7 - 2004

Проектирование электронных блоков в SolidWorks

Артем Аведьян, Михаил Малов, Олег Абашев

Введение

Импорт данных из систем проектирования печатных плат

Проектирование корпусных деталей

Проектирование электрожгутов

Тепловые и электромагнитные расчеты

Результаты проектирования

Заключение

Введение

Подавляющее большинство современных изделий и устройств сочетают в своих конструкциях механическую и электрическую составляющие. Механические детали и узлы описывают конструктивно-силовую схему и дизайн изделия, проводные соединения обеспечивают электропитание, а встроенная электроника — выполнение вычислительных операций и функций управления. Вследствие этого проектировать изделия, включающие механическую и электрическую составляющие, нужно в едином информационном пространстве с учетом всех ограничений, налагаемых каждой из этих частей друг на друга. В данной статье мы рассмотрим методику проектирования электронных блоков с использованием САПР SolidWorks и ряда специализированных модулей.

В начало В начало

Импорт данных из систем проектирования печатных плат

Разработка любого электронного блока начинается с расчета и формирования принципиальной схемы, реализуемой затем в виде печатных плат, трассировка которых проводится в ECAD-системе (рис. 1). По результатам проектирования платы создается 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 ECAD-системами и механическими САПР.

САПР SolidWorks позволяет напрямую импортировать IDF-файлы (*.emn, *.brd, *.bdf, *.idb) и создавать твердотельные модели печатных плат и их компонентов. После импортирования каждая модель представляет собой деталь, состоящую из совокупности 3D-элементов, полученных вытяжкой. Каждый IDF-файл состоит из двух частей — описания геометрии печатной платы и библиотечного файла (например, *.emn/*.emp, *.brd/*.lib, *.brd/*.pro, *.bdf/*.ldf, *.idb/*.idl). SolidWorks автоматически отыскивает по названию подходящую комбинацию геометрического и библиотечного файлов, а если ему не удается найти библиотечный файл, предлагает пользователю указать ссылку на этот файл вручную. Имя каждого создаваемого в дереве модели SolidWorks 3D-элемента базируется на имени соответствующего компонента печатной платы. Компоненты одного типа окрашиваются в одинаковые цвета. Если толщина печатной платы не указана в IDF-файле, пользователю предлагается выбрать единицы измерения и ввести числовое значение. На плату опционально могут быть также добавлены монтажные отверстия. При двустороннем монтаже SolidWorks позволяет корректировать пространственную ориентацию компонентов с помощью специальной настройки. Все вышеперечисленные возможности входят в базовую версию SolidWorks.

Базовый функционал SolidWorks значительно расширяется с помощью специализированного модуля для импорта данных из систем проектирования печатных плат — CircuitWorks, представляющего собой двунаправленный транслятор данных между различными ECAD-системами и SolidWorks. Работа CircuitWorks заключается в чтении IDF-файла и создании трехмерной сборки SolidWorks (именно сборки, а не детали, как в случае с базовым функционалом), состоящей из печатной платы и элементов. Для создания модели печатной платы CircuitWorks использует пополняемую библиотеку электронных компонентов и размещает элементы на печатной плате в соответствии с координатами, заданными в IDF-файле (рис. 2). При отсутствии необходимого компонента в базе данных CircuitWorks автоматически создаст его габаритную модель — прямоугольный параллелепипед, разместив его на печатной плате.

CircuitWorks может автоматически распознавать следующие конструктивные особенности печатной платы: контур, монтажные отверстия, отверстия с контактными площадками и без них, а также проводить автоматическую фильтрацию элементов по типу и по 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. Эта возможность будет удобна 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. CircuitWorks поддерживает IDF-файлы, оптимизированные на работу с большинством существующих ECAD-систем (Orcad, Mentor Graphics, Veribest, CADENCE Allegro, P-CAD, PADS-pcb). Модуль CircuitWorks интегрирован с SolidWorks на уровне единого пользовательского интерфейса, что значительно упрощает освоение системы.

