GB/T 16656.105-2010 工业自动化系统与集成 产品数据表达与交换 第105部分：集成应用资源：运动学

ICS25．040．40

L67

囝亘

中华人民共和国国家标准

GB／T16656．105—2010／ISO

16656．1051999

代替GB／T

工业自动化系统与集成产品数据表达与

交换第105部分：集成应用资源：运动学

Industrialautomation

anddataand

systemsintegration--Product

1

exchange--Part05：Integratedapplication

(ISO10303—105：1996，IDT)

，n10—12-01发布201

丰瞀鹊鬻瓣警糌瞥霎发布中国国家标准化管理委员会仅19

GB／T16656．105—2010／ISO

目次

前言·-·……···················…···········-……·····-··‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘…···············。’’‘‘’。‘…‘

引言…………·…-…………·………-

1范围…………………………·

2规范性引用文件…………

3术语和定义……………………

3．1在GB／T16656．1中定义的术语………

3．2在GB／T16656．42中定义的术语………………-…--……………-……-

3．3在ISO8855中定义的术语………-………-………………

3．4其他术语和定义…………-………………

4符号和缩略语………………ⅢⅥ●，，●：：：o

4．1数学符号……………………0

4．2用来表示矩阵的图形约定………………-··--一o

4．3缩略语…………………………o

5运动结构……………·-……………-’’’’’……。’0

…·………………’’………

5．1引言……··…………………0

5．2基本概念与假设…………o

………………一0

5．3运动结构模式(kinematic_structure—schema)类型定义…………

6运动学的运动表达………………………·

6．1引言………-…………………‘

6．2基本概念和假设……………’

6．3运动学的运动表示模式(kinematic_motion

7运动分析控制和结果……………--……………‘

…………‘

7．1引言…………

7．2基本概念和假设……--……‘

附录A(规范性附录)实体短名………-

附录B(规范性附录)信息对象注册…………··

附录C(资料性附录)EXPRESS列表…………·……………’

