STEP neutralni 3D CAD format

Konačni cilj STEP standarda (ISO 10303) je da nezavisno od vrste softvera stvori integrisanu bazu podataka o proizvodu koja će obezbediti podršku svim procesima tokom životnog cikljusa proizvoda, odnosno da sve vrste CAx softvera mogu u STEP datoteku da upisuju podatke koje generišu ili da iz nje čitaju podatke koji su im neophodni.

Ekstenzije datoteka u STEP formatu mogu biti .stp, step, .stpnc, .p21 ili .210.

ISO 10303, odnosno STEP može da opiše veliki broj vrsti proizvoda (elektronika, mašinski, elektromehanički, nameštaj, limovi, kompoziti...) i faza životnog ciklusa proizvoda (projektovanje, proizvodnju, proračune, planiranje, kontrolu...). Broj opisanih vrsta i faza se stalno povećava pošto se standard aktivno razvija i vremenom nastaju njegovi novi delovi. Svaki od tih delova se označava sa ISO 10303-XX gde je XX brojčana oznaka dela.

Obično se za ime STEP standarda navodi da je nastalo od “Standard for the Exchange of Product Model Data”, ali zvanični naziv STEP standarda je “Automation systems and integration – Product data representation and exchange”.

Istorija

Tokom 80-ih tržište CAD sistema je počelo da raste što je za posledicu imalo nastanak potrebe za razmenom CAD podataka. Kao odgovor na ove rastuće potrebe razvijen je IGES format, prvi masovno korišćeni neutralni CAD format za razmenu geometrijskih podataka t.j. 3D modela. Pošto je razvijen nabrzinu, imao je mnogo nedostataka što je dovelo do razvoja nekoliko drugih neutralnih formata, od kojih su najznačajniji francuski SET i nemački VDA-FS. Razvojem PC računara krajem 80-ih počeo je nagli rast ne samo tržišta 3D CAD  softvera, već i specijalističkih CAx softvera koji pokrivaju ostale faze životnog ciklusa proizvoda. Brzo se shvatilo da IGES nije u stanju da odgovori na moderne zahteve CAD sistema i da je neophodno razviti potpuno novi format, koji će pored geometrijskih imati mogućnost da razmenjuje i veliki broj ostalih podataka bitnih za proizvod i njegovu proizvodnju.

Započeta su dva projekta koji su trebali kao rezultat da daju novi neutralni format za razmenu podataka. Američko ratno vazduhoplovstvo je započelo projekat PDDI (Product Definition Data Interface), a organizacija zadužena za IGES format je započela projekat PDES (The Product Data Exchange Standard). Glavni cilj oba projekta je bio razvoj novog formata koji bi mogao da razmenjuje sve podatke o proizvodu i procesima, t.j. formata koji bi u potpunosti eliminisao potrebu za tehničkim crtežima i ostalim dokumentima na papiru. Paralelno sa njima, tokom 1994. međunarodna organizacija za standardizaciju ISO započela je rad na projektu stvaranja jedinstvenog međunarodnog standarda za razmenu podataka o proizvodu i procesima koji je nazvala STEP (Standard for the Exchange of Product model data). Pošto su projekti imali iste ciljeve i vođeni su očigledno od razumnih ljudi, došlo je do objedinjavanja ovih projekata. Pošto su PDDI i PDES projekti već dosta odmakli u razvoju, nije trebalo dugo čekati na rezultat i tokom 1994. godine publikovan je prvi deo STEP standarda. Kasnije su razvijeni i drugi delovi, a njegov razvoj traje i danas.

Razvijanje STEP formata je bio jedan od najvećih projekata u kojem je učestvovala međunarodna organizacija za standardizaciju ISO i u njemu je učestvovalo nekoliko stotina stručnjaka iz raznih država.

Mogućnosti

Kao što sam već par puta do sada rekao, uloga STEP standarda je da opiše sve podatke koji nastaju tokom razvoja, proizvodnje i exploatacije nekog proizvoda.

Šta to u praksi znači?

Ako npr. U 3D CAD softveru definišete materijal 3D modela, taj podatak neće biti običan tekst unutar STEP datoteke, već će biti definisan kao promenljiva t.j. entitet koji se zove materijal 3D modela. Softver koji uvozi taj 3D model će automatski znati da je definisan materijal 3D modela i ovaj podatak će biti prepoznat i prosleđen u delove softvera kojima je potreban podatak o materijalu proizvoda.

Sve ovo lepo zvuči, ali je moguće samo pod uslovom da su softveri koji učestvuju u razmeni podataka ugradili iste delove specifikacije STEP standarda. Na žalost,  kompanije koje proizvode CAx softvere nemaju interes da ugrade kompletnu specifikaciju STEP standarda i velika većina njih je ugradila samo osnovne delove.

