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

Електрическият и механичният дизайн вече не са отделни дисциплини

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

Съвременната разработка на продукти се простира далеч отвъд тези отделни компоненти. Почти всеки електронен продукт вече зависи от тясната координация между индустриалния дизайн, механичното инженерство, електротехниката и разработването на печатни платки.

Печатната платка не може да бъде проектирана независимо от корпуса. Конекторите трябва да се подравняват с външните отвори. Бутоните трябва да се намират зад достъпни повърхности. Дисплеите трябва да остават видими през рамките. Монтажните отвори трябва да съвпадат с механичните стойки. Компонентите, които отделят топлина, трябва да остават в приемливи топлинни граници.

Корпусът също не може да бъде финализиран без разбиране на печатната платка. Височината на компонентите влияе върху вътрешните хлабини. Траекториите на кабелите влияят върху геометрията на стените. Достъпът за сервизно обслужване определя разположението на капака. Електромагнитната съвместимост може да изисква екраниране, заземяващи елементи или разделяне на силовите и сигналните вериги.

Тази взаимовръзка представлява по-високо ниво на електромеханична интеграция. Тя свързва физическата структура на продукта с електрическата система, която осигурява неговата функционалност.

Фигура 1. Представителен електромеханичен монтаж, съчетаващ печатна платка, корпус, превключватели, конектори и механични крепежни елементи.

При типичен монтаж печатната платка може да бъде закрепена към лят корпус с четири винта. Два бутона могат да се подравнят с отвори в предния панел. Комуникационен жак може да преминава през друг отвор. Всеки елемент трябва да пасва правилно, преди да започне производството.

Грешка от няколко милиметра може да попречи на сглобяването. Конектор може да опре в стената на корпуса. Дисплей може да се окаже извън зоната за гледане. Монтажен отвор може да се припокрие с медна зона. Компонент може да попречи на затварянето на капака.

Тези грешки са скъпи, защото често остават скрити, докато не бъде сглобен физически прототип. До този момент печатната платка може вече да е произведена. Корпусът може вече да е обработен или отлят. Възможно е 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 традиционното предаване на проектантската работа създава предотвратим риск

Електромеханичните продукти обикновено включват няколко специалисти. Всеки специалист работи от различна техническа гледна точка и управлява различни проектантски ограничения.

Индустриалният дизайнер определя цялостния външен вид, взаимодействието с потребителя, формата и предвидената среда за експлоатация. Тази роля определя как трябва да изглежда продуктът и как хората ще боравят с него.

Механичният инженер превръща тази концепция в конструкция, която може да бъде произведена. Трябва да бъдат взети предвид дебелината на стените, изборът на материал, крепежните елементи, ребрата, монтажните цилиндри, уплътненията, пантите и вътрешните опори.

Електроинженерът разработва архитектурата на схемата. Това включва преобразуване на захранването, обработка на сигнали, обработка на данни, комуникации, защита и интерфейсни схеми.

Проектантът на печатната платка преобразува схемата в платка, подходяща за производство. Компонентите трябва да бъдат разположени, пистите — прокарани, полигоните — създадени, а правилата за производство — спазени.

По-късно инженерите по производството преглеждат последователността на сглобяване, достъпа за инструментите, допуските, тестовите точки, етикетирането и производствената ефективност.

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

Този фрагментиран подход създава няколко повтарящи се проблема:

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

Проектантската идея става неясна. Един механичен отвор може да изглежда подвижен, въпреки че е свързан с фиксиран външен конектор.

Промените изискват многократен експорт. Всяка редакция създава нов файл, ново предаване и нова възможност за объркване.

Проверките за интерференции се извършват твърде късно. Механичните и електрическите модели може да бъдат комбинирани едва към края на разработката.

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

Следователно успешният работен процес трябва да осигурява повече от съвместимост на файловете. Той трябва да запазва надеждна връзка между печатната платка, корпуса, механичните елементи и геометрията на компонентите.

Практически пример: Корпус на компактно медицинско устройство

Нека разгледаме компактно медицинско устройство, проектирано в Autodesk Fusion 360. Продуктът включва малък LCD екран, четири кръгли бутона, един квадратен конектор, два жака, насочени към предната страна, и USB конектор отстрани.

Корпусът има функционален индустриален вид. Външната му част се основава на прости повърхнини, заоблени ръбове и сдържани скруглявания. Вътрешната структура съдържа ребра, монтажни цилиндри, опори и елементи за задържане на кабелите.

Фигура 2. Корпус на медицинско устройство, подготвен за интегриране на печатна платка и свързани компоненти.

Продуктът изглежда прост. Въпреки това дори малкият корпус изисква множество съгласувани решения.

