9 - 2008

Проектирование радиоэлектронной аппаратуры в SolidWorks

Антон Долгополов

Circuit Works

SWR-Электрика

С увеличением степени интеграции современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) существенно возрастает и трудоемкость ее проектирования. Это связано с ростом размерности задач, решаемых в процессе разработки. Эффективным средством преодоления этой проблемы является применение компьютерной техники на всех этапах создания РЭА. В последнее время методы автоматизированного проектирования, как и радиоэлектроника в целом, находятся на этапе стремительного совершенствования. Поскольку высокоэффективные компьютеры перестали быть редкостью, методы машинного проектирования постепенно превращаются в инструмент, пользоваться которым может практически каждый.

Развитие всех (или почти всех) предлагаемых в настоящее время на рынке трехмерных САПР складывалось так, что изначально они создавались именно как максимально удобные и интуитивно понятные средства построения пространственной геометрии для взаимной увязки формы и размеров отдельных составных частей проекта. Однако со временем все трехмерные САПР, развиваясь, неизбежно дополнялись отдельными функциями или специальными модулями, позволяющими автоматизированно решать целевые задачи проектирования изделий или их составных частей определенного типа. Такие средства берут на себя изрядную часть работы по управлению геометрией и расчету выходных показателей проекта, что позволяет проектировщику максимально сосредоточить основные временные и человеческие ресурсы на проработке функционально важных параметров проектируемого изделия.

Одним из этапов производства с использованием САПР изделий РЭА, встречающихся в самых разных отраслях промышленности, являются проектирование печатных плат и электрический монтаж, выполняемый проводами и кабелями, связанными в жгуты. Сегодня едва ли найдется предприятие, которому хотя бы раз не пришлось решать задачу проектирования и изготовления печатных плат и электрических жгутов. Ведь кабельные изделия применяются и в бытовой технике, и в медицинском оборудовании, и в продукции оборонной промышленности, и в любых транспортных средствах — одним словом, практически во всех сферах, где применяются те или иные электронные приборы. Естественно, как инженеры, так и руководители подобных предприятий заинтересованы как минимум в двух основных моментах: во-первых, в автоматизации собственно создания трехмерных моделей печатных плат по данным, полученным из схемотехнических САПР, а также в автоматизации проекта жгутов; во-вторых, в получении как можно более точной и полной информации как обо всех характеристиках жгутов, так и об элементном составе печатных плат. При эффективной реализации первой задачи существенно сокращаются сроки получения конструкторской и технологической документации. Решение второй позволяет значительно снизить издержки производства за счет более точного расчета требующихся в производстве материалов.

Уникальными средствами решения этих задач при проектировании изделий РЭА в SolidWorks являются модули Circuit Works и SWR-Электрика. Первый из них создан исключительно для решения задачи перевода из схемотехнической САПР двумерного схематического представления печатной платы со всеми входящими в нее элементами в полноценную трехмерную модель SolidWorks, что несомненно является более важным для проектировщика, разрабатывающего проект в целом. Второй же создан специально для решения задач проектирования электрожгутов в среде SolidWorks и, что примечательно, не является адаптацией какого-то стороннего продукта, что в конечном счете гарантирует простоту его использования, высокий функционал и быстрое освоение. И Circuit Works, и SWR-Электрика решают задачи объединения электрической и механической составляющих проекта в единой среде проектирования SolidWorks, обеспечивая при этом моделирование как печатных плат с использованием размещенных в Интернете моделей элементов из каталогов поставщиков, так и проводных соединений между контактами с применением пополняемой библиотеки соединителей и различных материалов — проводов, многожильных кабелей, изоляционных трубок, экранирующих плетенок и т.д. На основе выполненного проекта монтажа модуль SWR-Электрика автоматически создает полную информацию об использованных материалах и выполненных соединениях, представляя ее в виде таблиц и отчетов, монтажных шаблонов и сборочных чертежей. Вся информация о логике монтажа и примененных материалах отражается в специальной панели в левой части экрана — дереве монтажа, функционально полностью аналогичном стандартному дереву конструирования SolidWorks. Результат работы модулей — стандартные документы SolidWorks.

