Електромеханична интеграция във Fusion 360: Практичен работен процес за продуктов дизайн

Електрическото и механичното проектиране вече не са отделни дисциплини

Електромеханичното инженерство често се свързва с отделни устройства като релета, соленоиди, контактори, мотори и задвижващи механизми. Във всеки пример електрическата енергия произвежда движение или контролира механично действие.

Съвременното разработване на продукти надхвърля тези отделни компоненти. Почти всеки електронен продукт сега зависи от тясна координация между индустриален дизайн, механично инженерство, електрическо инженерство и разработка на печатни платки.

Печатната платка не може да бъде проектирана изолирано от кутията си. Конекторите трябва да се подравнят с външните отвори. Бутоните трябва да се намират зад достъпни повърхности. Дисплеите трябва да остават видими през рамките. Отворите за монтаж трябва да съвпадат с механичните издатини. Компонентите, генериращи топлина, трябва да останат в приемливи термични граници.

Кутията също не може да бъде финализирана без разбиране на печатната платка. Височините на компонентите влияят на вътрешните разстояния. Пътеките на кабелите влияят на геометрията на стените. Достъпът за обслужване определя разположението на капака. Електромагнитната съвместимост може да изисква екраниране, заземяващи елементи или разделяне между захранващи и сигнални вериги.

Тази връзка представлява по-високо ниво на електромеханична интеграция. Тя свързва физическата структура на продукта с електрическата система, която му придава функция.

Фигура 1. Представително електромеханично сглобяване, комбиниращо печатна платка, кутия, превключватели, конектори и механични крепежни елементи.

В типично сглобяване печатната платка може да бъде закрепена към формована кутия с четири винта. Два бутона могат да се подравнят с отвори на предния панел. Комуникационен жак може да преминава през друг отвор. Всяка характеристика трябва да пасва правилно преди започване на производството.

Няколко милиметра грешка могат да попречат на сглобяването. Конектор може да удари стената на кутията. Дисплей може да се намира извън зоната за гледане. Отвор за монтажен винт може да припокрива медна област. Компонент може да попречи на затварянето на капака.

Тези грешки са скъпи, защото често остават скрити, докато не се сглоби физически прототип. Към този момент печатната платка може вече да е изработена. Кутията може вече да е обработена или формована. Могат да са поръчани специални инструменти.

Интегрираната среда за проектиране помага на инженерите да откриват тези конфликти, докато продуктът все още съществува като цифрова геометрия.

Защо традиционните инженерни предавания създават предотвратим риск

Електромеханичните продукти обикновено включват няколко специалисти. Всеки специалист работи от различна техническа перспектива и управлява различни ограничения при проектирането.

Индустриалният дизайнер определя цялостния външен вид, взаимодействието с потребителя, формата и предвидената работна среда. Тази роля определя как трябва да изглежда продуктът и как хората ще го използват.

Механичният инженер превръща тази концепция в структура, която може да бъде произведена. Трябва да се вземат предвид дебелината на стените, изборът на материал, крепежните елементи, ребрата, възвишенията, уплътненията, панти и вътрешни опори.

Електроинженерът разработва архитектурата на веригата. Това включва преобразуване на захранване, кондициониране на сигнала, обработка, комуникации, защита и интерфейсна електроника.

Дизайнерът на печатни платки преобразува схемата в платка, подходяща за производство. Компонентите трябва да бъдат поставени, трасетата да се маршрутират, да се създадат равнини и да се спазят правилата за изработка.

Инженерите по производство по-късно преглеждат последователността на сглобяване, достъпа до инструменти, толерансите, тестовите точки, етикетирането и ефективността на производството.

Всяка дисциплина може да използва отделна софтуерна платформа. Механичният екип може да обменя STEP файлове. Екипът за печатни платки може да изпраща контурите на платката чрез DXF. Позициите на компонентите може да се преглеждат чрез електронни таблици, екранни снимки или коментари по имейл.

Този фрагментиран подход създава няколко повтарящи се проблема:

Геометрията остарява. Един екип може да продължи да работи с по-стара ревизия на корпуса или печатната платка.

Дизайнерското намерение става неясно. Механичен отвор може да изглежда подвижен, въпреки че е свързан с фиксиран външен конектор.

Промените изискват многократен износ. Всяка ревизия създава нов файл, нова предавка и нова възможност за объркване.

Проверките за припокриване се извършват твърде късно. Механичните и електрическите модели може да се комбинират едва в края на разработката.

Собствеността се фрагментира. Екипите може да не знаят кой модел представлява одобрената конфигурация на продукта.

Успешният работен процес трябва следователно да осигури повече от съвместимост на файловете. Той трябва да запази надеждна връзка между печатната платка, корпуса, механичните характеристики и геометрията на компонентите.

Практически пример: Компактен корпус за медицинско устройство

Помислете за компактен медицински уред, проектиран в Autodesk Fusion 360. Продуктът включва малък LCD екран, четири кръгли бутона, един квадратен конектор, два предни жакa и USB конектор отстрани.

Корпусът използва функционален индустриален вид. Външната част разчита на прости повърхности, заоблени ръбове и сдържани радиуси. Вътрешната структура съдържа ребра, монтажни възвишения, опори и елементи за задържане на кабели.

Фигура 2. Корпус на медицинско устройство, подготвен за интеграция на печатна платка и окабелени компоненти.