附录D(资料性附录)EXPRESSG图………………··

附录E(资料性附录)附加信息…··…………

附录F(资料性附录)用SU参数来代替DH一参数…………··

m∞跎跎眈鹊踮盯∞叭叭虬蛇盯∞叭睨¨¨●

CB／T10303—105：1996

16656．105—2010／]SO

IsO

附录NA(资料性附录)10303各部分的目录114

附录NB(资料性附录)本部分英文黑体词的含义118

参考文献………………122

索引……123

10303—105：1996

GB／T16656．105—2010／ISO

刖置

GB／T16656(1SO

10303)《工业自动化系统与集成产品数据表达与交换》是由多个部分组成的标

准，各部分单独出版。GB／T16656的所属各部分又组成多个子系列，即：

——第1至第19部分规定了描述方法；

——第20至第29部分规定了实现方法；

——第30至第39部分规定了一致性测试方法与框架；

——第40至第59部分规定了集成通用资源；

——第100至第199部分规定了集成应用资源；

——第200至第299部分规定了应用协议；

——第300至第399部分规定了抽象测试套件；

——第400至第499部分规定了应用模块；

——第500至第599部分规定了应用解释构造；

——第1000至第1999部分规定了应用模块。

GB／T

16656((工业自动化系统与集成产品数据表达与交换》现已发布和即将发布的包括以下

部分：

第1部分：概述与基本原理；

——第11部分：描述方法：EXPRESS语言参考手册；

——第21部分：实现方法：交换文件结构的纯正文编码；

——第28部分：实现方法：EXPRESS模式与数据的XMI。表达；

——第31部分：一致性测试方法论与框架：基本概念；

——第32部分：一致性测试方法论与框架：对测试实验室与客户的要求；

——第34部分：一致性测试方法论与框架：应用协议实现的抽象测试方法；

——第41部分：集成通用资源：产品描述与支持原理；

——第42部分：集成通用资源：几何与拓扑表达；

——第43部分：集成通用资源：表达结构；

——第44部分：集成通用资源：产品结构配置；

——第45部分：集成通用资源：材料；

——第46部分：集成通用资源：可视化显示；

——第47部分：集成通用资源：形状变化公差；

——第49部分：集成通用资源：工艺过程结构和特性；

——第51部分：集成通用资源：数学表达；

——第54部分：集成通用资源：分类和集合论；

——第55部分：集成通用资源：过程与混合表达；

——第56部分：集成通用资源：状态；

——第lol部分：集成应用资源：绘图；

——第105部分：集成应用资源：运动学；

——第201部分：应用协议：显式绘图；

——第202部分：应用协议：相关绘图；

——第203部分：应用协议：配置控制设计；

硼

10303—105：1996

GB／T16656．105—2010／ISO

——第238部分：应用协议：计算机数控装置的应用解释模型；

——第501部分：应用解释构造：基于边的线框；

——第502部分：应用解释构造：基于壳的线框；

——第503部分：应用解释构造：几何有界的二维线框；

——第504部分：应用解释构造：绘图注释；

一一第505部分：应用解释构造：图纸结构与管理；

——第506部分：应用解释构造：制图元素；

——第507部分：应用解释构造：几何有界曲面；

——第508部分：应用解释构造：非流形曲面；

——第509部分：应用解释构造：流形曲面；

第613部分：应用解释构造：基本边界表达；

——第520部分：应用解释构造：相关绘图元素；

——第1001部分：应用模块：外观赋值；

——第1002部分：应用模块：颜色；

——第1003部分：应用模块：曲线外观；

——第1004部分：应用模块：基本几何形状；

——第1005部分：应用模块：基本拓扑；

——第1006部分：应用模块：基础表达；

——第1007部分：应用模块：通用曲面外观；

——第1008部分：应用模块：层赋值；

——第1009部分：应用模块：形状外观和层。

1

本部分为GB／T6656的第105部分。

本部分是根据国际标准ISO10303—105：1996{工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第

