Сквозное CAE/CAD-проектирование печатных узлов средствами Altium Designer и Компас-3D
ART 96029
Авторы:
Д.
Э. Цыганков, Д.
В. Прохорова
Д.
Э. Цыганков, Д.
В. Прохорова Библиографическое описание статьи для цитирования:
Цыганков
Д.
Э.,
Прохорова
Д.
В. Сквозное CAE/CAD-проектирование печатных узлов средствами Altium Designer и Компас-3D // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 15. – С.
611–615. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/96029.htm.
Аннотация. Настоящая статья посвящена достижению интероперабельности при проектировании печатных узлов средствами CAE-системы Altium Designer и CAD-системы Компас-3D. Рассмотрена структура предлагаемого подхода к решению указанной проблемы, и описан способ его программной реализации.
Похожие статьи
Текст статьи
Прохорова Дарья Валентиновна,ведущий инженерконструктор особого конструкторского бюро АО «Ульяновский механический завод», г. Ульяновскdashulka86@list.ru
Цыганков Денис Эдуардович,инженерконструктор IIкатегории особого конструкторского бюроАО«Ульяновский механический завод», г. Ульяновскd.tsyg@mail.ru
Сквозное CAE/CADпроектирование печатных узлов средствамиAltiumDesignerи Компас3D
Аннотация.Настоящая статья посвящена достижению интероперабельности при проектировании печатных узлов средствами CAEсистемы AltiumDesignerи CADсистемы Компас3D. Рассмотрена структура предлагаемого подхода к решению указанной проблемы и описан способ его программной реализации.Ключевые слова:печатный узел, проектирование, CAD, CAE, САПР, интеграция.
Важнейшим этапом проектирования печатного узла является разработка топологии печатной платы. Исходные данные к проектированию это техническое задание (ТЗ), представляющее собой схему электрическую принципиальную (Э3) и перечень элементов. Результатом проектной деятельности[1]является выпуск .pcbфайла, требуемого для изготовления фотошаблона, комплекта конструкторской документации (КД) в сопровождении с трехмерными информационными образами (3Dмоделями). Таким образом, проектирование печатного узла это комплексный процесс [2], декомпозируемый на проектные процедуры трех вышеперечисленных проектных стадий [3].Инструментами проектирования, в данном случае, должна являться такая комбинация CAxсистем [4] (CAD/CAE), которая обеспечивает минимум обращений к промежуточным проектным данным[5](а в идеальном случае система интероперабельна) и позволяет получать на выходе результирующие проектные данные в виде КД в форматах, требуемых на последующих проектных стадиях [6].В нашем случае в качестве CAEсистемы используется Altium Designer комплексная САПР радиоэлектронных средств, обеспечивающая разработку топологии требуемого качества и в требуемых форматах (.pcb).Используемая CADсистема это Компас3D, функционал которой позволяет проектировать изделие любой сложности в 3D, а потом оформлять на него комплект КД в соответствии с действующими стандартами (ГОСТ, СТП и др.).Такая CAxсистема обеспечивает функционал, достаточный для осуществления комплексного процесса проектирования печатных узлов [7]: в AltiumDesignerформируется проектное решение в виде .pcbфайла топологии узла, конвертируемое в Компас3D, в котором разрабатываются комплект КД и 3Dмоделей проектируемого изделия.В сформированнойCAxсистеме интероперабельность не может быть достигнута поцеломуряду причин, основные из которых связаны с тем, что программные решения:•относятся к разным предметным областям;•оперируют стандартами только своей предметной области;•имеют собственное закрытое ядро;•разрабатываются в разных странах разными предприятиями.Таким образом, основным недостатком данной CAxсистемы является необходимость в передаче промежуточных проектных данных файла с топологией печатного узла. «Классическое» решение данной проблемы конвертирование топологии узла в файлы открытых форматов .dxf / .dwg (AutoCADDXF/ DWG) или .igs(IGES) не позволяет фиксировать и передавать логику выполнения проектных операций, в связи с чем, дальнейшее внесение изменений в топологию потребует соответствующего конвертирования новых проектных данных.Нашей целью является автоматизация передачи проектных данных с сохранением логики принятия проектных операций из системы Altium Designer в Компас3D. Поставленная цель достигается разработанной на языке программирования C# прикладной библиотекой, которая, на основании файла с топологией (расширение файла .pcb), автоматически генерирует чертеж файл формата .frw (Компасфрагмент) с использованием семантики, заложенной в функционал системы Компас3D. Суть предлагаемого подхода к достижению совместимости систем AltiumDesignerи Компас3Dпредставлена на рис.1.