Продуктът изглежда прост. Въпреки това, дори малък корпус изисква много координирани решения.

LCD дисплеят трябва да се подравни с предното прозорче за гледане. Активната му зона трябва да остане видима въпреки толерансите при сглобяване. Кабелът на дисплея също се нуждае от достатъчно пространство за огъване.

Бутоните изискват правилно разстояние. Техните корпуси на превключвателите трябва да се побират зад предния панел. Ходът им трябва да съответства на всякакви формовани капачки за бутони или външни мембрани.

USB конекторът трябва да бъде поставен на правилната дълбочина. Кабелният щепсел трябва да влиза без да удря корпуса. Отворът също изисква достатъчно разстояние за различни търговски налични кабелни корпуси.

Двата предни жакове може да изискват гайки или задържащи елементи. Инструментите за сглобяване трябва да достигат тези крепежни елементи без да се пречат от печатната платка или вътрешните стени.

Монтажните издатини на печатната платка трябва да я поддържат без да създават прекомерно напрежение. Техните винтови отвори трябва да останат свободни от мед, писти и близки компоненти.

Корпусът трябва също да осигури достатъчно място за проводници, етикети, изолация и производствени толеранси.

Този пример илюстрира защо интеграцията на продукта не може да се сведе до поставяне на правоъгълна печатна платка в кутия.

Започнете с механичния обем, а не с произволен размер на платката

Първият формален етап е определянето на формата на печатната платка. Това решение трябва да следва вътрешния механичен обем, а не произволно електрическо предпочитание.

Механичният инженер започва с идентифициране на използваемото пространство вътре в корпуса. Монтажни издатини, дебелина на стените, ребра, крепежни елементи, дисплеи, превключватели, конектори и кабелни канали намаляват наличната площ за платката.

Платка, поставена твърде близо до стената на корпуса, може да създаде проблеми при сглобяване. Производствените толеранси могат да причинят случайни контакти. Ръбът на платката може също да изисква допълнително разстояние за панелизация или маршрутизиране.

Fusion 360 позволява на инженера да създаде изместена конструктивна равнина спрямо монтажните повърхности на печатната платка. Контурът на платката може да бъде скициран директно върху тази равнина.

Контурът трябва да включва повече от външния периметър. Монтажни отвори, прорези, ограничени зони, изрязвания и механични зони за забрана трябва да бъдат дефинирани рано.

Получената скица може да бъде преобразувана в печатна платка за използване в електронната среда Fusion. Това създава първоначална връзка между механичния модел и електрическия дизайн.

Фигура 3. Механичен скицник, преобразуван в двумерно определение на печатна платка.

Този подход дава на електроинженера форма на платката, базирана на реалната геометрия на продукта. Това избягва създаването на печатна платка, която по-късно налага ненужни промени в корпуса.

Контурът на платката трябва да се третира като контролиран интерфейс. Всяка по-късна промяна може да повлияе на разположението на компонентите, трасето на пистите, производствените разходи, достъпа при сглобяване и електромагнитното поведение.

Преди да се освободи контурът, механичният инженер трябва да провери няколко въпроса.

Може ли платката да бъде поставена в корпуса без да се накланя извън наличното пространство?

Може ли всеки винт да бъде поставен с предназначения инструмент?

Достъпни ли са ръбовите конектори след сглобяване?

Има ли достатъчно място за окабеляване и радиус на огъване на кабелите?

Защитени ли са крехките компоненти от механично натоварване?

Може ли платката да бъде премахната по време на обслужване без да се разкачат несвързани възли?

Най-добрият контур на печатната платка не винаги е най-големият възможен контур. Малко по-малка платка може да опрости сглобяването, да подобри въздушния поток и да осигури повече толеранс около конекторите.

Механичните зони за забрана трябва да носят ясна дизайнерска цел.

Самият контур на платката не предава всички физически ограничения. Механичният модел трябва също да идентифицира обеми, където компонентите, медта или крепежните елементи са забранени.

Например, винт за корпуса може да преминава през зоната на печатната платка. Електрическият екип трябва да осигури достатъчно разстояние около главата и вала на винта.

Отливка с ребро може да заема пространство над определена област на платката. Нископрофилните компоненти могат да се поберат под него, докато високи кондензатори или конектори не могат.

Кабелът на дисплея може да преминава през платката по време на сглобяване. Компонентите в този път могат да повредят кабела или да попречат на инсталацията.

Отделението за батерия може да споделя една страна на корпуса. Пътят за вмъкване на батерията трябва да остане свободен, дори когато батерията не присъства в крайния сглобен модел.

Тези ограничения трябва да бъдат представени като умишлена геометрия за забрана. Те не трябва да зависят от неформални коментари или екранни снимки.

Електрическите проектанти също трябва да разбират причината зад всяко ограничение. Постоянна структурна стена се различава от козметична характеристика, която може да бъде преместена. Регулирана граница на просмукване се различава от предпочитана зона за достъп при обслужване.

Ясната дизайнерска цел помага на екипите да договарят промените интелигентно. Това предотвратява инженерите да третират всяка геометрична характеристика като еднакво твърда.

Изборът на компоненти трябва да включва проверка на физическия корпус.

След получаване на дефиницията на платката, електроинженерът разработва или завършва схемата. Компонентите се избират според електрическите изисквания, наличността, жизнения цикъл, разходите и производителността.

