Обмен данными между САПР

Взаимодействие между производственными и инженерными компаниями, равно как и взаимодействие между их подразделениями, осуществляется путём обмена файлами. Файлы могут пересылаться по электронной почте или с помощью служб экспресс-доставки.

Обычно при создании с помощью САПР какой-то новой системы разрабатываются функциональные спецификации документов, технические спецификации и конструкторские файлы, которые необходимо пересылать в течение всего жизненного цикла проекта.

Как известно, самая распространённая проблема, с которой сталкиваются специалисты в области САПР, – это изоляция систем друг от друга и от "окружающего мира", что объясняется большим разнообразием существующих форматов файлов САПР.

Типична ситуация, когда для обмена данными между работающими на предприятии САПР используется единственный существующий на сегодня способ - конвертор, причём данные конвертируются зачастую некорректно, часть же вообще теряется. Очень часто партнеры или поставщики компании не имеют возможности просмотреть файлы САПР вследствие несовместимости поддерживаемых ими форматов.

Дело в том, что большинство САПР хранит данные в собственных форматах, разработанных специально для конкретных систем проектирования.

Каждая САПР хранит данные в файлах определённого формата. Термин «формат файла» используется для описания структуры данных, записанных в компьютерном файле. Так как файл представляет собой последовательность битов (т.е. нулей и единиц), то компьютерные системы, сохраняющие данные в файле, должны как-то преобразовывать обрабатываемую ими информацию в последовательность битов и наоборот. Алгоритм этого преобразования, а также соглашения о том, как различные фрагменты информации после преобразования располагаются внутри файла, составляют то, что входит в понятие «формат файла».

Для многих форматов файлов существуют опубликованные спецификации, в которых описана структура файлов данного формата, то, как программы должны кодировать данные для записи в этот формат и как декодировать их при чтении.

Мы говорили, что, в зависимости от рода своей деятельности, различные специалисты предприятия работают с разными САПР. Однако различные САПР зачастую основаны на разных геометрических ядрах и несовместимы между собой, а это приводит к проблемам в переносе данных из одной системы в другую. Иногда не удаётся корректно передать даже геометрию, а параметрическая информация теряется полностью.

В современных параметрических системах трёхмерного моделирования твёрдое тело описывается набором поверхностей, соединённых по границам в единое целое, образующее замкнутый объём. Пользователь создаёт геометрию путём последовательного применения геометрических операций. Последовательность этих операций образует параметрическое дерево построения.

В настоящее время каждая CAD-система хранит данные в собственном “закрытом” формате. Прямой обмен файлами данных между различными системами затруднён, а зачастую и невозможен. Более того, невозможно передать информацию в более раннюю версию одного и того же пакета. Имеются стандартные нейтральные форматы хранения трёхмерных данных – IGES, Parasolid, VDA-FS, SAT, STEP, которые позволяют в 90% случаев производить обмен данными без ошибок и потери качества. Однако даже при удачной передаче геометрии из одного пакета в другой происходит полная потеря дерева построения. Точность и качество получаемой модели полностью зависят от качества транслятора (программы-«переводчика»), встроенного в пакет проектирования. К тому же, форматы обмена геометрическими моделями могут иметь "диалекты" - частично совместимые реализации одного и того же формата. Особенно такой частичной совместимостью славится IGES, который, в то же время, является одним из наиболее распространённых форматов обмена геометрическими моделями. ------> 8,78 мин.

Среди наиболее распространённых проблем трансляции данных – неточное совпадение границ поверхностей, неправильное направление векторов нормалей, дублирование или, наоборот, частичная потеря поверхностей, целый лес ненужных вспомогательных линий и необрезанных поверхностей. Чем сложнее геометрия модели, тем больше сбоев возникает при попытке её импорта.

В файлах коммерческих систем параметрического моделирования геометрическое изображение сохраняется в виде огромного количества треугольников для аппроксимации криволинейных участков поверхностей. Кроме того, они содержат массу служебной информации. В результате эти файлы имеют внушительные размеры и обладают неизвестным содержимым. Из-за систематического обновления версий нет никакой уверенности в том, что эту информацию удастся прочитать годы спустя.

Проблема организации взаимодействия между различными САПР, особенно основанными на разных ядрах, заключается в невозможности обеспечить прямой экспорт данных из одной системы в другую либо в некорректной передаче данных.

Один из последних и довольно впечатляющих примеров жертв несовместимости форматов – компания Airbus. Осенью 2006 г. появились сообщения о том, что эта компания понесла огромные убытки – более 6 млрд. долларов – из-за проблем несовместимости данных.

