Проектирование электротехнических изделий «под ключ» в SolidWorks и SolidWorks Electrical

Антон Долгополов
Ведущий инженер SolidWorks Russia, Certified SolidWorks Expert (CSWE)

Введение

В повседневной жизни нас постоянно окружают различные приборы и устройства, к которым мы настолько привыкли,  что при отсутствии того или другого ощущаем дискомфорт. Разогреваем еду в микроволновке, пользуемся компьютером, следим за новостями и почтой, поднимаемся в лифте на верхние этажи дома, едем в машине, где систем электронного управления сегодня уже больше, чем механики, звоним по телефону родным, друзьям и коллегам. Этот список можно продолжать и продолжать. Однако мало кто задумывается о том, как и с помощью чего все это было спроектировано и изготовлено? Ведь конструкция подавляющего большинства изделий и устройств сочетает в себе и механическую, и электрическую, и другие составляющие. Встроенная электроника обеспечивает выполнение вычислительных операций и функций управления, проводные соединения — электропитание, а механические детали и узлы описывают конструктивно­силовую схему и дизайн изделия. Поэтому проектирование изделия, включающего механическую и электрическую составляющие, становится весьма непростой задачей — нужно не только уложиться в сроки, но и не превысить выделенный на разработку бюджет. Необходимо не просто создать изделие, а сделать его практичным, удобным и конкурентоспособным. Об одном из наиболее эффективных методов проектирования подобного рода изделий — проектировании с использованием SolidWorks и SolidWorks Electrical мы и поговорим в данной статье.

О решении в целом

Оптимальным инструментом проектирования изделий, сочетающих в себе как механическую, так и электрическую составляющие, будет решение, при котором электрическая часть (номенклатура, количество, схемные обозначения, проводка и т.д.) от разработчиков принципиальных электрических схем в автоматическом режиме передается непосредственно разработчикам механической составляющей изделия, чтобы осуществить компоновку в составе того или иного блока либо узла. Кроме того, необходимо постоянно обеспечивать актуальность электрической информации как в схеме, так и в компоновке, что зачастую является практически неразрешимой проблемой, ведь данные должны обновляться в режиме реального времени, что недостижимо для многих известных систем.

SolidWorks имеет эффективное отраслевое решение, позволяющее различным группам разработчиков совместно работать над электрической и механической составляющими проекта — SolidWorks Electrical. Реализованный функционал позволяет значительно сокращать время проектирования за счет возможности «механикам» использовать данные, созданные в этом проекте «электриками» и наоборот. Вторым важным моментом использования такого решения является отсутствие ошибок при повторном вводе одних и тех же данных при проектировании схемы или компоновке изделия, потому что необходимость повторного ввода отпадает сама собой. Работа пользователей ведется с единым составом изделия, формирование которого происходит автоматически по мере добавления тех или иных УГО на схеме.

Архитектура решения обладает двумя основными, уже ставшими традиционными для продуктов линейки SolidWorks, особенностями — модульностью и степенью интеграции. Так, для проектирования документов и схем всех типов, а также  формирования различного вида отчетов используется модуль SolidWorks Electrical 2D. Компоновка же изделия происходит с помощью модуля SolidWorks Electrical 3D, встраиваемого непосредственно внутрь самого SolidWorks (в любой из его конфигураций с применением всех возможностей этой САПР) и позволяющего оперировать данными схем и их составляющих в процессе компоновки.

