Состояние дел и перспективы формата STEP

На заре эры механических САПР не было необходимости обмениваться файлами. MCAD были редкостью, поэтому несовместимость систем не имела значения. Но к 1976 году MCAD стали настолько широко использоваться в областях, связанных с ВВС США, что стало необходимым найти способ снижения затрат на передачу файлов от проектировщиков к производственным подрядчикам. Решение было найдено в виде формата под названием «начальная спецификация обмена графикой» (initial graphics exchange specification, сокращенно IGES).

От IGES к PDES и STEP

IGES, с течением времени поддерживая все больше и больше типов данных, специфических для растущего числа систем MCAD, постепенно разросся и стал громоздким. Тогда автомобильная промышленность Германии разработала свой собственный широко распространившийся стандарт обмена данными о форме поверхности автомобилей — VDA-FS. Это была современная замена ставшему неудобным стандарту.

Поэтому руководящий комитет IGES начал работу над определением нового всеобъемлющего формата файлов, PDES (product data exchange specification — спецификация обмена данными о продукте). «PDES призван поддерживать все аспекты описания продукта, от первоначальной концепции до разработки, производства, сопровождения и утилизации продуктов», — заявили в Министерстве торговли США, и это очень похоже на сегодняшний PLM.

В 1985 году комитет передал PDES в рабочую группу ISO, которая занималась созданием универсального формата файлов, достаточно гибкого, чтобы охватывать «всё, от микрочипа до боевого корабля». Так появился «стандарт обмена данными модели продукта» STEP (STandard for the Exchange of Product model data).

STEP был создан как расширяемый формат, который можно было расширять по мере появления новых технологий. В нем реализована поддержка наследования — например, спица может наследовать свойства стального колеса, в котором она находится. Определения задаются объектно-ориентированным языком программирования данных EXPRESS.

Первый выпуск STEP вышел в 1995 году. Сегодня STEP состоит из 800 стандартов (см. рисунок ниже), четыре из которых предназначены для конечных пользователей, а остальные представляют собой библиотеку многоразовых определений:

• AP203 для твердотельных моделей (1995 г.)
• AP214 для сборок (2003)
• AP242 для аннотаций (2015)
• AP242e2 для допусков (в прошлом году)

Часть стандарта STEP, представленного на steptools.com/stds/stp_expg/arm.html

Чтобы узнать, в каком направлении движется STEP, я поговорил с Мартином Хардвиком, генеральным директором STEP Tools, и Нилом Петерсоном, президентом Open Design Alliance.

STEP для обработки

Первоначальная цель IGES заключалась в том, чтобы производителям, таким как General Electric, было проще работать с 3D-моделями, поступающими от поставщиков, использующих несовместимые форматы файлов MCAD. Процесс выглядел так, и сегодня все еще выглядит примерно так:

1. Оператор САПР делает чертежи без учета производственного процесса.
2. Оператор CAM разрабатывает производственный процесс.
3. Постпроцессор в программном обеспечении CAM генерирует G-код, содержащий инструкции для станка.
4. Оператор станка с ЧПУ внимательно следит за обработкой, чтобы убедиться, что спроектированные детали были изготовлены правильно.

Мартин Хардвик сказал мне, что сегодня есть желание перейти напрямую от САПР к ЧПУ.

1. Оператор САПР делает 3D-модель с прицелом на изготовление.
2. Постпроцессор в САПР создает файл STEP-NC.
3. Станок с ЧПУ использует STEP-NC для автоматизированной, оптимизированной обработки (см. рисунок ниже).

В STEP было добавлено расширение для обработки деталей, известное как STEP-NC (числовое управление):

• AP238 версия 1 для прецизионной обработки (2005 г.)
• AP238 версия 2 для точной сборки (прошлый год)

Добавление допусков AP242e2 позволило использовать STEP в автоматизированном производстве. Когда известны допуски, которым должно соответствовать производство, вы можете обрабатывать детали с этими допусками. До этого управление станками работало вслепую, без информации о том, что разрешено.

Тестовый файл, созданный в Национальном институте стандартов и технологий, демонстрирующий представление AP242 и семантические геометрические допуски

CAM присуща сложность. «Раньше в этом разбирался оператор; теперь с этим должно разбираться программное обеспечение», — сказал г-н Хардвик. Введение AP242e2 означает массовое переписывание программного обеспечения CAM, что не все компании могут себе позволить. Частично в результате этого изменения в последние годы многие CAM-фирмы, такие как Cimitron, GibbsCAM, MasterCAM, SigmaNEST и Vericut, продались более крупным компаниям, таким как Sandvik.

С каждым годом в STEP-NC добавляется больше данных о процессе, необходимых для того, чтобы понять, как нужно фрезеровать, сверлить или точить деталь, как ее вести, с какой скоростью и т. д. Ключевой момент состоит в том, чтобы знать, какие операции и в каком порядке должны выполняться с учетом оптимальной траектории инструмента. Когда данных много, интеллектуальное программное обеспечение контроллера должно быть в состоянии разобраться со всем этим.