Въпреки това, електрически подходящ компонент може да бъде механично неподходящ.

Захранващ преобразувател може да отговаря на изискванията за напрежение и ток, но да надвишава разрешената височина. Конектор може да има правилен брой щифтове, но да използва несъвместима монтажна ориентация. Кондензатор може да пасне на платката, но да попречи на затварянето на корпуса.

Затова всеки критичен уред трябва да бъде свързан с точен физически модел.

Моделът трябва да представя истинските размери на корпуса, местоположението на щифтовете, монтажната равнина, посоката на свързване на конектора и максималната височина на компонента.

Качеството на модела е важно. Опростен правоъгълен блок може да поддържа основно откриване на сблъсъци. Той може да не показва движение на заключващия механизъм, разстояние за кабелно покритие, достъп до винтове или производствени вариации.

Компонентите с външни взаимодействия изискват специално внимание:

Свързващи елементи трябва да се подравняват с отворите и да позволяват вмъкване на кабели.

Дисплеи трябва да се подравняват с прозорците, рамките и сензорните повърхности.

Превключватели трябва да съответстват на механичните задвижващи елементи и необходимия ход.

LED диоди трябва да са подравнени с оптични тръби или отвори на панела.

Радиатори трябва да останат свободни от стени и ограничения на въздушния поток.

Трансформатори и индуктивности могат да създадат проблеми с височина, тегло и вибрации.

Клемни блокове изискват достъп за окабеляване и място за отвертка.

Обслужваеми компоненти изискват пространство за отстраняване и достъп за човек.

След като пакетите на компонентите са избрани, те могат да бъдат поставени и от двете страни на печатната платка. След това платката може да бъде прегледана като триизмерна конструкция.

Решенията за разположение се ръководят от повече от електрическата свързаност

Поставянето на компоненти често се описва като проблем на електрическа оптимизация. Проектиращите минимизират дължината на трасетата, управляват пътищата за връщане, отделят шумни вериги и позиционират компоненти за развързване близо до техните натоварвания.

Тези съображения остават съществени. Въпреки това геометрията на корпуса въвежда още един набор от ограничения.

Регулатор на напрежение може да трябва да бъде поставен близо до входа на батерията. Може също да изисква въздушен поток или топлопроводимост към корпуса.

Комуникационен конектор може да трябва да се подравни с външно отваряне. Неговото разположение може да бъде механично фиксирано преди започване на маршрутирането.

Акселерометър, използван за мониторинг на машини, може да изисква специфична ориентация. Може също да се нуждае от изолация от вибриращи вентилатори или превключващи магнитни елементи.

Високоволтовият участък може да изисква отделяне от нисковолтовите интерфейси. Механични прегради или заземяващи елементи могат да повлияят на крайното разположение.

Контролите, предназначени за потребителя, трябва да останат достъпни. Вътрешните диагностични конектори може да изискват достъп за техник, но без външно отваряне.

Това съчетание от електрически и механични приоритети създава йерархия на разположение.

Първо, поставете компоненти с фиксирани външни интерфейси. Това включва конектори, дисплеи, превключватели, индикатори, антени и външни сензори.

Второ, поставете устройства, свързани с механични или термични характеристики. Това може да включва радиатори, точки за заземяване на шасито, тежки трансформатори или компоненти, прикрепени към термични подложки.

Трето, поставете електрически критични компоненти. Захранващи етапи, осцилатори, аналогови предни части, памет и високоскоростни интерфейси често имат строги изисквания за разположение.

Накрая поставете гъвкави компоненти като резистори, малки кондензатори и общи логически устройства.

Тази йерархия намалява по-късните смущения. Преместването на един конектор след маршрутирането може да наложи десетки промени по трасетата. Преместването на пасивен компонент обикновено създава много по-малко преработки.

Малко изместване на USB може да предизвика голямо преработване

След първоначалното поставяне, цялата печатна платка трябва да бъде вкарана в триизмерната механична конструкция.

В примерното устройство този преглед показва, че USB конекторът не е подравнен с отварянето на корпуса.

Фигура 4. Първоначалното разположение на USB конектора не съвпада с механичното отваряне.

Конфликтът изглежда прост. Въпреки това, ефектът му зависи от момента на откриване.

Преди маршрутирането конекторът обикновено може да се премести с ограничени усилия. Схемата остава непроменена. Близките компоненти може да се наложи да се преместят леко.

След маршрутирането преместването на конектора може да наруши диференциалните двойки, пътищата за връщане на земя, пътеките за захранване, екранирането и близките компоненти.

След изработката на прототипа промяната може да изисква нова ревизия на платката и още един прототип на корпуса.

След инструменталната обработка конфликтът с конектора може да се превърне в сериозен търговски проблем.

Затова проверката на критичното поставяне трябва да се извърши преди започване на детайлното маршрутиране.

Коригирайте интерфейса преди заключване на електрическото оформление.

Механичният екип преглежда конфликта и предоставя точни инструкции за корекция. В този пример USB конекторът трябва да се премести на противоположната страна на платката и да се измести приблизително с 100 мил по оста Y.

Електрическият дизайнер актуализира местоположението на компонента и връща платката към механичния монтаж.

Фигура 5. Коригирано поставяне на конектора, подравнено с отвора на корпуса.