Компания Airbus входит в международный концерн EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) и занимается разработкой гигантского 853-местного авиалайнера А-380. Проблема, с которой она столкнулась, связана с внесением исправлений в чертежи. Они не могли с достаточной точностью отобразить их и внести в цифровой макет, что привело к разночтениям при разработке жгутов и кабелей. ------> 4,2 мин.

Дело в том, что программное обеспечение, используемое для проектирования и управления производством в техническом центре Airbus в германском городе Гамбурге, не полностью совместимо с тем, что применяется в штаб-квартире компании в Тулузе (Франция).

----------------------------------------

Было 185 заказов от 15 компаний. Из них 165 уже подтверждены. Первый серийный лайнер был передан Сингапурской компании 15 октября (с опозданием на 18 месяцев). 25 октября состоялся первый рейс из Сингапура в Сидней. В сентябре 2 билета на него были проданы на eBay больше чем за 1000 тыс. долларов. Крупнейший заказчик – 47 самолётов – компания Emirates. В 2007-2009 г. Airbus сокращает запланированные поставки. Во время трудностей компанию покинули несколько топ-менеджеров. В рамках реструктуризации запланировано увольнение 10 тыс. работников.

----------------------------------------

Сама Airbus представляет собой не единую монолитную компанию, а объединённые ресурсы аэрокосмических фирм Франции, Германии, Испании и Великобритании. С самого начала Airbus организовывался как европейский конкурент Boeing. Так что неудивительно, что возникшая проблема связана с отсутствием единого стандарта программного обеспечения, используемого в проекте.

Несовместимые же программные продукты, из-за которых пострадала компания – это две версии одной и той же системы проектирования – CATIA V4 и CATIA V5. Кроме того, в различных офисах компании Airbus используется большое количество систем компании Parametric Technology. Ни для кого не секрет, что две эти версии CATIA являются несовместимыми по формату файлов. В самом деле, ведь разработчики CAD-систем постоянно совершенствуют свои форматы, нарушая в результате совместимость между версиями. Компания Autodesk, например, меняет свой формат DWG через каждые две-три версии. Компания Bentley до сих пор оказывает помощь своим клиентам в переходе от формата MicroStation седьмой версии к восьмой, несмотря на то, что первый релиз восьмой версии вышел ещё в 2001 году.

Когда в Airbus начались работы над проектом А380, компания Dassault Systemes, разработчик CATIA, ещё не поставляла пятую версию системы. Руководство концерна EADS, в который входит компания Airbus, было в восторге от получения такого крупного заказа, позволявшего концерну почти что догнать Boeing. И совет директоров санкционировал довольно рискованный график работ. На изучение инструментов и методов проектирования у разработчиков не было времени. Каждый из исполнителей проекта продолжал пользоваться теми инструментами, которые у него были – в основном, CATIA V4 и системой CADDS от Parametric Technology. CATIA V5 появилась позднее и начала диктовать свои правила, определяющие процесс проектирования самолёта.

В итоге сотни небольших изменений в электропроводке самого большого в мире пассажирского самолёта привели к задержке сначала на год, а затем и на два, поставок авиалайнера заказчикам. Причём убытки компании, скорее всего, не ограничатся лишь 6 миллиардами. Руководство компании во второй половине 2006 г. потратило большие деньги на приобретение нового программного обеспечения и обучение персонала. Однако из-за срыва поставок авиалайнеров, причём уже второго по счёту, некоторые компании, ожидавшие эти самолёты, уже рассматривают вопрос об аннулировании своих заказов. Пока же выпуск первого серийного авиалайнера А380 запланирован на вторую половину 2007 года.

Схожие проблемы возникают и у организаций-субподрядчиков. Очень часто для того, чтобы избежать несовместимости данных, ОЕМ-производители требуют от своих партнёров использовать те же программные продукты, что и они сами.

Но, во-первых, многие субподрядчики работают не с одним партнёром, а с несколькими одновременно. И у каждого из этих партнёров могут быть свои требования к программному обеспечению. Это значит, что каждая небольшая компания-субподрядчик должна купить и установить несколько дорогих САПР, возможно даже, тяжёлого класса, и обучить свой персонал работать на них. А поскольку мало кто из сотрудников владеет навыками работы больше чем с одной CAD-системой, то небольшим компаниям приходится расширять свой штат, нанимая людей, умеющих работать в нужных пакетах проектирования. Вдобавок, нужно вести регулярное обучение сотрудников, работающих с разными системами.

