Всё что необходимо знать о форматах файлов САПР

За прошедшие годы компания «КАДЭКС» накопила множество знаний о том, какими могут быть файлы САПР, каковы их особенности и в каких случаях некоторые из них эффективны, а в каких нет. В этой публикации мы хотим максимально компактно изложить полезную информацию, которую вы сможете использовать в качестве справочника по файлам САПР.

Что такое файл САПР

Файл САПР — это цифровой формат файла объекта, содержащий ключевую информацию о проектируемом объекте: представление его геометрии и топологии, иерархию 3D-модели, метаданные и визуальные атрибуты, зависящие от формата файла. Он может состоять из 2D- или 3D-данных и используется дизайнерами, инженерами, производителями, учеными и цифровыми художниками.

Модель V-образного двигателя со сдвоенными цилиндрами

Определяющей характеристикой файла САПР является его формат. Существуют следующие форматы: нейтральные, нативные и форматы геометрических ядер.

Нейтральные форматы файлов, такие как STEP и IGES, были разработаны как отраслевые стандарты, читаемые большинством платформ моделирования САПР. Спецификации для этих форматов общедоступны и поддерживаются компаниями или консорциумами. Например, IGES разработан Национальным бюро стандартов, а STEP — продукт CAX IF.

Нативные форматы, например SOLIDWORKS, CATIA и DWG, производятся основными поставщиками САПР. Чтобы импортировать их в сторонние инструменты САПР, требуется конвертация.

Форматы геометрических ядер основаны на популярных ядрах геометрического моделирования, наиболее распространенными из которых являются ACIS и Parasolid. Ядро моделирования САПР — это компонент программного обеспечения для моделирования, определяющий, как оно математически описывает форму. Форматы ядра лучше всего работают с программным обеспечением, созданным на соответствующем ядре.

Какие свойства может хранить файл САПР

Представление геометрии

Двумя наиболее распространенными способами представления 3D-данных в файлах САПР являются сетки и B-Rep, также известные как полигональные и граничные представления. Тела B-Rep определяются набором точных геометрических и топологических объектов. Сетчатая модель — близнец B-Rep, в котором все точные границы заменены набором аппроксимирующих граней.

Использование

Геометрические сущности — основа для будущей визуализации. В ней хранится информация об измерениях и геометрических свойствах деталей: объеме, площади поверхности, центре масс.

Поддержка конкретных форматов

Форматы файлов САПР различаются по объему представления геометрии: IGES поддерживает B-Rep, STL и VRML — сетки, тогда как JT может содержать и то, и другое.

Модель основной коробки передач вертолета

Топология

Топология — это фактор только для представлений B-Rep. Топологические формы включают в себя тела (твердое тело, лист, каркас и отдельную, ни к чему не привязанную точку в пространстве) и элементы (оболочки, грани, ребра и т.д.).

Использование

В то время как геометрия определяет форму тела, топология определяет пространственное расположение объектов и хранит информацию о связности. Хорошая топология позволяет предсказывать модификацию и анимацию, а также требует меньше памяти.

Поддержка конкретных форматов

В зависимости от формата САПР могут быть разные типы топологических объектов и различные требования к их представлению. Общая топологическая структура данных модели САПР основана на том, что каждое ребро связано с несколькими гранями, что обеспечивает связность граней и является необходимым условием для формирования твердых тел. Но всегда есть исключения из правил. Например, в IGES нет такой сущности, как ребро. Вместо этого существует список ребер, который не обеспечивает подключение граней при конвертации. Другим примером разнообразия топологии САПР является то, что в STEP внешняя граница обязательна и имеет собственную сущность (FACE_OUTER_BOUND), в другом формате такое требование может отсутствовать, например в Parasolid.

Продуктовая структура

Структура продукта представляет собой иерархию отдельных объектов, называемых деталями, и групп взаимосвязанных объектов, называемых сборками.

Использование

На базовом уровне, благодаря информации о структуре продукта, в большинстве программных пакетов САПР в левой части экрана находится сворачиваемое древовидное представление. Мы можем развернуть дерево или его группы, поставить галочки, чтобы скрыть или показать элементы модели, дублировать целые сборки, исследовать иерархию и взаимосвязи частей.

Поддержка конкретных форматов

Детали, сборки и их иерархия могут быть описаны одним из двух способов: либо в одном файле для всей модели (IGES, Parasolid-XT, ACIS-SAT), либо в наборе файлов, по одному на каждую деталь и сборку (SOLIDWORKS, CATIA, PTC Creo, Siemens NX).

