浅谈国产三维建模软件中性文件：自主 CAD软件格式

1年前浏览1980

工业特别是先进制造业一直以来都是一个国家竞争力的体现。目前，随时时代的发展，美国和以德国为首的欧洲开始提出工业互联网和工业4.0的概念，以期增强其在先进制造业的领先地位。

目前我国也提出了深化“两化融合”以及“互联网+制造业”的战略，然后由于我们前期工业结构的特点，首先需要实现工业的数字化进程。数字化设计是指以三维设计为核心，并结合产品设计过程的具体需求所形成的一套解决方案。它与数字化仿真、数字化制造共同构成了现代制造业的先进数字化研发平台。

CAD:计算机辅助设计(Computer Aided Design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

CAD技术从60年代诞生以来，经历了二维绘图、线框模型、自由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段。随着CAD技术的发展也诞生了许多成熟和知名的CAD引擎和软件。

目前，商用CAD引擎主要包括了ACIS、CGM、ParaSolid,C3D等。其中使用ACIS引擎的底层产品主要包括了AutoCAD、Inventer、Catia、MicroSolid等；使用ParaSolid引擎的主要包括了UG、Solidworks、SolidEdge等。

日本理光公司凭借其产品DesignBase进入了市场，理光公司将这种核心用于其相机的设计，对表面的复杂性提出了很高的要求。DesignBase是第一个内核，在这个内核中，表面和实体可以单独设计，从一个视图轻松过渡到另一个视图。此外，DesignBase还使用了元建模概念，允许自动创建模型创建历史记录，允许对几何进行参数化修改。目前，DesignBase核心从技术组件市场上消失了，但仍然可以找到基于它的CAD——Helix固态建模系统，由Futjitsu、Cadra（Softech）、GMSWorks（C-Solutions）等在日本发行。

看着英国人、法国人、美国人和日本人的成功，俄罗斯的开发商和国内的开发商们坐不住了。俄罗斯该运动由阿斯康Ascon公司领导，该公司于2000年发行。第一个版本的指南针三维，完全基于自己的几何引擎。2002年，它得到了APM的支持，在那里它创建了自己的APM引擎核心（ C3D Labs (дочерней компании группы АСКОН)），用于APM工作室的固态和表面建模系统。(产品：КОМПАС-3D ）

国内由华云三维2011年开始研发：DGM（三维几何内核）（产品:CrownCAD）

在商用CAD软件外，还有一些比较成熟的开源CAD引擎，其中使用的比较多的是OpenCascade(简称OCC)。OCC平台是由法国Matra Datavision公司开发的CAD/CAE/CAM软件平台，可以说是世界上最重要的几何造型基础软件平台之一。它是一个开放源码CAD 内核，可以定制和扩展（添加新的功能组件，类的进一步继承），面向CAD/CAM，对主流CAD 数据格式提供支持（STEP/STL/IGES 等，可自行开发转换程序提供特定数据格式的支持），提供高级建模函数（拟合，有理样条曲线，拉伸、旋转、扫出、层叠拉伸、圆角、倒角、薄壳、修剪、偏移等），参数化模型，提供几何模型的特征提取，对Visual C++/MFC 有很好的支持。

但由于关注点的差别及商业保密的因素，不同的CAD软件都有自己的一套建模方式和存储体系，这导致了系统间数据无法进行直接的传递。目前采用的方式是通过中间标准格式文件为媒介进行传递，但是这种方式会丢失一些细节特征，这就还需要进行一些其它额外的修补工作，这也一定程度上影响了CAD技术的发展。

在中国，做一个完全自主的CAD系统真不容易。当年的SolidWorks, 现在的OnShape, 三维几何建模引擎用成熟的Parasolid, 几何约束求解器用流行的DCM, 自己专注做好应用就行，产品风行全世界。现在华云三维做一个自主的CAD系统:CrownCAD，参数化机制、渲染、交互、应用自己当然要做好，关键还要研发出自主的有竞争力的三维几何建模引擎和几何约束求解器。俗话说“不要重新发明轮子”，问题是关键的时候人家不给你提供“轮子”，看看现在华为所面对的局面就明白了。好在我们很早就未雨绸缪，“轮子”现在做得也差不多了。

1.商用CAD软件格式

目前，成熟的商用软件都有其自身的一套文件体系。这些文件出于存储效率及其它商业原因，大多以二进制形式提供，而且格式不明确。

（1）中性格式：x_t

西门子NX的用于三维几何实体造型软件的Parasolid(R)文件，Parasolid格式文件：xmt_txt， x_t 。

Parasolid模型使用公开发布的Parasolid XT数据格式。Parasolid集成到350多个应用程序中，涉及CAD、CAM、CAE和AEC领域。因此，Parasolid XT是表示、存储和共享3D数字产品的主要格式。

