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‫الجمهورية التونسية‬ ‫وزارة التعليم العالي والبحث العلمي‬ ‫جامعة تونس‬ ‫المدرسة الوطنية العليا للمهندسين بتونس‬

Département Génie Mécanique

Support de Cours Intégré Classe : 1ère Année

CAO – Niveau II

Chapitre 4 Dr. Noureddine BEN YAHIA Maitre de conférences Certifié CESI-France

Cours CAO Niveau II

Dr. Noureddine BEN YAHIA

Sommaire Chapitre 4 : Standards d’échange ...................................................................................................... 3 4.1.

Introduction ................................................................................................................................ 3

4.2.

Interface d’échange en CFAO ................................................................................................. 4

4.3.

Interface STEP ........................................................................................................................... 5

4.3.1. Principe de la norme STEP AP-203 .................................................................................... 9 4.3.2. Génération du fichier STEP AP-203 ................................................................................... 9 4.3.3. Lecture du fichier STEP ....................................................................................................... 9 4.4.

Interface IGES ("Initial Graphics Exchange Specification") ............................................ 14

4.5.

Interface SET (Standard d'Echange et de Transfert) ........................................................ 15

4.6.

Interface VDAFS ("Verband der Automobilindustrie Flächenschnittstelle") ................ 16

4.7.

Interface CAD*I......................................................................................................................... 17

4.8.

DXF ("Drawing Exchange File Format") .............................................................................. 17

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Chapitre 4 : Standards d’échange 4.1.

Introduction

La parution des moyens informatiques aussi bien matériels que logiciels a eu un impact substantiel sur presque toutes les activités des entreprises de production. Cependant l’apport de l’informatique était souvent sur des systèmes isolés (par activité ou par fonction : XAO). Actuellement où la concurrence est de plus en plus imposée, les entreprises, pour survivre, doivent améliorer leur productivité, leur réactivité (flexibilité) et la qualité de leur produit. Dans ce cas, l’intégration des fonctions de la production (fonction Étude : CAO, fonction Méthode : FAO et fonction Fabrication : MOCN) s’impose. Elle permettra d’avoir une approche pour aller "de l’idée à l’objet" par spécialisation et sans retranscription des données. Pour se faire, deux aspects devraient être pris en compte : ✓ Intégration des groupes de travail au sein d’une même fonction (intégration horizontale par exemple : CAO - CAO). ✓ Intégration des différentes fonctions dans le cycle de vie d’un produit (intégration verticale par exemple : CAO - FAO, FAO - MOCN). Certains types de produits (qui peuvent être un ensemble de plusieurs composants) sont conçus sur des postes de travail différents dans une même entreprise, voire, répartis entre donneur d’ordre et sous-traitant. Le problème d’intégration se pose lors de l’assemblage de ces composants. Il se pose, également, lors du passage du bureau d’étude (CAO) au bureau des méthodes (FAO). En effet, de nombreux systèmes existent sur le marché. Dans ces systèmes les structures de données du produit sont différentes. Ceci rend impossible la portabilité des données d’un système à un autre. Pour résoudre ce problème, trois approches sont théoriquement possibles. La première, plutôt ambitieuse (modèle de données commun ou base de données commune), ne pourra se faire dans un avenir proche. Elle consiste à séparer, au sein d’un système de CAO ou de FAO, les données des traitements. Elle consiste aussi à structurer les données d’une manière à être exploitable par un autre système (modèle de données normalisé). pg. 3

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4.2.

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Interface d’échange en CFAO

Les formats disponibles sont très nombreux : 3dxml; 3DPDF; ACP; AMF; AR; ART; ASC; ASM; BIN; BIM; CCC; CCM; CCS; CAD; CATDrawing; CATPart; CATProduct; CATProcess; cgr; CO; COLLADA; DRW; DWG; DFT; DGN; DGK; DMT; DXF; DWB; DWF; EMB; ESW; EXCELLON; FM; FMZ; G; GERBER; GRB; GTC; IAM; ICD; IDW; IFC; IGES; IPN; IPT; JT; MCD;model; PAR; PRT; PLN; PSM; PSMODEL; PWI; PYT; SKP; RLF; RVT; RFA; SLDASM; SLDDRW; SLDPRT; dotXSl; STEP; STL; TCT; TCW; UNV; VC6; VLM; VS; WRL; VRML; X3D; XE;etc. L’interface d’échange entre les logiciels de CFAO consiste à trouver une solution de dialogue entre plusieurs logiciels de CAO et FAO. Cette solution consiste à développer une interface pour échanger des données entre deux systèmes hétérogènes. Actuellement on dispose d’un nombre important (n) de systèmes (ce qui est le cas du marché de la CAO-FAO). Dans ce cas, il faut développer n.(n-1)/2 interfaces. L’idéale serait de s’appuyer sur un format neutre ou standard et ne développer que (n) interfaces.

