KiCADの3DモデルにDesignSpark MechanicalとWings 3Dで挑戦
KiCADでのフットプリント作成と３Ｄモデル作成と割付までを書いてあります
事後録のため順序が実際の作業と前後しています。
こんにちは。皆さんも日々、KiCADで基板アートワークしますね。
で、３Ｄビューしますね。
たとえば下のデータ転送回路の場合4ピンのDIPスイッチやらSDのホルダやらArduinoやら、オリジナル部品だらけです。
たとえばこのDIPスイッチ
オリジナル部品の場合３Ｄビューがないのです。
せっかくの３Ｄビューもオリジナル部品だらけではランドと基板だけの絵になってしまうのです
さみしいやないかい！
ということで作ります。
作業にあたり下記のサイトを参考にさせていただきました
Cubify Design + Wings3DでKiCad用の3Dモデルを作る:そこんとこkuwaしく - ブロマガ
●必要なもの
・KiCAD
・DesignSpark Mechanical
・Wings 3D
●KiCADのフットプリントを作る
グリッドを "2.54mm" にしてランドを配置して
外枠はグリッドを "1.27mm" にして、ランドのセンターにアンカーを置いてグリッドで計算しながら書いています
寸法は後述のメーカー情報を使います
この辺は KiCADことはじめ 的なモノを参考にすれば良いと思います
●３Ｄモデルを書く
DesignSpark使います。持ってない人は 公式ページでゲットだ！
メーカーの寸法情報を参考に書きます
今回はOMRONのA6Eシリーズです
DesignSpark Mechanicalは 平面作って 絵を描いて ヒッパル！
平面作って 絵を描いて ヒッパル！
はいおわり！
※DSMで電子部品を書く方法もまとめるかも
各構成ごとにコンポーネントを分けて、色をつけています
グリッドをヤード系にすると、グリッドにあわせながら簡単に作図できます
また、３Ｄモデルは見た目の話なので（？）ピッチは守りながらも外形などはラフに書きました（手抜き）
そして、完成したこいつを STL(Stereo Nantyara Li) で出力します。
STLは３Ｄ図形を細かい三角形の張り合わせで表現しようというものです。ファイルの中身は三角の座標とその面が向くベクトル情報の羅列になっています。
●Wings3Dで着色してwrlに変換する
DesignSparkMechanicalでは wrl が吐き出せないため Wings3D のお力を借ります
また、STLには色などの属性は含まれないため、着色もWings3Dで行います
（DesignSparkMechanicalがwrlを吐き出せれば一番いいのにね）
※説明書などを読まずに適当にやった方法です
最初にSTLをImportします
部品構成情報を用意する
Outliner ウィンドウをなんらかの方法で表示し、default を右クリック → duplicate（複製）して部品にRenameと色の設定をします
色の設定は右クリックし Edit Material... をクリック
下図、１、２の手順で変更可能 Ignoreのプルは左クリックを押しっぱなしじゃないと勝手に隠れるので注意
次は部品のメッシュ（三角）を今作成した構成情報に割り当てていきます
範囲選択などし、赤くします。下記はピン（赤くなっている）を構成するメッシュをすべて選択したった
outlinerの対象の pin を右クリックし Assign to Selection をします
するとそのメッシュに設定が適用されます。そう、色が変わるはずです
割り付けたらスペースキーを 押して選択を解除します
これを繰り返すとすべてに色がつきます
メッシュは１構成にしか割り付けられないらしく、メッシュを別の構成に割り付けると
横取り的な感じになるようですね
エクスポートします
●KiCADに取り込む
プロパティで取り込めますが、なんか知りませんがでかいですな。
（図はお試しで取り込んだ段階なので白いのです。ブログ用に作業の順序変えてるんすよ）
まあ、ピッチさえあっていればプロパティの調整でなんとかなるでしょう
スケーリングと位置オフセットを都合よくいじります
あーだこーだやって、しっかりはまりました
そして、細かい修正の中、スイッチの色をオレンジにしたらボディーが真っ白になって戻らなくなりました。スノーホワイト、これはこれでありですね。
続いてほかの部品を作ってみました
あまり凝るとメッシュが増えて大変です。特にＲや丸系は悲惨なことになるかも知れません
同じようにフットプリントに割り付けます
そしてKiCADでアートワークするとこんな感じです
ばばーん！
なんか作った感出てきますね。
もう満足したし実物作らなくてもいいや
