型數據是在設計過程中才產生的，因此，存儲的數據結構隨數據類型的改變而改變；二是數據由工程設計的過程所確定，“設計——評價——再設計”是典型的工程設計流程。因此，設計型數據有時被反覆修改。 ^[1] 

工藝加工數據是指專門為CAD/CAM系統工藝加工階段服務的數據，如金屬切削工藝數據、熱加工工藝數據等。 ^[1] 

在高度集成的CAD/CAM系統中，還應該包括生產活動各個環節的信息數據，如與生產工時定額、物料需求計劃、成本核算、銷售、市場分析等相關的管理信息數據。 ^[1] 

商品化的數據庫系統主要是為了滿足事務管理的要求，其數據庫技術比較成熟，一般稱為商用數據庫系統，如Oracle等。在CAD/CAM系統中，人們希望能夠利用數據庫技術有效地管理工程應用中所涉及的圖形、圖像、聲音等形式更加自然的信息，這時現行商用數據庫系統難以適應的，因此，人們提出了工程數據庫的概念。 ^[1] 

所謂的工程數據庫，是指能滿足人們在工程活動中對數據處理要求的數據庫。理想的CAD/CAM系統，應該在操作系統支持下，以圖形功能為基礎、以工程數據庫為核心的集成系統，從產品設計、工程分析直到製造過程中所產生的全部數據都應維護在同一個工程數據庫環境中。 ^[1] 

（1）工程數據的類型和數據結構十分豐富，其相互關聯也十分複雜；

（2）工程數據庫的數據不但要經常修改，其模式也可能經常修改，常常是用户而不是數據管理員來修改模式，而且常常是動態修改；

（3）一個工程設計通常要持續很長時間，這期間不一致的數據也要存於數據庫中；

（4）一個設計存在着多個版本，不同的版本既有區別又有聯繫；

（5）工程數據庫不但要存儲普通數據，還要存儲圖形、約束甚至程序。

（6）同一幾何形體具有多種表示方法，不同方法有不同的用途。 ^[2] 

（1）支持複雜多樣工程數據的存儲和集成管理；

（2）支持複雜對象（例如圖形數據庫）的表示和處理；

（3）支持變長結構數據實體的處理；

（4）支持多種工程應用程序；

（5）支持模式的動態模式修改和擴展；

（6）支持設計過程中多個不同數據庫版本的存儲和管理；

（7）支持工程長事務和嵌套事物的處理和恢復等。 ^[3] 

工程數據庫管理系統，簡稱EDBMS（engineering data base management system），其功能是針對工程數據的特點而設置的。

工程數據庫管理系統一般要滿足以下幾個主要要求：

（1）支持複雜的數據類型，反映複雜的數據結構。工程數據庫中的數據除了字符和數之外，還有文本和圖形數據，因此設計過程中實體之間的關係是複雜多樣的，這就要求工程數據管理系統既能支持過程性的設計信息，又能支持描述性的設計信息。

（2）支持反覆建立、評價、修改並完善模型的設計過程，滿足數值結構經常變動的需要。

（3）工程數據模型必須支持層次性的設計結構。在分層的總圖結構中，頂層表示總圖，總圖中的一個抽象代號可以表示下層的一個子圖。下層圖形中的某一個抽象代號又能表示更下一層的某一子層。如此表達，便可到達由基本零件圖形組成的底層，而基本零件存儲在圖形庫中。各種圖紙所包含的數據也可按此法進行處理。這樣，只要按層次結構特性，便可迅速繪製裝配總圖、部件圖和零件圖。對於每一層中的同一實體，數據模型還必須支持多種視圖的表示。

（4）支持多用户的工作環境並保證在這種環境下各種數據語義的一致性。如機械設計包含機、電、液、控制等方面的技術，各類專業人員都可以按自己的觀點理解同一數據結構並進行不同的應用。因此，必須提供描述與處理過程中比一般數據庫管理系統更強的語義約束，以維護數據語義的一致性。

（5）具有良好的用户界面。應支持交互作業，設計者可以用交互方式對工程數據庫進行操作、檢索和激活某一軟件包。同時，應保證系統具有快速的、實時性的響應，以滿足設計者對數據庫的使用和對庫中數據值及數據結構修改的需要。 ^[1] 

在計算機輔助設計中，處理工程數據的方法有三種：程序化處理、文件化處理、數據庫管理。由於工程數據處理的規模大小不同，因此，須根據實際情況選用三種數據處理方法中的一種。對於規模較小的設計任務可採用管理方式或程序化處理方式，而對數據量十分龐大的一類設計任務則可以採用數據庫管理方式。