Figure 4.1 Interfaces de conversion et d’échange

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Nous présentons ci-dessous des exemples de fichiers d’interfaces d’échange.

Figure 4.2 Interfaces d’échanges offerts à la sauvegarde

4.3.

Interface STEP

La technologie STEP (STandard for the Exchange of Product data), dont une grande partie est acceptée comme norme internationale, apparaît aujourd'hui comme l'une des solutions les plus envisageables en matière de standardisation et constitue un défi en matière de communication. Avant l'arrivée de STEP, plusieurs standards nationaux de différents formats spécifiques (SET, IGES, VDA,…, etc) provenant essentiellement des industries automobiles et aéronautiques ont été développés. En outre, compte tenu de leur manipulation est destinée principalement aux échanges de la géométrie des produits, le besoin d'un format neutre pour l'échange des données du produit s'est fait ressentir. Cependant, des réflexions ont été engagées et elles ont débouché sur la mise en place d'une structure au niveau de l'ISO afin d'élaborer une nouvelle norme. Le développement de STEP a été initié au milieu des années 80, pour objectif de développer une seule norme internationale pour couvrir tous les aspects de l'échange de données CAO/FAO, il est capable de remplacer les normes nationales existantes. STEP est un nom officiel, sa désignation officielle est ISO 10303 "Représentation et échange des données du produit". La documentation de STEP est divisée en différentes parties et fondée sur une architecture multicouche qui a été adoptée à partir du rapport du comité ANSI/SPARC sur une architecture du système de gestion de bases de données. pg. 5

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L’architecture de STEP comporte plusieurs niveaux qui sont présentés dans la figure suivante.

Figure 4.3 : Architecture interface STEP

Dans le schéma précédant (figure 4.3), les méthodes de description représentent les fondements de STEP. Cette partie contient notamment les définitions qui sont universelles à STEP. Les méthodes d’implémentation décrivent la traduction des spécifications formelles de STEP vers une représentation neutre utilisée pour l’implémentation de STEP. STEP est le seul standard international pour la représentation et l’échange de données du produit tout au long de son cycle de vie. Il a provoqué beaucoup d’intérêt dans les communautés académiques et industrielles et il est composé d’un ensemble de parties qui participent toutes à l’amélioration de l’échange d’information. La plupart de ces parties sont liées à la géométrie du produit selon : - La description du produit, - La représentation géométrique et topologique du produit [ISO 04], - Les tolérances de la variation de la forme [ISO 93], - Les caractéristiques de la forme [ISO 92]. D’autres parties de STEP concernent les domaines plus spécifiques tels que les données générales de processus pour les contrôleurs numériques informatiques [ISO 02], les systèmes d'automatisation industrielle et d’intégration pour les données des procédés relatifs au fraisage [ISO 03] ou encore le texte qui code la structure de l’échange [ISO 94]. STEP est donc composé d’un grand nombre de parties qui offrent un cadre complet pour l’échange de données. Ces parties concernent les points divers, mais la modélisation géométrique est très présente pg. 6

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dans cette norme. Cela s’explique par le fait que la géométrie tient un rôle prépondérant pour l’échange de données dans le cadre de la conception des produits. Un grand nombre de méthodes qui ont été développées pour l’échange de données sont essentiellement basées sur la géométrie.

Les entités topologiques ont des attributs géométriques facultatifs qui les associent aux données géométriques appropriées. Les associations géométriques pour le sommet, l’arête et la face ne sont respectivement point, courbe et surface.