この機能は、手付けするとしたらコテが入るか？とか、ＳＤカード取り外せるか？とか実用面での確認がしやすくなると思います
ただし、画像での保存しかできないため、メカＣＡＤにインポートして筐体設計に引き継ぐなどはできないようです
（世の中的には３Ｄモデルとしてシミュレーションにかけたりします）
最初の１個目は１時間かかりましたが、２個目からは１０分程度でできるようになりました
３Ｄモデルを配布しているサイトもありますのでそこから利用させていただくのも手だと思います
今回のデータ
パソコンからArduino経由でSDにファイルを書いてみる１
ブログ作成時の作業ＢＧＭです
●製作品イメージ
PC上のファイルをArduinoを介してSDカードに書き込む
この関係あまり詳しくないですが、OSとSDカードが直接つながらないのでAutorun.infにかかわるワーム被害のリスクはだいぶ低いんじゃないでしょうか。（そういう目的ではないですが）
●ということで
製作物は３点になります
・そういうのができる回路
・ＶＢの送信ソフト
・Arduinoソフト
●そういうのができる回路
まずはハードウェアが必要になります。
KiCADで作図しています。オリジナル部品の作成もだいぶ慣れてきました。
自動車学校で言うと教習所の外を走り出した感じですね（？）
回路ですが、Arduino NanoにSDカードホルダーをつなぐだけです
SDホルダーDIP化キットを使用しています。DIPスイッチはパーツケースで腐ってたモノを使用しました
マイクロＳＤカードスロットＤＩＰ化キット: 組立キット 秋月電子通商 電子部品 ネット通販
1ピンと2ピンの状態を起動時に読み取りボーレートを4800, 9600, 57600, 115200の４つに切り替えるというものです。早いほうが良いに決まってるので115200で使うことになるでしょう。残り２ピンは未使用です。
ブレッドボードで配線するとこんな感じ↓
●ＶＢの送信ソフト
Arduino Nanoとダイレクトにシリアル通信できるため、.NETのSerialPortを使用します
SDの機能とファイル送信の機能があればいいかなということでこんな感じ
暫定でほとんどの機能を作ります
-----コマンド一覧---------------------------
CMD_ACCEPT As Byte = Asc("0") ' 通信受信正常
CMD_END As Byte = Asc("1") ' 通信終了指令
CMD_PING As Byte = Asc("2") ' PINGコマンド
CMD_SD_CONFIG As Byte = Asc("3") ' SD構成情報要求
CMD_SD_DISCONNECT As Byte = Asc("4") ' SD取り外し検出
CMD_FILE_SEND As Byte = Asc("5") ' ファイル送信
CMD_FILE_NACK As Byte = Asc("6") ' ファイル受信失敗
CMD_FILE_ACK As Byte = Asc("7") ' ファイル受信応答
CMD_NOP As Byte = &HFF
接続までの流れ
接続 ボタン押下でSD構成情報要求をArduinoに送信します
ArduinoからSD形式、全体容量、使用済み領域が帰ってくる
接続が確立する
確立中はVBから1秒ごとにPINGが送信されArduinoがPING応答する
応答がない場合は切断する
データの送信
ファイル名を送信する(unicode風？) ArduinoはACKを返す
SD上にすでに存在すれば削除する（上書き）
ファイルサイズを送信する ArduinoはACKを返す
63byteブロックで送信し、ブロック受信でArduinoはACKを返す
エラー時はNACKを返し作業中のファイルを削除して終了する
書き込み時はLEDが点滅する
そういえば、「シーケンス制御検定」は、このように箇条書きレベルの仕様書で
プログラムを作らなければならないので大変でした
●Arduinoソフト
VBソフトの仕様にあわせて作って行きます
SDの抜き差しに対応するために下記の工夫をしています
SPI.end();で終わることで、再度のSD.beginが正常実行でき、SDのホットプラグに対応できます
// ----------------------------------------------------------------------------------------------
// SDを終了する
// ----------------------------------------------------------------------------------------------
void SD_dispose() {
SPI.end();