LCD дисплеят трябва да бъде подравнен с предния прозорец за наблюдение. Активната му област трябва да остане видима въпреки монтажните допуски. Кабелът на дисплея също се нуждае от достатъчно пространство за огъване.

Бутоните изискват правилно разстояние между тях. Корпусите на превключвателите трябва да се побират зад предния панел. Ходът им трябва да съответства на формованите капачки на бутоните или на външните мембрани.

USB конекторът трябва да бъде разположен на правилната дълбочина. Щепселът на кабела трябва да влиза, без да се удря в корпуса. Отворът трябва също да осигурява достатъчно отстояние за различни предлагани на пазара корпуси на кабели.

Двата предни жака може да изискват гайки или фиксиращи елементи. Инструментите за сглобяване трябва да достигат тези крепежни елементи, без да се препречват от печатната платка или вътрешните стени.

Монтажните стойки на печатната платка трябва да поддържат платката, без да създават прекомерно напрежение. Отворите за винтовете им трябва да останат свободни от мед, проводници и близко разположени компоненти.

Корпусът трябва също да осигурява достатъчно място за проводници, етикети, изолация и производствени допуски.

Този пример показва защо интегрирането 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 официален 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 определяне на използваемото пространство вътре в корпуса. Монтажните стойки, дебелината на стените, ребрата, крепежните елементи, дисплеите, превключвателите, конекторите и кабелните канали намаляват наличната площ за платката.

Платка, разположена твърде близо до стената на корпуса, може да създаде проблеми при сглобяването. Производствените допуски могат да причинят периодичен контакт. Ръбът на платката може също да изисква допълнително отстояние за панелизация или фрезоване.

Fusion 360 позволява на инженера да създаде отместена конструктивна равнина спрямо монтажните повърхности на печатната платка. След това контурът на платката може да бъде скициран директно върху тази равнина.

Контурът трябва да включва повече от външния периметър. Монтажните отвори, прорезите, ограничените зони, изрезите и механичните забранени зони трябва да бъдат дефинирани още в началото.

Получената скица може да бъде преобразувана в печатна платка за използване в средата за електронно проектиране на Fusion. Това създава първоначална връзка между механичния модел и електрическия дизайн.

Фигура 3. Механична скица, преобразувана в двуизмерно определение на печатна платка.

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

Контурът на платката трябва да се разглежда като контролиран интерфейс. Всяка последваща промяна може да повлияе на разполагането на компонентите, прокарването на проводниците, производствените разходи, достъпа за сглобяване и електромагнитното поведение.

Преди да утвърди контура, механичният инженер трябва да провери няколко въпроса.

Може ли платката да бъде поставена в корпуса, без да се накланя повече от наличното пространство?

Може ли всеки винт да бъде монтиран с предвидения инструмент?

Достъпни ли са конекторите по ръба след сглобяването?

Има ли достатъчно място за окабеляването и радиуса на огъване на кабелите?

Защитени ли са крехките компоненти от механично натоварване?

Може ли платката да бъде отстранена при сервизиране, без да се разкачат несвързани възли?

Най-добрият контур на печатната платка невинаги е възможно най-големият. Малко по-малка платка може да опрости монтажа, да подобри въздушния поток и да осигури по-голям толеранс около конекторите.

Зоните за механична забрана трябва да носят ясно проектно намерение

Само контурът на платката не показва всички физически ограничения. Механичният модел трябва също да идентифицира обеми, в които са забранени компоненти, медни проводници или крепежни елементи.

Например винтът на корпуса може да преминава през областта на печатната платка. Електрическият екип трябва да осигури достатъчно свободно пространство около главата и стеблото на винта.

Формовано ребро може да заема пространство над една област на платката. Нископрофилните компоненти могат да се поберат под него, докато високите кондензатори или конектори не могат.

Кабелът на дисплея може да преминава над платката по време на сглобяването. Компонентите в тази траектория могат да повредят кабела или да възпрепятстват монтажа.

Отделението за батерията може да заема едната страна на корпуса. Траекторията за поставяне на батерията трябва да остане свободна, дори когато батерията не присъства във финалния сглобен модел.

Тези ограничения трябва да бъдат представени като умишлено зададена геометрия на зоните за забрана. Те не трябва да зависят от неофициални коментари или екранни снимки.

Електрическите проектанти също трябва да разбират причината за всяко ограничение. Постоянната конструктивна стена се различава от козметичен елемент, който може да бъде преместен. Регламентираната граница на пълзящия ток се различава от предпочитана зона за сервизен достъп.

Ясно изразеното проектно намерение помага на екипите интелигентно да договарят промените. То не позволява на инженерите да третират всяка геометрична особеност като еднакво неизменна.