Во-вторых, не все пакеты могут быть удобны для субподрядчика, который вообще-то лучше разбирается в том, какая система наиболее эффективно позволяет ему рентабельно изготавливать детали или техоснастку. К тому же, тяжёлые системы обходятся дороже не только по цене, но и по стоимости техподдержки. А ведь высокая цена этих пакетов объясняется более широкими функциональными возможностями по сравнению со специализированными программами подготовки производства. И большая часть этих возможностей небольшим компаниям-субподрядчикам не нужна.

Зато в тяжёлых САПР, ориентированных в первую очередь на конструкторские разработки, возможности программирования трёхмерной обработки зачастую слабее, чем это необходимо при производстве сложных деталей. В этом смысле они уступают специализированным CAD/CAM-пакетам. Да и персонал, занимающийся техподдержкой этих систем со стороны компании-разработчика, обычно имеет слабое представление о подготовке производства, а значит, мало чем может помочь клиентам при возникновении проблем в этой области.

Стало быть, навязывать поставщикам использование дорогого или неподходящего для них программного обеспечения означает увеличивать цены на конечное изделие и задерживать сроки выполнения проектов.

Наконец, ещё одна сторона этой проблемы заключается в том, что если ОЕМ-заказчик меняет систему, то и субподрядчик вынужден это делать. А такие случаи встречаются всё чаще, поскольку компании объединяются и принимают общую корпоративную политику. В результате небольшие компании тратят деньги на приобретение новых систем, на обучение сотрудников, на оплату рабочего времени этих сотрудников, и всё это сопровождается неизбежным снижением производительности при переходе от одной системы к другой.

При решении всех этих проблем разработчики САПР используют два направления.

Существует два способа решения проблем обмена данными между САПР:

1) Использование стандартных форматов файлов для обмена данными.

Первые работы в области интеграции различных САПР стартовали в США в начале 70-х годов. В 1979 г. компании Boeing, General Electric и “Национальный институт стандартов и технологий” по контракту с военно-воздушными силами США разработали независимый от конкретной CAD-системы файловый формат, названный IGES ISO (Initial Graphics Exchange Specification – Базовая спецификация графического обмена). Он стал международным индустриальным стандартом и наиболее широко принятым форматом для передачи информации о сложных поверхностях, таких как NURBS. Естественно, что IGES не была лишена недостатков, одним из которых являлось отсутствие прочной методологической и научной основы. Это привело к началу работ в 1982 году в рамках инициативы PDDI (Product Data Definition Interface – Интерфейс задания данных об изделии). Работы по PDDI велись в рамках программы «Компьютерное интегрированное производство» ВВС США, а целью являлось создание механизма обмена данными или совместного использования данных без участия человека. Многие наработки были потом использованы при создании стандарта STEP.

Работы по промышленной интеграции велись и в Европе. Так, ещё в 1977 году европейская аэрокосмическая промышленность в лице ассоциации АЕСМА признала важность этой проблемы и приступила к разработке общего обменного формата для представления поверхностей; лидером работ выступала Великобритания. В ФРГ в 1982 году совместными усилиями предприятий автомобильной промышленности был разработан стандарт VDA-FS. Наконец, во Франции предприятия аэрокосмической и автомобильной промышленности в 1983 году создали национальный стандарт SАT. ------> 10,93 мин.

К таким форматам относятся:

IGES – наиболее распространённый международный формат для хранения геометрии сложных поверхностей. Был создан для крупных предприятий со сложными производственными процессами. Недостаток: формат достаточно громоздок. Многие системы не поддерживают все возможности этого формата, что создаёт сложности при обмене данными. Опять же, формат имеет массу «диалектов», и разные системы проектирования понимают его по-своему.

VDA-FS – стандартный файл обмена сложной поверхностной геометрией в немецкой автомобильной промышленности. Преимущества – если система поддерживает этот формат, то на все 100%. Недостаток – очень большой размер и избыточность хранимой информации.

VDA-FS – (Verband der Automobilindustrie – File Standard) (Фэрбан дер аутомобиль индустри)

В 1984 году были окончательно осознаны значительные ограничения спецификации IGES. Наряду с глобализацией бизнеса, увеличением сложности изделий, увеличением количества поставщиков, разнообразием используемого ПО, необходимостью поддержки ЖЦ это привело к тому, что был дан старт работам по программе PDES (Product Data Exchange Specification – Спецификация обмена данными об изделии). ------> 6,22 мин.