В этой статье мы расскажем о совместном использовании модулей Circuit Works и SWR-Электрика в среде SolidWorks на примере этапов проектирования одного из изделий РЭА.

Circuit Works

При работе над любым проектом, имеющим как электрическую, так и механическую составляющую, одной из основных трудностей для конструктора является как можно более точное воспроизведение в трехмерной САПР полноценных моделей печатных плат с входящими в них элементами. С одной стороны, работу по проектированию самой печатной платы выполняют все-таки с использованием схемотехнических САПР; с другой — моделирование такой платы в любой трехмерной САПР является очень трудоемким и по сути, с учетом ее проектирования ранее с использованием схемотехнической САПР, представляет собой двойную работу. Наиболее простым решением в таком случае было бы применение данных схемотехнической САПР о плате для построения ее трехмерной модели в SolidWorks. Такое решение и предоставляет нам модуль Circuit Works, использование которого позволяет импортировать данные схемотехнической САПР для построения полноценной трехмерной модели печатной платы с учетом ее компоновки. Стоит отметить наличие в модуле различных опций, позволяющих на этапе между импортом данных и построением трехмерной модели учитывать или не учитывать те или иные элементы конструкции самой платы в зависимости от постановки задачи.

Исходные данные для платы

Исходные данные для платы

После проведения всех необходимых настроек модуль самостоятельно создает печатную плату в соответствии с ее геометрическими особенностями, располагает на плате металлизированные и неметаллизированные отверстия и, наконец, сами элементы в соответствии с их компоновкой. Результатом такого построения является полностью редактируемая полноценная трехмерная модель платы как готовой сборочной единицы со всеми входящими в нее элементами.

В начало В начало

SWR-Электрика

Как уже говорилось, модуль SWR-Электрика создан специально для решения задач проектирования электрожгутов в среде SolidWorks, поэтому первое, что приходит на ум при размышлении об объемном проектировании жгутов, — это необходимость создания трехмерной геометрии самого жгута. Для его успешного моделирования SWR-Электрикой решаются три наиболее важные задачи: расчет диаметра жгута, расположение жгута в пространстве модели и поиск конфликтов, препятствующих собираемости конечного изделия.

Проектирование трехмерной модели платы

Проектирование трехмерной модели платы

 

Сборка с платой

Сборка с платой

Начнем с размещения жгутов в пространстве конструкции. Жгут, связанный из множества проводов и многожильных кабелей, отображается в виде протяженного объекта круглого сечения, так что для определения топологии жгута достаточно определить его ось. Модуль SWR-Электрика предлагает способ создания оси будущего жгута в виде сплайна, узловые точки которого удалены от граней окружающих деталей на выбираемое пользователем расстояние. Для каждой создаваемой точки можно задать свое смещение, что повышает гибкость процесса и снижает объемы последующего редактирования созданного сплайна или вовсе исключает его необходимость. Дополнительно пользователю предоставляется возможность автоматически привязывать точки сплайна к вершинам или к точкам эскизов любых моделей, а также автоматически центрировать их по отношению к выбираемым круглым кромкам, что упрощает прокладку жгутов через различные хомуты, фиксаторы, зажимы и вырезы в перегородках.

Готовая плата

Готовая плата

 

Прокладка трасс

Прокладка трасс

Однако реальный жгут обычно состоит не из единственного пучка проводов, а из множества ответвлений. Модуль SWR-Электрика делает процедуру создания такой геометрии максимально простой. Достаточно одну из создаваемых точек поместить на готовую трассу, и модуль автоматически разобьет последнюю на две части.

SWR-Электрика не только позволяет отредактировать любую из созданных трасс, но и дает возможность перемещать узлы, в которых сходятся отдельные ветви жгутов.