Изборът на компоненти трябва да включва валидиране на физическия корпус

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

Въпреки това електрически подходящият компонент може да се окаже механично неподходящ.

Преобразувателят на захранването може да отговаря на изискванията за напрежение и ток, но да надвишава допустимата височина. Конекторът може да има правилния брой изводи, но да използва несъвместима монтажна ориентация. Кондензаторът може да се побира върху платката, но да не позволява затваряне на корпуса.

Затова всяко критично устройство трябва да бъде свързано с точен физически модел.

Моделът трябва да представя действителните размери на корпуса, местоположението на изводите, монтажната равнина, посоката на включване на конектора и максималната височина на компонента.

Качеството на модела е от значение. Опростен правоъгълен блок може да поддържа базово откриване на сблъсъци. Той може да не покаже движението на фиксатора, необходимото пространство около кабелния овермолд, достъпа до винтовете или производствените отклонения.

Компонентите с външни взаимодействия изискват особено внимание:

Конекторите трябва да се подравняват с отворите и да позволяват поставяне на кабела.

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

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

Светодиодите трябва да се изравнят със светловоди или отвори в панела.

Радиаторите трябва да бъдат на достатъчно разстояние от стените и ограниченията на въздушния поток.

Трансформаторите и дроселите могат да създадат проблеми, свързани с височината, теглото и вибрациите.

Клемните блокове изискват достъп за окабеляване и място за отвертка.

Компонентите, подлежащи на сервизиране изискват пространство за демонтаж и достъп за хора.

След избора на корпусите на компонентите те могат да бъдат разположени от двете страни на печатната платка. След това платката може да бъде прегледана като триизмерен монтаж.

Решенията за разполагане се определят не само от електрическите връзки

Разполагането на компонентите често се описва като задача за електрическа оптимизация. Проектантите минимизират дължината на пистите, управляват обратните токови пътища, разделят шумните вериги и позиционират развързващите компоненти близо до товарите им.

Тези съображения остават съществени. Геометрията на корпуса обаче въвежда още един набор от ограничения.

Регулаторът на напрежение може да трябва да бъде разположен близо до входа за батерията. Може също да изисква въздушен поток или топлопроводност към корпуса.

Комуникационният конектор може да трябва да се изравни с външен отвор. Позицията му може да стане механично фиксирана още преди началото на трасировката.

Акселерометър, използван за наблюдение на машини, може да изисква определена ориентация. Може също да се нуждае от изолиране от вибриращи вентилатори или комутационни магнитни елементи.

Секцията за високо напрежение може да изисква отделяне от интерфейсите за ниско напрежение. Механичните прегради или заземяващите елементи могат да повлияят на окончателното разположение.

Елементите за управление, предназначени за потребителя, трябва да останат достъпни. Вътрешните диагностични конектори може да изискват достъп за техник, но не и външен отвор.

Това съчетание от електрически и механични приоритети създава йерархия при разполагането.

Първо, разположете компонентите с фиксирани външни интерфейси. Те включват конектори, дисплеи, превключватели, индикатори, антени и външни сензори.

Второ, разположете устройствата, свързани с механични или топлинни характеристики. Те могат да включват радиатори, точки за свързване към масата на шасито, тежки трансформатори или компоненти, прикрепени към топлинни подложки.

Трето, разположете електрически критичните компоненти. Силовите каскади, осцилаторите, аналоговите входни каскади, паметта и високоскоростните интерфейси често имат строги изисквания за разполагане.

Накрая разположете гъвкави компоненти като резистори, малки кондензатори и стандартни логически устройства.

Тази йерархия намалява последващите смущения. Преместването на един конектор след трасировката може да наложи десетки промени по пистите. Преместването на пасивен компонент обикновено изисква много по-малко преработване.

Малкото разминаване на USB конектора може да наложи мащабно преработване

След първоначалното разполагане цялата печатна платка трябва да бъде поставена в триизмерния механичен монтаж.

В примерното устройство този преглед показва, че USB конекторът не съвпада с отвора в корпуса.

Фигура 4. Първоначалното разположение на USB конектора не съвпада с механичния отвор.

Конфликтът изглежда прост. Въздействието му обаче зависи от момента, в който бъде открит.

Преди прокарването на пистите конекторът обикновено може да бъде преместен с ограничени усилия. Схемата остава непроменена. Близките компоненти може да изискват малко преместване.

След прокарването на пистите преместването на конектора може да наруши диференциалните двойки, връщащите пътища за маса, захранващите писти, екранирането и близките компоненти.

След изработването на прототипа промяната може да изисква нова ревизия на печатната платка и още един прототип на корпуса.