Метаданные

Помимо геометрии, топографии и структуры, файлы САПР содержат метаданные. Они включают в себя имена и идентификаторы объектов, определяемые пользователем свойства, слои, информацию о производстве продукта PMI (Product Manufacturing Information), свойства проверки.

Использование

В отличие от всех ранее упомянутых свойств, метаданные передают менее универсальные признаки модели: специфичные для ее будущего использования, отрасли применения, дальнейшие этапы обработки и т.д. Это может быть дата создания, плотность материала, размерные допуски или другие произвольные свойства.

Поддержка конкретных форматов

Способность передавать эти типы данных сильно различается от формата к формату: STL — это формат, в котором отсутствуют какие-либо метаданные, VRML широко поддерживается, но не может содержать слои и PMI, в то время как STEP и JT поддерживают все вышеуказанные данные.

Представление визуальных атрибутов

Файлы САПР также могут определять такие визуальные атрибуты, как цвета, материалы, текстуры, стили линий и источники света. Эти функции могут быть прикреплены как к элементам B-Rep, так и к элементам сетки.

Использование

В случае если отображение модели не менее важно, чем ее обработка, необходимо учитывать визуальные атрибуты. Эти свойства могут не только улучшить внешний вид САПР-модели, но и сделать ее структуру и функциональность понятнее.

Поддержка конкретных форматов

Форматы САПР отличаются не только наличием того или иного атрибута, но и тем, как он поддерживается. Например, цвета могут быть указаны с помощью кортежей RGB или выбраны из предопределенного списка основных параметров.

Модель турбонасоса

Самые известные форматы файлов САПР и их расширения

Данные САПР передаются между заказчиками, подрядчиками и инвесторами из отдела в отдел. Все заинтересованные стороны используют разное программное обеспечение в зависимости от своей роли (редактор/рецензент), сегмента рынка (инжиниринг/производство/продажи) или размера и бюджета своей компании. Если обмен файлами CАПР приводит к потере данных или требует ресурсоемкой проверки для дальнейшей обработки, это может негативно сказаться на всем жизненном цикле продукта. Вот почему важно использовать оптимальные форматы САПР, наиболее совместимые между существующими программными пакетами.

Представляем краткий обзор наиболее распространенных расширений, а также их преимущества и недостатки.

Формат IGES

• Расширения: .igs, .iges;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: B-Rep, сетки;
• стандарт: ANSI;
• период создания: 1980-е;
• создатель: Национальное бюро стандартов США.

IGES (Initial Graphics Exchange Specification) — одна из первых попыток разработать спецификацию взаимодействия между различными платформами САПР. Теперь это один из самых распространенных нейтральных форматов САПР, поддерживаемый Autocad, CATIA, Creo, Siemens NX и другим программным обеспечением для моделирования САПР.

Преимущества:

• независимость от поставщика;
• структура сборки, цвета и поддержка имен.

Недостатки:

• модель B-Rep как набор не связанных между собой соприкасающихся поверхностей;
• сгенерированная сетка, как правило, не является водонепроницаемой;
• единая точность для всего файла;
• большой размер файла;
• ограничения размера файла;
• отсутствие PMI.

Формат STEP

• Расширения: .stp, .step;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: B-Rep;
• стандарт: ISO 10303;
• период создания: 1980-е;
• создатель: ISO.

STEP (Standard for the Exchange of Product model data) стал следующим шагом в борьбе за совместимость САПР. Определить стандарты обмена данными для ключевых случаев использования в отрасли позволяет то, что STEP состоит из десятков AP (протоколов приложений), включая AP 203 для 3D-проектирования механических деталей и сборок, AP 2014 — для механического проектирования автомобилей и всеобъемлющий AP 242 — в целом для 3D-проектирования на основе моделей. Эти протоколы приложений и их комбинации помогают охватить все основные аспекты проектирования, производства и жизненного цикла продукта, что делает STEP неизменно предпочтительным вариантом для обмена между системами CAx и PDM/EDM.

Преимущества:

• совместимость с широким спектром программных пакетов CAD, CAM и 3D-моделирования;
• B-Rep, сетки, иерархия сборки деталей, метаданные, поддержка визуальных атрибутов;
• отличная поддержка PMI: графическая, семантическая и взаимосвязь между ними.

Недостатки:

• размер файла выше среднего из-за длинных имен объектов и громоздких графов сущностей;
• ошибки округления числовых значений из-за текстового формата;
• некоторые данные могут быть нечитаемы в определенных рабочих процессах (например, PMI с помощью программного обеспечения CAM).