Рис.1.Автоматизированное конвертирование .pcbфайла в файлфрагмент Компас3DОсновными принципами, которыми оперируетпредлагаемая технология автоматизированного распознавания и обработки .pcbтопологии узла, являются:•топология это совокупность полигонов;•полигон участок топологии, представляющий собой замкнутый контур;•отрезок соединяет только две соседние точки;•полигон может быть представлен конечной совокупностью отрезков.Представление замкнутого контура совокупностью отрезков осуществляется таким образом, чтобы с предварительно заданным шагом дискретизации Δt, полигон (с криволинейные участки) являлся точной аппроксимацией, при которой максимальные отклонения в размерах меньше допуска на геометрические размеры топологии.Распознавание топологии начинается с формирования опорного шаблона результата конвертирования исходного .pcbфайла в формат стандартаIGES(DXF), помещаемый на системный слой (1). В дальнейшем формируется массив точек слоя (0). Происходит это следующим образом: выбирается точка начала координат p0(х0, y0), где х0и y0минимальная координата по осям xи yсоответственно (совпадающая у топологий обоих слоев). Затем, в направлении часовой стрелки через указанный интервал Δtстроятся точки p1, p2… pn, которые привязываются к объектам исходной топологии. Координаты последующих точек определяются по следующей формуле: (1)В случае, если грань участка контура отрезок (Δx 0 или Δy 0) и координаты линейно меняются на протяжении его длины, то все точки на этой длине (p1, p2, … pn) заменяется на две точки (p1, pn), являющиеся началом и концом данного отрезка, впоследствии строится линия отрезок, соединяющий эти две точки, при этом, координаты (хn, yn) точки pnбудут совпадать с координатами начальной точки следующей грани. Так происходит распознавание прямолинейных граней участка топологиипечатной платы.Если же участок является криволинейным, то его обработка будет значительно отличаться: исходная кривая аппроксимируется совокупностью отрезков (каждый из которых строится вышеописанным методом), число которых зависит от введенного шага дискретизации Δt, также построение точек требует наиболее приближенного расположения к исходной топологии по сравнению с другими вариантами расположения точек. При такой аппроксимации главным условием является Δt ≤ h, где: h это допуск на геометрические размеры топологии узла в соответствии с ТТ и НТД.IDEF0модель предлагаемого решения представлена на рис.2. Как видно, на вход процесса автоматизированного конвертирования файла топологии печатного узла поступают .pcbфайл и указанный шаг дискретизации Δt(предварительно задаваемый конструктором); управляющие данные государственные и отраслевые стандарты на конкретный тип продукции; механизм выполнения процесса система используемых CAD/ CAEсредств, которой оперирует инженерконструктор; выходные данные файлфрагмент с расширением .frw, представляющий собой набор проектных операций из числа функционала САПР Компас3D[8].
Рис.2.Предлагаемое решение процесса автоматизированного конвертирования .pcbфайла в файлфрагмент Компас3DДальнейшее исследование ставит своей целью достижение автоматической конвертации файла с топологией расширения .pcbв файл формата .frwбез применения кусочнолинейной аппроксимации, вместо которой планируется применение автоматического подбора криволинейных примитивов (дуга, кривая Безье, и др.).Предлагаемый подход к достижению интероперабельности в рассмотренной системе CAE / CAD программных решений позволяет передавать проектные данные не только в виде чертежа, а как совокупность проектных процедур и входящих в них операций, темсамым фиксируя и сохраняя целостной структуру принятия проектных решений, обеспечивая корректную передачу КД на последующие проектные стадии.
Ссылки на источники1.Tsygankov D.The Design Process Structural & Logical Representation in the Concurrent Engineering Infocommunication Environment/ D. Tsygankov, A. Pokhilko, A. Sidorichev, S. Ryabov, O. Kozintsev, R. Curran et al. (eds.) Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems: Proceedings of the 22st ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, IOS Press, Amsterdam, 2015, pp 595602.2.Прохорова Д.В. Автоматизированное распознавание и обработка CADсистемой .pcbтопологии печатного узла / Д.В. Прохорова, Д.Э. Цыганков // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы Международной научнотехнической конференции «INTERMATIC2015» / под ред. А.С. Сигова. Москва: МИРЭА, 2015. Ч. 5. С. 186188.3.Цыганков Д.Э. Представление процесса проектирования на базе обобщения элементарных операций до уровня семантических единиц /Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Автоматизация процессов управления. 2015. № 3. С. 8188.4.Кузнецова О.В. Метод проектирования трехмерного печатного узла / О.В. Кузнецова, Е.Б. Романова // Научнотехнический вестник информационных технологий, механикии оптики. 2011. № 3 (73). С. 105110.5.Беляева М.М. Внедрение сквозного CAD/CAM проектирования в учебный процесс подготовки специалистов в области радиоэлектроники // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM2010): Труды международной конференции. Москва, 2010. С. 133135.6.Похилько А.Ф. Построение модели классов объектов и типовых методик проектирования в интегрированной интероперабельной среде САПР/ А.Ф. Похилько // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2001. №4. С.3540.7.Кочегаров И.И. Межсистемное взаимодействие систем CAD и CAE при моделировании / И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков, В.Б. Алмаметов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. 2015. № 4 (26). С. 161166.8.Похилько А.Ф. CASEтехнология моделирования процессов с использованием средств BPWin и ERWin: учебное пособие / А.Ф. Похилько, И.В. Горбачев. Ульяновск, 2008. 120с.