След изработването на инструменталната екипировка конфликтът с конектора може да се превърне в сериозен търговски проблем.

Именно затова проверката на критичното разполагане трябва да се извърши преди началото на детайлното прокарване на пистите.

Коригирайте интерфейса, преди да заключите електрическата конфигурация

Механичният екип преглежда конфликта и предоставя точни инструкции за корекция. В този пример USB конекторът трябва да бъде преместен от противоположната страна на платката и изместен с приблизително 100 mil по оста Y.

Електрическият конструктор актуализира местоположението на компонента и връща печатната платка към механичния монтаж.

Фигура 5. Коригирано разположение на USB конектора, подравнено с отвора в корпуса.

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

Екипът трябва да симулира поставянето на кабела. Стандартните USB щекери имат различни размери на формованата обвивка. Отвор, който приема един кабел, може да не приеме друг.

Дълбочината на конектора също трябва да бъде прегледана. Конектор, поставен твърде навътре в корпуса, може да попречи на пълното включване. Конектор, поставен твърде навън, може да бъде подложен на механично натоварване.

Всички монтажни езичета или елементи за екраниране трябва да останат достъпни по време на запояване и инспекция.

Отворът в корпуса може също да изисква освобождаване по ръбовете. Острата геометрия може да повреди кабелите или да възпрепятства поставянето под ъгъл.

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

Критичните компоненти трябва да бъдат заключени преди прокарването на пистите

След като всички компоненти с външни ограничения и механична критичност бъдат одобрени, местоположенията им трябва да бъдат заключени.

Заключването предотвратява случайно преместване по време на електрическата оптимизация. То също показва, че всяка последваща промяна изисква междудисциплинарен преглед.

След това електроинженерът може да прокара сигналите около фиксираните интерфейси.

По-малко критичните компоненти могат да останат подвижни. Резисторите, кондензаторите и другите малки компоненти често могат да бъдат преместени, за да се подобри прокарването на пистите или да се намали претрупването.

Високоскоростните вериги изискват специално внимание. Диференциалните двойки трябва да запазват контролирана геометрия. Тактовите пътища трябва да останат къси. Връщащите токове трябва да имат непрекъснати опорни равнини.

Силовите пътища трябва да поддържат необходимия ток. Термичният релеф, дебелината на медта, броят на отворите и ширината на проводника трябва да бъдат подходящи.

Аналоговите области може да изискват отделяне от секциите с импулсно захранване. Чувствителните входове трябва да се избягват в близост до шумни магнитни компоненти и бързи цифрови фронтове.

Тези електрически изисквания трябва да бъдат изпълнени, без да се нарушават вече определените механични ограничения.

Платката с прокарани писти трябва да се върне в механичния монтаж

Приключването на прокарването на пистите не слага край на електромеханичния процес. Платката с окончателно прокарани писти трябва да се върне в триизмерния модел на продукта.

Тази последна актуализация може да включва компоненти, преместени по време на прокарването. Тя може също да включва преработени медни области, добавен монтажен хардуер, екраниращи части, тестови конектори или производствени елементи.

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

Прегледът трябва да обхване хлабината между компонентите и стените, затварянето на капака, достъпа до крепежните елементи, прокарването на кабелите, мястото за етикети и последователността на сглобяване.

Печатната платка може да се побира в корпуса, но въпреки това да е невъзможно да бъде монтирана. Например USB конекторът може да изисква платката да бъде вкарана под ъгъл, преди да бъде спусната върху монтажните стойки.

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

Този тип динамично обмисляне на сглобяването е от съществено значение. Статичният модел без сблъсъци не гарантира продукт, годен за производство.

Последователността на сглобяване е част от архитектурата на продукта

Всеки електромеханичен продукт има последователност на сглобяване, независимо дали тя е била планирана или открита на производствената линия.

Добрата последователност позволява компонентите да бъдат монтирани без прекомерно боравене, временна деформация или специализирани инструменти.

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

Екипът по проектирането трябва да документира предвидената последователност преди окончателното одобрение.

За примерното устройство една възможна последователност може да бъде:

Монтирайте дисплея и компонентите на предния панел.

Фиксирайте свързаните жакове и прокарайте кабелите им.

Поставете печатната платка под необходимия ъгъл.

Подравнете USB конектора със страничния отвор.

Спуснете платката върху монтажните стойки.

Монтирайте винтовете на печатната платка с одобрения момент на затягане.

Свържете вътрешното окабеляване и проверете защитата от опън.

Затворете корпуса и извършете функционално изпитване.

Дигиталният преглед на тези стъпки може да разкрие проблеми с достъпа, преди да бъде подготвена производствената документация.