Начинаем с проектирования схем

Итак, по порядку. Разработка схемной составляющей изделия ведется средствами SolidWorks Electrical 2D — специализированного модуля программного комплекса. Для удобства организации работы с документами в модуле предусмотрен диспетчер проектов, отображающий список проектов предприятия — как рабочих, так и завершенных. Пользователю проект представляется в виде дерева блоков, узлов, папок и документов, наглядно и удобно отображающих иерархическую структуру проектируемого изделия. Все документы хранятся в единой базе данных с использованием механизма учета версионного контроля. Возможна автоматическая нумерация документов проекта. Для удобства работы, а также с целью исключения некорректного повторного ввода данных пользователем в системе предусмотрена возможность сквозного применения данных, являющихся общими для проекта в целом или отдельных его частей. К примеру, при указании шифра в настройках проекта система будет автоматически проставлять его на всех документах, избавляя пользователя от необходимости вводить эти данные вручную при создании каждого нового документа в рамках существующего проекта.

Рис. 1. Схема электрическая структурная

Разработка любого электронного блока начинается с проектирования различного вида схем. Схема электрическая структурная (Э1), на которой показывают все функциональные части РЭА и основные взаимосвязи между ними, является своеобразным «скелетом» проекта (рис. 1). На схеме электрической функциональной (Э2) в виде условных графических обозначений показывают функциональные части аппаратуры, участвующие в процессе, и связи между ними. Схема электрическая принципиальная (Э3), в свою очередь, отображает информацию обо всех элементах, необходимых для построения РЭА или ее отдельного узла, связях между ними и элементами, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Каждый из видов схем выполняется по особым правилам.

В модуле для удобства работы и экономии времени, затрачиваемого на проектирование, каждому типу схем соответствует набор специализированных команд, доступных и используемых только для определенного типа схемы. Например, для структурной схемы наряду со стандартным набором чертежных команд доступна команда определения зоны чертежа, при помещении в которую элементам будет автоматически присваиваться принадлежность к тому или иному блоку изделия. Предусмотрена аналогичная команда, позволяющая разделить компоненты изделия по функциональному признаку. Для принципиальной схемы примером может служить команда создания отображения сразу нескольких линий связи разного типа или добавления в схему группы элементов с соединениями между ними.

Согласно требованиям ГОСТ, все элементы на схемах независимо от их типа изображаются в виде условных графических обозначений (УГО). При этом на схеме обязательно должны быть указаны:

• для каждой функциональной группы — наименование;
• для каждого устройства, изображенного прямоугольником, — наименование, обозначение или тип;
• для каждого устройства, имеющего условное графическое изображение, — обозначение или тип;
• для каждого элемента — позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, или тип. Наименования, обозначения или типы рекомендуется вписывать в прямоугольники;
• каждый элемент, входящий в схему, должен иметь буквенно­цифровое позиционное обозначение, составленное из буквенного индекса и порядкового номера (рис. 2).

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная

В системе для каждого из названных пунктов по умолчанию заложен настраиваемый механизм автоматического назначения наименований, буквенно­цифровых позиционных обозначений, нумерации цепей и пр. Наличие такого функционала сильно облегчает работу пользователя, избавляя его от выбора вручную всякого рода обозначений и наименований и последующей проверки корректности этого назначения при изменении схемы.

Модуль в автоматическом режиме на основе данных проекта умеет формировать и другие документы, такие как кабельный журнал, монтажный чертеж, чертежи клеммных блоков, чертежи ПЛК, таблицы соединений, различные произвольные отчеты. Форматирование самих отчетов в SolidWorks Electrical представлено в виде отдельного ряда настроек, позволяющих сформировать результирующий документ именно в том виде, в каком с ним наиболее удобно будет работать, — изменить тип, высоту, отображение шрифтов, задать ширину колонок таблиц, их расположение на листах, подсчитать суммарные величины длин проводов, количества элементов и т. д. Предусмотрена возможность экспорта отчетов во внешние источники, например Excel, для более широкого использования отчетных данных при формировании различного вида текстовой документации (рис. 3).

Рис. 3. Таблица соединений

Если говорить об элементной базе, то размер ее весьма велик. Сегодня база включает описание более полумиллиона компонентов ведущих производителей оборудования, при этом она постоянно пополняется. В описание каждого компонента помимо различных электрических характеристик входят его символьное изображение на структурной и принципиальной схемах, 2D­эскиз и 3D­модель.