Конекторът вече е правилно подравнен, но само подравняването не е достатъчно.

Екипът трябва да симулира вмъкването на кабела. Комерсиалните USB щепсели използват различни размери на обвивката. Отвор, който приема един кабел, може да отхвърли друг.

Дълбочината на конектора също трябва да бъде прегледана. Конектор, поставен твърде дълбоко в корпуса, може да попречи на пълното свързване. Конектор, поставен твърде навън, може да изпита механично натоварване.

Всякакви монтажни уши или защитни елементи трябва да останат достъпни по време на запояване и инспекция.

Отворът на корпуса може също да изисква облекчение на ръбовете. Остри геометрии могат да повредят кабелите или да попречат на вмъкването под ъгъл.

Тази проверка превръща визуалната проверка на подравняването в практическа оценка на използваемостта.

Критичните компоненти трябва да бъдат заключени преди маршрутирането на трасетата.

След като всички външно ограничени и механично критични компоненти бъдат одобрени, техните местоположения трябва да бъдат заключени.

Заключването предотвратява случайно преместване по време на електрическа оптимизация. То също така показва, че всяка по-късна промяна изисква междудисциплинарен преглед.

Електроинженерът може след това да маршрутизира сигналите около фиксираните интерфейси.

По-малко критичните устройства могат да останат подвижни. Резистори, кондензатори и други малки компоненти често могат да се преместят, за да се подобри потокът на трасето или да се намали задръстването.

Високоскоростните вериги изискват внимателно внимание. Диференциалните двойки трябва да запазят контролирана геометрия. Пътеките на часовника трябва да останат къси. Връщащите токове трябва да имат непрекъснати референтни равнини.

Пътеките за захранване трябва да поддържат необходимия ток. Топлинното облекчение, теглото на медта, броят на връзките и ширината на проводника трябва да са подходящи.

Аналоговите области може да изискват отделяне от секциите за превключващо захранване. Чувствителните входове трябва да избягват шумни магнитни компоненти и бързи цифрови ръбове.

Тези електрически изисквания трябва да бъдат удовлетворени без да се нарушават вече дефинираните механични ограничения.

Насочената платка трябва да се върне към механичното сглобяване.

Завършването на насочването на трасетата не приключва електромеханичния процес. Финално насочената платка трябва да се върне към триизмерния модел на продукта.

Тази окончателна актуализация може да включва компоненти, които са се преместили по време на насочването на кабелите. Може също да включва ревизирани медни зони, добавен монтажен хардуер, защитни части, тестови конектори или производствени функции.

Механичният екип трябва да извърши още един пълен преглед за интерференции.

Прегледът трябва да разгледа пространството между компонентите и стените, затварянето на капака, достъпа до крепежните елементи, насочването на кабелите, мястото за етикети и последователността на сглобяване.

Платката може да пасне вътре в корпуса, но да е невъзможна за монтаж. Например, USB конекторът може да изисква платката да влезе под ъгъл, преди да бъде спусната върху монтажните стълбове.

Fusion 360 може да се използва за изследване на това движение през корпуса. Инженерите могат да определят дали близките стени, ребра или конектори блокират пътя на вмъкване.

Този тип динамично мислене при сглобяване е от съществено значение. Статичен модел без сблъсъци не гарантира производим продукт.

Последователността на сглобяване е част от архитектурата на продукта.

Всяко електромеханично изделие има последователност на сглобяване, независимо дали е планирана или открита на производствената линия.

Добрата последователност позволява монтаж на компонентите без прекомерно боравене, временно деформиране или специализирани инструменти.

Лошата последователност може да изисква операторите да огъват кабелите рязко, да държат няколко части едновременно или да монтират скрити крепежни елементи.

Екипът по дизайн трябва да документира предвидената последователност преди окончателното пускане.

За примерното устройство една възможна последователност може да бъде:

Монтирайте дисплея и компонентите на предния панел.

Закрепете окабелените жакове и насочете кабелите им.

Вкарайте платката под необходимия ъгъл.

Подравнете USB конектора с страничния отвор.

Спуснете платката върху монтажните стълбове.

Монтирайте винтовете на платката с одобрения въртящ момент.

Свържете вътрешното окабеляване и проверете предпазата от опън.

Затворете корпуса и извършете функционално тестване.

Прегледът на тези стъпки дигитално може да разкрие проблеми с достъпа преди изготвянето на производствената документация.

Пространството за конектора трябва да включва и съответстващия компонент.

Честа грешка в дизайна е моделирането само на конектора на платката, без съответстващия му щепсел.

Гнездото може да пасне перфектно вътре в корпуса. Реалният кабелен монтаж може да изисква много повече място.

Индустриалните конектори често включват заключващи винтове, защипки, предпазни маншети или ъглови изходи. Клемните блокове изискват пространство за огъване на проводниците и достъп с инструменти.

Ethernet конекторите може да изискват пространство за защипката RJ45. Кръглите конектори може да се нуждаят от място за ръчно затягане. Отстранимите клеми трябва да имат пространство за изваждане.

Прегледите на дизайна следва да включват представителни свързващи компоненти.

За продукти, използващи няколко доставчика на кабели, екипът трябва да моделира най-големия одобрен обем на конектора. Това намалява проблемите с полевата съвместимост.