程序化處理，即是在應用程序內部對數表、線圖進行查詢、處理或計算。具體處理方法有兩種：一種方法是將數表中的數據或線圖離散化，以一維、二維或多維數組的形式存入計算機，用查表或者插值的方法檢索所需要的數據；另一種是將數表或線圖擬合成公式，編製成計算機程序，再利用程序計算出所需要的數據。

數值的程序化處理方法：數值程序化就是將要使用的各個參數及其函數關係，用一種合理編制的程序存入計算機，以便運行使用，其方法要具體問題具體分析。若要使用的數據是一組單一、嚴格的而又無規律可言的數列，通常的方法是用數組形式存儲數據，程序運行時，直接檢索使用；若要使用的數值是一組單一地、嚴格的但能找到某種規律的數列，則不必定義數組逐項賦值，將反應這種規律的數學公式編入程序，通過計算即可快速、準確地到達目的。

數表的程序化處理方法：數表的程序化就是應用程序完整、準確地描述不同函數關係的數表，以便在運行過程中迅速、有效地檢索和使用數表中的數據。數表程序化一般有3種方法：屏幕直觀輸出法、數組存儲法、公式計算法，使用時需要具體問題具體分析。

線圖的程序化處理方法：在機械設計中，很多參數間的函數關係是用線圖表示的。線圖的特點是鮮明直觀，能表現出函數的變化趨勢。目前，線圖不能直接存儲在計算機中，在編程序前必須進行預處理，以便計算機能應用這些設計資料。對線圖的處理方法有兩種：一是將其轉換成相應的數表，對數表中沒有的節點值採用插值法求得；二是將線圖公式化。

優點：程序與數據結合在了一起；

缺點：數據無法共享，並會增大程序的長度。 ^[1] 

工程數據文件處理中通常採用兩種類型的文件，一類是文本文件，另一類是數據文件。文本文件用於存儲行文檔案資料時，如技術報告、專題分類、論證材料等，可利用任何一種計算機文字處理工具軟件建立。數據文件有自己固定的存取格式，用於存儲數值、短字符串數據，如切削數據、標準零件尺寸等，可利用字表處理軟件建立，但為了便於應用程序調用，通常採用高級語言中的文件管理功能實現文件的建立、數據的存取。簡單地説，文件化處理即是將數表及線圖中的數據按照一定的結構存放在數據結構中，需要數據時，由程序來打開文件並讀取數據。以文件形式保存的數據獨立於應用程序之外，可以供多個應用程序使用。 ^[1] 

對工程數據的文件化需要注意如下幾個問題：

（1）數據資料的正確組織。由於大部分數據資料並不是簡單的表格形式，可能含有組合項、多重嵌套表格，而數據文件不具備支持各種複雜格式的能力，因此需要先對數據資料進行正確的分解和組織，將複雜的表格拆分成若干個簡單的表格，做好建立文件的準備工作。

（2）選擇合適的文件組織方法。應根據要存儲數據的使用情況、數量大小選擇建立順序、索引文件等的類型。

（3）正確錄入數據。這是系統正確運行的前提。在錄入數據時要細緻認真，確保數據有效。

（4）主要保存、備份數據文件。因文件與程序獨立存在，因此在保存程序的同時，還要注意數據文件的計算機建檔和管理。

優點：數據與程序作了初步的分離，實現了有條件的數據共享，增強了數據管理的安全性，提高了數據系統的可維護性。

缺點：

（1）文件只能表示事物而不能表示事物之間的聯繫；

（2）文件較長；

（3）數據與應用程序之間仍然有依賴關係；

（4）安全性和保密性差。 ^[1] 

在CAD/CAM系統的設計、分析、製造等過程中，要查閲各種標準、規範等相關資料，併產生各個階段的結果數據信息，包括圖形和數據。對這些數據信息的管理效率，直接影響CAD/CAM系統的應用水平。隨着計算機技術的發展，CAD/CAM系統中的信息管理從文件模式發展成為數據庫模式，直至目前流行的工程數據庫模式。

建工程化數據存放到數據庫中，可以克服文件化的不足。

優點：

（1）數據實現共享；

（2）數據集中；

（3）數據結構化，既表示了事物，又表示了事物之間的聯繫；

（4）數據與應用程序無關；

（5）安全性和保密性好。 ^[1]