Figure 4.4 : Structure des données topologiques B_Rep Les définitions des entités topologiques sont comme suit : • Un sommet est l'entité topologique correspondant à un point, • Une arête est le raccordement entre deux sommets, • Une face est une partie d'une surface liée par des boucles. Il est représenté par ses boucles de limitation et un normal topologique, • Une boucle est combinée en reliant ensemble des sommets et des arêtes commençant et finissant au même sommet. Elle est typiquement employée pour limiter une face se trouvant sur une surface, • Une coquille est employée pour balayer une région. Elle est construite en joignant des faces le long des arêtes. La coquille est représentée par une collection des faces. pg. 7

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STEP AP-203 stocke les données modèles à trois dimensions dans le format BRep. La forme externe du solide est définie par la coquille fermée. La coquille fermée se compose des faces, qui sont définis par la face avancée. Chaque face est représentée par des boucles externes et des boucles internes qui sont définies par les limites des faces externes. Ces limites représentent la boucle de bord bondissant la face, qui se compose des arêtes orientées. Les arêtes se composent à leur tour des sommets qui sont représentés par des points de sommets.

À partir des fichiers STEP AP-203 modèles 3D, les informations

géométriques et topologiques appropriées sont obtenues. Les données géométriques du modèle sont employées pour les étapes suivantes de l'identification des entités d’usinage. La figure suivante montre la structure globale des fonctions internes du fichier STEP AP-203. Ces fonctions permettent de modéliser la pièce en paramètres topologiques.

Figure 4.5 : Structure des fonctions du fichier STEP AP203 pg. 8

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4.3.1. Principe de la norme STEP AP-203 STEP AP-203 ISO 10303-24 est une norme internationale pour la représentation et l'échange des données interprétables du produit. L'objectif est de fournir un mécanisme neutre capable de décrire des données du produit dans tout leur cycle de vie, indépendant de n'importe quel système de CFAO particulier. La nature de cette description rend la norme STEP appropriée non seulement à l'échange neutre du fichier, mais également comme base pour mettre en application et partager les bases de données et l'archivage du produit. Cette norme internationale est organisée comme une série de fonctions, chacune éditée séparément. Elle définit le contexte, la place et les conditions de l'information pour la représentation des données requises pour produire la définition des produits mécaniques, pour la planification de processus, ainsi elle indique les ressources intégrées nécessaires pour répondre à ces exigences. Ces conditions indiquent l'identification de la pièce, de la représentation de la forme et des données des moyens nécessaires à la définition de génération du processus d’usinage. 4.3.2. Génération du fichier STEP AP-203 Le fichier STEP AP-203 peut se produire par la plupart des logiciels de CFAO comme Pro/Engeneer, CATIA, MasterCAM,…, etc. Le logiciel CATIA est peut-être utilisé pour la modélisation des pièces mécaniques prismatiques, ainsi que pour la génération du fichier STEP AP-203 (figure 4.6). En effet, le but est d’interpréter les données de B_Rep dans le fichier STEP AP-203 est de créer une interface d’intégration commune entre tous les logiciels de CFAO.

Figure 4.6 : Génération du fichier STEP par CATIA 4.3.3. Lecture du fichier STEP Le fichier neutre STEP AP-203 commence par le mot-clé ISO-10303-21 et il termine par le mot END-ISO- 10303-21. Chaque ligne des données des entités topologiques pg. 9