volumesize = 0;
usedsize = 0;
sd_flag = false;
sd_standby = false;
sd_disconnect = true;
// Serial.print("exit...\n\n");
}
現段階のソースは下記です
・通信が不安定です
・ＳＤスイッチが不安定です
●データの転送
途中途中ハマッタところが
・ファイル名をAsciiで送ったところファイル作成ができず、unicode（風）にしたらできた
・Arduinoのシリアルバッファ64bytesいっぱいにおくったらどうも63Bytesまでっぽい？
なんやかんや下記のように転送できました
bschのなぞの回路図をSDに転送し無事開けたところです
作成日時は 2000/01/01/01:00:00 になっています
DEBUG.TXTは経過を記録するファイルです
コンデンサ溶接電源の自作 その４ ～そして蔵入りへ～
●結論
現行の設計では放電回路に問題があり、溶接できないことが判明しました。
とりあえず仕様
コンデンサ：0.04F
充電電圧：8V ～ 35V
出力エネルギー：1.2J ～ 24J
溶接時間：すべてを放電しきるまで
電圧をボリュームで設定する方式です
一応、壊れるまでの２回、サス棒の溶接に成功しました
結構頑丈で引っ張り強度はよく、ねじって取れるレベルでした
また、前回よりバージョンアップしています
秋月ＤＣＤＣの出力を35V(+5V)に変更しコンデンサも２倍盛り
配線もモッコリーナ
●問題の予想
状態として、最大出力時にFETの片側が壊れます。データシートを見ると壊れて当然です。
FET2個では200Aも流せない
2SK3271は定格100Aなので、最高パフォーマンスでも2個200A。
35V放電直後のIDは350Aを越えようとし、2SK3271（2パラ）では消化できない。後半はVgs4V代だったので駆動率が悪くなおさら。
おまけに給料も安いのでラインマンが過労死するイメージです
※あくまでイメージで、チョコボール生産ラインがブラックかどうかは知りません
Vgs5VではIDが高く無視できないレベルのRonとなり半開きになるようです
また片側だけ壊れるというのは、Cissが9nFと高いのに対しRgs100Ωで駆動しているため、抵抗やらFETやらのばらつきによって感度の良いほうが先に焼けてショートするからもう片側は保護されるという感じなんだと思います。
溶接ＳＷオン
↓
FET半開き
↓
FETでロスしながら放電
↓
かたっぽ壊れるドーン！
FETが短絡して溶接開始というスイッチ方式
2SK3271でやる場合、Vgsは9Vの4パラくらいにする必要がありそうです。
2SK3271を使ったのは家に転がっていたからです。
拾ったものを使うからです
保護回路がない
調べると、FETの出力段をコンデンサにクリップすることで発振（サージ？）を防止するような工夫があるようです。
Vgs低下時の故障を防ぐために電圧低下検出回路も必須でした。
●ということで次回は
・FETを増やす
・FETのVgsを上げる
・FETドライブ抵抗を小さくする
・2ｓｑより太い線を使う
・ＯＳコンも検討
今回でいろいろと だいぶ習得することがあり、次回は安心して使えるものが作れるような気がします。
商用電源を使用しない溶接機に次回もトライするつもりです。
●感想
楽しかったです
コンデンサ溶接電源の自作 その３
●電極を作る ＴＡＫＥ１
洗濯ばさみの両口にクロム銅の丸電極を接着で取り付ける方式です。ＴＡＫＥ１ということなので、当然この方式は失敗しＴＡＫＥ２があるということです。けっ
写真のように洗濯ばさみの口に穴をφ4mmの開けます。適当にやったら1mmくらいずれました。
電極はクロム銅電極φ4mmを使用します。
電極は長いので、半分にするための金切のこをダイソーで買ってきました。
この商品は１００円です。
電極に電線をはんだづけします。ライターで４００℃近くまで炙ります。
始め、鉛フリーはんだでやったら熱容量不足ではんだごてがはんだに埋まったので共晶はんだに変えました。
上下ともに配線し洗濯ばさみの穴に通した後、エポキシ系接着剤で固めます。
洗濯ばさみを 常時開 Normally Open にするためにＧクリップを使用しています。
溶接をする前にトラブル発生
どうやら穴ずれ修正で穴を広げたせいか片側の電極の接着が弱く、閉じる力でひっこんでしまう感じになりました。ということで急遽方式を変えることにしました。
●電極を作る ＴＡＫＥ２
接着の弱い側を板形状のものにします。コンセントのプレートにすることにします。この材料が適正かどうかはわかりません。
金切のこでコンセントプラグのプレートを切り、電線をはんだづけします。
なかなかいい感じなので失敗したほうがよかったと思いました。
