Projektowanie płytek cz.6. Tworzenie modeli 3D w Altium Designerze

60 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 NotatNik koNstruktora Nowe podejście Kiedyś projektanci, chcąc obejrzeć swoje urządzenie w  formie wirtualnego wyrobu na ekranie komputera, radzili so- bie w ten sposób, że gotowy, dwuwymiaro- wy projekt płytki eksportowali do dodatko- wego programu przeznaczonego stricte dla mechaników. Tam, na podstawie rozmiesz- czenia otworów oraz dokumentacji do form przestrzennych i warstw opisu elementów, uzyskiwano obraz 3D modelu poprzez wy- ciągnięcie płaskich komponentów składo- wych. Następnie porównywano tak otrzy- many trójwymiarowy model z  modelem obudowy. Mimo że w  ten sposób uzyski- wano stosunkowo dobre rezultaty, jednak wymagało to dodatkowego nakładu pracy. Podstawowymi problemami były w związ- ku z  tym czas potrzebny na opracowanie takiego modelu oraz konieczność posiada- nia dodatkowej, często bardzo kosztownej, aplikacji CAD. Od lat było wiadomo, że pojawienie się możliwości przestrzennego modelowania wyglądu płytek drukowanych po ich zmon- towaniu to tylko kwestia czasu. Był to nieja- Tworzenie modeli 3D w Altium Designerze Projektowanie płytek (6) Projektowanie obwodu drukowanego polega na modelowaniu fragmentu rzeczywistości. Im dany model lepiej oddaje rzeczywistość, tym bardziej możemy być pewni, że liczba pomyłek w  projekcie finalnym będzie bliska zera. Aplikacje EDA wspomagające projektowanie obwodów drukowanych zaopatrywane są w  coraz lepsze mechanizmy, pozwalające na dokładne odwzorowanie rzeczywistego wyglądu urządzenia i  sposobu jego funkcjonowania. Pozwala to na wczesne dostrzeżenie ewentualnych błędów i  ich usunięcie na etapie projektu, a  nie dopiero wtedy, gdy projekt trafi na taśmę produkcyjną. ko naturalny, kolejny, logiczny krok w dzie- dzinie projektowania płytek. Współcześnie firmy produkujące pakiety EDA, takie jak np. Altium czy Zuken, wprowadziły modelowa- nie przestrzenne do swoich aplikacji. W ar- tykule postaram się przedstawić podstawowe zagadnienia tworzenia modelu 3D na bazie znanego pakietu EDA Altium Designer. Nieco teorii przestrzennej Najczęściej spotykane techniki tworze- nia brył przestrzennych, dobrze znane z pro- gramów wspomagających projektowanie, ta- kich jak AutoCAD, SolidWorks czy też pracę grafika 3Dmax, to wyciąganie i obrót. Oprócz nich na obrazach można wykonywać rozma- ite operacje związane z  ich sumowaniem, iloczynem i  inne. Niżej, w  bardzo dużym skrócie, postaram się przedstawić podstawo- we zagadnienia związane z tworzeniem brył przestrzennych. Wyciąganie to proces polegający na nadaniu dwuwymiarowej płaszczyźnie za- mkniętej trzeciego wymiaru, najczęściej wy- sokości, zależnie od osi. Dzięki temu uzysku- je się bryłę 3D o  zadanej, dwuwymiarowej podstawie, np. cylinder można uzyskać po- przez nadanie kołu odpowiedniej wysokości. Obrót to technika polegająca na tworze- niu brył 3D z płaszczyzny dwuwymiarowej poprzez jej obrót o zadany kąt względem wy- branej osi. W ten sposób można łatwo uzy- skać cylinder poprzez obrót prostokąta o kat 180° względem którejś z  jego krawędzi lub osi symetrii. Te dwie podstawowe operacje są w  za- sadzie wystarczające, ponieważ za ich po- mocą można uzyskać dowolnie dużą liczbę różnych brył. Aby jednak udostępnić zde- cydowanie większe możliwości, projektanci wyposażyli oprogramowanie w  możliwość wykonywania na bryłach przestrzennych szeregu operacji matematycznych. Przykła- dami takich operacji mogą być funkcje lo- giczne, takie jak iloczyn, suma, negacja ilo- czynu i negacja sumy, funkcja wyłącznie