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et géométriques a une marque de la forme #N où N est un nombre entier unique. Chaque entité individuelle a un nom. Les données pour un exemple d'entité suivent le nom et elles sont enfermées entre parenthèses. Un fichier STEP AP-203 est constitué de trois types de données : descriptif, géométrique et topologique, et il est divisé en deux sections importantes : Section d'en-tête et section des données. Les informations sur la version du processeur STEP et le type du logiciel de CAO employé pour établir le modèle sont inclus dans la section d'en-tête. La section des données se compose des définitions de chaque entité géométrique et les éléments topologiques comme les faces, les boucles et les arêtes. La référence entre les éléments est fournie par des index (#N). L'ordre des index dans un fichier STEP n'est pas spécifié par la norme. La représentation avancée de la forme B_Rep «ADVANCED_BREP_SHAPE _REPRESENTATION » (ABSR) est employée comme unité fonctionnelle pour le processus d'extraction de données. L'ABSR se compose d'un ensemble d'articles de représentation. Cet ensemble contient une modélisation de solide du type B_Rep. Le solide B-Rep est composé des faces, des arêtes et des sommets, il est satisfait la formule d'Euler-Poincare pour les solides fermés. Les données entières dans le fichier STEP sont stockées dans un arbre hiérarchique. Au cours de la génération du processus d’usinage, l'élément de racine de l'arbre peut être considéré une entité « Coquille » tandis que l'élément inférieur s'appelle « Point cartésien ». Les données exigées pour une application spécifique peuvent être extraites à partir de l'élément supérieur à l'élément inférieur en descendant de l’arbre. L'extraction de données à partir du fichier neutre STEP est mise en application dans le processeur de la lecture de STEP (STEPR) (STEP Reader) développé par le langage Visual Basic. Le travail du STEPR est d'analyser et filtrer les données du fichier STEP dans une base de données dans des tableaux contenant les données attachées aux trois principaux éléments topologiques : - les faces de frontière (FACE_OUTER_BOUND) (FOB) - les faces (FACE_BOUND) - les plans

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ISO-10303-21; HEADER; FILE_DESCRIPTION(('CATIA V5 STEP Exchange'),'2;1'); FILE_NAME('E:\\Th\X2\00E8\X0\se\\CATIA\\rainure\\r1.stp','20100325T12:33:05+00:00',('none'),('none'),'CATIA Version 5 Release 15 (IN-10)','CATIA V5 STEP AP203','none'); FILE_SCHEMA(('CONFIG_CONTROL_DESIGN')); ENDSEC; #1=DIRECTION('',(-1.E0,0.E0,0.E0)); #2=VECTOR('',#1,1.E2); #3=CARTESIAN_POINT('',(1.E2,-5.E1,2.E1)); #4=LINE('',#3,#2); #279=FACE_OUTER_BOUND('',#278,.F.); #280=ADVANCED_FACE('',(#279),#273,.F.); #281=CLOSED_SHELL('',(#144,#159,#174,#189,#209,#223,#242,#255,#268,#280)); #282=MANIFOLD_SOLID_BREP('',#281); #233=EDGE_CURVE('',#122,#116,#92,.T.); #291=ADVANCED_BREP_SHAPE_REPRESENTATION('',(#282),#290); #298=PRODUCT_DEFINITION('design','',#297,#294); #299=PRODUCT_DEFINITION_SHAPE('','SHAPE FOR R1.',#298); #300=SHAPE_DEFINITION_REPRESENTATION(#299,#291); ENDSEC; END-ISO-10303-21 #147=DIRECTION('',(0.E0,1.E0,0.E0)); #148=AXIS2_PLACEMENT_3D('',#145,#146,#147); #149=PLANE('',#148); #151=ORIENTED_EDGE('',*,*,#150,.F.); #153=ORIENTED_EDGE('',*,*,#152,.F.); #154=ORIENTED_EDGE('',*,*,#134,.T.); #156=ORIENTED_EDGE('',*,*,#155,.T.); #157=EDGE_LOOP('',(#151,#153,#154,#156)); #158=FACE_OUTER_BOUND('',#157,.F.); #159=ADVANCED_FACE('',(#158),#149,.F.); #160=CARTESIAN_POINT('',(1.1E2,-2.E1,2.E1)); #161=DIRECTION('',(0.E0,-1.E0,0.E0)); #162=DIRECTION('',(-1.E0,0.E0,0.E0)); #163=AXIS2_PLACEMENT_3D('',#160,#161,#162); #164=PLANE('',#163); #166=ORIENTED_EDGE('',*,*,#165,.F.); #168=ORIENTED_EDGE('',*,*,#167,.T.); #169=ORIENTED_EDGE('',*,*,#150,.T.); #171=ORIENTED_EDGE('',*,*,#170,.F.); #172=EDGE_LOOP('',(#166,#168,#169,#171)); #173=FACE_OUTER_BOUND('',#172,.F.); #174=ADVANCED_FACE('',(#173),#164,.F.); #175=CARTESIAN_POINT('',(0.E0,0.E0,0.E0)); #176=DIRECTION('',(0.E0,0.E0,1.E0)); #177=DIRECTION('',(1.E0,0.E0,0.E0)); #178=AXIS2_PLACEMENT_3D('',#175,#176,#177);