Формат ACIS-SAT

• Расширения: .sat, .sab;
• тип: ядро;
• представление геометрии: B-Rep;
• период создания: 1980-е;
• создатель: Spatial Corporation, Dassault Systemes.

ACIS-SAT — собственный формат ядра геометрического моделирования ACIS, один из двух самых популярных. Это ядро поддерживает многочисленные платформы CAD, CAM, CAE и 3D-анимации, в основном приложения Autodesk, прокладывая путь для широкого применения ACIS-SAT. Формат поддерживает два расширения: SAT (стандартный текст ACIS), удобный для чтения и позволяющий настраивать содержимое модели вручную, и SAB (стандартный двоичный текст ACIS), более компактный и защищенный от ошибок округления.

Преимущества:

• полноценная поддержка геометрии B-Rep;
• поддерживаются все топологические объекты B-Rep: твердые тела, листы, каркасы, множественные тела, вершины, многообразная топология;
• сохранение связности проекта;
• водонепроницаемые твердотельные модели;
• поддержка простых параметрических кривых и поверхностей;
• не требуется конвертация при чтении приложениями на основе ACIS.

Недостатки:

• закрытая спецификация;
• ACIS-SAT не предоставляет возможностей для хранения сборок и, как следствие, хранения сложных вложенных иерархий компонентов;
• отсутствие поддержки сеточных моделей;
• в основном подходит только для приложений, базирующихся на ACIS;
• ограниченная поддержка метаданных и визуальных атрибутов.

Формат Parasolid-XT

• Расширения: .x_t, .x_b, .xmt_txt, .xmt_bin, .xmp_txt, .xmp_bin;
• тип: ядро;
• представление геометрии: B-Rep, сетки;
• период создания: 1980-е;
• создатель: Shape Data Limited, теперь Siemens.

Parasolid-XT — еще один постоянный формат, принадлежащий ядру моделирования. Одноименное ядро является основой для таких инструментов моделирования, как SOLIDWORKS, Ansys, Solid Edge, Siemens NX, OnShape и др. Как и ACIS, формат Parasolid имеет два ключевых расширения: текстовое расширение .x_t, хоть и не такое удобное для чтения и редактирования, как ACIS-SAT, и двоичное расширение .x_b.

Преимущества:

• не требуется конвертация при чтении программным обеспечением на основе Parasolid;
• отличная поддержка геометрии B-Rep;
• поддержка сложных моделей B-Rep с твердотельной, листовой, каркасной, смешанной и многослойной топологией;
• поддержка иерархии деталей сборки;
• поддержка гибридных моделей, содержащих как B-Rep, так и сеточную геометрию.

Недостатки:

• части и тела приравниваются друг к другу;
• необходимость преобразования процедурной геометрии в NURBS;
• ограниченная поддержка метаданных и визуальных атрибутов.

Формат файла JT

• Расширение: .jt;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: B-Rep, сетки;
• стандарт: ISO 14306;
• период создания: 1990-е;
• создатель: Engineering Animation и HP, теперь Siemens.

JT (Jupiter Tessellation, назван по первоначальному названию исходного инструментария DirectModel) — это стандартный формат совместной работы в рамках экосистемы Siemens PLM. Поскольку он был разработан для поддержки визуализации сложных сборок, JT может хранить большое количество компонентов, экспортированных из различных САПР-систем. Данные сетки — сильная сторона формата, позволяющая загружать различные уровни детализации в соответствии с масштабом визуализации.

Преимущества:

• поддержка иерархии деталей и сборок, сеток и B-Rep, метаданных и визуальных атрибутов;
• отличная поддержка сеток: уровни детализации, экономное представление данных;
• активное использование сжатия;
• бинарная природа;
• в среднем весит меньше, чем STEP с сопоставимой геометрией;
• поздняя загрузка данных.

Недостатки:

• проприетарность накладывает отпечаток в качестве поддержки среди разных вендоров.

Формат файла STL

• Расширение: .stl;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: сетки;
• год создания: 1987;
• создатель: Albert Consulting Group для 3D-систем.

STL (стереолитография) — это формат файла, изначально предназначенный для 3D-печати, как и следует из названия. В настоящее время он широко используется в 3D-печати, лазерном сканировании, быстром прототипировании и рабочих процессах CAM. Тем не менее большинство пакетов САПР общего назначения также поддерживают STL. Файл STL определяет только геометрию поверхности, а его структура представлена списком плоских треугольников. Существуют как текстовые, так и более распространенные бинарные расширения.