Za veliku većinu korisnika STEP format podrazumeva običan neutralni format koji služi za razmenu podataka između dva CAD sistema. Jedan CAD sistem prevede svoje izvorne podatke u STEP neutralne podatke, a drugi te neutralne podatke prevede u svoje izvorne. Medijum za razmenu je obična ASCII STEP datoteka, obično sa .stp ekstenzijom. Jedan od pravaca u kome se STEP razvija je omogućavanje drugačijih vidova pristupa neutralnim podacima. Na primer, ISO 10303-022 (Standard Data Access Interface - SDAI) definiše STEP neutralne podatke kao da su repozitorij ili baza podataka i pravi ih kompatibilnim sa nekoliko programskih jezika kao što su C++ ili Java. Takođe se razvijaju i nekoliko drugih načina pristupanja STEP podacima.

Ako često razmenjujete 3D modele pomoću STEP formata i niste sigurni koliko podataka može prevesti prevodilac Vašeg 3D CAD softvera, instalirajte analizator i pregledač STEP datoteka koji je razvio američki nacionalni institut za standarde i tehnologije NIST. Ovaj program može da prikaže veliki broj entiteta definisanih unutar STEP datoteke i veoma je dobar kao referentni prevodilac za upoređivanje. 

Struktura

STEP standard je modularnog tipa i može da se sastoji od velikog broja delova, koji su svrstani u serije. Na sledećoj slici možete videti strukturu STEP formata.

Opšti pregled i osnovni principi  (Overview and Fundamental Principles) – Uvod u koncepte STEP standarda i strukture njegovih delova.

• Metode za opis (Description Methods) – Metode opisa određuju zajedničke mehanizme za definisanje struktura podataka. Definišu specijalno razvijeni jezik EXPRESS koji služi za definisanje načina kako se podaci opisuju.

• Metode za primenu (Implementation methods)

• Provera usaglašenosti (Conformance testing)

• Informacioni modeli

  • Bazni resursi (Integrated resources)

    • Aplikacioni resursi (Application resources)

    • Opšti resursi (Generic Resources)

    • Deljivi resurse (Integrated Application resources)

  • Aplikacioni protokoli (Application protocols)

• Apstraktni testovi (Abstract test suites)

Struktura STEP standarda

Opisivanje strukture STEP standarda je suviše stručan posao i ako nekog interesuje veoma lako će na internetu pronaći stručne tekstove na ovu temu. Ja stvarno ne bi dublje ulazio u ovu suviše stručnu i komplikovanu tematiku, koja verovatno čak ni ne zanima prosečnog korisnika 3D CAD softvera. Kod opisivanja ovakve tematike veliki problem je i nedostatak adekvatne terminologije na srpskom jeziku. Pišući ovaj tekst naišao sam na nekoliko stručnih radova i u svakom je bila korišćena drugačija terminologija. Mislim da je neusklađenost i nepostojanje stručne CAx terminologije u svim Ex YU jezicima veliki problem, a glavni razlog tome je to što se softveri ne prevode. Za ostale razloge bolje da ćutim.

Malo podrobnije ću objasniti samo Aplikacione protokole. Industrija se sastoji od velikog broja oblasti i svaka od njih ima svoje specifičnosti. STEP format je podeljen na nekoliko Application Protocols (AP) pomoću kojih se mogu definisati posebne vrste podataka o proizvodu i procesima koje su specifične za određene vrste industrije (vazduhoplovstvo, autoindustrija, elektronika, livenje, presovanje...).

Aplikacioni protokoli su najbitniji deo STEP formata jer se u njima nalaze podaci koji opisuju određenu oblast ili fazu životnog ciklusa proizvoda. U aplikacionom protokolu su u stvari definisani svi entiteti koji se razmenjuju.

Postoji veliki broj Aplikacionih protokola, a biće ih još više jer se i dalje razvijaju novi:

• AP 001 Pregled osnovnih principa,

• AP 011 Referentni priručnik EXPRESS jezika,

• AP 022 Standardni interfejs za pristup podacima (Standard Data Access Interface - SDAI),

