Интегрированное использование Altium Designer и Autodesk Inventor

Алексей Якубенко 21.08.2014 Статьи 1

Обычно под интеграцией понимается целый комплекс мер, включающий в себя большое количество настроек и написание всевозможных дополнительных модулей для обмена данными между различными приложениями. С Altium Designer (далее – AD) и Autodesk Inventor (далее – Inventor) всё обстоит гораздо проще. В данном случае совершенно нет необходимости что-либо настраивать или разрабатывать какие-либо дополнительные программные модули. Эти программные продукты уже содержат всё необходимое для, так сказать, «базовой интеграции». Рассмотрим в данной статье, что представляет собой такая интеграция.

Основой такой интеграции выступает формат данных STEP. Этот формат представляет собой совокупность стандартов ISO 10303 и предназначен для обмена данными о моделях между различными САПР. Он позволяет передавать описание не только модели изделия, но и всего его жизненного цикла. И Inventor, и AD поддерживают полноценный обмен данными в этом формате.

Рис. 1. 3D-модель корпуса держателя SIM-карты: слева – в Inventor, справа — импортированная и подключённая к библиотечному посадочному месту в AD

Если кратко, то такой обмен данным представляет собой следующие этапы:

Формирование в Inventor и передача в AD через STEP моделей всех элементов, так или иначе влияющих на трассировку печатной платы: электронных компонентов, крепёжных элементов, «заготовки» печатной платы и всех необходимых элементов корпусов.
Использование всех вышеперечисленных элементов для разработки печатной платы. Передача готового результата из AD в Inventor через STEP.
Использование в Inventor полученных из AD данных для формирования конструкторской документации и дальнейшего проектирования устройств.

Рис. 2. Слева — плата в AD, справа – она же, но уже в Inventor

Добавление 3D-модели корпуса электронного компонента к библиотечному посадочному месту

Темы формирования 3D-модели в Inventor и посадочного места в AD касаться не будем. Они не являются непосредственными темами данной статьи. Остановимся лишь вот на каком моменте: нас не интересуют «внутренности» электронных компонентов и других элементов, передаваемых в AD. Нам нужны только внешний вид с правильными размерами, а так же «расцветка» компонентов. Внешний вид нужен для правильного и эффективного расположения компонентов в процессе проектирования платы. А «расцветка» желательна для лучшей наглядности. Как следствие, достаточно, что бы создаваемые компоненты были деталями.
Перейдём непосредственно к вопросу использования моделей в AD. На примере корпуса SOIC-14 покажем, как подключать трёхмерные модели к библиотечному посадочному месту. В первую очередь нужно экспортировать трёхмерную модель корпуса SOIC-14 из формата Inventor’а в формат STEP. Для этого нужно открыть её в Inventor и выполнить команду Сохранить как… -> Сохранить копию как…. После этого откроется окно Сохранить копию как. Внизу этого окна нужно раскрыть выпадающее меню Тип файла и выбрать в нём пункт Файлы STEP (*.stp, *.ste, *.step), после чего остаётся нажать кнопку ОК. Модель корпуса SOIC-14 в формате STEP готова.
AD предлагает два варианта подключения объёмной графики: указание ссылки на внешний файл (Link To STEP Model) или «вшивание» всей информации о модели непосредственно в файл библиотеки или платы (Embed STEP Model). В случае подключения 3D-моделей корпусов электронных компонентов к библиотечным посадочным местам возможен только второй вариант. В этом случае библиотека не зависит от внешних файлов, утеря которых может привести к потере данных. Этот метод подключения имеет один недостаток – AD никаким образом не отслеживает состояние внешнего файла модели. Однако трёхмерные модели корпусов меняются настолько редко, что проще изредка вручную обновить модель корпуса, чем следить за большим количеством файлов.
Для подключения объёмной модели к посадочному месту нужно его создать или открыть и перевести в трёхмерный режим с помощью клавиши «3». Для размещения трёхмерной модели предназначена команда Place-> 3D Body, после выполнения которой на экране появится окно 3D Body (рис. 3).