#179=PLANE('',#178); #181=ORIENTED_EDGE('',*,*,#180,.F.); #182=ORIENTED_EDGE('',*,*,#165,.T.); #184=ORIENTED_EDGE('',*,*,#183,.T.); Figure 4.7. : Exemple d’un format STEP AP 203 pg. 11

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La norme STEP AP-203 est constituée par plusieurs fonctions topologiques dépendantes. La figure suivante illustre la structure topologique pour un cylindre plein. Cette structure montre les différentes relations définissant la géométrie du modèle de cet exemple.

Figure 4.8 : Structure topologique du fichier STEP pour un cylindre Les données exigées pour une application spécifique peuvent être extraites à partir de l'élément supérieur à l'élément inférieur en descendant l'arbre (figure 4.9). Par conséquent, le dossier entier STEP d'un produit peut être décrit comme une structure inversée avec un élément fonctionnel (CLOSEDSHELL) au dessus et un élément géométrique (CARTESIAN-POINT) au-dessous. D'autres éléments fonctionnels sont placés dans l'intervalle d'une façon hiérarchique, tels que ADVANCED_FACE, FACE-BOUND,…, etc. Le nombre d'indicateur dans la fonction « CLOSED_SHELL » est apprécié. Puisque chaque indicateur représente une face « ADVANCED FACE », le nombre d’indicateur est égal au nombre de la fonction « ADVANCED FACE » dans le modèle. Alors chacun de ces indicateurs est affecté aux fonctions : « FACE OUTER_BOUND », « FACE_BOUND » et « PLANE ».

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Figure 4.9 : Algorithme d’extraction des données à partir du fichier STEP pg. 13

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4.4.

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Interface IGES ("Initial Graphics Exchange Specification")

IGES est un format d'exportation de données graphiques qui est directement importable dans les logiciels de CAO. Ce type de format d'export présente une universalité assez forte dans le domaine des CAO 3D orientées surfacique et filaire. L'export porte ici sur la définition mathématique de la surface qui conserve ainsi toutes ses propriétés initiales. L’interface IGES permet l’échange de données de description de produit d’un système CAO à un autre. Cet échange se fait à travers un format de données neutre (figure4.10). Les informations transférées sont converties à l’aide d’un pré processeur pour générer le format de données neutre spécifié par IGES. Ensuite, il est converti à travers le post processeur au format de données spécifique d’un autre système CAO.

Figure 4.10 : Format neutre dans IGES

De la première version (1981) à la cinquième version (1990) IGES a essayé de représenter, dans un format neutre, la géométrie (le 3D filaire, le surfacique et le volumique), les modèles éléments finis et les représentations symboliques. Le format IGES est définit sous trois différentes formes (ASCII, ASCII compressé et Binaire). Dans ce document, on ne traitera que le format ASCII. Un fichier IGES au format ASCII est une succession de lignes de 80 caractères (colonnes). Ces lignes doivent appartenir dans l’ordre aux sections suivantes (Start, Global, Directory entry, Parameter Data, Terminate). Dans une ligne la colonne 73 contient un code indiquant le type de la section (S,G,D,P,T) et les colonnes 74 à 80 indiquent par un numéro commençant par un (0000001) le nombre de ligne dans la section.

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Figure 4.11 : Exemple d’un fichier IGES

4.5.

Interface SET (Standard d'Echange et de Transfert)

L’interface SET est un standard français pour l’échange des données entre les systèmes CAO/FAO. Les informations transférées à travers l’interface SET supportent le modèle filaire, le surfacique, le B-Rep et les modèles éléments finis aussi bien pour les dessins techniques que les données scientifiques. Les informations d’organisation, de propriétés des matériaux ou de tolérance ne peuvent être définies par un modèle individuel, mais elles devront être intégrées dans les dessins pour être transférées. SET permet d’échanger des données entre, aussi bien, des systèmes CAO-CAO que des systèmes CAO-FAO. Les données générales sont plus structurées que dans IGES. Elles sont stockées d’une manière très compressée de façon que la taille du fichier neutre occupe moins de place et nécessite un temps d’exécution plus faible que dans IGES.