lub zaprzeczenie. Oprócz nich, dobre programy graficzne umożliwiają również inne, bardziej skomplikowane transformacje, jak na przy- kład wyciągnięcie płaszczyzny wzdłuż za- danej krzywej, powielanie obiektów zgodnie z zadanym wzorcem i regułą oraz inne. Dodatkowe materiały na CD 61ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Tworzenie modeli 3D w Altium Designerze Suma polega na utworzeniu bryły z po- łączenia dwóch lub więcej brył składowych. Sumowanie jest bardzo naturalne, ponieważ przypomina układanie poszczególnych ele- mentów składowych jak klocków. Różnica pozwala na uzyskanie bryły w  wyniku wycięcia przestrzeni o  kształcie jednej bryły przestrzennej z drugiej. Iloczyn to funkcja, w  wyniku której otrzymuje się bryłę będącą wynikiem części wspólnej (iloczynu przestrzeni) brył składo- wych. Są to oczywiście jedynie podstawowe sposoby tworzenia brył 3D, jednak pozwa- lające uzyskać bardzo interesujące rezultaty. Dużo efekt można uzyskać w  aplika- cjach modelujących na podstawie edycji wierzchołków siatek czy też jak w programie Z-Brusch niczym rzeźbiarz tworzyć model, używając wirtualnego dłuta. Jednak w przy- padku mechaniki te wymienione, podsta- wowe operacje zapewniają uzyskanie wielu wystarczająco dobrych rezultatów. Bryły przestrzenne w Altium Designerze Aby móc posłużyć się opisanymi niżej funkcjami, należy zainstalować pakiet EDA Altium Designer w wersji co najmniej Winter 09. W starszych programach, jak na przykład w wersji DXP 2004, są inne klawisze skró- tów, inny sposób posługiwania się myszką oraz część opisanych opcji po prostu nie jest dostępna. 30-dniową wersję testową Desi- gnera w wersji Summer 09 można pobrać ze strony producenta, to jest https://trial.altium. com#eval. Altium Designer umożliwia modelowa- nie brył przestrzennych na dwa sposoby, które można ze sobą dowolnie łączyć. Bryły można tworzyć, stosując wbudowane, we- wnętrzne mechanizmy lub z  użyciem ze- wnętrznych cyfrowych modeli 3D. Wyświetlenie przestrzennego obrazu płytki drukowanej nie jest trudne. Mając go- towy projekt płytki, wystarczy z menu View wybrać Switch  To  3D lub nacisnąć klawisz skrótu ?3?. Uzyskujemy wtedy trójwymia- rową wizualizację płytki w  jednym z  wy- branych trybów. Tryby te można dowolnie konfigurować w  zakresie udostępnionym przez producenta pakietu. Można zmieniać perspektywę, kolory poszczególnych części, przezroczystość obiektów. Zaprojektowaną płytkę można oglądać z różnych stron, zmie- niając jej położenie oraz wielkość, włączając i wyłączając warstwy itd. Wszystkie te czyn- ności dostępne są niejako pod ręką, a więk- szość operacji można wykonać myszką. Na przykład skalę (wielkość płytki) zmienia się, poruszając w górę lub w dół myszą z wciś- niętym klawiszem rolki. Zmianę położenia modelu w przestrzeni uzyskuje się poprzez obracanie wirtualną kulą przy jednocześnie wciśniętym prawym przycisku myszy. Kula jest wyświetlana po naciśnięciu klawisza Shift. Alternatywną metodą sterowania może być użycie specjalizowanej myszki 3D (np. firmy 3DConenexion), którą niejako w natu- ralny sposób wykonuje się wszelkie operacje przestrzenne. Aby powrócić do widoku dwuwymia- rowego, będącego widokiem od góry prze- strzennego modelu, obwodu, należy naci- snąć klawisz ?2? lub z  menu View wybrać Switch To 2D. Zajmijmy się omówieniem części zwią- zanej z modelowaniem 3D, a zaimplemento- wanej bezpośrednio w  aplikacji. Funkcje te obsługiwane są z poziomu edytora bibliotek PCB lub edytora PCB, a  odpowiednie dane przechowywane są na warstwach mecha- nicznych edytowanych dokumentów. Do za- rządzania trójwymiarowym