Цыганков Денис Эдуардович,инженерконструктор IIкатегории особого конструкторского бюроАО«Ульяновский механический завод», г. Ульяновскd.tsyg@mail.ru
Сквозное CAE/CADпроектирование печатных узлов средствамиAltiumDesignerи Компас3D
Аннотация.Настоящая статья посвящена достижению интероперабельности при проектировании печатных узлов средствами CAEсистемы AltiumDesignerи CADсистемы Компас3D. Рассмотрена структура предлагаемого подхода к решению указанной проблемы и описан способ его программной реализации.Ключевые слова:печатный узел, проектирование, CAD, CAE, САПР, интеграция.
Важнейшим этапом проектирования печатного узла является разработка топологии печатной платы. Исходные данные к проектированию это техническое задание (ТЗ), представляющее собой схему электрическую принципиальную (Э3) и перечень элементов. Результатом проектной деятельности[1]является выпуск .pcbфайла, требуемого для изготовления фотошаблона, комплекта конструкторской документации (КД) в сопровождении с трехмерными информационными образами (3Dмоделями). Таким образом, проектирование печатного узла это комплексный процесс [2], декомпозируемый на проектные процедуры трех вышеперечисленных проектных стадий [3].Инструментами проектирования, в данном случае, должна являться такая комбинация CAxсистем [4] (CAD/CAE), которая обеспечивает минимум обращений к промежуточным проектным данным[5](а в идеальном случае система интероперабельна) и позволяет получать на выходе результирующие проектные данные в виде КД в форматах, требуемых на последующих проектных стадиях [6].В нашем случае в качестве CAEсистемы используется Altium Designer комплексная САПР радиоэлектронных средств, обеспечивающая разработку топологии требуемого качества и в требуемых форматах (.pcb).Используемая CADсистема это Компас3D, функционал которой позволяет проектировать изделие любой сложности в 3D, а потом оформлять на него комплект КД в соответствии с действующими стандартами (ГОСТ, СТП и др.).Такая CAxсистема обеспечивает функционал, достаточный для осуществления комплексного процесса проектирования печатных узлов [7]: в AltiumDesignerформируется проектное решение в виде .pcbфайла топологии узла, конвертируемое в Компас3D, в котором разрабатываются комплект КД и 3Dмоделей проектируемого изделия.В сформированнойCAxсистеме интероперабельность не может быть достигнута поцеломуряду причин, основные из которых связаны с тем, что программные решения:•относятся к разным предметным областям;•оперируют стандартами только своей предметной области;•имеют собственное закрытое ядро;•разрабатываются в разных странах разными предприятиями.Таким образом, основным недостатком данной CAxсистемы является необходимость в передаче промежуточных проектных данных файла с топологией печатного узла. «Классическое» решение данной проблемы конвертирование топологии узла в файлы открытых форматов .dxf / .dwg (AutoCADDXF/ DWG) или .igs(IGES) не позволяет фиксировать и передавать логику выполнения проектных операций, в связи с чем, дальнейшее внесение изменений в топологию потребует соответствующего конвертирования новых проектных данных.Нашей целью является автоматизация передачи проектных данных с сохранением логики принятия проектных операций из системы Altium Designer в Компас3D. Поставленная цель достигается разработанной на языке программирования C# прикладной библиотекой, которая, на основании файла с топологией (расширение файла .pcb), автоматически генерирует чертеж файл формата .frw (Компасфрагмент) с использованием семантики, заложенной в функционал системы Компас3D. Суть предлагаемого подхода к достижению совместимости систем AltiumDesignerи Компас3Dпредставлена на рис.1.