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La structure d’un fichier SET est présentée dans la figure suivante.

Figure 4.12 : Structure du fichier SET Le fichier est délimité par un bloc "Begin" et un bloc "End". La section "Begin" contient des données d’administration et des données générales. La section "End" décrit le nombre total de blocs stockés dans le fichier SET. Le fichier est structuré sous forme d’assemblage qui contient une série de blocs. Un bloc peut être emboîté et contient les informations CAO qui vont être transférés. Différents types d’informations sont définis dans SET : Classe 0 : primitives géométriques 2D et 3D telles que les points, les lignes, les cercles les paraboles les plans et les surfaces. Classe 1 : entités géométriques complexes telles que les courbes et les solides complexes, faces... Classe 2 : aides graphiques sur les présentations techniques incluant les blocs de définition de vue, les types de ligne, les hachures, les symboles, etc. Classe3 : mécanisme de groupement pour l'aide aux opérations mathématiques tel que les transformations des coordonnées, les matrices, les propriétés des matériaux, etc. Classe 4 : aides pour représenter les diamètres, les angles, les textes, rugosité, etc. Classe 5 : éléments pour définir les relations structurales telles que les appels de blocs, les groupes d'attributs ou les entités. Classes 6 : éléments de connexion pour décrire la logique entre les éléments d'une classe. Classes 7 : modèle éléments finis Classes 80 : éléments définis par l'utilisateur. Classe 99 : aides de gestion pour structurer le fichier SET. 4.6. Interface VDAFS ("Verband der Automobilindustrie Flächenschnittstelle") Cette interface a été développée par l’association de l’industrie automobile allemande pour le transfert des courbes 3D et les surfaces où IGES offre des solutions non satisfaisantes. VDAFS est similaire à IGES, le fichier est constitué d’entête (Header) et d’une section pour les données (Data Section). L’entête décrit la source des données, le nom du projet, la date origine, la date de validation, la pg. 16

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source du système CAO et l’utilisateur. La partie section des données décrit la géométrie de l’objet à l’aide des entités. Le format des données se caractérise par une présentation orientée APT. 4.7.

Interface CAD*I

C’est une interface développée dans le cadre du projet ESPRIT (322) de la Commission Européenne. Ce projet a mis l’accent sur l’échange de données entre divers systèmes CAO, entre systèmes CAO et modèles éléments finis, d’une part, et d’autre part sur la conception d’une banque de données neutre pour la CAO. Dans le cadre de ce projet, CAD*I a essayé d’améliorer les lacunes d’IGES, et VDAFS qui posent un certain nombre de problèmes : ✓ Les formats des fichiers ne sont pas adaptés pour une implémentation efficace du processeur. ✓ Les capacités de structuration des formats de fichier CAO ne sont pas adaptées. ✓ La portée des interfaces est très restreinte. CAD*I a établi un modèle de référence pour l’échange de données du type 3D filaire, surfacique, CSG et B-Rep et une interface pour les applications éléments finis. Il a également conçu un langage de spécification HDSL (High Level Data Specification Language). Ce langage permet l’expression des éléments essentiels pour la structuration des données CAO. Un objectif spécifique au projet CAD*I est l’interaction avec les activités de STEP pour développer des solutions qui peuvent y être implantées en CAO. 4.8.

DXF ("Drawing Exchange File Format")

DXF est un format d'échange développé par Autodesk Inc. Pour l'échange de données entre Autocad et autres systèmes. Toutes les versions d'Autocad supportent ce format et peuvent le générer ou le convertir dans leur représentation interne. De plus, avec la propagation d'Autocad dans le monde, DXF est devenu, de fait, un standard d'échange de dessin, et de nombreux systèmes le supportent. DXF se présente sous une forme de fichier ASCII et il est constitué des sections suivantes :     

"Header" : information générale sur le dessin "Tables" : définition des items "Blocks" : blocs de définition des entités décrivant les entités constituant chaque bloc du dessin "Entity" : les entités du dessin y compris les blocs de référence "End of File" : fin du fichier. pg. 17