Преимущества:

• поддерживается большинством инструментов моделирования САПР;
• достойное качество общих геометрических характеристик при конвертации в другие форматы САПР.

Недостатки:

• формат только для сетки;
• низкая производительность и риск неточности из-за отсутствия информации о связности;
• из-за отсутствия нормалей вершин внешний вид может быть угловатым;
• нет поддержки иерархии деталей и сборок в STL;
• нет поддержки списков плоских деталей;
• нет поддержки цветов на уровне спецификации;
• нет спецификации единиц измерения;
• необходимость преобразования в B-Rep после 3D-сканирования.

Формат файла VRML

• Расширения: .wrl, .wrz;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: сетки;
• стандарт: ISO/IEC 14772-1:1997;
• год создания: 1994;
• создатель: Дэйв Рэггет.

VRML (язык моделирования виртуальной реальности, первоначально — язык разметки виртуальной реальности) был первым 3D-форматом, адаптированным для отображения 3D-сцен в Интернете. Он позволяет посетителям веб-сайтов взаимодействовать с виртуальными объектами, которые широко используются в электронной коммерции, образовании и совместной работе над проектами. Наиболее распространенная форма VRML — обычный текстовый файл, но есть также gzip-сжатое расширение. Многие программы 3D-моделирования могут сохранять объекты и сцены в формате VRML.

Преимущества:

• возможность хранения сеточных моделей, материалов и текстур;
• сохранение иерархии модели и присоединение преобразования к ее частям;
• поддержка неповрежденной топологии, произвольных полигонов и других важных атрибутов благодаря индексированным сеткам;
• поддержка уровней детализации;
• расширенные возможности: свойства аватара зрителя, покадровая анимация, освещение, ссылки на звук и т.д.

Недостатки:

• ограничения точности чисел и больших размеров файлов из-за текстового характера.

Формат файла X3D

• Расширение: .x3d;
• тип: нейтральный;
• представление геометрии: сетки;
• стандарт: ISO/IEC 19775/19776/19777;
• год создания: 2001;
• создатель: Web3D Consortium.

X3D (расширяемый 3D) стал преемником VRML в области 3D-графики в Интернете. Он отличается от VRML поддержкой шейдеров, геолокации, анимации, данных, связанных со сценой, NURBS-кодированием геометрии поверхности и другими дополнительными функциями. X3D имеет расширение на основе XML, кодировку VRML и бинарную.

Преимущества:

• возможность хранения моделей сеток, материалов и текстур;
• сохранение иерархии модели и присоединение преобразования к ее частям;
• поддержка неповрежденной топологии, произвольных полигонов и других важных атрибутов благодаря индексированным сеткам;
• поддержка уровней детализации (LoD);
• возможность хранить метаданные в виде пар «ключ — значение»;
• шейдеры, эффекты частиц, объемный рендеринг и физика твердого тела;
• особенности САПР: поддержка NURBS, механизм обозначения элементов как сборок, деталей и граней.

Недостатки:

• поддержка в 3D-приложениях довольно неоднородна. Не так часто встречается как один из вариантов импорта или экспорта;
• ограничения точности чисел и больших размеров файла.

***

Проблема несовместимости САПР-данных вышла на новый виток развития с уходом зарубежных вендоров инжинирингового ПО, вынуждая конвертировать накопленные данные в форматы, поддерживаемые отечественными CAD/CAM/CAE-системами.

Для решения этих проблем компанией «КАДЭКС» были разработаны продукты CAD Exchanger: CAD Exchanger Lab — десктопное приложение для просмотра и конвертации 3D-данных и CAD Exchanger SDK — библиотеки для разработчиков инженерных приложений.

CAD Exchanger обеспечивает визуализацию 3D-данных, конвертацию их в различные САПР-форматы, построение сеток для инженерного анализа, отображение метаинформации о 3D-моделях и многое другое. Список поддерживаемых форматов регулярно расширяется и включает как нативные и нейтральные форматы, так и форматы геометрических ядер.

Продукты CAD Exchanger используются разработчиками инженерного ПО, инженерами и дизайнерами в производственных, строительных и промышленных компаниях. Среди клиентов: АСКОН, «Северсталь», Apple, Tesla, Amazon, NASA, Fujitsu, General Electric, Siemens. 

Перевод статьи «Everything you need to know about CAD file formats» выполнен контент-менеджером CAD Exchanger Олесей Лебедевой