Рис. 3. Подключение 3D-модели

Данное окно предназначено не только для подключения STEP-моделей, но и для формирования упрощённых моделей средствами самого AD. Расположенная сверху область 3D Model Type содержит переключатель типов моделей, среди которых нам нужен вариантGeneric STEP Model. После выбора этого варианта чуть ниже середины окна появится область Generic STEP Model, в которой будет доступна кнопка Embed STEP model. После её нажатия откроется стандартное окно выбора файлов, в котором нужно выбрать файл подключаемой STEP-модели. После выбора модели в области Propertiesв окошке Identifier отобразится имя подключаемой модели. Любую подключаемую модель можно установить как на верхнюю сторону платы, так и на нижнюю. Корпуса электронных компонентов в библиотеках за редчайшим исключением располагаются там же, где и посадочные места – на верхней стороне. Поэтому области Propertiesв выпадающем меню Body Side должен быть выбран пункт Top Side. В двухмерном режиме AD отображает STEP-модель в одном из механических слоёв. По умолчанию – это слой Mechanical 1. При желании его можно переназначить с помощью выпадающего меню Layer. В нашем случае этот параметр остаётся по умолчанию. После того, как все настройки выполнены, остаётся нажать кнопку OK. В рабочей области отобразится наша подключаемая модель, которая будет «привязана» к курсору синего цвета (рис. 4). Остаётся лишь выбрать место, где «оставить» модель щелчком левой клавишей мыши. После этого снова откроется окно 3D Body. Так как больше моделей подключать больше не планируется, то это окно необходимо закрыть кнопкой Cancel.

04 Ustanovka tryokhmernoy modeli v bibliotechnom posadochnom meste

Рис. 4. Установка трёхмерной модели в библиотечном посадочном месте

3D-модель корпуса подключена. Теперь необходимо «поставить» её в правильное относительно посадочного места положение. В первую очередь нужно выровнять модель относительно поверхности платы. Для этого в том же трёхмерном режиме нужно повернуть посадочное место с моделью таким образом, что бы курсору была доступна плоскость компонента, которая должна «лечь» на плоскость платы (например, как на рис. 5). Это можно сделать правой клавишей мыши с одновременно зажатой клавишей «Shift». Для выравнивания компонента предназначена команда Tools -> 3D Body Placement -> Align Face With Board. После её выполнения курсор примет вид небольшого крестика. Осталось сделать два щелчка левой клавишей мыши. Первый выберет модель для выравнивания. После этого она станет прозрачной, а при наведении курсора на любую плоскость, эта плоскость будет подсвечиваться. В нашем случае 3D-модель должна лечь на поверхность платы нижней плоскостью любого из выводов (рис. 5). Так что остаётся навести курсор на такую плоскость и сделать второй щелчок, после чего модель ляжет на поверхность платы.

05 Vyravnivaniye korpusa po verkhney poverkhnosti platy

Рис. 5. Выравнивание корпуса по верхней поверхности платы

Иногда возникает необходимость разместить 3D-модель корпуса на определённой высоте относительно поверхности платы. Для этого предназначена команда Tools -> 3D Body Placement -> Set Body Height. Её использование аналогично. Отличие в том, что вторым щелчком выбирается точка, а затем автоматически открывается окно, в котором задаётся расстояние от этой точки до поверхности платы.
Теперь необходимо вернуть посадочное место в исходное положение «вид сверху». Иногда, как и в нашем примере, возникает необходимость правильно сориентировать модель корпуса относительно посадочного места. Иными словами, её нужно повернуть относительно оси Z. Это можно сделать клавишей «Пробел», предварительно зажав модель корпуса левой клавишей мыши.

Рис. 6. Переориентирование модели корпуса

Последнее, что осталось сделать – поместить модель корпуса на посадочное место. Эту операцию можно сделать в трёхмерном режиме, просто перетянув левой клавишей мыши модель корпуса на посадочное место. Но такой способ далеко не всегда позволяет расположить модель корпуса хотя бы с удовлетворительной точностью.
Точное расположение модели корпуса относительно посадочного места делается в двухмерном режиме, в который AD переключается клавишей «2». Модель корпуса в этом режиме отображается заштрихованным прямоугольником в слое Mechanical 1. В нашем случае будем выравнивать модель корпуса относительно центра посадочного места, то есть относительно его вертикальной и горизонтальной осей. Не трудно заметить, что горизонтальная ось проходит через центры третьего и седьмого выводов (рис. 7), а вертикальная – через центры линий слоя Top Silk, обозначающих границы корпуса. Следовательно, для выравнивания модели корпуса будем опираться на эти элементы. Для этого:

Зажав клавишу «Shift», выбираем третий или седьмой вывод и прямоугольник корпуса.
Кликаем правой клавишей мыши на одном из выбранных элементов. Открывается выпадающее меню.
В меню выбираем пункт Align -> Align Vertical Centers.
Щёлкаем левой клавишей мыши на тот элемент, относительно которого нужно выровнять остальные, в нашем случае – по выбранному выводу. Сам вывод останется на месте, а модель корпуса выровняется относительно него по оси.