В начало В начало

Проектирование корпусных деталей

Проектирование корпусных деталей электронного блока осуществляется в контексте сборки с помощью базового функционала SolidWorks. Импортированные на предыдущем этапе модели печатных плат помещаются в сборку (рис. 3 а), а потом вокруг них начинается обвязка конструкции блока. Для этого в сборку добавляются новые компоненты, в которых рисуются эскизы, и на их основе как бы выращиваются объемные модели корпусных деталей. Геометрические 3D-элементы, составляющие эти модели, привязываются к печатным платам с соблюдением ассоциативной связи (рис. 3б), что гарантирует адекватное перестроение корпусных деталей при модификации плат. Таким образом, в сборке последовательно создаются все необходимые механические части электронного блока (рис. 3в, г), а также проводятся подготовительные работы (добавление соединителей), предшествующие объемному электромонтажу (рис. 3д).

В начало В начало

Проектирование электрожгутов

Несмотря на постоянное совершенствование средств компьютерного моделирования, многие инженеры до сих пор вынуждены проектировать электрическую часть отдельно от механической, в результате чего возникает множество проблем и ошибок. Традиционные программы для проектирования электрожгутов в основном ориентированы на работу с двумерными моделями или позволяют обмениваться с CAD-системами трехмерными данными лишь на уровне импорта/экспорта геометрии. При изменении электрической части необходимо заново передавать ее в CAD-систему с потерей ассоциативных связей. К тому же проектирование электромонтажа базовыми средствами CAD-системы — очень непростая задача, решить которую под силу далеко не каждому специалисту. Все это негативно сказывается на эффективности применения традиционных решений — время тратится на бесконечную трансляцию данных и рутинную ручную работу. Поэтому разработчиками САПР SolidWorks реализовано комплексное решение, базирующееся на принципах ассоциативного параметрического моделирования и включаю щее специальные интегрированные модули для трехмерного проектирования электрожгутов и интеграции с ECAD-системами в рамках единого информационного пространства.

Для проектирования электрожгутов в среде SolidWorks необходимо использовать модуль SWR-Электрика, который решает большинство вышеперечисленных задач, предлагая проектировщикам целый набор удобных и высокофункциональных инструментов для выполнения различных видов электромонтажа. Характерными особенностями SWR-Электрики являются наличие пополняемой библиотеки соединителей и проводов, высокопроизводительные алгоритмы трассировки проводов с укладкой в жгуты, автоматический расчет массово-габаритных характеристик и расхода проводов каждого типа, возможность генерации отчетов, 100-процентная поддержка отечественных ГОСТов, наивысшая степень интеграции с SolidWorks, наличие русскоязычных интерфейса и документации.

В модуле SWR-Электрика для подготовки библиотечных моделей электрических соединителей можно использовать команды ручного и автоматического создания контактов. Рассмотрим более подробно команду «Автоконтакты» (рис. 4), доступную в режиме работы с деталью и предназначенную для автоматического добавления в модель соединителя необходимого пользователю количества контактов, расположенных по определенной схеме.

Пользователь выбирает плоскую грань, на которой будут расположены контакты, а вся группа контактов автоматически вписывается в габариты выбранной грани и центрируется. Расстояния между отдельными контактами и рядами контактов (при многорядном расположении) рассчитываются автоматически. Предусмотрена настройка «Смещение», обеспечивающая отступ плоскости размещения контактов относительно плоскости выбранной грани, а также повороты и линейные перемещения группы контактов в плоскости эскиза. Пользователь сначала выбирает схему расположения контактов («Рядами», «Шестиугольник», «По кругу») и указывает их общее число, а затем, руководствуясь предварительным отображением результата операции, вносит нужные коррективы. В зависимости от выбранной схемы могут быть подобраны или введены дополнительные параметры. В режиме детали пользователь может менять эскиз штатными средствами SolidWorks и SWR-Электрика: перемещать, удалять и добавлять контакты, менять их номера, работать со свойствами SWR-Электрика применительно к контактам и к детали в целом. При этом данный модуль автоматически отслеживает уникальность идентификаторов контактов. Электрические соединители каждого типа создаются и помещаются в централизованное хранилище (библиотеку) SWR-Электрика и впоследствии могут быть неоднократно использованы в различных проектах.

Прежде всего SWR-Электрика создает в сборке SolidWorks специальную монтажную деталь, в которой будут осуществляться все операции по объемному монтажу. После этого в сборку необходимо добавить электрические соединители (рис. 5) и приступить к построению трасс для укладки проводов. Трассы создаются в интерактивном режиме (рис. 6): 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 3D-сплайнов SolidWorks, что обеспечивает их редактирование в любом режиме, в том числе и тогда, когда модуль SWR-Электрика не используется на данном компьютере. Команда редактирования трассы доступна как через главное, так и через контекстное меню (рис. 7).