Parasolid XT格式提供了所有基于Parasolid的应用程序之间的无翻译互操作性。双向Parasolid版本兼容性允许基于不同版本的Parasolid在应用程序之间交换数据。

Parasolid：三维几何建模是产品设计、仿真和制造中应用的关键需求。Parasolid具有900多个功能，支持多种建模技术，包括实体建模、直接编辑和自由曲面/表格建模。Parasolid还提供了聚合建模技术，该技术将其健壮的B-rep建模功能扩展到基于facet表示的模型。Parasolid提供了广泛的图形和渲染支持，包括精确的隐藏线和线框，以及通用的镶嵌功能和一套完整的模型数据查询。

Parasolid由130多个软件供应商集成，为最终用户提供了基于Parasolid XT数据格式的350多个应用程序之间100%的3D模型兼容性。Parasolid由数据访问和翻译解决方案补充，这些解决方案支持以其他格式导入和导出3D模型。

Parasolid通信器为需要读取、写入、查询和显示3D模型的应用程序提供了一个平台。

它促进了广泛采用的Parasolid XT文件格式的导入/导出，支持与350多个基于Parasolid的软件应用程序的互操作性。支持可视化的工具包括无损切片、图形输出和网格划分。

Parasolid 是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面/片体建模；利用来自不同的机械 CAD 应用的无缝的数字模型交换. Parasolid 实体模型存贮在开放的 XT 文件格式中，Parasolid XT 文件的交换是 100%可靠的，避免了利用 IGES 和 STEP 的多种数据转换可能导致几何体丢失和其它的不精确的结果，Parasolid 也是业界从其格式读入数据最可靠的接受器，它的独特的容差建模技术可识别数据的异常，并通过对它们的补偿可靠的工作。

（2）中性格式：SAT

ACIS三维几何造型引擎输出：SAT文件 /SAB文件

sat - ACIS ASCII文本文件，包含CAD信息，如几何特征和实体层次。

sab - ACIS二进位文件，包含CAD信息，如几何特征和实体层次。

作为3D技术的领导者，Spatial意识到实现不同格式数据（包括原始格式数据和非原始格式数据）有效转换的必要性。为此，Spatial开发了3D InterOp数据转换组件，开发者们可以很容易地将我们提供的先进的3D数据转换技术集成到各自的3D软件产品中，这些软件产品可以是CAD/CAM/CAE应用程序、数据管理系统（如PDM、EDM和MES等）、协同系统以及可视化解决方案等。

Spatial全面的InterOp组件包能够透明地实现实体、曲面和线框数据的直接或间接地转换（包括采用中间格式或原始库的方式），可以转换的3D数据格式包括CATIA V5, CATIA V4, IGES, STEP, VDA-FS, Pro/ENGINEER (Pro/E), Parasolid (PS), Unigraphics (UG), SolidWorks, Inventor, 和ACIS。每一种转换器都经过精细微调，并经常更新，确保3D数据转换的准确。每周，转换器都将经历225,000多个测试，以保证转换质量。

（3）中性格式：C3D

C3D Modeler是具有三维实体建模和混合建模、素描和2D绘图功能的几何建模器

C3D求解器是参数约束求解器，具有创建和求解二维和三维几何参数约束的函数

C3D Converter是一个转换器模块，可以读取和写入所有主要交换格式的几何模型

C3D内核的潜在用户是CAD、CAM和CAE系统以及需要处理3D模型和2D图形的相关应用程序的开发人员。其中包括大型工业公司，它们经常开发供内部使用的软件。第三方开发人员可以使用ASCON内核扩展功能和能力，提高性能和可靠性，在现有2D系统的基础上快速创建3D建模器，降低产品开发成本。

C3D Modeler执行构建二维草图和全尺寸三维模型所需的所有几何计算。它使用边界表示（b-rep）方法定义形状并基于三维实体构建几何模型。对于合成三维实体，它使用曲面和曲线。在创建更复杂的部件之前，它会将生成的三维实体编组为构建块。

除了b-Rep之外，C3D Modeler还支持几何模型的多边形表示。内核通过三角剖分建立多边形三维模型。边界表示和多边形模型的总体结构完全相同，但多边形模型通常由近似的板形和多边形形状的项组成，因此便于进行计算和生成可视化效果。