Аналогичным образом нужно выровнять модель корпуса относительно линий границ корпуса.

07 Vyravnivaniye modeli korpusa otnositelno tsentra posadochnogo mesta

Рис. 7. Выравнивание модели корпуса относительно центра посадочного места

После всех выше перечисленных действий 3D-модель корпуса будет подключена и точно расположена относительно посадочного места (рис. 8). Теперь остаётся только сохранить и перекомпилироваться библиотеку.

08 3D-model podklyuchena k bibliotechnomu posadochnomu mestu i vyrovnennaya otnositelno nego

Рис. 8. 3D-модель подключена к библиотечному посадочному месту и выровненная относительно него

Все ли модели стоит рисовать самому?

Наибольший процент применяемых электронных компонентов выпускаются в конструктивно простых корпусах. Например, микросхемы, конденсаторы, чип-резисторы и так далее. На формирование их моделей посредством Inventor тратятся небольшие ресурсы, соответствующие поставленным целям. Но есть так же довольно большой класс элементов, имеющих достаточно сложную конструкцию (D-SUB- и USB-разъёмы, держатели SIM-карт и так далее). Формирование моделей таких корпусов требует уже достаточно больших ресурсов, что редко бывает адекватным конечным целям проектирования. Кроме того, найти на них документацию, содержащую достаточно подробностей, практически не реально. В таких случаях на помощь пользователю приходят сами производители таких компонентов. Как правило, на своих сайтах (например Molex или TE Connectivity) они выкладывают не только необходимую документацию, но и 3D-модели. Более того, в большинстве случаев эти модели выполнены в формате STEP. Остаётся лишь скачать их, «раскрасить» и использовать.
Помимо этого, в сети Интернет находится достаточно много сайтов, содержащих готовые любительские и профессиональные 3D-модели электронных компонентов. По идее, там можно найти все необходимые модели. Остаётся лишь вопрос их достоверности.

Формирование контура печатной платы

Формирование контура простой прямоугольной формы ничего сложно не представляет, и для этого более чем достаточно средств AD. Но нередко возникают случаи, когда плата должна иметь сложную форму, как, например, плата для основания корпуса, представленного на рис. 9. В таком случае гораздо быстрее воспользоваться следующим способом:

в Inventor на основе графики корпуса формируется «заготовка платы» и экспортируется в STEP-файл;
из STEP-файла данная «заготовка» импортируется в AD и подключается к PCB-документу;
на основе 3D-модели в несколько кликов мыши формируется контур платы.

09 Osnovaniye korpusa so slozhnoy geometriyey

Рис. 9. Основание корпуса со сложной геометрией (выделена голубой линией), которая определяет форму будущей платы. Кроме того, плата должна будет опираться на выделенные площадки

Что бы «заготовка» платы была сформирована на основе геометрии корпуса, делать это необходимо в контексте сборки. Более того, Inventor предоставляет пользователям такой механизм, при котором деталь формируется непосредственно в том месте, куда она будет вставляться в реальности. Последовательным выполнением команд Создать -> Сборка и Сборка -> Компонент -> Вставить создадим новую сборку и вставим в неё наше основание корпуса. Желательно развернуть сборку таким образом, что бы поверхность, на основе которой будет формироваться эскиз платы, была параллельна плоскости экрана (как на рис. 10).

10 Sozdaniye novoy detali-zagotovki platy v sostave sborki

Рис. 10. Создание новой детали-«заготовки» платы в составе сборки

Теперь приступим непосредственно к формированию «заготовки» платы. Командой Сборка -> Компонент -> Создать (рис. 10-1) запустим процесс создания новой детали. Появится окно Создание компонента по месту, в котором зададим имя файла нашей новой детали-«заготовки» (рис. 10-2) и папку, куда будет сохранён её файл (рис. 10-3). После нажатия кнопки OK укажем верхнюю плоскость одного из четырёх опорных выступов в качестве базовой плоскости (например, как на рис. 10-5), после чего Inventor переключится в режим формирования эскиза новой детали (рис. 10-6). На рис. 9 голубым цветом выделена грань, которую нужно спроецировать в наш эскиз с помощью команды Эскиз -> Рисование -> Проецирование геометрии (рис. 11-1). Спроецированная геометрия является не контуром платы, а проекцией стенок корпуса. Плата должны иметь некоторый отступ от стенок, поэтому командой Эскиз -> Изменить -> Смещение создадим её контур (рис. 11-2) и на 0,5 мм сместим его к центру командой Эскиз -> Зависимость -> Размеры (рис. 11-3).