Радиусът на огъване на кабела също е важен. Гъвкав кабел не винаги може да се завие веднага след излизане от конектора. Прекомерното огъване може да повреди проводниците или да създаде дългосрочно напрежение.

Тези въпроси са особено важни за индустриално оборудване за движение, управление и комуникация. Инженерите, оценяващи заместителен хардуер, може също да трябва да сравнят достъпа до конекторите при различни платформи за задвижване и управление на движение.

Термичният дизайн трябва да започне по време на разполагането

Управлението на топлината не може да се отлага до завършване на корпуса.

Захранващи преобразуватели, процесори, моторни драйвери, комуникационни устройства и подсветки на дисплеи могат всички да генерират топлина. Техните позиции влияят на локалните температури и общия въздушен поток.

Техническите листове на компонентите може да посочват работни температурни граници. Въпреки това, температурата на околния въздух не винаги представлява вътрешната температура на съединението.

Плътно разположените източници на топлина могат да създадат локални горещи точки. Запечатан корпус може да задържи топлината. Пластмасовите стени може да осигурят малка топлопроводимост.

Fusion 360 позволява механичният модел да включва радиатори, вентилационни отвори, термични подложки и проводими пътища.

Оформлението на печатната платка може да подпомогне термичното управление чрез разпръскване на мед, термични отвори и разделяне на компонентите.

Трябва да се прегледат няколко въпроса:

Къде влиза топлината в корпуса?

Може ли естествената конвекция да движи въздуха през вътрешния обем?

Разположени ли са температурно чувствителни компоненти близо до основни източници на топлина?

Може ли топлината да се прехвърля в шасито или стената на корпуса?

Ще попречат ли прах, влага или регулаторни изисквания на вентилацията?

Изисква ли продуктът охлаждане с вентилатор и как ще се открива повреда на вентилатора?

Термичният дизайн често изисква компромис. Преместването на мощно устройство по-близо до стената на корпуса може да подобри топлопроводимостта, но усложнява електрическото маршрутизиране.

Интегрираният модел прави тези компромиси видими за всяка дисциплина.

Електромагнитната съвместимост има и механично измерение

Електромагнитната съвместимост често се разглежда като проблем на маршрутизацията на печатната платка. На практика дизайнът на корпуса силно влияе върху емисиите и имунитета.

Поставянето на конекторите влияе на свързването на кабелите. Завършването на екрана влияе на пътищата на високочестотния ток. Шевовете на корпуса могат да се превърнат в излъчващи процепи.

Захранващите и сигналните кабели не трябва да се насилват през един и същ ограничен път. Чувствителните аналогови връзки може да изискват разделяне от моторни или превключващи проводници.

Метален корпус може да осигури екраниране, но само когато капаците, шевовете, крепежните елементи и заземителните точки са проектирани правилно.

Пластмасов корпус може да изисква вътрешно екраниране, проводими покрития, филтрирани конектори или внимателен контрол на общия режим.

Защитните земни и шасийни връзки трябва да останат механично надеждни. Точка за заземяване не трябва да зависи от проникване на боя или неконтролирано налягане на контакт.

Моделът на печатната платка трябва да идентифицира връзките към шасито и зоните за прекъсване на екрана. Механичният модел трябва да запази нискоимпедансни пътища към корпуса.

Тези характеристики трябва да се прегледат преди тестовете за съответствие на прототипа. Късните електромагнитни промени могат да засегнат както инструменти за печатни платки, така и за корпуси.

Възможността за обслужване изисква пространство, което не се вижда на схемата.

Продуктът може да е произвеждан, но труден за поддръжка.

Техниците по обслужване може да се нуждаят от достъп до предпазители, батерии, сменяема памет, диагностични портове, клемни блокове или сменяеми комуникационни модули.

Механичният дизайн трябва да осигури достатъчно пространство за ръце, инструменти и резервни части.

Предпазител може да е видим, но невъзможен за сваляне с обикновени клещи. Винт на клема може да е зад сноп кабели. Диагностичен конектор може да изисква сваляне на цялата печатна платка.

Достъпът за обслужване трябва да се моделира с реалистични обеми на инструментите.

Дизайнерите трябва също да вземат предвид условията на полето. Индустриалните техници може да носят ръкавици. Осветлението може да е ограничено. Оборудването може да остане монтирано вътре в контролен шкаф.

Конекторите трябва да са разпознаваеми. Поляризацията трябва да предотвратява неправилно включване. Етикетите трябва да остават видими след окабеляване.

Когато възможността за обслужване се включи рано, крайният продукт става по-лесен за поддръжка през целия му експлоатационен живот.

Анализът на толерансите предотвратява фалшивото доверие в перфектната CAD геометрия.

Цифровите модели обикновено представят номинални размери. Физическите части винаги включват вариации.

Толерансите на трасетата на печатната платка, толерансите на отворите, свиването на формованите корпуси, луфтът на крепежните елементи, позицията на конектора и вариациите при сглобяване могат всички да повлияят на пасването.

Номинално подравнен конектор може да се измести при производството. Платка, която едва минава през стена, може да я докосне в някои сглобки.

Критичните интерфейси следователно изискват толерансни маржове.

Екипът по дизайн трябва да идентифицира размерните вериги между монтажните елементи и външните интерфейси. Подравняването на конекторите трябва да се реферира от същите механични референтни точки, използвани по време на сглобяването.