Для разных типов данных, начиная от элементной базы и вплоть до электрических схем, в SolidWorks Electrical созданы удобные мастера импорта, позволяющие быстро пополнить библиотеку компонентов данными из внешних источников, будь то Excel­таблицы или созданные ранее другими приложениями документы в формате DWG. Такой прием позволяет проектировщикам использовать старые наработки, выполненные средствами других приложений, в качестве своеобразного задела при создании новых проектов или доработки существующих. 

Схемы спроектированы, приступаем к компоновке изделия

Коллективная работа над проектом предполагает и коллективное использование информации. Именно поэтому логика работы комплекса должна предусматривать возможность получения самых актуальных данных о проекте в режиме реального времени, что и реализовано в SolidWorks Electrical. Так, вся информация об элементной составляющей проекта (схемные обозначения элементов и связи между ними) доступна не только схемотехнику в виде принципиальной в 2D­схемы, но и проектировщику механической составляющей изделия — в виде набора 3D­компонентов на соответствующей панели задач SolidWorks, компоновку которых внутри изделия необходимо провести (рис. 4). Для этого в системе предусмотрен ряд полезных инструментов, таких как размещение сразу группы элементов с определенным шагом на рейке внутри шкафа управления, прокладка кабель­каналов различной длины, автоматическая компоновка клеммных блоков в указанной области шкафа и пр. Если же структура принципиальной схемы будет изменена, то на панель задач сразу же будут автоматически добавлены новые компоненты, требующие размещения, а уже размещенные, но удаленные в схеме, также будут автоматически удалены из состава 3D­сборки.

Рис. 4. Отображение документов проекта и состава изделия в SolidWorks Electrical-слева и SolidWorks-справа

По завершении компоновки в SolidWorks нажатием кнопки может быть выполнено и автоматическое добавление в состав блока проводов, кабелей и жгутов с автоматической же укладкой их в кабель­каналы (рис. 5). Данные о соединениях в этом случае будут забираться в SolidWorks непосредственно из принципиальной схемы, избавляя пользователя от необходимости добавлять каждый провод вручную. Сами провода в зависимости от выбранных настроек создаются в виде либо 3D­сплайнов, либо элементов по траектории на основе этих сплайнов, что позволяет вручную вносить изменения в маршрут проводов стандартными средствами SolidWorks. Диаметры проводов и стандартных кабелей определены ГОСТом и берутся из базы данных SolidWorks Electrical. Кроме того, существует возможность распределения сигнальных и силовых линий раздельно по кабель­каналам. На основе данных диаметров проводов и кабелей, проходящих через тот или иной кабель­канал, а также их количества предусмотрена и возможность подсчета процента заполняемости последних. По результатам прокладки проводов система подсчитывает длину каждого из них и при необходимости отображает в соответствующих отчетах.

Вся КД для хранения, дальнейшего согласования и учета помещается в хранилище SolidWorks Enterprise PDM с возможностью автоматического составления отчетных документов — спецификаций, ВП, ВС, ПЭ и т.д., полностью описывающих состав изделия с учетом комплектующих и материалов.

Рис. 5. Компоновка шкафа управления и прокладка проводов по кабель-каналам

Дополняем проект данными из систем проектирования печатных плат

Для предприятий, частично оснащенных каким­либо ПО, могут быть предложены и другие решения от SolidWorks. Например, если в составе электронного блока планируется использование печатных плат, то разработка принципиальных схем и их трассировка может проводиться и во внешней ECAD­системе. Результатом проектирования платы в таком случае будет комплект файлов, описывающих ее геометрию, элементную базу и схему соединений. Эта информация может быть представлена в формате IDF (Intermediate Data Format) — промышленного стандарта для обмена данными между ECAD­системами и механическими САПР.