11 Formirovaniye kontura zagotovki platy

Рис. 11. Формирование контура «заготовки» платы

При формировании контура платы по 3D-модели AD умеет отличать отверстия от других элементов геометрии. Поэтому сразу же сформируем и крепёжные отверстия платы. Для этого снова воспользуемся командой Эскиз -> Рисование -> Проецирование геометрии для создания в нашем эскизе проекции крепёжных отверстий основания корпуса. Так как крепёжные отверстия платы в данном случае должны быть чуть больше крепёжных отверстия корпуса, то для их формирования используем команду Эскиз -> Рисование -> Окружность, при этом центры новых окружностей совместим с центрами спроецированных отверстий корпуса. Последовательным выполнением команд Эскиз -> Зависимость -> Размеры и Эскиз -> Зависимость -> Равенство выставим диаметр одной из новых окружностей 2,5 мм и выровняем по ней остальные. Эскиз «заготовки» платы готов. Примем его командой Эскиз -> Выход -> Принять эскиз.

Рис. 12. Эскиз «заготовки» платы

Выполнением команды Модель -> Создать -> Выдавливание с толщиной 1,5 мм закончим формирование «заготовки» платы. На рис. 13 отображён примерный результат, который должен получится после выполнения описанных действий. Остаётся сохранить её, экспортировать в формат STEP и приступить к работе в AD.

Рис. 13. Законченная «заготовка» платы

Как уже говорилось ранее, AD предоставляет пользователям два варианта подключения трёхмерных моделей. Вариант встраивания модели в файл AD был рассмотрен на примере подключения трёхмерной модели корпуса к посадочному месту. Теперь рассмотрим вариант подключения трёхмерной модели в виде ссылки на внешний файл. Преимущество такого метода в том, что AD отслеживает состояние внешнего файла и при его изменении выдаёт пользователю соответствующее сообщение с предложением об обновлении. Правда, это сообщение выдаётся только при перезагрузке PCB-документа. Недостаток заключается в том, состояние подключённой графики зависит от состояния внешнего файла.
После создания нового файла и переключения AD в трёхмерный режим, как и ранее, необходимо выполнить команду Place -> 3D Body (рис. 14).

Рис. 14. Окно 3D Body

Как и ранее, переключатель области 3D Model Type нужно перевести в положение Generic STEP Model, а в области Properties сторону расположения модели указать Top Side (иначе плата получится повёрнутой зеркально). В отличие от описанного ранее процесса в области Generic STEP Model нужно кликнуть по кнопке Link To STEP Model. После этого откроется окно выбора интересующего нас STEP-файл Choose Model (рис. 15).

Рис. 15. Окно Choose Model

Вероятнее всего, нашей модели в этом окне не будет, ведь AD «не знает» в какой папке её искать. Altium’у нужно указать, где ему искать 3D-модели. Для этого существует кнопка Add Directories, которая открывает ещё одно окно – Preferences с открытой вкладкой PCB Editor / Models (рис. 16).

Рис. 16. Окно Preferences

Пути расположения трёхмерных моделей отображаются в области Model Search Path. Новый путь можно указать вручную или с помощью стандартной кнопки обзора папок в расположенном чуть ниже окошке. Что бы AD «запомнил» новый путь, после его указания, нужно кликнуть кнопку Add. После последовательного нажатия кнопок Apply и ОК закроется окно Properties и система вернётся к окну Choose Model, в котором на этот раз должен отобразиться файл «заготовки». После его выбора система вернётся к окну 3D Body. Все остальные действия полностью аналогичны вышеописанному процессу подключения 3D-модели корпуса.
Для моделей, подключённых к PCB-документу, в любой момент можно менять вариант подключения трёхмерной графики. Переключение встроенной модели на ссылку производится так же, как и подключение новой 3D-модели – по кнопке Link To STEP Model. А для переключения ссылки на встроенную графику предназначена кнопка Change to Embedded.
После подключения трёхмерной модели можно выполнить непосредственное формирование контура платы. Для этого предназначена команда Design -> Board Shape -> Define from 3D Body. После её выполнения, остаётся сделать два щелчка мыши – первый укажет модель, по которой будет формироваться контур платы, второй – плоскость, определяющую этот контур (рис. 17).