Свободното пространство около конектора трябва да включва съответстващия компонент

Една често срещана грешка при проектирането е да се моделира конекторът на платката, но не и съответстващият му щепсел.

Щепселната част може да пасва идеално вътре в корпуса. Действителният кабелен комплект може да изисква много повече място.

Индустриалните конектори често включват фиксиращи винтове, езичета, маншони за защита от опън или изходи под ъгъл. Клемните блокове изискват пространство за огъване на проводниците и достъп за инструменти.

Ethernet конекторите може да изискват свободно пространство за езичето на RJ45. Кръглите конектори може да се нуждаят от място за затягане на ръка. Подвижните клеми трябва да разполагат с пространство за изваждане.

Затова прегледите на конструкцията трябва да включват представителни съединителни компоненти.

При изделия, използващи няколко доставчици на кабели, екипът трябва да моделира най-големия одобрен габарит на конектора. Това намалява проблемите със съвместимостта на място.

Радиусът на огъване на кабела също има значение. Гъвкавият кабел не винаги може да се огъне непосредствено след излизането си от конектора. Прекомерното огъване може да повреди проводниците или да създаде продължително механично напрежение.

Тези въпроси са особено важни за промишлено оборудване за движение, управление и комуникации. Инженерите, които оценяват заместващ хардуер, може също да трябва да сравнят достъпа до конекторите при различни платформи за задвижвания и управление на движението.

Термичният дизайн трябва да започне още при разполагането на компонентите

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

Преобразувателите на мощност, процесорите, драйверите за двигатели, комуникационните устройства и подсветките на дисплеите могат да генерират топлина. Позициите им влияят върху локалните температури и общия въздушен поток.

Техническите спецификации на компонентите може да посочват ограничения за работната температура. Температурата на околния въздух обаче не винаги отразява вътрешната температура на прехода.

Разположените близо един до друг източници на топлина могат да създадат локални горещи точки. Запечатаният корпус може да задържа топлината. Пластмасовите стени може да осигуряват слаба топлопроводност.

Fusion 360 позволява механичният модел да включва радиатори, вентилационни отвори, термоподложки и топлопроводими пътища.

Конструкцията на печатната платка може да подпомогне управлението на топлината чрез разпределение на медта, термични отвори и раздалечаване на компонентите.

Трябва да се разгледат няколко въпроса:

Откъде влиза топлината в корпуса?

Може ли естествената конвекция да придвижва въздуха през вътрешния обем?

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

Може ли топлината да се отвежда към шасито или стената на корпуса?

Ще попречат ли прахът, влагата или регулаторните изисквания на вентилацията?

Изделието изисква ли охлаждане с вентилатор и как ще бъде установена повреда на вентилатора?

Термичният дизайн често изисква компромиси. Преместването на силов компонент по-близо до стената на корпуса може да подобри топлопроводността, но да усложни електрическото окабеляване.

Интегрираният модел прави тези компромиси видими за всички специалисти.

Електромагнитната съвместимост има и механично измерение

Електромагнитната съвместимост често се разглежда като проблем на трасировката на печатната платка. На практика конструкцията на корпуса оказва силно влияние върху излъчванията и устойчивостта.

Разположението на конекторите влияе върху кабелното свързване. Завършването на екранировката влияе върху пътищата на високочестотните токове. Шевовете на корпуса могат да се превърнат в излъчващи процепи.

Захранващите и сигналните кабели не трябва да се прокарват принудително през един и същ ограничен канал. Чувствителните аналогови връзки може да изискват отделяне от проводниците за двигатели или превключване.

Метален корпус може да осигури екраниране, но само когато капаците, шевовете, крепежните елементи и точките за заземяване са проектирани правилно.

Пластмасовият корпус може да изисква вътрешна екранировка, проводими покрития, филтрирани конектори или внимателен контрол на общия режим.

Връзките на защитното заземяване и заземяването към шасито трябва да останат механично надеждни. Точката на заземяване не трябва да зависи от пробиване на боята или от неконтролирана контактна сила.

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

Тези характеристики трябва да бъдат прегледани преди изпитванията за съответствие на прототипа. Късните промени, свързани с електромагнитните характеристики, могат да засегнат както печатната платка, така и инструменталната екипировка за корпуса.

Ремонтопригодността изисква пространство, което не се вижда на електрическата схема

Продуктът може да е пригоден за производство, но да е труден за поддръжка.

Сервизните техници може да се нуждаят от достъп до предпазители, батерии, сменяема памет, диагностични портове, клемни блокове или заменяеми комуникационни модули.

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

Предпазителят може да се вижда, но да е невъзможно да се извади със стандартни клещи. Винтът на клемата може да се намира зад сноп кабели. Диагностичният конектор може да изисква демонтиране на цялата печатна платка.