Отворите за монтаж могат да използват контролирано луфтиране за позволяване на регулиране. Отворите може да изискват допълнително пространство около търговските конектори.

Въпреки това, прекомерният луфт може да намали външния вид, защитата срещу проникване или механичната поддръжка.

Анализът на толерансите помага на инженерите да изберат балансиран дизайн, вместо да разчитат на визуална инспекция.

Дизайнът за производство трябва да обхваща както платката, така и корпуса.

Дизайнът на печатни платки за производство включва разстояние между писти, ануларни пръстени, размери на отвори, разстояние на защитната маска, разстояние между компоненти и изисквания за сглобяване.

Механичният дизайн за производство включва дебелина на стените, ъгли на наклон, достъп на режещия инструмент, радиус на огъване, поведение на материала и методи за закрепване.

Електромеханичното производство комбинира и двата домейна.

Например, конектор може да изисква вълнова запояване. Позицията му в кутията трябва да остане съвместима с процеса на запояване и последващо почистване.

Висок компонент може да създаде сянка по време на автоматизирана оптична инспекция. Механична скоба може да блокира достъпа до тестова точка.

Конекторите с натягане генерират сила при вмъкване. Платката и кутията трябва да издържат тази сила без прекомерно огъване.

Тежките компоненти може да изискват допълнително закрепване по време на вибрации. Лепила, скоби или скрепителни елементи може да се нуждаят от място в кутията.

Конформното покритие може да изисква зони без покритие около конектори, тестови точки и заземителни контакти.

Производственото тестване може да изисква достъп с пого-пинове. Тестовите приспособления се нуждаят от надеждни механични опорни точки и незатруднени контактни зони.

Тези изисквания трябва да бъдат добавени преди продуктът да достигне до окончателното пускане.

Индустриално казусно проучване: Отдалечен възел за мониторинг на машини

Помислете за компактен възел за мониторинг на състоянието, инсталиран близо до въртяща се машина.

Устройството може да събира вибрационни, температурни и скоростни сигнали. Може да комуникира чрез индустриален Ethernet или друга заводска мрежа.

Електрическият дизайн включва аналогова обработка на сигнали, обработка, изолация, комуникации, преобразуване на захранване и защитна електроника.

Механичният дизайн трябва да се справи с кабелни щуцери, прекъсване на екрана, уплътняване на кутията, ориентация на монтажа и въздействие на околната среда.

Входовете на сензорите трябва да останат отделени от шумни захранващи вериги. Екраните на кабелите изискват обмислена стратегия за свързване. Кутията трябва да осигури място за полевото окабеляване и радиус на огъване.

Конекторът може да е електрически правилен, но неподходящ за техници, носещи ръкавици. Компактна кутия може да намали разходите, но да затрудни достъпа до клемите.

Възелът може също да изисква твърда монтажна повърхност. Механичните вибрации от машината могат да влияят на чувствителната вътрешна електроника.

Интегрираният преглед позволява на екипа да анализира тези взаимодействия преди изграждането на хардуера.

Инженерите, работещи с вече съществуващи системи в завода, могат също да сравнят физическите изисквания за интеграция на различни компоненти за мониторинг на машини.

Индустриално казусно проучване: Компактен шлюз за серво управление

Вторият пример е шлюз, свързващ контролер на машина с няколко серво задвижвания.

Устройството може да съдържа индустриални Ethernet портове, изолирани серийни комуникации, цифрови входове, индикатори за състояние и 24 VDC захранващ вход.

Комуникационните конектори изискват достъп от предния панел. Индикаторните светодиоди трябва да са подравнени с оптични тръби или прозорци за наблюдение. Захранващият конектор се нуждае от пространство за окабеляване.

Процесорът и мрежовите устройства могат да генерират концентрирана топлина. Изолационните компоненти създават бариери за разполагане. Високоскоростните сигнали изискват контролирано маршрутизиране.

Кутията може да се монтира на DIN шина. Това създава ограничения по отношение на ширината, достъпа до заключващия механизъм и съседното оборудване.

Тесен корпус изглежда привлекателен, защото спестява място в шкафа. Но недостатъчната ширина може да принуди конекторите да бъдат на няколко страни и да усложни окабеляването.

Fusion 360 може да поддържа оценка на формата на платката, ориентацията на конектора, монтаж на релсата и последователността на сглобяване в един продуктов модел.

Екипът може да сравни дизайн с една платка с дизайн с подредени платки. Подреденият дизайн може да намали ширината, но да увеличи сложността на конекторите и топлинната плътност.

Тези компромиси стават по-лесни за оценка, когато електрическата и механичната геометрия остават свързани.

Индустриално казусно проучване: Разпределена I/O за сурови среди

Разпределена I/O единица създава още един изискващ интеграционен проблем.

Продуктът може да комбинира цифрови входове, аналогови канали, релейни изходи, комуникации и кондициониране на захранването.

Полевото окабеляване изисква значително пространство за терминали. Границите на изолация влияят върху разположението на PCB. Релейните компоненти могат да създадат проблеми с височината и топлината.

Ако корпусът изисква висока степен на защита срещу проникване, външните отвори трябва да бъдат сведени до минимум. Конекторите, уплътненията и кабелните щуцери стават част от стратегията за запечатване.