10303

105：

1996／Cor．1：2000(英文版)采用等同翻译法制定的。

10303

本部分在技术上与ISO105：1996等同，并纳入了其技术勘误1和2的内容，同时在勘误的

页边空白处以垂直双线标出。

10303

本部分结构上与ISO105：1996等同，在编写格式上符合GB／T1．1—2000的基本规定。本

部分与1SO10303—105：1996相比，做了以下编辑性修改：

——删除了Is()10303105的前言，按照我国国家标准编写规定重新起草了前言。

10303

——将“ISO105：1996”或“本国际标准”改为本部分或6B／T16656～2010的本部分”。

——将ISO10303—105：1996第2章“规范性引用文件”中的引导语改为GB／T1．1--2000中的

6．2．3规定的引导语。

10303

21：1

——删除了第2章“规范性引用文件”中的一个引用标准ISO994《工业自动化系统与

集成产品数据表达与交换第21部分：实现方法：交换文件结构的纯正文编码》，因为本部

分正文中未见引用。

1

——将GB／T6656第105部分中出现的已转化为我国国家标准的国际标准改为相应的国家标

准，未转化的国际标准保留。

——为了让标准使用者了解ISO10303的总体结构，将lsO网站上给出的ISO10303各部分的目

录收入了本部分的附录NA。

——为了使读者便于理解本部分黑体词的含义，增加了附录NB。

10303

——删除了ISO105的资料性附录G文献目录，并按照我国国家标准编写要求增设了参考

文献。．

Ⅳ

GB／T16656．105—2010／lso

16656．105--19994工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第105部

本部分代替GB／T

分：集成应用资源：运动学》。

16656．105

本部分与GB／T1999相比，除了对一些翻译不当、措辞不准、漏字之处进行了修改与

补充外，主要变化包括修正EXPRESS描述中的错误，修正非形式限制和形式限制中的错误，在附录中

下章条：

——第5章运动结构

——5．4．4kinematic—ground—representation

——5．4．6mechanism—base_placement

2

——5．4．1kinematic—link—representation

——5．4．15kinematic—frame—based—transformation

——5．4．16

7

——5．4．1SU—parameters

——5．4．37

universal—pair

——5．4．68

rack—and—pinion—pair—value

——5．4．73

kinematic—loop

——5．5．1ypr—index

——5．5．3suitably—based—mechanism

——5．5．6frame—associated—to_background

——5．5．8convert—plane—angle_for—pair—from—radian

——5．5．11connected—in—simple_loop

——7．4．3founded—kinematic—path

——7．4．4motion—linkrelationship

——7．4．8kinematic—analysis—result

——附录B对本部分的对象标识符、模式标识符等进行了替换

——附录CEXPRESS列表引用方式更改

——附录D图n2和图D．3进行了更改

料性附录。

本部分由中国机械工业联合会提出。

159)归VI。

本部分由全国自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC／TC

本部分主要起草单位：北京机械工业自动化研究所、北京航空航天大学。

本部分主要起草人：高雪芹、宁涛。

本部分所代替标准的历次版本发布情况：

16656．105——1999。

——GB／T

V

GB／T16656．105—2010／ISO10303-105：1996

引言

GB／T

16656是计算机可编译的产品数据表达与交换的系列标准。目的是提供一种与任何特定系

统无关的中性机制以描述整个产品生命周期的产品数据，该描述的特性不但使它适用于中性文件的交

换，而且适用于作为实现、共享产品数据库及归档的基础。

GB／T

16656的系列中的每一项标准都构成它的一个部分并单独出版。这些部分可分为以下几

16656

类：描述方法、集成资源、应用解释构造、应用协议、抽象测试组、实现方法和一致性测试。GB／T

对每一类作了描述。本部分是集成资源的组成部分。本部分有以下几个主要部分：

——运动结构；

——运动学的运动表达；

——运动分析控制和结果。

本部分描述了机械产品运动特性的信息模型，该信息模型用于CAD系统和运动分析系统之间的

信息交换，也用于不同运动分析系统之问的信息交换。运动信息在GB／T16656本部分中可用于：

——部件的细节形状尚未确定的早期设计阶段。在这一阶段进行运动描述的目的是通过建立机械

产品的一个概念模型来理解它的运动特性。

——部件的细节形状已经确定的细节设计阶段。在这一阶段进行运动描述的目的是用机械产品部

件的最终形状来证实机械产品的运动特性，例如，干涉检测。

本部分的运动结构由沿曲面、曲线或在一点运动的运动副连接起来的刚体组成。

运动结构模式用构件、副和关节来定义刚体的运动结构。构件是运动物体的刚体部分，副表示这些

刚体之间运动约束的几何特性，而关节表示这些约束的拓扑特性。一个运动结构可以通过这样的图来

表示：图中顶点代表构件，边代表关节。

运动学的运动表达模式通过参数化轨迹的定义来说明一个机械结构的运动。

运动分析控制和结果模式说明了运动结构的构型以及构型之问的插补。该模式为运动分析描述预

定轨迹以及从该运动分析中得出的轨迹。

图1表示了这三个模式和在一个模式中定义并被其他模式引用的类型和实体。

rotation——about——direction

kmematic_path

motion

parametermeasure

E

kmemaucjomt

kinematic——link——representation

mechanism

pairvalue

rigid_plaeement

图1GB／T

16656．105：运动学中三个模式之间的关系

Ⅵ

GB／T10303—105：1996

16656．105—2010／1SO

工业自动化系统与集成产品数据表达与

交换第105部分：集成应用资源：运动学

1范围

本部分规定了一个机械产品运动特性表示的资源结构。

下述内容属于GB／T16656的第105部分的范畴：

——刚体(即构件)之间运动关系的定义；

——运动结构的拓扑表示；

——用一系列离散的位置和方向来表示的运动的定义；

—运动分析的输入及结果的表示。

下述内容超出了本部分的范畴：

——运动结构的公差和间隙的描述；

——以连续时间为变量的运动参数的描述；

——有可变运动约束的间歇关节的表示；

——动态机械装配的表示；

——力、质量、摩擦的表示。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过GB／T16656的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文

件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成

协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本

部分。

16262．1

GB／T信息技术抽象语法记法一(ASN．1)第1部分：基本记法规范

(GB／T16262．12006，ISO／IEC8824—1：2002，IDT)

GB／T16656．1工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第1部分：概述与基本原理

16656．12008，1SO10303l：1994，MOD)

(GB／T

16656．1l

GB／T工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第11部分：描述方法：

16656．112010，ISO1030311：2004，IDT)

EXPRESS语言参考手册(GB／T

GB／T

10303

16656．41--2010，ISO41：2005，IDT)

品描述与支持原理(GB／T

GB／T16656．42

2010工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第42部分：集成通用资

10303—42：2003，IDT)

源：几何与拓扑表达(ISO

1

GB／T6656．43工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第43部分：集成通用资源：表

10303

16656．432008，ISO43：2000，1DT)

达结构(GB／T

vehicles--Vehicleand

ISO8855：1词汇(Road

991道路车辆汽车动态和抓地能力dynamics

road

holdingability一-Vocabulary)