Начиная с 2017 года, STEP-NC использовался для изготовления миллионов 5-осевых деталей для коммерческих самолетов, таких как Boeing 787. Теперь STEP-NC готовится к прямой передаче данных от CAD на 2,5-осные фрезерные станки с ЧПУ. Кроме того, он готовится к 3D-печати, в связи с чем г-н Хардвик назвал STEP-NC «PDF обработки».

ODA расширяется до STEP

Open Design Alliance разрабатывает код, например, для чтения и записи файлов DWG и PDF, который коммерчески используется компаниями-членами альянса, занимающимися программным обеспечением САПР. Разрабатывая код от имени 1200 участников, альянс избавляет их от необходимости разрабатывать его самостоятельно.

Пять лет назад организация резко расширила свои предложения. От предоставления отдельных SDK (с 1998 года) она перешла к полному технологическому пакету для работы с файлами CAD и BIM, включая совместную работу в Интернете, контроль версий и визуализацию на любой платформе, в котором осуществляется поддержка встроенных механизмов твердотельного моделирования и ограничений.

В начале этого года ODA объявил о поддержке STEP, объясняя это большим спросом со стороны членов ODA, поскольку существующие библиотеки STEP дороги и основаны на роялти, сказал мне в интервью президент ODA Нил Петерсон. В некоторых случаях STEP лицензируется не как отдельный компонент, а как часть набора конверторов. Некоторые библиотеки находятся в публичном доступе, но страдают недостатком функциональности. По его словам, на рынке нет экономичной высококачественной библиотеки, доступной для небольших фирм.

Как STEP вписывается в API/SDK, предлагаемые Open Design Alliance

Некоторым членам ODA просто нужен доступ к файлам STEP. Другие участники, использующие IFC API от ODA для архитектурного проектирования, хотят и того, и другого: IFC для проектирования зданий, STEP для станков, устанавливаемых внутри зданий. ODA рассматривает поддержку STEP в качестве долгосрочного приоритета.

Учитывая, что файлы STEP и язык программирования EXPRESS чрезвычайно сложны, я задавался вопросом, как работа может быть выполнена так быстро. В конце концов, PDES работала над проблемой почти три десятилетия.

«Мы приобрели соответствующий опыт, когда занимались IFC, — сказал г-н Петерсон. — Подобно IFC, STEP определяется с использованием схемы EXPRESS, поэтому мы можем использовать фреймворк автоматизации, который мы разработали для IFC, чтобы быстро создать высококачественное решение STEP». Кроме того, ODA является членом PDES, группы, которая поддерживает стандарт STEP, точно так же, как он сотрудничает с buildSMART в части IFC. От PDES ODA получает тестовые данные и работает с комитетами, которые устанавливают расширения к стандарту.

График ODA выглядит следующим образом:

1. К концу этого года планируется выпустить начальную версию STEP SDK с поддержкой чтения/записи для AP203, AP214 и AP242.
2. К концу 2022 года ODA планирует полную поддержку визуализации для этих же трех стандартов на настольных компьютерах, мобильных устройствах и в Интернете, включая бесплатную программу просмотра STEP коммерческого уровня, аналогичную программам просмотра IFC и DWG от ODA.
3. Альянс планирует осуществить публикацию моделей STEP в 2D/3D PDF и преобразование STEP в такие форматы, как Navisworks и DWG.

Стоимость получения STEP API от ODA будет «бесплатной». То есть члены, которые платят ежегодный членский взнос в ODA от 1800 долларов в год, не платят ничего дополнительно после того, как STEP становится доступным, и при этом не взимается никаких лицензионных платежей. Это может заставить снизить цены других поставщиков STEP, таких как STEP Tools в США, EPA в Швеции и ProSTEP в Германии.

В долгосрочной перспективе ODA проявляет интерес к AP238 STEP-NC и к преобразованию данных модели в такие форматы, как IFC и Revit. Г-н Петерсон отмечает, что «приоритеты в этих областях будут основаны на запросах наших членов».

Мнение автора

Отрасль MCAD/CAM нуждается в универсальном файловом формате, чтобы свести к минимуму стоимость и неудобства перевода данных между системами САПР и от систем проектирования к производственным станкам.

Однако опыт других отраслей, таких как AEC/BIM, показывает, что достижение универсальности — чрезвычайно сложная проблема. Каждый поставщик САПР желает сохранить свои уникальные преимущества перед конкурентами и поэтому предпочитает использовать свои уникальные форматы файлов.

О совместимости данных говорится много, и хотя данные передаются в системы САПР легко, о реальной совместимости говорить пока не приходится. В конце концов, требуются затраты на программную реализацию стандартов обмена STEP и IFC, которые усложняются по мере расширения их возможностей.

В 2020-х годах стандарт STEP будет развиваться в двух направлениях: в сторону большей сложности с помощью STEP-NC и в сторону снижения затрат с помощью ODA STEP. Можно надеяться, что инструменты, предоставляемые ODA, помогут упростить реализацию универсальности обмена данными в области архитектурного и механического проектирования.