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

Проектантите трябва да вземат предвид и условията на място. Индустриалните техници може да носят ръкавици. Осветлението може да е ограничено. Оборудването може да остане монтирано в контролен шкаф.

Конекторите трябва да се разпознават лесно. Поляризацията трябва да предотвратява неправилно поставяне. Етикетите трябва да останат видими след окабеляването.

Когато ремонтопригодността бъде включена още в началото, крайният продукт става по-лесен за поддръжка през целия си експлоатационен живот.

Анализът на допуските предотвратява фалшивата увереност в перфектната геометрия на CAD модела

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

Допуските при трасировката на печатната платка, допуските на отворите, свиването на лятия корпус, хлабината на крепежните елементи, позицията на конекторите и вариациите при монтажа могат да повлияят на напасването.

Конектор, който номинално е подравнен, може да се окаже разцентрован в производството. Платка, която едва се отдалечава от стена, може да се допира до нея при някои сглобявания.

Следователно критичните интерфейси се нуждаят от резерви за допуски.

Проектантският екип трябва да идентифицира размерните вериги между монтажните елементи и външните интерфейси. Подравняването на конекторите трябва да се определя спрямо същите механични бази, използвани по време на монтажа.

Монтажните отвори могат да използват контролирано отстояние, за да позволят регулиране. Отворите може да изискват допълнително пространство около стандартните конектори.

Прекомерното отстояние обаче може да влоши външния вид, защитата от проникване или механичната опора.

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

Проектирането за производство трябва да обхваща както платката, така и корпуса

Проектирането на печатна платка за производство включва разстоянията между проводниците, пръстеновидните контактни площадки, размерите на отворите, отстоянието на паячната маска, разстоянията между компонентите и изискванията за монтаж.

Механичната конструкция за производство включва дебелина на стените, ъгли на наклон, достъп за режещ инструмент, радиус на огъване, поведение на материала и методи за закрепване.

Електромеханичното производство съчетава и двете области.

Например конекторът може да изисква вълново запояване. Позицията му в корпуса трябва да остане съвместима със запояващия процес и последващото почистване.

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

Пресовите конектори създават сила при поставяне. Платката и корпусът трябва да понасят тази сила без прекомерна деформация.

Тежките компоненти може да изискват допълнително фиксиране по време на вибрации. Лепила, скоби или конзоли може да се нуждаят от място в корпуса.

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

Производственото изпитване може да изисква достъп за контактни щифтове тип pogo. Тестовите приспособления се нуждаят от надеждни механични базови повърхности и незакрити контактни зони.

Тези изисквания трябва да бъдат добавени, преди продуктът да достигне финално одобрение.

Индустриален казус: Дистанционен възел за мониторинг на машини

Разгледайте компактен възел за мониторинг на състоянието, инсталиран близо до въртящи се машини.

Устройството може да събира сигнали за вибрации, температура и скорост. То може да комуникира чрез индустриален Ethernet или друга заводска мрежа.

Електрическата конструкция включва аналогова обработка на сигналите, обработка на данни, изолация, комуникации, преобразуване на захранването и защитни схеми.

Механичната конструкция трябва да понася кабелни щуцери, свързване на екраните, уплътняване на корпуса, монтажна ориентация и излагане на околната среда.

Входовете за сензори трябва да останат отделени от шумните силови вериги. Екраните на кабелите изискват обмислена стратегия за свързване. Корпусът трябва да осигурява място за полево окабеляване и радиуса на огъване.

Конекторът може да е електрически изправен, но неподходящ за техници, носещи ръкавици. Компактният корпус може да намали разходите, като същевременно затрудни достъпа до клемите.

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

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

Инженерите, работещи със съществуващи заводски системи, могат също да сравнят нуждите от физическа интеграция на различни компоненти за мониторинг на машини.

Индустриален казус: Компактен шлюз за серво управление

Втори 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 състоянието и вход за захранване 24 VDC.

Комуникационните конектори изискват достъп до предния панел. Светодиодите за състоянието трябва да са подравнени със светлинни водачи или прозорци за наблюдение. Захранващият конектор се нуждае от място за окабеляване.

Процесорът и мрежовите устройства могат да генерират концентрирана топлина. Изолационните компоненти създават ограничения при разполагането. Високоскоростните сигнали изискват контролирана трасировка.

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

Тесният корпус изглежда привлекателен, защото спестява място в шкафа. Недостатъчната ширина обаче може да наложи конекторите да бъдат разположени по няколко страни и да усложни окабеляването.

Fusion 360 може да подпомогне оценяването на формата на платката, ориентацията на конекторите, монтажа върху шина и последователността на сглобяване в рамките на един продуктов модел.