modelem służy w edytorze PCB funkcja Manage 3D bodies. Zacznijmy jednak od podstaw, czyli od omó- wienia sposobu tworzenia komponentów w edytorze bibliotek. Aby utworzyć nowy komponent prze- strzenny bądź zmienić już istniejącą biblio- tekę, należy z poziomu biblioteki PCB włą- czyć lub dodać warstwę mechaniczną. Po takiej operacji uaktywni się tryb dodawania obiektów 3D, który działa zarówno w wido- ku 2D, jak i 3D. Myślę, że najlepiej będzie to omówić na przykładzie, w którym utworzy- my komponent trójwymiarowy, np. model jednorzędowej listwy ?goldpin? o  8 dopro- wadzeniach i rastrze 2,54 mm. W  pierwszym kroku utwórzmy nowy komponent biblioteki PCB o  dowolnej na- zwie, np. wybierając z  menu kontekstowe- go New Blank Component. Następnie usta- wiamy odpowiednią miarę jednostek oraz odstęp pomiędzy oczkami siatki, np. na wartość 2,54 mm, czyli 100 mil. Teraz wsta- wiamy odpowiednią liczbę punktów lutow- niczych (w  tym przykładzie będzie ich 8), ustawiając odpowiednio ich właściwości, tak aby umożliwiły fizyczny montaż złączki. Rysujemy na warstwie opisowej kształt ele- mentu, zgodny z jego wyglądem, by model odpowiadał fizycznym wymiarom i w przy- bliżeniu wyglądowi części. Teraz należy uaktywnić warstwę mecha- niczną. Można to zrobić za pomocą polece- nia Place 3D body ?> Extruded. Następnie wybieramy z palety kolor czarny, nadajemy nazwę prymitywu i  określamy jego orien- tację. Należy również wpisać odpowiednie wartości następujących parametrów: ? Overall Height: wysokość od powierzch- ni płyty do górnej krawędzi obiektu, zgodnie z fizyczną wysokością danej czę- ści składowej; ? Standoff Height: wysokość, od której za- czynamy rysować obiekt, czyli położenie jego dolnej jego krawędzi w stosunku do płytki drukowanej. W  tym przypadku plastik scalający doprowadzenia przyle- ga do powierzchni płytki, więc wpisu- jemy 0. Gdy piny przechodzą na drugą stronę płytki, umożliwiając montaż przewlekany, wtedy wpisujemy wartość ujemną. Następnie klikając Ok i  wzorując się na warstwie opisowej, umieszczamy wierzchołki pierwszego obiektu reprezentującego tworzy- wo scalające poszczególne piny w prostokąt. W  następnej kolejności zajmiemy się wstawianiem doprowadzeń złącza. Mają one kształt prostopadłościanu o  przekroju kwa- dratu. Tworzymy je w  sposób analogiczny do opisanego wcześniej, wstawiając cztery wierzchołki elementu, tak by odpowiada- ły fizycznemu wymiarowi boku podstawy i  ustawiając taki element wewnątrz padu montażowego. Narysowaną w  ten sposób ?szpilkę? doprowadzenia możemy skopio- wać do pozostałych siedmiu otworów, two- rząc kompletny model przestrzenny. Moim zdaniem operację tę najwygodniej wykonywać w widoku 2D, jedynie sprawdza- ją uzyskane efekty w widoku 3D. Efektem na- szych starań powinien być komponent wyglą- dający tak, jak ten na rys. 34. Taki model może- my już zapisać w bibliotece i stosować w przy- szłych bądź bieżących projektach płytek. Oczywiście, aby uzyskać zadowalające efekty, należy używać więcej prymitywów do składania komponentów. Dostępna jest również opcja Add Texture File pozwalająca nakładać obiekty rastrowe na powierzchnie, uzyskuje się przykładowo efekt wyświetle- nia logo producenta na obudowie układu scalonego czy położenie styków przekaźnika (rys. 35). Metoda taka, mimo że dobra i  prosta, w  niektórych przypadkach nie nadaje się do uzyskania dokładnych modeli obiektów. Na przykład w  bieżącej wersji pakietu bra- kuje funkcji, za pomocą których można by narysować model złącza typu ?power jack?. O ile łatwo jest narysować cylinder, o tyle nie można go zastosować do wycięcia