Заседание подкомитета ISO TC184/SC4 положило начало разработке международного стандарта для обмена данными об изделии ISO 10303 STEP. Основой, на которой предполагалось разрабатывать этот стандарт, стали практически все предыдущие работы: IGES, PDDI, AECMA, VDA-FS, SET; впоследствии произошла интеграция усилий с программой PDES. В 1994 году были официально опубликованы первые тома нового международного стандарта ISO 10303.

ISO 10303 STEP(Стандарт для обмена данными об изделии) – это международный стандарт, задающий полную модель изделия, способы реализации обмена данными и независимый от программно-аппаратной платформы.

STEP разработан для реализации идеологии CALS. Он позволяет обеспечить взаимодействие всех автоматизированных систем, поддерживающих этапы жизненного цикла изделия, между собой, а не только диалог между каждой отдельной парой используемых САПР.

Описание модели в этом формате экспортируется в виде твердотельных элементов, поверхностей и каркасной геометрии. Поддерживается даже импорт цветов для твёрдых тел, граней и кривых.

По сравнению с предыдущими форматами (в первую очередь, IGES), STEP обладает рядом преимуществ:

- STEP задаёт не только информационную модель, но и способы реализации обмена данными;

- кроме геометрической информации, STEP содержит негеометрические данные об изделии, в частности: структуру изделия; административные данные об изделии (дату и время начала проекта, сведения об организации, об авторе, о продукте – код, краткое описание; сведения о версии продукта и т.п.); конфигурацию изделия.

Однако, несмотря на перечисленные преимущества, этот формат был слабо принят разработчиками программного обеспечения и почти не использовался (кроме Франции и Швейцарии). Основная причина – слишком высокие для большинства пользователей аппаратные требования формата STEP для хранения геометрии. Даже сегодня загрузка геометрии сложных деталей в CAD-систему из STEP может занять десятки минут. Кроме этого, стандарт находится в развитии и до конца не утверждён. Многие разделы, относящиеся к обмену информацией между системами, содержат только рекомендации. Ещё одной особенностью является поддержание разными производителями отличных друг от друга протоколов. Непосредственного обмена данными между системами не удаётся осуществить. В настоящее время этот формат мало поддерживается разработчиками ПО.

Общим недостатком VDA-FS, STEP, IGES является их текстовый формат и, как следствие, большой размер и потребность в вычислительных мощностях компьютера для трансляции в CAD-систему. Загрузка модели большой сложности в этих форматах занимает иногда десятки минут и не всегда завершается успехом.

В 1989 году компания “EDS Unigraphics” перешла на новое STEP-совместимое ядро твердотельного моделирования и обмена CAD-данными Parasolid. С 1996 Parasolid становится де-факто стандартом для высококачественных коммерческих CAD/CAM/CAE-разработок среднего уровня. На сегодня формат Parasolid XT используется для представления около 30% сохранённых продуктов интеллектуального 3D капитала по всему миру. На разработку формата затрачено более 400 человеко-лет. Число конечных пользователей превысило миллион, количество приложений – 280. В 2000 г. был выпущен основанный на XML Parasolid eXT. Несколько слабее открытый формат SAT, принадлежащий компании “Dassault”, который используется для обмена между основанными на ACIS продуктами. Файлы в этом формате больше по размерам, имеют проблемы при работе с большими сборками. ------> 16,72 мин.

Общая проблема у форматов SAT и IGES – то, что они не дают гарантии передачи информации без искажения. Эти форматы, однако, наиболее распространены – на них базируется около 75% современных CAD/CAM/CAE. Эти форматы – коммерческие.

Parasolid основан на профессиональном расширении STEP – PROSTEP, дополнен для работы со сложной геометрией и оптимизирован под существующие аппаратно-программные платформы. Поддерживает огромные сборки в сотни тысяч компонентов.

Недавно появился новый многообещающий высокоэффективный формат хранения данных геометрии изделия HFS. Размеры файлов в этом формате в 5…200 раз меньше чем в Parasolid или SAT. Кроме этого, HFS требует очень малого количества вычислений при выводе на экран.

HSF – открытый, базирующийся на XML компактный формат обмена визуальной 3D-информацией между различными инженерными приложениями. Широко принят разработчиками для визуализации 3D-моделей (более 200 современных систем: SolidWorks, Catia, Unigraphics и т.д.). Основные отличия формата: большая компактность и очень малый объём вычислений для вывода геометрии на экран. В машиностроительном проектировании на одного конструктора приходится до 10 человек, которым нужно просто просматривать созданные детали для приобретения, поставки и т.д. (инженеры из других подразделений, менеджеры, партнёры, поставщики, заказчики, продавцы, технические публикации). Эти участники могут использовать не только CAD/CAM/CAE, но и совершенно разнообразные другие приложения. Такое движение визуальных данных сделало необходимым создание этого нового формата. OpenHSF – открытый формат, использующийся для передачи цифровых моделей на всех этапах жизненного цикла продукта. OpenHSF не зависит от пакета и платформы и может хранить 2D/3D визуальные представления, не связанные с конкретным разработчиком. Кроме геометрической информации, хранится конечно-элементное представление, свойства и текстуры материала, информация о расчётах и т.д.