При вызове команды «Редактировать трассу» SWR-Электрика переводит систему в режим контекстного редактирования трехмерного эскиза, идентичный стандартной функции редактирования сплайна в 3D-эскизе 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 (рис. 8).

Созданная трасса по терминологии SolidWorks представляет собой твердотельный объект, что позволяет стандартными для SolidWorks средствами проверять интерференцию (взаимопересечение) компонентов сборки (рис. 9).

Для формирования полноценного жгута необходимо создать не один сегмент трассы, но это возможно сделать с помощью функции построения ответвлений (рис. 10), реализованной в модуле SWR-Электрика в полном объеме.

А теперь можно приступать к созданию электрических соединений между контактами. Установка соединений представляет собой добавление в сборку SolidWorks проводов, связывающих попарно отдельные контакты соединителей. Для однозначности идентификации соединителей каждому из них на данном уровне иерархии сборки присваивается уникальное обозначение REFDES, соответствующее обозначению на принципиальной или монтажной схеме изделия. На разных уровнях иерархии 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. Для создания соединений в ручном режиме следует воспользоваться командой «Создать провод» (рис. 11), при этом в менеджере свойств автоматически отобразится список библиотечных проводов и их параметры. Далее пользователь выбирает из библиотеки провод по его наименованию и указывает мышью пару контактов. После указания каждой пары в модель добавляется провод, проходящий от одного контакта к другому по прямой. Визуально провод может быть представлен в виде кривой (3D-сплайн) или «тела по траектории», имеющего диаметр, равный диаметру провода, взятого из библиотеки. Этот диаметр не может быть переопределен в сборке, так как является стандартным для данного типа провода. После добавления очередного провода система остается в режиме добавления проводов данного типа. Имеется возможность смены типа провода без прекращения операции вставки проводов. При добавлении провода SWR-Электрика автоматически контролирует уникальность каждого соединения, то есть пары соединяемых контактов.

Ручной режим создания проводов является не слишком продуктивным, и потому в большинстве случаев используется импортирование схемы соединений из внешнего файла. Входной ASCII-файл описывает схему расположения проводов в проекте в структурированном виде (различные ECAD-системы: P-CAD, Protel, E3 — могут создавать такие ASCII-файлы автоматически). Каждая строка файла описывает один провод, соединяющий пару различных контактов одного или двух разных соединителей. В каждой строке указываются идентификатор провода, марка провода, сечение жилы, REFDES первого соединителя, наименование контакта первого соединителя, REFDES второго соединителя, наименование контакта второго соединителя (рис. 12).

SWR-Электрика анализирует содержимое ASCII-файла и автоматически создает соответствующие проводные соединения в сборке SolidWorks (рис. 13). По результатам импортирования формируется файл отчета, который сохраняется в каталоге сборки или в указанном пользователем каталоге и содержит описания ошибок, возникших в процессе импорта (если, конечно, таковые имеются).

Созданные в результате импортирования провода необходимо уложить в трассы жгута, выбрав соответствующие маршруты. При укладке проводов диаметр трассы рассчитывается автоматически (рис. 14).

Следует отметить, что, кроме создания проводов, в SWR-Электрике 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 (рис. 15).

В модуле SWR-Электрика предусмотрено несколько вариантов графического изображения результатов монтажа. Провода и трассы могут быть отображены как 3D-кривыми, так и в виде твердого тела (рис. 16). Могут также использоваться различные комбинации режимов отображения проводов и трасс (тело—тело, тело—кривая, кривая—кривая).

SWR-Электрика 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 позволяет создать четыре вида отчетов: таблицу соединений, сводный перечень проводов, перечень соединителей и сводный перечень соединителей.

В начало В начало

Тепловые и электромагнитные расчеты

При расчете радиоэлектронных изделий необходимо определять эффективность охлаждения и нагрева конструкции, для чего целесообразно использовать модули из программной линейки COSMOS — COSMOSWorks и COSMOSFloWorks. Эти программы работают в едином информационном пространстве с SolidWorks, что исключает ошибки при передаче данных из одного модуля в другой.