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

Тези компромиси се оценяват по-лесно, когато електрическата и механичната геометрия остават свързани.

Индустриален казус: разпределени входове/изходи за сурови среди

Разпределен модул за входове/изходи създава още един сложен интеграционен проблем.

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

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

Ако корпусът изисква висок клас на защита от проникване, външните отвори трябва да бъдат сведени до минимум. Конекторите, уплътненията и кабелните щуцери стават част от стратегията за уплътняване.

Механични прегради могат да отделят опасните напрежения от електрониката с ниско напрежение. Изискваните разстояния по повърхността и във въздуха трябва да останат спазени по цялата PCB и корпуса.

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

Сервизните екипи може да се нуждаят от подмяна на електрониката, без да разкачат полевото окабеляване. Това изискване може да доведе до архитектура с подвижен клемен блок или базов модул.

Подобно решение засяга избора на конектори, формата на PCB, инструменталната екипировка за корпуса и себестойността на продукта.

Ранното електромеханично моделиране помага на екипа да оцени тези архитектурни решения, преди те да се превърнат в скъпи ангажименти.

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

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

Всеки основен интерфейс трябва да има ясно определен отговорник. Отворът в корпуса може да принадлежи на механичния екип, а отпечатъкът на конектора — на електрическия екип.

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

Етапите на проектиране могат да установят контролирани състояния:

Състояние на концепцията: геометрията остава гъвкава, докато се проучва архитектурата.

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

Състояние на трасировката: местоположенията на критичните компоненти са фиксирани.

Състояние на валидацията: термичните, механичните, електрическите и производствените проверки са завършени.

Състояние на издаване: производствените данни съответстват на одобрения интегриран модел.

За всяко състояние трябва да се определят разрешените промени и лицето, което трябва да ги одобри.

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

Бележките към ревизиите трябва да описват техническото въздействие, а не само да посочват, че даден компонент е преместен. В бележката трябва да се 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 корпуса. Проектантите на печатни платки преглеждат оформлението.

Вместо това електромеханичните прегледи трябва да се съсредоточат върху интерфейсите.

Прегледът на конекторите трябва да включва разположението на конекторите, геометрията на отворите, свободното пространство за кабелите, екранирането, уплътняването, етикетирането и достъпа за монтаж.

Прегледът на дисплея трябва да включва активната площ, ъгъла на гледане, монтажния натиск, прокарването на кабелите, оптичната прозрачност и сервизната подмяна.

Термичният преглед трябва да включва загубите на компонентите, разпространението на топлината по медта, въздушния поток, топлопровеждането през корпуса, околните условия и температурните ограничения.

Прегледът на заземяването трябва да включва схемната маса, свързването към шасито, кабелните екрани, контакта с крепежните елементи и регулаторните изисквания.

Този метод, основан на интерфейсите, разкрива проблеми, които прегледите по отделни дисциплини могат да пропуснат.

Практически контролен списък за електромеханичен преглед

Преди да започне прокарването, проверете следните елементи:

Контурът на печатната платка съответства на одобрения механичен габарит.

Монтажните отвори са подравнени с издатините на корпуса и хардуера.

Критичните забранени зони са определени и разбрани.

Конекторите са подравнени с отворите си.

Свързващите щекери имат достатъчно пространство за поставяне и изваждане.

Дисплеите, превключвателите и индикаторите са правилно подравнени.

Високите и тежките компоненти имат достатъчно отстояние.

Топлинните устройства имат определен път за отвеждане на топлината.

Прокарването на кабелите и радиусът на огъване са взети предвид.

Монтажните инструменти могат да достигнат всеки необходим крепежен елемент.

След прокарването проверете и следните елементи:

Никой компонент не е преместен в механична забранена зона.

Платката може да следва предвидения път на поставяне.

Корпусът се затваря без притискане на кабелите.

Крепежните елементи могат да се монтират с производствени инструменти.

Тестовите точки остават достъпни.

Елементите за заземяване и екраниране са запазени.

Регулаторните отстояния не са нарушени.

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 на конекторите, видимостта на дисплея, достъпа до крепежните елементи и вариациите при сглобяване.

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

Инженерите трябва да документират всяко неочаквано взаимодействие. Дори малка трудност при сглобяването може да се превърне в сериозен производствен проблем при по-големи обеми.

Прегледът на прототипа трябва да включва представители на екипите по електротехника, механика, производство, качество и сервиз.

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

Всяко несъответствие може да показва неправилен модел на компонент, остаряла версия, производствено отклонение или непълно допускане за толерансите.