3术语和定义

3．1在GB／T16656．1中定义的术语

1

GB／T6656．1中定义的下列术语适用于GB／T16656的本部分。

GB／T16656．105—2010／iso10303—105：1996

resource；

——应用资源application

——数据data；

——通用资源genericresource；

——信息information；

resource；

——集成资源integrated

——产品product。

3．2在GB／T16656．42中定义的术语

GB／T

16656．42中定义的下列术语适用于GB／T16656的本部分：

coordinate

——几何坐标系geometricsystem；

founded；

——几何被创建geometrically

——图graph。

3．3在ISO8855中定义的术语

ISO8855：11

991中定义的下列术语适用于GB／T6656的本部分：

——俯仰角度pitch；

——侧倾角度roll；

——偏转角度yaw。

3．4其他术语和定义

下列术语和定义适用GB／T16656的本部分。

3．4．1

机架base

一个固定于机座或沿确定路径移动的构件。

3．4．2

运动坐标系frame

用来表示运动的坐标系。

3．4．3

机座ground

机械产品在世界坐标系中固定不动的部分。

3．4．4

关节joint

拓扑概念中表示两个构件之间的有序连接或运动约束。

3．4．5

运动学kinematics

对由关节和构件(包括数量、位置和关节的方向)组成的可运动机械结构的描述。

3．4．6

运动链kinematicchain

一系列由关节连接起来的运动构件。

3．4．7

构件link

运动学中的刚体，它的运动受到一个或多个关节的约束。

3．4．8

frame

构件坐标系link

构件的本地坐标，隐含定义为构件的几何相对环境，根据几何相对环境可以定义构件的所有几何

定义。

2

GB／T16656．105—2010／ISO

3．4．9

环loop

机械结构的一部分，其关节和构件共同组成封闭的运动链。

3．4．10

机构mechanism

一种运动受到关节约束的机械产品。

3．4．11

运动motion

刚体位置和方向的改变。

3．4．12

副pair

从几何属性角度看，两个构件之间的有序连接或运动约束。

3．4．13

actuation

副约束pair

由应用将一个运动副的参数值赋与一个运动副。

3．4．14

定位placement

一个坐标系的位置和方向。

3．4．15

坐标变换transform

表示在一个独立参考坐标系的定位。

3．4．16

SU一参数SU—parameters

表示两个坐标系的定位关系的参数。

3．4．17

coordinate

世界坐标系worldsystem

一个初始坐标系，在它之上定义了其他所有的坐标系。

4符号和缩略语

下列符号和缩略语适用于GB／T16656的本部分。

4．1数学符号

GB／T16656本部分使用的数学符号见表1。

4．2用来表示矩阵的图形约定

在数学公式中，坐标变换(三个位置值和三个向量值)用黑体大写字母表示。

4．3缩略语

S1ISheth一1Iicker

ypr三个旋转角度，分别是：偏转角度(yaw)，俯仰角度(pitch)，侧倾角度(roll)

表1数学符号

符号定义

标量n

向量j

坐标轴

10303-105：1996

GB／T16656．105—2010／ISO

表1(续)

符号定义

沿坐标轴方向的单位向量

F矩阵F

F叫矩阵F的逆

×向量积

标量积

，(“)参数曲线，

，(“)I…．2，(‰)，(“)在以P表示的点的值

df(“)

，(“)对于“的导数

r("，")参数曲面，

f(u，口)】…。一～，(“，u)在以P表示的点的值

a，(“，口)

，(”)对于“的偏微分

z∈(口，6)z是在口(不包含)和6(包含)之间的元素

——

sign(x)返回自变量z的正符号的函数

绝对值，或是量值或是行列式

R“m维实空间

5运动结构

下面的EXPRESS声明了kinematic_structure

schema，并标出了必要的外部引用。

EXPRESS描述：

*1

』scHEMA

ki“。。8七ic一8t‘“。t“re一8。hem8；

REFERENCEFROM

geometry—schema

(axis2一placement一3d，

cartesiantransformation

operator一3d

curve，

direction，

geometric—representationcontext，

geometric—representation_item，

normalise，

point，

curve，

point—on

sDrface，

point—on

surface，

surface，

rectangular—trimmed

trimmed_curve)；

4

GB／T16656．105—2010／mo

REFERENCEFROM

measure_schema

(conversion_based_unit，

global——unit——assigned——context

measure，

length

plane—angle—measure，

si—prefix，

si—unit，

si—unit—name，

unit)；

REFERENCEFROMschema

product—property_definition

(characterized_definition，

property_definition)；

REFERENCEFROMschema

product—propertyrepresentation

(property_definitionrepresentation)；

REFERENCEFROM

representation_schema

(functionally_defined_transformation，

transformation，

item—defined

representation，

context，

representation

representation_item，

representation_relationship，

representation—relationship—with-一transformation)