К сожалению, до настоящего времени не существует форматов, способных хранить параметрические геометрические модели. Трансляторы данных IGES, STEP и другие не работают с описаниями ограничивающих условий и истории – эта информация теряется при переносе из одной системы в другую.

Идеология большинства открытых геометрических форматов далека от совершенства, и они представляют собой достаточно хаотический, неупорядоченный набор данных. При правильной организации формата такие файлы могут быть сжаты в десятки раз безо всяких отрицательных последствий.

Все эти форматы являются низкоуровневыми и не могут обеспечить передачу всего набора данных, которые существуют в современных программах. Кроме того, функции чтения/записи этих форматов в различных программах реализованы по-разному, что часто приводит к несовместимости. Также необходимо учесть, что, хотя эти стандартные форматы постоянно улучшаются, они не могут идти в ногу с расширением функциональности современных программ. ------> 9,16 мин.

Второе направление решения проблем обмена данными – использование специальных программ-трансляторов, способных автоматически исправлять некорректную геометрию и восстанавливать дерево построений.

Транслятор – это программа, которая принимает на вход файл в одном формате и преобразует её в файл другого формата.

Существуют системы корректирования и восстановления геометрии вроде CADFix или 3DTransVidia – коммерческие продукты, распространяемые за деньги.

CADFix, разработка компании CAD FEM, способна восстанавливать геометрические модели, вплоть до получения твердотельной модели по несвязанному каркасному набору опорных линий. Этот транслятор способен просканировать импортируемую модель и показать обнаруженные проблемы с подсказкой их решения, он может обрезать поверхности и сшивать их с заданной пользователем точностью, умеет разбивать твёрдые тела на более простые составляющие и даже выполнять параметризацию «сшиваемых» линий и поверхностей. Восстановленную геометрию он экспортирует в форматы IGES, Parasolid, SAT или STL. Кроме того, он способен разбить восстановленную модель на конечные элементы и передать их в ANSYS или NASTRAN. Однако стоимость годовой подписки на программу для учебных заведений обойдётся в 1500 фунтов стерлингов, а коммерческая версия без ограничения времени пользования стоит 11400 фунтов стерлингов.

Программный комплекс 3DTransVidia создан российской компанией «ТЕСИС». Он понимает любые форматы (IGES, VDA-FS, VRML, STL, Parasolid, ACIS, Catia, Pro/E, UG и т.д.), умеет проводить диагностику возможных ошибок и автоматическое исправление ошибок в модели без искажения её точности, предоставляет возможность интерактивного исправления геометрии, может сшивать поверхностные модели в твердотельные и экспортировать результаты в любом формате (кроме Unigraphics, CADDS и Pro/E).

Процесс импорта начинается с определения точности модели при трансляции. При этом её можно взять из импортируемого файла или определить автоматически по модели, или же пользователь может сам задать значение точности.

В ходе чтения файла транслятор автоматически способен определить более 60 видов ошибок и конфликтов в геометрии модели – те, что позволяют однозначно определить проблему. Ошибки, которые не удалось исправить автоматически, объединяются по категориям и выводятся в дереве проблем для исправления вручную.

Перед экспортом восстановленной модели транслятор проверяет её соответствие требованиям той САПР, в которую эта модель экспортируется. Например, у SolidWorks имеется требование гладкости и непрерывности для кривых и поверхностей, у CATIA V4 нет специальных требований к кривым и поверхностям, а CATIA V5, напротив, предъявляет повышенные требования к гладкости кривых и поверхностей. Так вот, 3DTransVidia отслеживает подобные требования и позволяет переходить от параметрического представления к сеточному и обратно или к сетке от облака точек и т.д.

Эти трансляторы, однако, необходимо приобретать отдельно, поэтому ещё одна российская компания – «Топ Системы» (разработчик из компании-создателя пакета T-FLEX CAD) создала аналогичный встроенный транслятор для обмена данными своего пакета со сторонними системами. ------> 6,94 мин. Σ 85,06 мин.