Рис.1.Автоматизированное конвертирование .pcbфайла в файлфрагмент Компас3DОсновными принципами, которыми оперируетпредлагаемая технология автоматизированного распознавания и обработки .pcbтопологии узла, являются:•топология это совокупность полигонов;•полигон участок топологии, представляющий собой замкнутый контур;•отрезок соединяет только две соседние точки;•полигон может быть представлен конечной совокупностью отрезков.Представление замкнутого контура совокупностью отрезков осуществляется таким образом, чтобы с предварительно заданным шагом дискретизации Δt, полигон (с криволинейные участки) являлся точной аппроксимацией, при которой максимальные отклонения в размерах меньше допуска на геометрические размеры топологии.Распознавание топологии начинается с формирования опорного шаблона результата конвертирования исходного .pcbфайла в формат стандартаIGES(DXF), помещаемый на системный слой (1). В дальнейшем формируется массив точек слоя (0). Происходит это следующим образом: выбирается точка начала координат p0(х0, y0), где х0и y0минимальная координата по осям xи yсоответственно (совпадающая у топологий обоих слоев). Затем, в направлении часовой стрелки через указанный интервал Δtстроятся точки p1, p2… pn, которые привязываются к объектам исходной топологии. Координаты последующих точек определяются по следующей формуле: (1)В случае, если грань участка контура отрезок (Δx 0 или Δy 0) и координаты линейно меняются на протяжении его длины, то все точки на этой длине (p1, p2, … pn) заменяется на две точки (p1, pn), являющиеся началом и концом данного отрезка, впоследствии строится линия отрезок, соединяющий эти две точки, при этом, координаты (хn, yn) точки pnбудут совпадать с координатами начальной точки следующей грани. Так происходит распознавание прямолинейных граней участка топологиипечатной платы.Если же участок является криволинейным, то его обработка будет значительно отличаться: исходная кривая аппроксимируется совокупностью отрезков (каждый из которых строится вышеописанным методом), число которых зависит от введенного шага дискретизации Δt, также построение точек требует наиболее приближенного расположения к исходной топологии по сравнению с другими вариантами расположения точек. При такой аппроксимации главным условием является Δt ≤ h, где: h это допуск на геометрические размеры топологии узла в соответствии с ТТ и НТД.IDEF0модель предлагаемого решения представлена на рис.2. Как видно, на вход процесса автоматизированного конвертирования файла топологии печатного узла поступают .pcbфайл и указанный шаг дискретизации Δt(предварительно задаваемый конструктором); управляющие данные государственные и отраслевые стандарты на конкретный тип продукции; механизм выполнения процесса система используемых CAD/ CAEсредств, которой оперирует инженерконструктор; выходные данные файлфрагмент с расширением .frw, представляющий собой набор проектных операций из числа функционала САПР Компас3D[8].
Рис.2.Предлагаемое решение процесса автоматизированного конвертирования .pcbфайла в файлфрагмент Компас3DДальнейшее исследование ставит своей целью достижение автоматической конвертации файла с топологией расширения .pcbв файл формата .frwбез применения кусочнолинейной аппроксимации, вместо которой планируется применение автоматического подбора криволинейных примитивов (дуга, кривая Безье, и др.).Предлагаемый подход к достижению интероперабельности в рассмотренной системе CAE / CAD программных решений позволяет передавать проектные данные не только в виде чертежа, а как совокупность проектных процедур и входящих в них операций, темсамым фиксируя и сохраняя целостной структуру принятия проектных решений, обеспечивая корректную передачу КД на последующие проектные стадии.
Ссылки на источники1.Tsygankov D.The Design Process Structural & Logical Representation in the Concurrent Engineering Infocommunication Environment/ D. Tsygankov, A. Pokhilko, A. Sidorichev, S. Ryabov, O. Kozintsev, R. Curran et al. (eds.) Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems: Proceedings of the 22st ISPE Inc. International Conference on Concurrent Engineering, IOS Press, Amsterdam, 2015, pp 595602.2.Прохорова Д.В. Автоматизированное распознавание и обработка CADсистемой .pcbтопологии печатного узла / Д.В. Прохорова, Д.Э. Цыганков // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы Международной научнотехнической конференции «INTERMATIC2015» / под ред. А.С. Сигова. Москва: МИРЭА, 2015. Ч. 5. С. 186188.3.Цыганков Д.Э. Представление процесса проектирования на базе обобщения элементарных операций до уровня семантических единиц /Д.Э. Цыганков, А.Ф. Похилько // Автоматизация процессов управления. 2015. № 3. С. 8188.4.Кузнецова О.В. Метод проектирования трехмерного печатного узла / О.В. Кузнецова, Е.Б. Романова // Научнотехнический вестник информационных технологий, механикии оптики. 2011. № 3 (73). С. 105110.5.Беляева М.М. Внедрение сквозного CAD/CAM проектирования в учебный процесс подготовки специалистов в области радиоэлектроники // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM2010): Труды международной конференции. Москва, 2010. С. 133135.6.Похилько А.Ф. Построение модели классов объектов и типовых методик проектирования в интегрированной интероперабельной среде САПР/ А.Ф. Похилько // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2001. №4. С.3540.7.Кочегаров И.И. Межсистемное взаимодействие систем CAD и CAE при моделировании / И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков, В.Б. Алмаметов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. 2015. № 4 (26). С. 161166.8.Похилько А.Ф. CASEтехнология моделирования процессов с использованием средств BPWin и ERWin: учебное пособие / А.Ф. Похилько, И.В. Горбачев. Ульяновск, 2008. 120с.