17 Vybor ploskosti, opredelyayushchey kontur platy

Рис. 17. Выбор плоскости, определяющей контур платы

После выбора плоскости платы откроется окно Board Outline Creation Successful с предложением пользователю одного из вариантов расположения модели:

To align face with top PCB board surface – выравнивание выбранной плоскости по верхней стороне платы.
To align face with bottom PCB board surface – выравнивание выбранной плоскости по нижней стороне платы.
Do not modify model position – не изменять положения трёхмерной модели.

Нажатие кнопки Close закроет данное окно и на экране появится печатная плата с нужным контуром (рис. 12).

Рис. 18. Плата, сформированная на основе трёхмерной модели

Как уже оговаривалось выше, AD умеет правильно определять, где на плате отверстия. При этом он ещё и правильно «подхватывает» диаметр таких отверстий и формирует на их основе металлизированные отверстия – пады. Очевидно, если такие отверстия не должны быть металлизированными, не составляет никакого труда отключить соответствующий параметр в их свойствах.
Для AD безразлично, какую толщину имеет подключаемая «заготовка» платы. И толщина платы, и стек слоёв формируются соответствующими средствами самого AD.
Преимущество описанного способа формирования контура печатной платы в том, что количество совершаемых действий никак не зависит от сложности контура платы. Но, помимо сложных плат, этот способ имеет своё преимущество и в случае простых прямоугольных плат – значительно уменьшается вероятность совершить ошибку, которая частенько бывает обнаружена только после окончания трассировки, а иногда и после производства и сборки платы. И хорошо, если эта ошибка привела к уменьшению платы…

Трансляция печатной платы из AD в Inventor

Для импорта PCB-документа из AD нужно выполнить команду File -> Save Copy As. В результате откроется стандартное окно Save a copy of, внизу которого из выпадающего меню Тип файла нужно выбрать пункт Export STEP (*.step, *.stp). После того, как были выбраны имя сохраняемого файла и его путь расположения, а так же нажата кнопка Сохранить, появится окно STEP Export Options (рис. 19).

Рисунок 19. Окно STEP Export Options

Окно STEP Export Options позволяет настроить опции экспорта сохраняемых STEP-файлов. Область Components With 3D Bodies позволяет выбрать:

Export All — сохранение всех трёхмерных моделей, так или иначе присутствующих в PCB-документе;
Export Selected — сохранение только выделенных моделей.

Переключатель области 3D Bodies Export Options относится к ситуации, когда к посадочным местам подключены и STEP-модели, и простейшие модели, сформированные средствами AD:

Prefer simple bodies – приоритет простых моделей;
Prefer STEP models – приоритет STEP-моделей;
Export both simple bodies & STEP models – экспортированиеобоихтипов.

Область Pad Holes отвечает за экспорт отверстий посадочных мест:

ExportAll – все отверстия;
Export Selected – отверстия только выбранных компонентов.

Область Component Suffix определяет суффикс наименования электронного компонента:

None – без суффикса;
STEP Filename – в качестве суффикса будет использовано имя STEP-файла;
Custom – произвольный суффикс, который задаётся тут же в расположенном чуть ниже окошке.

Настройка опций экспорта STEP-файлов заканчивается после нажатием кнопки OK, после чего AD экспортирует плату в STEP-файл. В зависимости от насыщенности PCB-документа, данная процедура может занимать до нескольких минут.
Импорт STEP-модели в Inventor ничем не отличается от открытия в нём любого другого рабочего файла. Для облегчения поиска STEP-файла платы можно применить фильтр Тип файлов, доступный внизу окна открытия файлов. В нём нужно выбрать пункт Файлы STEP (*.stp, *.ste, *.step).
В STEP-формате печатная плата сохраняется в виде сборки. Тем не менее, работать с моделью платы в данном формате неудобно, поэтому её нужно преобразовать в формат Inventor. Для этого нужно выполнить команду Сохранить как. Так как плата сохраняется впервые, то в окне Сохранение необходимо выбрать для сохранения все файлы. Чем больше и насыщеннее плата, тем больше времени уйдёт на её сохранение. Полученную таким образом сборку печатной платы можно теперь использовать как для формирования соответствующей КД, так и для дальнейшего проектирования.

Заключение

Описанная в данной статье интеграция скорее относится к области «совместного использования двух ПО», так как не требуется сложных действий по настройке или написанию дополнительных программных модулей. Однако она является «базовой» по отношению к, так сказать, более серьёзному уровню интеграции, который доступен за счёт того, что и AD, и Inventor поддерживают скриптовые системы. При этом, если Inventor’у доступны только скрипты на языке VisualBasic, то AD поддерживает целый ряд скриптовых языков: DelphiScript, EnableBasic, VB Script и Java Script.