Механичните прегради могат да отделят опасни напрежения от нисковолтовата електроника. Изискваните разстояния за просмукване и изолация трябва да останат непокътнати както в PCB, така и в корпуса.

Материалът на корпуса трябва да издържа на химикали, вибрации, температурни промени и ултравиолетово излъчване, където е приложимо.

Сервизните екипи може да се нуждаят от подмяна на електрониката без разкачане на полевото окабеляване. Това изискване може да доведе до архитектура с подвижен терминал или базова единица.

Такова решение влияе върху избора на конектор, формата на PCB, инструменталната екипировка на корпуса и цената на продукта.

Ранното електромеханично моделиране помага на екипа да оцени тези архитектурни избори, преди да станат скъпи ангажименти.

Управлението на промените е толкова важно, колкото и обменът на геометрия.

Интегрираната платформа намалява предаването на файлове, но екипите все още се нуждаят от дисциплиниран контрол на версиите.

Всеки основен интерфейс трябва да има ясно определен собственик. Отворът на корпуса може да принадлежи на механичния екип, докато отпечатъкът на конектора – на електрическия екип.

Промяна в който и да е елемент трябва да задейства преглед от двете групи.

Дизайнерските етапи могат да установят контролирани състояния:

Състояние на концепция: геометрията остава гъвкава, докато се изследва архитектурата.

Състояние на интерфейс: контурът на платката, конекторите, дисплеите и монтажните точки стават контролирани.

Състояние на маршрутизиране: критичните местоположения на компонентите са заключени.

Състояние на валидиране: завършени са термични, механични, електрически и производствени проверки.

Състояние на пускане: производствените данни съвпадат с одобрения интегриран модел.

Всяко състояние трябва да определи кои промени са разрешени и кой трябва да ги одобри.

Екипите трябва да избягват неконтролирани копия на експортирана геометрия. STEP файл, запазен на локален компютър, бързо може да остарее.

Бележките за ревизия трябва да описват техническото въздействие, а не само да посочват, че компонентът е преместен. Бележката трябва да обясни защо е преместен и кои интерфейси са били повторно валидирани.

Междудисциплинарните прегледи трябва да следват продуктовите интерфейси.

Много прегледи на дизайна са организирани по дисциплини. Електроинженерите преглеждат схемата. Механичните инженери преглеждат кутията. Дизайнерите на печатни платки преглеждат разположението.

Електромеханичните прегледи трябва да се фокусират върху интерфейсите.

Прегледът на конекторите трябва да включва разположението на конектора, геометрията на отвора, разстоянието за кабелите, екранирането, уплътнението, етикетирането и достъпа при монтажа.

Прегледът на дисплея трябва да включва активната площ, ъгъла на виждане, натиска при монтаж, маршрутизацията на кабелите, оптичната яснота и възможността за сервизна подмяна.

Термичният преглед трябва да включва загубите на компонентите, разпределението на медта, въздушния поток, проводимостта на кутията, околните условия и температурните ограничения.

Прегледът на заземяването трябва да включва референтния потенциал на веригата, свързването на шасито, екранирането на кабелите, контакта на крепежните елементи и регулаторните изисквания.

Този метод, базиран на интерфейси, разкрива проблеми, които прегледите по дисциплини могат да пропуснат.

Практичен контролен списък за електромеханичен преглед.

Преди да започне маршрутизацията, проверете следните елементи:

Контурът на печатната платка съответства на одобрената механична обвивка.

Отворите за монтаж са подравнени с издатините и хардуера на кутията.

Критичните забранени зони са дефинирани и разбрани.

Конекторите са подравнени с отворите си.

Свързващите щепсели имат достатъчно пространство за вмъкване и изваждане.

Дисплеите, превключвателите и индикаторите са правилно подравнени.

Високите и тежки компоненти имат достатъчно разстояние.

Термичните устройства имат определен път за отстраняване на топлината.

Маршрутизацията на кабелите и радиусът на огъване са взети под внимание.

Инструментите за монтаж могат да достигнат всеки необходим крепежен елемент.

След маршрутизацията проверете следните допълнителни елементи:

Нито един компонент не е преместен в механична забранена зона.

Платката може да следва предвидения път на вмъкване.

Кутията се затваря без притискане на кабелите.

Крепежните елементи могат да бъдат монтирани с производствени инструменти.

Тестовите точки остават достъпни.

Заземителните и екраниращите функции остават непокътнати.

Регулаторните одобрения не са компрометирани.

Одобрената ревизия на печатната платка съответства на механичния монтаж.

Производственият пакет съответства на валидирания продуктов модел.

Тестването на прототипа трябва да потвърди цифровите предположения.

Цифровата интеграция намалява риска, но не премахва необходимостта от прототипи.

Физическите прототипи разкриват поведението на материалите, гъвкавостта на кабелите, усещането при свързване, видимостта на дисплея, достъпа до крепежните елементи и вариациите при монтажа.

Първият прототип трябва да се третира като инструмент за валидиране, а не като демонстрационен образец.

Инженерите трябва да записват всяко неочаквано взаимодействие. Дори малка трудност при монтажа може да се превърне в голям производствен проблем при по-големи обеми.

Прегледът на прототипа трябва да включва представители от електрическия, механичния, производствения, качествения и сервизния екип.