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

Къде Fusion 360 осигурява най-голяма стойност

Fusion 360 предлага особена стойност, когато решенията за електрическия и механичния дизайн остават тясно свързани.

Компактните устройства се възползват, тъй като малките геометрични конфликти могат да засегнат цялата архитектура.

Продуктите с много външни интерфейси се възползват, тъй като разположението на конекторите, дисплеите, превключвателите и индикаторите трябва да остане синхронизирано.

Промишленото оборудване в малки серии се възползва, тъй като екипите може да не разполагат с отделни корпоративни платформи за всяка инженерна дисциплина.

Прототипите, разработвани бързо, се възползват, тъй като проектът може да се променя често по време на ранните изпитвания.

Продуктите с изработени по поръчка корпуси се възползват, тъй като механичните елементи могат да реагират директно на изискванията на печатната платка.

Платформата също така поддържа по-непрекъснат работен процес. Механичната геометрия може да дефинира печатната платка. Електрическото разполагане може да бъде върнато към корпуса. И двата екипа могат да преглеждат един и същ продуктов контекст.

Тази непрекъснатост намалява броя на ръчните експортирания и ограничава риска от преглеждане на остаряла геометрия.

Интеграцията не заменя инженерната преценка

Споделената платформа за проектиране не създава автоматично надежден продукт.

Все още са необходими точни модели на компонентите. Зоните, забранени за разполагане, трябва да бъдат дефинирани правилно. Електрическите ограничения трябва да се спазват. Механичните допуски трябва да бъдат реалистични.

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

Автоматизираното откриване на интерференции може да идентифицира припокриващи се твърди тела. То може да не разпознае недостъпен винт, неприемлив радиус на огъване на кабел или объркваща процедура за обслужване.

Термичният анализ зависи от реалистични допускания за мощността и материалите. Електромагнитните характеристики все още изискват специализирана проектантска преценка и физически изпитвания.

Софтуерът подобрява координацията. Той не заменя техническата отговорност.

По-ефективен метод за разработване на продукти

Надеждният електромеханичен процес може да бъде обобщен чрез няколко свързани етапа.

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

Създайте механичния габарит. Включете стените на корпуса, монтажните елементи, потребителските интерфейси и ограниченията за инсталиране.

Определете контура на печатната платка от този габарит. Включете монтажните отвори, изрезите и зоните, забранени за разполагане.

Разработете електрическата схема и изберете физически валидирани компоненти.

Първо разположете механично фиксираните компоненти. Прегледайте конекторите, дисплеите, превключвателите, индикаторите и топлинните интерфейси.

Върнете първоначалната печатна платка в механичния възел. Отстранете всички съществени взаимни смущения преди трасирането.

Фиксирайте позициите на критичните компоненти. Завършете трасировката на сигналите, захранването и заземяването.

Връщайте трасираната печатна платка за окончателна механична валидация.

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

Изграждайте прототипи и ги сравнявайте с одобрения цифров модел.

Освобождавайте производствените данни едва след като електрическите и механичните конфигурации бъдат синхронизирани.

Заключение

Електромеханичната интеграция не е проверка за съвместимост на финален етап. Тя е непрекъснат инженерeн процес, който започва с архитектурата на продукта и продължава до освобождаването за производство.

Почти всеки електронен продукт зависи от успешната взаимовръзка между печатната платка, корпуса, конекторите, органите за управление, окабеляването, топлинната система и метода на сглобяване.

Fusion 360 поддържа тази взаимовръзка, като запазва механичния дизайн, определянето на печатната платка, разполагането на компонентите и триизмерната валидация в свързана среда.

Практическият работен процес започва с индустриалния дизайн и разработването на корпуса. Механичният екип определя формата на печатната платка. Електрическият екип избира и разполага компонентите. Завършената платка се връща в механичния модел за проверка за взаимни смущения.

Едва след като критичните интерфейси бъдат валидирани, трябва да започне детайлното трасиране. След това трасираната печатна платка трябва да се върне за окончателни проверки на сглобяването, хлабините, топлинните характеристики и производството.

Този подход намалява ненужното предаване на задачи, ограничава объркването при ревизиите и открива конфликтите, преди да достигнат до производството или инструменталната екипировка.

Най-важният резултат не е просто по-бързата работа в CAD. Това е по-добрата инженерна комуникация.

Когато електрическите и механичните екипи работят от общо определение на продукта, проектните решения стават видими в контекст. Конекторът вече не е само символ в електрическа схема. Той се превръща в електрически интерфейс, механичен отвор, трасе за кабел, точка за екраниране, елемент на сглобяването и фактор при сервизното обслужване.

Този по-широк поглед помага на екипите да създават продукти, които пасват правилно, сглобяват се 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.