• AP 023 Povezivanje  C++ jezika i SDAI,

• AP 027 Povezivanje Java jezika sa SDAI,

• AP 041 Osnove definisanja proizvoda,

• AP 042 Geometrijsko i topološko predstavljanje,

• AP 045 Materijali,

• AP 046 Vizuelno predstavljanje,

• AP 101 Izrada crteža,

• AP 104 Metoda konačnih elemenata,

• AP 105 Kinematika,

• AP 201 Eksplicitno crtanje,

• AP 202 Asocijativno crtanje,

• AP 203 Projektovanje mašinskih delova i sklopova,

• AP 204 Mašinsko konstruisanje korišćenjem graničnog prikaza,

• AP 205 Mašinsko konstruisanje korišćenjem površinskog prikaza,

• AP 206 Mašinsko konstruisanje korišćenjem žičanog prikaza,

• AP 207 Planiranje i konstruisanje delova od lima,

• AP 208 Praćenje životnog ciklusa proizvoda,

• AP 209 Analiza i konstrukcija kompozitinih i metalnih struktura,

• AP 213 Projektovanje tehnoloških procesi za mašinske delove,

• AP 214 Osnovni podaci za procese proizvodnje u auto industriji,

• AP 219 Upravljanje dimenzionalnom inspekcijom čvrstih delova i sklopova,

• AP 223 Konstrukcioni i proizvodni podaci za delove koji se proizvode livenjem,

• AP 229 Konstrukcioni i proizvodni podaci za delove koji se proizvode kovanjem,

• AP 232 Tehnički podaci za procese montaže, osnovne informacije i razmena,

• AP 233 Prikaz podataka sistemskog inženjerstva,

• AP 238 Aplikaciono interpretirani model za numerički upravljane jedinice,

• AP 239 Upravljanje životnim ciklusom proizvoda,

• AP 240 Projektovanje tehnoloških procesa za mašinske delove,

• AP 242 Objedinjeni AP 203, AP214 i ostali najviše korišćeni protokoli. Publikovan je 2014 godine i namenjen je da ih zameni.

Za svaki aplikacioni protokol definisan je skup entiteta koje je neophodno ugraditi u prevodioce da bi se moglo tvrditi da je prevodilac usklađen sa standardom. Ovi skupovi entiteta se zovu Conformance Classes (CCs).

Danas većina 3D CAD softvera ima ugrađenu podršku samo za aplikacioni protokol AP 203 koji je zadužen za razmenu mašinskih delova, sklopova i kontrolnih informacija poput verzije, statusa, autorizacije i sl. Neki softveri imaju ugrađen i aplikacioni protokol AP214, a sve više se može sresti AP 242.

Neke od mogućnosti razmene AP 203 Edition 2:

• mašinski delovi i sklopovi,

• boje i slojevi,

• tekstualne napomene,

• GD&T,

• dokumentovanje promena (verzije, revizije, potvrde, status, bezbednost, autorizacija...),

• geometrijski podaci: žičani modeli, površinski modeli, fasetirani modeli, B-Rep puni 3D modeli,

• –    ...

Aplikacioni protokol AP 214 ima slične mogućnosti kao AP 203, ali na malo višem nivou. Takođe, unutar ovog aplikacionog protokola definisani su dodatni entiteti koji se tiču automobilske industrije.

Aplikacioni protokol AP 242 je najnoviji protokol i u njemu su objedinjeni entiteti protokola AP203, AP 214 i još nekih. Takođe, AP 242 je optimizovan tako da je mnogo efektivniji od svojih prethodnika.

Neke od mogućnosti AP 242

• sve mogućnosti AP 203 i AP 214,

• optimizovan i efektivniji,

• 3D kotiranje i GD&T,

• kompozitne strukture, kablovi i cevovodi,

• mehatronika,

• kontrola kvaliteta,

• ...

FreeCAD može da izveze aplikacione protokole AP 203, AP 214 i AP 242.

Glavni problem aplikacionih protokola je što su veoma veliki, imaju suviše međusobnog preklapanja i što proizvođači softvera nemaju interes da ih u potpunosti ugrade u svoje prevodioce.

Da bi opisao sve podatke o proizvodu STEP format koristi poseban jezik koji se zove EXPRESS. Kako će neki entitet biti opisan definisano je u šemama ovog jezika namenjenog za modeliranje informacija. EXPRESS jezik je deo standarda i može se korisiti za istu namenu i od starne drugih standarda.

Specifikacija  STEP datoteke je definisana u ISO 10303-21 (Clear Text Encoding of the Exchange Structure). ISO 10303-21 u stvari definiše metode kodiranja da bi predstavljanje podataka bilo u skladu sa određenom šemom u EXPRESS jeziku (ISO 10303-11). Zanimljivosti radi, ISO 10303-21 nije rezevisan samo za STEP format, IFC format (Industry Foundation Classes) koristi ovaj način kodiranja za predstavljanje BIM podataka (Building information modeling).

U datoteci  STEP formata su podaci predstavljeni u ASCII kodu. Unutar datoteke podaci se nalaze razmešteni u nekoliko sekcija.

• HEADER sekcija – Header sekcija se sastoji od 6 polja. 3 iz njih su obavezna, a 3 neobavezna.

  • Obavezna polja

    • FILE DESCRIPTION – Opis datoteke

    • FILE_NAME – Ime datoteke

    • FILE_SHEMA – Definiše jednu ili više šema EXPRESS jezika, t.j. Definiše način predstavljanja podataka u sekciji sa podacima.