Итак, трассы созданы. Но их диаметры пока заданы самим пользователем и не отражают реалий монтажа. Правила расчета диаметра жгута определены в ГОСТ 23586-79 и опираются на реальные характеристики связанных в жгут проводов и кабелей, а значит, в проекте надо отразить электрические соединения.

Откуда же берутся в проекте данные монтажа? Возможны два случая. Первый — таблица соединений создана все той же используемой схемотехнической САПР. Все подобные системы имеют механизмы создания текстовых отчетов, и в любой из них, будь то P-CAD, OrCAD, Protel, CADdy или какая-то еще, можно настроить шаблон отчета, данные из которого зачитываются модулем SWR-Электрика. Для этого достаточно таких данных, как марка и сечение жилы провода, а также указание на соединяемые проводом контакты в виде двух пар «схемное обозначение — номер контакта». Во втором случае для проектирования схемы использовалась система, из которой невозможно извлечь какие-либо необходимые данные. В этом случае таблицу связей придется создавать вручную. При этом ее формат настолько прост, что, используя Excel или стандартный текстовый редактор, более известный в кругах пользователей ПК как «блокнот», можно быстро ввести в таблицу все данные и сохранить результат в виде текстового файла в ASCII-кодировке. По этой таблице SWR-Электрика, во-первых, автоматически создаст и уложит все провода и кабели в кратчайшие трассы, а во-вторых, пересчитает диаметры всех трасс согласно стандарту. После укладки проводов в трассы в окне свойств провода, наряду с такими параметрами, как его сечение, марка и пр., можно увидеть и длину самого провода, причем при расчете длин проводов возможно учесть разного рода припуски, например припуск на длину провода, припуск на его перепайку и др. Аналогично результат расчета для любого жгута представлен в окне его свойств. Дополнительно здесь же можно увидеть наполнение жгута: какие провода его образуют, каких типов, с какого контакта на какой они идут, а также узнать длину выбранного сегмента жгута.

Таблица для импорта проводов для прокладки трасс

Таблица для импорта проводов для прокладки трасс

 

Суммарный подсчет проводов

Суммарный подсчет проводов

Логичным будет вопрос: откуда берутся сами контакты? Их достаточно определить один раз в модели соединителя. При необходимости можно воспользоваться командой автоматического создания сразу группы контактов, расположенных в модели соединителя по определенной схеме — в несколько рядов, шестиугольником или по нескольким концентричным окружностям.

Кроме определения пространственной конфигурации жгутов, модуль SWR-Электрика позволяет автоматически создавать различные отчеты, такие как таблицы соединений и распайки, суммарные перечни использованных материалов — проводов, кабелей, трубок, плетенок — с группировкой по типам, а также перечни соединителей, отражающие самые разные характеристики выполненного монтажа, что избавляет пользователя от скрупулезного подсчета суммарных характеристик монтажа и копирования порой громадных массивов данных из SolidWorks в другие системы. Данные отчетов впоследствии могут применяться при создании конструкторских спецификаций или ведомостей покупных изделий.

Импорт проводов с укладкой в трассы

Импорт проводов с укладкой в трассы

 

Таблица соединений

Таблица соединений

Кроме текстовой документации, в производстве используется также графическая документация. В первую очередь это сборочный и электромонтажный чертежи жгута. Данные документы также могут быть созданы средствами SolidWorks и SWR-Электрика. Причем для создания электромонтажного чертежа вполне достаточно базовых возможностей SolidWorks. А вот сборочный чертеж жгута удобнее делать, применяя возможности SWR-Электрики. Модуль самостоятельно раскладывает на плоскости все сегменты спроектированного жгута, добавляет изображения соединителей, смонтированных на концах жгута, расставляет размеры — длины каждого ответвления (при необходимости с разрывами), создает таблицы распайки для каждого соединителя. Формат таблиц может быть указан пользователем в настройках. Кроме разрывов можно в интерактивном режиме добавить и изгибы каждого сегмента жгута в любой его точке на нужный угол и с нужным радиусом. В результате формируется стандартный чертеж SolidWorks, который можно окончательно оформить с помощью библиотеки проектирования SolidWorks, хранящей, к примеру, различные блоки с изображением типовых заделок проводов и жгутов или заготовки технических требований.