Для решения задачи теплопроводности платы (рис. 17) используется модуль COSMOSWorks 2004, который позволяет определять напряженно-деформированное состояние конструкции при заданных нагрузках, рассчитывать критические силы потери устойчивости и собственные частоты и формы колебаний.

При проведении тех или иных расчетов часто требуется откорректировать или упростить модель. Механизм конфигураций, который имеет SolidWorks, позволяет сделать это без особого труда. Расчетная схема, представленная на рис. 17, несколько отличается от реальной конструкции: в этой схеме в расчете участвовали только тепловыделяющие элементы (преобразователь и транзисторы) и непосредственно плата; конечно-элементная сетка создавалась в автоматическом режиме. Несмотря на особенности конструкции (наличие тонкостенной платы), COSMOSWorks 2004 способен успешно создать сетку без вмешательства пользователя — полученная конечно-элементная модель имеет 104 986 узлов и 62 198 элементов. В качестве граничных условий и нагрузок использовались условия конвективного теплообмена и мощностей для тепловыделяющих элементов. Хотя расчет проводился для установившегося режима, COSMOSWorks 2004 может осуществлять и нестационарные расчеты. В качестве результатов расчета можно получить распределение температур, градиентов температур и тепловых потоков в конструкции, причем данные можно оценивать как визуально, так и в виде графиков.

В целях определения эффективности охлаждения электронного блока использовался модуль COSMOSFloWorks 2004, предназначенный для расчета течений жидкостей и газов, с возможностью совместного решения задач теплопроводности и теплопередачи. Для рассматриваемого элемента конструкции были заданы следующие граничные условия: массовый расход на входе и условие статического давления на выходе, а также определены тепловыделяющие элементы. Рассматривалась стационарная задача. Общее число расчетных ячеек для данной модели составляло 182 212 (рис. 18).

По результатам расчетов можно получить распределение той или иной величины (скорость, давление, температура и т.д.) на выбранной плоскости, изоповерхности и изолинии, распределение параметра на выбранной поверхности, линии тока (рис. 19 и 20). COSMOSFloWorks может передавать результаты Microsoft Word и Microsoft Excel (рис. 21). Кроме того, пользователь может настроить шаблоны документов Microsoft Office в соответствии со стандартом, принятым на предприятии. По результатам теплового и газодинамического анализов расчетчик может определить напряженно-деформированное состояние конструкции в COSMOSWorks.

Для проведения электромагнитных расчетов следует использовать модуль COSMOSEMS, сочетающий в себе отличную функциональность, точность расчетов и простоту в использовании. Данный модуль позволяет рассчитывать электрические и магнитные поля, моменты и силы, энергетические потери на вихревые токи, значения токов, напряжений, проводимостей, емкостей, индуктивностей в проектируемых электротехнических изделиях. В свою очередь, COSMOSEMS содержит модули: «Электростатика и электрика», «Магнитостатика», «Переменные электромагнитные поля», «Нестационарные электромагнитные поля». COSMOSEMS интегрирован с пакетом COSMOSWorks.

В начало В начало

Результаты проектирования

Для корректного представления результатов проектирования базовыми средствами SolidWorks оформляется комплект чертежей и интерактивных 3D-моделей электронного блока (рис. 22 и 23).

Авторы статьи выражают благодарность специалистам ГУП «КБП» (г.Тула) за предоставленные данные. Проект «Комплексная САПР в разработке радиоэлектронной аппаратуры» (авторы: Г.И.Колесников, Ю.Г.Сапегин, Е.Н.Щелоков), который был взят за основу при написании данной статьи, содержит 320 деталей и выполнен за два месяца, включая разработку топологии печатных плат. При разработке использовалась САПР SolidWorks вместе со специализированными модулями для трехмерного проектирования электрожгутов и трансляции данных из систем проектирования печатных плат.

В начало В начало

Заключение

Итак, мы рассмотрели методику проектирования электронных блоков с использованием САПР SolidWorks. Естественно, в рамках одной статьи практически невозможно рассказать обо всем с высокой степенью детализации, 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 разрабатываются изделия, состоящие из электронно-механических компонентов. За более подробной информацией о программных продуктах SWR-Электрика, CircuitWorks, COSMOSWorks, COSMOSFloWorks и COSMOSEMS следует обращаться к специалистам компании SolidWorks-Russia.

В начало В начало

«САПР и графика» 7'2004