fragmen- rys. 34. Model złącza goldpin z artykułu 62 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Notatnik konstruktora tu prostopadłościanu, aby utworzyć model otworu przeznaczonego na wtyk. Pomimo tej wady trzeba poeksperymentować z różnymi opcjami typu przezroczystość, aby w  przy- szłości uzyskiwać niebanalne efekty, typu zabudowane gniazdo bezpiecznika, jak na rys. 36. W  przypadku, gdy narzędzia wbudo- wane w pakiet nie nadają się do uzyskania zadowalającego rezultatu, należy posłużyć się opcją Generic Step Model, za pomocą której można zaimportować do programu ze- wnętrzny plik STEP, zawierających definicję modelu pożądanej bryły 3D. Może nią być obudowa, urządzenia bądź dowolny model elementu elektronicznego. W  czasie impor- tu musimy określić podstawowe parametry obiektu, takie jak położenie względem osi współrzędnych oraz punkt (bądź punkty) zaczepienia względem innych obiektów. Należy zwrócić uwagę, iż tak utworzony model może być przechowywany w  projekcie na dwa sposoby: Embed STEP model ? plik step staje się in- tegralną częścią projektu oraz Link to step model ? Altium Designer przechowuje tylko wskazanie do obiektu. Dzia- łanie pierwszej opcji polega na osadzeniu bryły modelu w  pliku projektu, dzięki cze- mu jej zmiany w  zewnętrz- nym edytorze nie wpływają na ostateczny wygląd projektu płytki. Jeśli stosowana jest druga opcja, to zmieniając plik źródłowy za pomocą dowolnego, zewnętrznego edytora, zmienimy też wygląd obiektu we wszystkich projektach wykonanych w  Altium Designe- rze, w których został użyty. Wyszukiwanie i tworzenie modeli zewnętrznych Na pytanie, jak uzyskać odpowiednie modele 3D potrzebnych części, istnieją dwie dobre odpowiedzi. Można je utworzyć sa- modzielnie w specjalizowanych aplikacjach, bądź użyć dostępnych darmowych modeli, po wcześniejszym sprawdzeniu ich parame- trów. Pierwsza opcja teoretycznie ogranicza nas do formatu STEP jednak nie do koń- ca, ponieważ możemy posłużyć się pewna sztuczką. Otóż tworząc bibliotekę 3D (PCB 3D library), importujemy do niej kilka forma- tów przestrzennych STEP, IGES, WRL, a póź- niej każdy nich możemy wyeksportować do pliku STEP, nadającego się do położenia na warstwę mechaniczną projektu. Tworzenie brył 3D omówiłem w skrócie we wstępie teoretycznym. Jest ono podobnie zaimplementowane w każdej aplikacji CAD, których kurs obsługi wykracza poza ramy tego artykułu. Co ważne, aplikacja musi wspierać eksport do któregoś z formatów ob- sługiwanych przez Altium Designera. Opcja druga polega na pobraniu gotowe- go modelu z  strony np.: http://www.3dcon- tentcentral.com/, gdzie po rejestracji mamy dostęp do pokaźnej bazy modeli wraz z wy- szukiwarką. Aby znaleźć gniazdko power jack wystarczy w pole wyszukiwania wpisać łańcuch power jack. Rezultat będzie taki, jak na rys. 37. Następnie pobieramy dany obiekt w in- teresującym formacie, po czym pozostaje je- dynie grać go np. katalogu projektu, wskazać łącze i umieścić tak uzyskany obiekt na pro- jekcie płytki drukowanej. Dobra zabawa, ale co dalej? Zapewne pewna grupa Czytelników za- stanawia się, co oprócz przyjemnych efek- tów wizualnych daje taka procedura? Po pierwsze, wczytując do edytora PCB mo- del STEP zawierający model kształtu płyt- ki z  wszelkimi frezami, możemy ?zmusić? Altium Designera, aby obrys płytki druko- wanej powstał automatycznie na bazie do- kładnie zwymiarowanego rysunku mecha- nicznego sporządzonego w  innej aplikacji. Można to zrobić za pomocą opcji Design Board Shape Define from 3D body. Polecam eksperymenty z użyciem tego narzędzia, po- nieważ pozwala ono zaoszczędzić mnóstwo pracy i cennego czasu. Widok 3D projektu daje nam możliwość niespotykanej do tej pory inspekcji z pozio- mu aplikacji ECAD. Możemy między inny- mi wniknąć w strukturę płytki i zaobserwo- wać przebieg poszczególnych przelotek. I to wszystko w czasie rzeczywistym. Przygotowany projekt obwodu mo- żemy wyeksportować do aplikacja CAD w formacie STEP, wybierając odpowiednio z  menu ?File ?