Однако провода и кабели не единственные объекты, используемые при изготовлении жгутов. Например, применяются разного рода оболочки, будь то экранирующие плетенки или изолирующие трубки. Причем последние применяются не только на всю длину провода, но и для маркировки концов проводов. Модуль SWR-Электрика успешно моделирует использование оболочек любых типов.

Чертеж жгута с разрывом

Чертеж жгута с разрывом

Если оболочка должна быть надета на объект на всю его длину, то это делается путем указания типа и марки оболочки, и SWR-Электрика автоматически выполнит целый ряд необходимых действий. Во-первых, проверит, поместятся ли выбранные объекты монтажа в данную трубку, во-вторых, пересчитает диаметры жгутов с учетом характеристик трубки. Факт применения оболочек будет отражен в дереве монтажа. По всем оболочкам модуль создает текстовые отчеты — индивидуальные и суммарные.

Отдельно стоит отметить и тот факт, что число объектов монтажа, топологическая или геометрическая сложность жгутов не имеют значения для модуля SWR-Электрика, а значит, и ограничений на сложность проектируемых модулем жгутов тоже нет.

К полезным особенностям SWR-Электрики можно отнести и то, что при выполнении некоторых операций или в любой момент по запросу пользователя модуль автоматически производит проверку результатов проектирования. Например, при импорте таблицы связей производится проверка наличия проводов выбранных марок в библиотеке, наличия соединителей с указанными схемными обозначениями и контактов на них в проекте, факта дублирования соединений или обозначений проводов и т.д. В любой момент можно проверить, не изогнут ли какой-либо провод, кабель или жгут радиусом, меньшим минимально допустимого. Причем задать такой порог можно как в миллиметрах, так и в виде коэффициента кратности наружному диаметру объекта монтажа.

Чертеж жгута

Чертеж жгута

Кроме отчетов по примененным материалам, модуль создает отчеты об использованных соединителях — как с индивидуальным их перечислением, с указанием схемных обозначений, так и с группировкой по типам, что полезно для создания ведомостей покупных изделий.

Отметим, что вся созданная модулем трехмерная геометрия представлена стандартными объектами SolidWorks. Это значит, что для нее можно выполнить стандартный анализ интерференции геометрии жгута с элементами конструкции изделия. Все созданные жгуты имеют реальные массовые характеристики, рассчитанные на основе библиотечных данных. Любая 3D-модель, созданная с помощью модуля SWR-Электрика, хранится в формате SolidWorks и может быть открыта и отредактирована на компьютере, не имеющем модуля проектирования электрожгутов. При внесении изменений в конструкторскую модель геометрия и все характеристики проводов и жгутов также автоматически пересчитываются и обновляются в соответствии с новыми геометрическими условиями. То же самое касается и чертежей.

Благодаря простоте и универсальности модуля существенно упрощается процесс его освоения, наряду с заметным сокращением времени на процесс проектирования. Таким образом, SWR-Электрика дает уникальную возможность согласовать пространственную конфигурацию жгутов и их конструктивное окружение на этапе проектирования, что позволяет значительно сократить сроки запуска изделия в производство, снизив его себестоимость. Модуль выдает в виде текстовых отчетов количественные характеристики всех элементов монтажа, что позволяет точно учитывать и планировать расход различных материалов. Автоматически создаваемые монтажные шаблоны и чертежи жгутов обеспечивают изготовление жгутов правильной геометрии и стопроцентную собираемость изделия с первого комплекта. Обладая широкими возможностями и доступной ценой, система SWR-Электрика быстро внедряется в производство, обеспечивая скорую окупаемость вложенных средств.

В начало В начало

САПР и графика 9`2008