САПР SolidWorks с помощью CircuitWorks — специализированного двунаправленного транслятора данных из различных ECAD­систем — позволяет напрямую импортировать IDF­файлы (*.emn, *.brd, *.bdf, *.idb, *.idx, *.asc, *.idf, *.xml, *.cwx) и создавать твердотельные модели печатных плат и их компонентов. Для создания модели печатной платы модуль использует данные из пополняемой библиотеки электронных компонентов и размещает элементы на печатной плате в соответствии с координатами, заданными в IDF­файле. При отсутствии необходимого компонента в базе данных его габаритная модель — прямоугольный параллелепипед — будет создана и размещена на печатной плате автоматически. После импортирования каждая модель представляет собой сборку, состоящую из совокупности 3D­моделей компонентов, входящих в состав печатной платы (рис. 6).

Рис. 6. Импорт в SolidWorks данных печатной платы

Вышеописанный модуль комплекса SolidWorks может автоматически распознавать следующие конструктивные особенности печатной платы: контур, монтажные отверстия, отверстия с контактными площадками и без них, печатные проводники, а также проводить автоматическую фильтрацию элементов по типу и высоте (координата Z). Модуль позволяет экспортировать модели SolidWorks в формат IDF,  с этой целью в SolidWorks в контексте сборки необходимо нарисовать эскиз, описывающий контур печатной платы. Такой прием удобен в тех случаях, когда габариты печатной платы зависят от формы и размера корпуса прибора или отсека оборудования, в котором будет размещена иная печатная плата. Кроме того, можно передвигать элементы по плате, а при экспорте в файл IDF будут записаны новые координаты элементов. Модуль  поддерживает IDF­файлы, оптимизированные на работу с большинством существующих ECAD­систем (Orcad, Mentor Graphics, Veribest, CADENCE Allegro, P­CAD, PADS­pcb) и интегрирован с САПР SolidWorks на уровне единого пользовательского интерфейса, что значительно упрощает освоение системы.

Проектируем электрожгуты

Разработчиками САПР SolidWorks реализовано комплексное решение, базирующееся на принципах ассоциативного параметрического моделирования и включающее специальные модули для трехмерного проектирования электрожгутов и интеграции с внешними ECAD­системами в рамках единого информационного пространства.

Для проектирования электрожгутов в среде SolidWorks необходимо использовать модуль SWR­Электрика, который предлагает проектировщикам целый набор удобных и высокофункциональных инструментов для выполнения различных видов электромонтажа. Характерными особенностями SWR­Электрики являются наличие пополняемой библиотеки соединителей и проводов, высокопроизводительные алгоритмы трассировки проводов с укладкой в жгуты, автоматический расчет массово­габаритных характеристик и расхода проводов каждого типа, возможность генерации отчетов, 100­процентная поддержка отечественных ГОСТов, наивысшая степень интеграции с SolidWorks, наличие русскоязычных интерфейса и документации.

Прежде всего SWR­Электрика создает в сборке SolidWorks специальную монтажную деталь, в которой будут осуществляться все операции по объемному монтажу. После этого в сборку необходимо добавить электрические соединители и приступить к построению трасс для укладки проводов. Количество и типы соединителей определяются по данным состава изделия и схем, спроектированных в SolidWorks Electrical 2D, а местоположение — по результатам работы компоновщика в SolidWorks Electrical 3D.   Трассы создаются в интерактивном режиме: пользователь щелкает мышью по граням модели в графическом окне SolidWorks, а система автоматически протягивает осевую линию трассы через указанные точки с заданным отступом от наружной поверхности модели.

Трассы строятся с помощью элементов по траектории на основе 3D­сплайнов SolidWorks, что обеспечивает их редактирование в любом режиме, даже тогда, когда модуль SWR­Электрика не используется на данном компьютере. При вызове команды «Редактировать трассу» SWR­Электрика переводит систему в режим контекстного редактирования трехмерного эскиза, идентичный стандартной функции редактирования сплайна в 3D­эскизе SolidWorks. В этом режиме можно добавить/удалить контрольные точки трассы, а также осуществить привязку точек к элементам геометрии сборки, в том числе с использованием размеров и уравнений.