> Save As? i  odpowiedni format pliku. Po takiej operacji uzyskuje- my dostęp do dodatkowych opcji wyboru formatu danych, które chcemy wyekspor- tować (rys. 38). Rys. 35. Model przekaźnika ze schematem rozmieszczenia doprowadzeń Rys. 36. Model gniazda bezpiecznika z przeźroczystą obudową Rys. 37. Wynik wyszukiwania gniazda power jack Rys. 38. Opcje zapisu plików 63ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Tworzenie modeli 3D w Altium Designerze Rys. 39. Parametry sprawdzianu odległości pomiędzy elementami Pomiar odległości w trybie 3D Reguły projektowe. Autorzy oprogramo- wania zaimplementowali bardzo użyteczne i naturalne narzędzie jakim jest sprawdzanie reguł projektowych dla ciał 3D. Podstawową regułą jest ta sprawdzająca poprawne odleg- łości pomiędzy elementami, tj. Component Clerance (rys. 39). Reguła ta umożliwia zdefiniowanie wy- maganych odległości pomiędzy zarówno poszczególnymi komponentami i  obudową. Oczywiście, tak jak w  przypadku innych reguł, tak i  tutaj można określić zasięg ich działania do konkretnych, wybranych czę- ści. Wykonując następnie test DRC, mamy niemal 100% pewności, że wykonany projekt płytki jest poprawny. Oczywiście wiele zale- ży od tego, ile uwagi poświęcił projektant na wytworzenie modeli komponentów i  od dokładności ich odwzorowania. Nie ustrzeże to nas przed sytuacjami, w których np. kon- densator elektrolityczny jest umieszczony w bezpośredniej bliskości gorącego radiato- ra, ale z całą pewnością pozwoli poprawnie rozmieścić komponenty. Informacje dodatkowe Artykuł ten nie jest przeznaczony dla po- czątkujących, którzy chcą nauczyć się sposo- bu posługiwania się poszczególnymi opcjami pakietu Altium Designer. Starano się jedynie zwrócić uwagę Czytelników na pewne cieka- we, zaimplementowane w  nim możliwości. Dodatkowo, aby przekonać się o  użyteczno- ści prezentowanych opcji, zachęcam do za- poznania się z  materiałami dostępnymi na stronie AltiumWiki: http://wiki.altium.com/ display/ADOH/Integrating+MCAD+Objects +and+PCB+Designs oraz dokumentem In- tegrating MCAD Objects and PCB Designs. Proponuję też samodzielnie wykonać prezen- towany tam przykład dotyczący przykładu zmieszczonego w  katalogach instalacyjnych programu o nazwie multiwibrator_step. Zakończenie Integracja części mechanicznych w aplika- cjach EDA jest trendem stosunkowo nowym, lecz współcześnie rozwijanym bardzo inten- sywnie. Moim zdaniem warto zainteresować się tymi nowinkami, jeśli chcemy utrzymać jakikolwiek wzrost poziomu kultury technicz- nej. W  innym przypadku szybkość wprowa- dzania innowacyjnych rozwiązań w  krótkim czasie wykluczy inżynierów z nowoczesnych, rozwojowych technologii, zamykając ich w  prostym i  niestety kurczącym się świecie własnych upodobań. Podsumowując: nadal prawdziwe jest twierdzenie, iż bez właściwej edukacji i samokształcenia, niestety, nie mamy szans w skali kraju, choćby próbować dogonić inżynierów pracujących w  znanych, świato- wych korporacjach, skazując w  ten sposób wielu zdolnych ludzi do pracy produkcyjnej, gdzie wszelkie idee są wymyślane poza na- szym zasięgiem. Tym samym pragnę zachęcić do inwestowania we własny rozwój. inż. Tomasz Świontek tomekfx@o2.pl R E K L A M A