  • Neobavezna polja

    • FILE_POPULATION

    • SECTION_LANGUAGE

    • SECTION_CONTEXT

• ANCHOR

• REFERENCE

• DATA – Glavni podaci o proizvodu i procesima u skladu sa nekom od navedenih šema EXPRESS jezika

• SIGNATURE – Digitalni potpis za verifikaciju sadržaja datoteke

Zaključak

Da ponovim još jednom najbitniju stvar, STEP odnosno ISO 10303 je sveobuhvatni ISO standard za razmenu podataka koji nastaju tokom životnog ciklusa nekog proizvoda (razvoj, proizvodnja, exploatacija). Pomoću ovog standarda se definišu načini za predstavljanje i razmenu digitalnih podataka o proizvodu i procesima.

Prednosti STEP formata u odnosu na ostale formate

• neutralan i međunarodno prihvaćen,

• iza njega stoji međunarodna organizacija za standardizaciju ISO,

• pored geometrijskih može da opiše veliki broj ostalih podataka o proizvodu i procesima,

• može da bude fizička datoteka ili baza podataka,

• podrška kod velikog broja CAx softvera,

• mogućnost definisanja strukture proizvoda,

• mogućnost daljeg prilagođavanja novim zahtevima u budućnosti,

• razdvojenost geometrijskih od ostalih podataka - Podaci o obliku proizvoda (3D model) koji nastaju u 3D CAD softveru su odvojeni od podataka koji se odnose na ostale CAx softvere. Na ovaj način je omogućena podrška za veliki broj CAx softvera, a smanjena mogućnost ponavljanja podataka.

Mane STEP formata:

• nije efikasan,

• nedovršeni prevodioci (većina proizvođača softvera ne ugrađuju kompletne specifikacije u svoje prevodioce što često izaziva probleme prilikom razmene),

• nije moguće sekvencijalno čitanje STEP datoteka,

• specifikacija nije besplatna - Organizacija za standardizaciju ISO baš kao i naša organizacija za standardizaciju naplaćuje standarde. Rezultat ovoga je da čak ni profesori koji u Srbiji pišu knjigu o npr. tehničkom crtanju ne znaju koja pravila tehničkog crtanja danas važe po SRPS standardu,

• neki entiteti se mogu prikazati na više načina (ovo može dovesti do greške zbog nekompatibilnosti softvera koji izvozi i uvozi podatke)

• nije baš optimalizovan što se tiče prostora (objekti, operacije i sl. su predstavljeni sa nepotrebno mnogo entiteta)

Svako ko se bar malo zamisli posle ovog teksta, brzo će mu na pamet pasti pitanje: A zašto se pomoću STEP formata razmenjuje samo geometrija, zar to nije idealan format za CAx i PDM softvere? Odgovor na ovo pitanje je jednostavan: STEP je izuzetno pogodan za CAx i PDM softvere, ali ako bi se proizvođači softvera suviše oslonili na njega, korisnicima bi bilo svejedno od koga će kupiti neki CAx softver jer će on biti kompatibilan sa već kupljenim npr. 3D CAD softverom. Priznaćete ovo baš i nije u interesu kompanijama koji drže najveći deo tržišta CAx softvera, a to su iste komanije koje drže najveći deo 3D CAD tržšta.

Otprilike se veliki deo priče svodi na to da svi imaju svoje interese i zadovoljni su ovim stanjem:

• Stručnjaci u ISO organizaciji i na univerzitetima imaju svoj večiti projekat na kome rade i dobijaju za to plate, akademske poene, dnevnice... Oni nemaju snage da nateraju proizvođače softvera da u potpunosti ugrade STEP standard u svoje proizvode, tako da samo nastavljaju da rade svoj deo posla i primaju za njega plate i dnevnice.

• Kompanije proizvođači softvera imaju svoje sopstvene formate koje ugrađuju u svoje proizvode i nemaju nameru da ugrade u njih mogućnosti STEP standarda koje im ne odgovaraju, jer bi na taj način mogli da izgube deo svojih korisnika.

• Korisnici ćute jer veliki deo njih ne zna sve mogućnosti STEP-a, a čak i ako znaju nemaju snage i mogućnosti da nešto promene.

Zanimljivo, zar ne?

STEP standard t.j. STEP format je izuzetno velika i komplikovana tematika za proučavanje koja traži mnogo znanja i iskustva. Sastoji se od velikog broja obimnih i složenih oblasti (Aplikacioni protokoli, EXPRESS jezik, koncepti povezivanja CAx softvera pomoću STEP standarda...). Svaka od ovih oblasti je sama za sebe velika, a kamoli sve zajedno. Ja se ovde ne bi više zadržavao, jer je i ovo do sad napisano više nego dovoljno za prosečnog inženjera.