当实体和框架构建到几何模型中时，它们会生成单独的构建日志。系统记录所有采用的方法、采取的顺序和输入的数据。日志使以后编辑几何图形，然后使用新参数重建模型变得更容易。有关对象几何体（以曲面、曲线和点的形式）的详细信息保存在模型对象的拓扑元素中，如面、边和顶点。每个对象的项或对象作为一个整体的附加信息可以以属性的形式保存在它们内部。

（4）中望3D ,华云:CrownCAD 中性格式文件

几何建模内核格式是原生 CAD 格式的基础。由于这些格式具有更严格的标准，因此它们往往是比 STEP 或 IGES 更好的几何信息来源。

希望可以指定企业标准，然后行业标准，最后上升到国家标准，助力中国智能制造，希望早日加入，开放。

果子简单说说：

中性格式可以精确的B-Rep、组装/配置信息、镶嵌数据、产品制造信息、元数据和视图。

基于自主三维几何内核的三维数据格式（中性格式文件）, 实现同一内核不同应用之间无损数据交换的标准，类似于ACIS内核的sat数据、Parasolid内核的x-t数据。

自主的几何内核当然可以提供标准的、完整的接口对自主中性格式进行各种读写操作支持。

自主中性数据格式定义应包括：

1）模型表达的几何及拓扑数据；

2）模型显示数据（可选）；

3）基于模型表达的各种属性数据，如颜色、纹理等；

4）基于模型表达的各种注释类数据，如标注（MBD），文字等

2.通用标准CAD格式

除了商用软件各自的格式外，为了统一和使用方便，一些国际组织和机构也推出了一些广泛使用通用标准格式。目前使用比较多的CAD数据文件格式包括Iges、Step、Stl、VRML等，相关具体说明如下：

（1）IGES文件

文件后缀：Iges,igs

基本图形交换规范（The Initial Graphics Exchange Specification），1980年美国国家标准局（NBS）主持成立了由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会，制订了基本图形交换规范IGES，并于1981年正式成为美国国家标准。作为较早颁布的标准，IGES被许多CAD/CAM系统接受，成为应用最广泛的数据交换标准。

什么是IGES文件?

首字母缩写IGES，代表“初始图形交换规范”。

IGES从1979年美国空军的集成计算机自动化制造(ICAM)计划发展而来。IGES被设计为一种用于CAD模型交换的中立格式，并于1980年1月由美国国家标准局首次发布，名称为NBSIR 80-1978。文件格式可以显示为.igs、.ige或.iges。

IGES标准最近一次更新是在1996年。

IGES(发音为eye-jess)是初始图形交换规范的缩写。这种文件格式可以追溯到20世纪70年代中期，是在美国政府认为承包商在不同的软件系统之间转换共享数据文件浪费了太多的时间和金钱之后创建的。在创建IGES格式后，工程师和其他设计专业人员能够发送和接收3D CAD文件，并在所有主要软件系统上导入零件几何形状。今天，IGES已经成为一个广泛领域的标准，包括军事，汽车，航空航天等。

STEP文件(产品数据交换标准)由ISO(国际标准组织)在20世纪80年代创建，以改进其前身的缺陷(尽管它直到90年代中期才广泛发布)。STEP文件包含比IGES更多的3D数据和部件几何形状，并且已经被证明可以在大多数主要的CAD程序中工作。虽然IGES有更悠久的历史，仍然是领先的行业标准，但由于其广泛的数据提供和不断升级，我们开始看到向更多功能的STEP格式的转变。

IGES -过了黄金时期

IGES成为行业标准是有原因的。当处理不太复杂的零件设计时，这种文件格式已被证明是可靠的，可以被最广泛的CAD系统导入。IGES创建一个特定文件的表面翻译(与实体模型相反)，这可以很好地工作在2D组件和某些3d应用程序，但它带来固有的挑战。

使用IGES曲面是CAD的一种不太通用且更有限的形式。IGES文件将包括基本的零件数据(线、弧、面等)，但缺乏对工程师和程序员至关重要的深入的3D/设计信息(质量、体积、表面属性、尺寸公差等)。它们很难编辑和操作，IGES表面文件比它们的实体文件更不可靠，通常包含空白或缺失的面/实体。因此，IGES文件经常需要修复，这为最终用户创建了额外的工作。

IGES虽然被广泛使用，但也变得相当过时。

IGES虽然被广泛使用，但也变得相当过时。文件标准在近20年里没有得到升级。在这段时间里，我们看到了新的、更健壮的文件格式的引入，这些文件格式需要不断更新和改进(STEP、Parasolid等)。

（2）STEP 文件

产品模型数据交换标准（STandard Exchange of Product data model），1988年ISO制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准，它提供了一种不依赖具体系统的中性机制，旨在实现产品数据的交换和共享。这种描述的性质使得它不仅适合于交换文件，也适合于作为执行和分享产品数据库和存档的基础。发达国家已经把STEP标准推向了工业应用。它的应用显著降低了产品生命周期内的信息交换成本，提高了产品研发效率，成为制造业进行国际合作、参与国际竞争的重要基础标准，是保持企业竞争力的重要工具。

什么是STEP文件?