Екипът трябва да сравни физическия монтаж директно с интегрирания CAD модел.

Всяко несъответствие може да показва неправилен модел на компонент, остаряла ревизия, производствено отклонение или непълно предположение за толеранс.

Корекциите трябва да се връщат към цифровия модел. Прототипът не трябва да се превръща в отделен източник на недокументирани модификации.

Където Fusion 360 предоставя най-голяма стойност

Fusion 360 предлага особена стойност, когато електрическите и механичните дизайнерски решения остават тясно свързани.

Компактните устройства печелят, защото малки геометрични конфликти могат да засегнат цялата архитектура.

Продуктите с много външни интерфейси печелят, защото разположението на конектори, дисплеи, превключватели и индикатори трябва да остане синхронизирано.

Индустриалното оборудване с нисък обем печели, защото екипите може да нямат отделни корпоративни платформи за всяка инженерна дисциплина.

Бързо разработените прототипи печелят, защото дизайнът може да се променя често по време на ранните тестове.

Продуктите с персонализирани корпуси печелят, защото механичните елементи могат да отговарят директно на изискванията на печатната платка.

Платформата също поддържа по-последователен работен процес. Механичната геометрия може да дефинира печатната платка. Електрическото разполагане може да се върне към корпуса. И двата екипа могат да преглеждат един и същ контекст на продукта.

Тази непрекъснатост намалява броя на ръчните експорти и ограничава риска от преглед на остаряла геометрия.

Интеграцията не замества инженерната преценка.

Споделената дизайнерска платформа не произвежда автоматично надежден продукт.

Все още са необходими точни модели на компонентите. Зоните за забрана трябва да бъдат правилно дефинирани. Електрическите ограничения трябва да се спазват. Механичните толеранси трябва да са реалистични.

Инженерите трябва също да разбират производствените процеси, материалите, регулаторните изисквания и условията на полето.

Автоматизираното откриване на пречки може да идентифицира припокриващи се твърди тела. Може да не разпознае недостъпен винт, неприемливо огъване на кабел или объркваща процедура за обслужване.

Термалният анализ зависи от разумни предположения за мощност и материали. Електромагнитните характеристики все още изискват специализирана дизайнерска преценка и физически тестове.

Софтуерът подобрява координацията. Той не замества техническата отговорност.

По-ефективен метод за разработка на продукти

Надежден електромеханичен процес може да се обобщи чрез няколко свързани етапа.

Започнете с функцията на продукта и индустриалния дизайн. Определете как продуктът ще се използва, монтира, свързва и обслужва.

Създайте механичния обем. Включете стени на корпуса, монтажни елементи, потребителски интерфейси и ограничения за инсталация.

Определете очертанията на печатната платка от този обем. Включете монтажни отвори, изрези и зони за забрана.

Разработете схемата и изберете физически валидирани компоненти.

Поставете първо механично фиксираните компоненти. Прегледайте конектори, дисплеи, превключватели, индикатори и термални интерфейси.

Върнете първоначалната печатна платка към механичния монтаж. Отстранете всички основни пречки преди маршрутизирането.

Заключете критичните позиции на компонентите. Завършете разположението на сигналите, захранването и заземяването.

Връщайте маршрутизирания PCB за окончателна механична валидация.

Преглеждайте последователността на сглобяване, достъпа за обслужване, топлинното поведение, толерансите и производствените изисквания.

Изграждайте прототипи и ги сравнявайте с одобрения цифров модел.

Пускайте производствени данни само след като електрическите и механичните конфигурации са синхронизирани.

Заключение

Електромеханичната интеграция не е проверка за съвместимост на последен етап. Това е непрекъснат инженеринг процес, който започва с архитектурата на продукта и продължава до пускането в производство.

Почти всеки електронен продукт зависи от успешна връзка между PCB, корпус, свързващи елементи, контроли, окабеляване, топлинна система и метод на сглобяване.

Fusion 360 поддържа тази връзка, като запазва механичния дизайн, определението на PCB, поставянето на компоненти и триизмерната валидация в свързана среда.

Практичният работен процес започва с индустриален дизайн и разработка на корпус. Механичният екип определя формата на PCB. Електрическият екип избира и поставя компонентите. Цялата платка се връща към механичния модел за преглед на интерференциите.

Детайлното маршрутизиране трябва да започне едва след като критичните интерфейси бъдат валидирани. След това маршрутизираният PCB трябва да се върне за окончателни проверки на сглобяване, разстояния, топлинни и производствени изисквания.

Този подход намалява ненужните предавания, ограничава объркването при ревизии и открива конфликти преди те да достигнат до производство или инструменти.

Най-важният резултат не е просто по-бърза работа с CAD. Това е по-добра инженерна комуникация.

Когато електрическите и механичните екипи работят с общо определение на продукта, дизайнерските решения стават видими в контекст. Свързвачът вече не е само схематичен символ. Той се превръща в електрически интерфейс, механичен отвор, път за кабели, точка за екраниране, елемент на сглобяване и въпрос за обслужване.

Този по-широк поглед помага на екипите да създават продукти, които пасват правилно, се сглобяват надеждно, работят безопасно и остават практични през целия си експлоатационен живот.

Допълнителна информация за интегрираните механични и електронни възможности на Autodesk Fusion 360 е налична чрез официалния ресурс за продукта Autodesk Fusion 360.