После добавления трасс можно приступать к созданию электрических соединений между контактами. Установка соединений представляет собой добавление в сборку SolidWorks проводов, связывающих попарно отдельные контакты соединителей. Для идентификации соединителей каждому из них на данном уровне иерархии сборки присваивается уникальное обозначение REFDES, соответствующее обозначению на принципиальной или монтажной схеме изделия, выполненной средствами SolidWorks Electrical. На разных уровнях сборки один соединитель может получить разные обозначения, а комбинация этого обозначения и номера контакта однозначно определяет каждый контакт на данном уровне сборки.

Соединения могут создаваться как в ручном, так и в автоматическом режиме. Однако ручной режим создания проводов является не слишком продуктивным, а потому в большинстве случаев используется импортирование схемы соединений как из SolidWorks Electrical, так и из внешнего файла. Входной файл описывает схему расположения проводов в проекте в структурированном виде (различные ECAD­системы: P­CAD, Protel, E3 — могут создавать такие файлы автоматически). SWR­Электрика анализирует содержимое файла и автоматически производит соответствующие проводные соединения в сборке SolidWorks. По результатам импортирования формируется файл отчета, который содержит описание возможных ошибок, возникших в процессе импорта.

Созданные в результате импортирования провода необходимо уложить в трассы жгута, выбрав соответствующие маршруты. При укладке проводов диаметр трассы рассчитывается автоматически.

Следует отметить, что кроме создания проводов, в SWR­Электрике в полном объеме реализован механизм работы со стандартными и нестандартными кабелями. Стандартные кабели хранятся в библиотеке стандартных элементов, а нестандартные создаются путем группировки одного или нескольких проводов. При автоматическом пересчете диаметра трассы в процессе укладки проводов или стандартного кабеля диаметр трассы, в которую будет уложен кабель, при прочих равных условиях будет отличным от совокупной толщины пучка проводов, так как диаметр библиотечного кабеля определяется ГОСТом. В модуле SWR­Электрика предусмотрено несколько вариантов графического изображения результатов монтажа. Провода и трассы могут быть отображены как 3D­кривыми, так и в виде твердых тел.

Могут также использоваться различные комбинации режимов отображения проводов и трасс (тело — тело, тело — кривая, кривая — кривая).

SWR­Электрика автоматически рассчитывает длину и массу проводов, диаметры трасс и многие другие параметры, причем при изменении геометрии сборки параметры всех объектов электромонтажа автоматически обновляются. По результатам проектирования модуль самостоятельно позволяет создать четыре вида отчетов: таблицу соединений, сводный перечень проводов, перечень соединителей и сводный перечень соединителей. В случае же использования SolidWorks Enterprise PDM, результаты проектирования жгутов будут учтены и в составе изделия и, как следствие, во всех типах отчетов.

Заключение

Итак, мы рассмотрели методику проектирования электронных блоков с применением программного комплекса SolidWorks. Резюмируя вышеописанное, для предприятий, испытывающих потребность в полноценном комплексном решении, закрывающем весь цикл проектирования «электрического» изделия от «А» до «Я»,  наиболее подходящим будет именно решение на основе программного комплекса SolidWorks и SolidWorks Electrical.

Естественно, в рамках одной статьи практически невозможно рассказать обо всем максимально подробно, однако мы надеемся, что даже этого краткого описания вполне достаточно для того, чтобы читатели смогли составить общее представление о том, каким образом и с помощью каких специализированных модулей SolidWorks осуществляется полный цикл проектирования электротехнических изделий. За более подробной информацией о программных продуктах следует обращаться к специалистам компании SolidWorks Russia.

САПР и графика 5`2013