缩写STEP，代表“产品模型数据交换标准”。

STEP作为IGES的继承者在1984年开始发展，但是由于项目的复杂性，最初的标准只在1994年发布。STEP格式符合ISO 10303-21标准。它在不断更新，最后一次重大更新是在2016年。文件格式可以显示为.step、.stp、.stpz、.ste或.p21

STEP文件越来越受欢迎。它是一种较新的可用格式，并不断接受更新，以改进越来越多的CAD系统的功能。尽管IGES已经存在了很长时间，但是信息丰富的STEP文件很可能会取代它成为领先的行业标准。

STEP文件包含所有与IGES相同的CAD信息，以及更可靠的3D零件数据，如材料属性、尺寸公差等。与表面翻译相反，STEP文件依赖于实体模型，实体模型更可靠，更容易编辑，不会出现间隙或表面遗漏。固体也被用于更广泛的应用，从数控加工和增材制造到平面设计和营销/广告。

由于STEP文件中可提供大量的数据，并且跨行业广泛采用，因此很容易理解为什么这种格式会成为设计师、工程师和制造专业人士的最爱。STEP格式是多功能的，功能性的，并且在未来几年仍然是一个值得信赖的3D CAD选择。

小知识：为什么STEP比IGES更好?

使用IGES文件有什么问题?

从技术上讲，使用IGES格式没有什么问题，但是，IGES文件往往是表面模型，并且经常在表面之间的间隙，缺失的面和在某些情况下面在错误的方向。虽然有针对固体的IGES标准(IGES- msbo)，但它并不经常使用。

当用户创建IGES文件时，他们正在将其本地CAD文件转换为IGES格式。当这个文件被共享时，它被导入到下一个CAD包中并再次被翻译。文件翻译，可能会带来几何上的不准确。

STEP是较新的技术，而IGES是上世纪90年代的技术，已经20多年没有更新了。STEP文件往往是实体模型，而IGES文件更经常是表面模型，这可能有间隙和缺失的面。

STEP是一种成熟的文件格式，随着CAD供应商的不断开发和广泛采用，它已经存在了20多年。

STEP应用非常广泛，甚至在建筑行业中也使用，IFC的文件格式就是STEP的一个版本。

（3） STL格式

STL文件，一种3D模型文件格式STL（STereo Lithography的缩写）。STL 文件格式是由3D SYSTEM 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。三角形顶点的排列顺序遵循右手法则。STL 文件有2 种类型：ASC域格式和二进制格式ASC域格式。STL模型是以三角形集合来表示物体外轮廓形状的几何模型。

（4）VRML格式

（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）。

3.说说个人看法：

国内多几家软件公司是好事！大家面子摊开了，好发展。再走国资改革，行不通了。软件这东西，看不见摸不着。功能好不好，还是用户说了算。

（1）目前国内掌握几何内核的就几家公司，例如：中望3D,,华天SV,华云CrownCAD

说说国产三维建模软件：中望3D几何内核Overdrive 2021

完全自主国产三维CAD内核和求解器，补足工业软件短板，强劲“中国智造”。

（2）中望3D 2022X版软件，目前发现疑是中性文件

这个有待向中望软件求证。。。。。

（3）中望和华天要想发展，必须找出，怎么自己供血的办法。必须抱着开放的心态，可扩展API释放给第三方合作商。

目前华云开放力度比较大！打造一款软件，免费用，很合理。打造出一个核心平台，不香么！云CAD 就是做这个核心平台的。。。

CrownCAD DGM内核的一个基本特性是其开放式体系结构，允许您将其扩展到标准功能集之外。通过轻松地从DGM的标准原语继承自定义对象，可以创建特定于应用程序的自定义对象。当这与我们的安全更新系统（独立于现有代码运行）相结合时，您可以确信版本更新不会影响您扩展的功能。

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CrownCAD具备跨平台的优势，能够在国产芯片和国产操作系统上运行，可以部署在公有云，也可以部署在私有云，既适用于中小微企业，也适合大型企业应用。未来，工业软件朝着更加便捷的方向发展过程中，组件化、平台化模式也将不断发展，亟需探索工业软件赋能工业互联网及其它新一代信息技术的技术路径，寻找帮助企业快速实现数字化转型的革新解决方案。