REFERENCEFROM

support．．resource——schema

(bag—to—set，

label)；

(*

注1：上面所引用的模式(schema)可以在GB／T16656的以下部分中找到：

16656．42

geometry_schemaGB／T

measureschema16656．41

GB／T

property_definitionsehemaGB／T16656．41

product

GB／T16656．41

productproperty—．representation_schema

schema16656．43

representationGB／T

resource——schemaGB／T1665641

support

注2：用EXPRESSG表示的这个模式的图示化描述见附录D。

5．1引言

kinematic—structure—schema描述了定义机械产品运动能力的运动信息。

在GB／T16656的本部分中定义的运动包括在笛卡尔坐标系中的自由无约束运动和受到副和关节

约束的运动。

在GB／T16656的本部分中包括了下面这些类型的副：

o

10303—105：1996

GB／T16656．105—2010／ISO

1)旋转副(revolutepair)；10)无约束副(unconstrainedpair)；

constrained

pair)；pair)；

2)移动副(prismatic11)全约束副(fully

surface

on

3)螺旋副(screw12)点面副(pointpair)；

pair)；

surface

pair)；13)滑动曲面副(slidingpalr)；

4)圆柱副(cylindrical

surface

pair)；14)滚动曲面副(rollingpair)；

5)球面副(spherical

oncurve

6)万向副(universalpalr)；15)点平面曲线副(pointplanarpair)

curve

7)平面副(planar16)滑动曲线副(slidingpair)；

pair)；

curve

8)齿轮副(gearpair)；17)滚动曲线副(rollingpair)。

and

9)齿条齿轮副(rackpinion

pair)；

副1～副11称为低副，其余称为高副。

注：副1～副11不需要明确的几何信息来描述其运动特性。副12～副17需要引用一个曲面或曲线，进行运动学

定义。

曲面副和曲线副又可分为两大类：滑动类和滚动类。滚动副在两个曲面或曲线之间的相对运动中

不能有相互滑动。

示例l：两个曲面或曲线之间的摩擦阻力足够大时，可能使它们之间的相对运动被限制为滚动。

对于滑动副来说，不存在这样的限制。

滑动高副可以用几个低副表示。如果一个副可以被表示成为低副，那它就应该被表示成低副，而不

表示成高副。

5．2基本概念与假设

5．2．1运动模型结构

用运动学的方法来表示的机械产品可能有任意的拓扑结构。这些拓扑结构并不局限于简单的链

(也就是没有分枝的运动开链)或树形结构，还可能包括环或网络结构。

注：每一种运动结构都可用它的构件和关节来表示。关节限制了两个称为构件的刚体之间的运动。构件和关节足

4

以用来表示运动结构的拓扑特性，但是对于计算，还必须引入基于图论的结构的其他层次。在570中给出

了运动结构的图形表达的相关信息。

示例2：简单链是一种适合工业机器人或起重机的运动结构，树形结构用来表示多臂操纵器。

示例3：网络结构出现在工业产品中．一个例子就是用作汽车前窗刮水器的机构。

1

在GB／T

6656的本部分中，运动结构用图来表示，其中顶点代表构件，边代表关节。当用运动学

的方法来表示刚体时，其运动特性通过构件来表示，其几何特性通过相关的形状来表示。所有的与运动

16656的本部

构件相关的坐标系都建立在构件坐标系上，它们是相关构件表示的几何环境。在GB／T

分中，这些坐标系被称为运动坐标系(frame)。为r表示一个机构的运动特征，构件的形状用其所有的

副坐标系在构件坐标系中的相对位置和相对方向来表示。

5．2．2定位

对于两个运动构件之间相对运动的约束，在拓扑描述中采用关节来表示。从几何角度来说，这种约

束通过相应的运动副来描述。

法来表示。在GB／T16656的本部分中使用了八种不同的方法：

——r1

gidmatrix(刚体齐次矩阵)；

homogenous

——axi“一placement一3d(三维空间轴2方位)；

一transform(坐标变换)(见6．4．2)；

——su—parameters(SU一参数)；

——poim—on—curve(曲线上的点)；

——p。im—on—surface(曲面上的点)；

——awithitsinitial

pairtypestate(有initial—state的副类型)；

6

GB／T10303—105：1996

16656．105—2010／iso

一～cartesian—transformation—operator一3d(3维笛卡尔变换运算符)。

刚体齐次矩阵仅作为数学公式中的符号束使川。它定义了一个坐标系在另一个坐标系中的相对位

置和方向。矩阵定义如下：

3×3

(旋转矩阵)

00O潮叫叫_=_

这里用符号‘P，表示坐标系i在坐标系女中的位置矩阵，其中：

^一引用参考坐标系的标识，在这个坐标系中定义了坐标系i的位置；

i一坐标系的标识，它的位置根据坐标系自来确定；

如，8y，8z——平移向量的分量。

。P，代表相对于世界坐标系的定位。

坐标变换包括三个旋转和三个移动分量。坐标变换是唯·