●実力を確認する
いちおう9Jのエネルギーを300msec程度で出力する予定です。
Ｋ熱電対をカッターで剥き、交差させ洗濯ばさみではさみます
うんともすんとも言わないよ
波形を確認すると１段目のドライブ用トランジスタがオンしていないようです。
CH1：マイコン出力
CH2：トランジスタ出力
トランジスタ出力がマイコン出力Ｌ時にHになるはずが無視されている。
どうやら前回３０Ｖ線をマイコンに触れさせたときにトランジスタも死んだ可能性があります。ということで交換したところドライブ回路は直ったようです。
CH1：トランジスタ出力
CH2：ＦＥＴゲート入力
あらためて熱電対を溶接してみます。
溶接できると思ったのですが、どうも熱で軟らかくなった分へこんだだけのような感じです。（細かくて写真はとれませんでした）
●なんで溶接できないんじゃ
理論上コンデンサ電圧30V、20000uFで仮に出力抵抗を2Ωとした場合、メインパワー継続時間は下記のグラフのように100m秒程度になるはずです。
実際の出力波形は下記で、7msecで放電しきっています。
7msecで放電しきるということは100mΩ以下である必要があります。ほんとにそうなんかなと思ってしまう。そして、コンデンサ放電波形に見えないという。
明日も休みなのでトラブルシューティングアンドウ対応は明日にすることにしました。
コンデンサ溶接電源の自作 その２
その１の続きです。その１はすでにだいぶ前に行った作業のまとめのため写真が少ない内容になりました。
また、この記事は英雄伝説 空の軌跡FCのローディング時間を使用して作成しています。
●主要キャスト（登場部品）
コンデンサ10000uF, 50V ２個使用
大須のボントンで購入しました。
Nch FET 2SK3271
職場で拾ったのでタダ！5V駆動できるのでちょうどよい。放電用のスイッチとして使用します。
木の入れ物（雑貨）
セリアで購入。ケースに使います。側面の隙間にスイッチを並べられるかなと思ってこれにしました。
Now, At the top of happiness.というのは今がまさに最高にハッピーだぜ的な感じでしょうか。そいつはよかった。
そして、２というのも意味分かりませんね。
プラスチックまないた
これもセリアで購入。立派な樹脂板材料です。PPPは加工しにくいと聞いたことがありますがまあいっかという。今回は木に張り合わせるという用途なので肉用を選択。
●基板をつくる
家にある基板やコネクタを総動員し基板を作成
電線出し作業はケースを買う前に行ったため短く、あとで電源スイッチの分を作り直すことになったり、押しスイッチの線がちぎれたりと大変でした。
奥のライターはスミチューブ用です。ドライヤーやはんだごての根っこより収縮しやすいのでオススメです。（火災の危険がありますので使用については充分注意してください）
コンデンサは下記のように2sqKIVで配線。一点配線がいいような気もしますが、ブレッドボードでも問題ないレベルなので数配線にしました。
はんだ面です。コの字の黒い線はコンデンサやＦＥＴのGND線で電源の近傍で落としています。
左上の2sq集中エリアでは線間0.5mmくらいのギャップではんだ付けされているため、ショートすると危ないのでホットボンドで充填しておきました。
動作確認しＯＫそうなのでケースに入れて配置を確認します
基板固定サポータもピッチが底の梁木とちょうどよくなりました。
コンデンサも2sqの強力なテンションで写真の位置で静止しました。このまま固定できそうです。電池は適当です。
●スイッチパネルを作成する
ここでまないたの登場です。製造者もこんな使われ方をするとは思ってなかったでしょう。
まず、必要なサイズを切り出します
角のＲは隠れるので気にしません
スイッチ用の穴をエンピツでけがきます。一般的に、メーカー資料に板金寸法として穴寸法が出ていますがめんどくさいので実測でいきます。
角穴はカッターで切り抜きます。丸穴はカッターでは難しいので、ドリルでφ5を空け、リーマで広げます。
最後にカッターを使用してバリ取りして完了。
やはりＰＰＰはやすりの刃は立ちませんでした。おそらくリュータでも溶着すると気がします。（昔、職場のリューターをPPP削って目詰まりさせて放置したことがあるのは内緒）
ちなみに樹脂加工は目の粗い組やすりもしくは紙やすり、２番角のゆるいドリルがいいみたいですね。（そんなもんうちにはない）
●組み立てる
基板は貼り付けボスで固定しています。タカチの製品だと思います便利です。
その他もアクリルフォーム強力テープやホットボンドなどで固定しました。
黄色のスイッチの穴が大きかったのでホットボンドで固定しました。（仕事だったら怒られてましたね）
いろいろあって、３０Ｖの線をマイコンの数ピンに接触させてしまい、マイコン１つおしゃかにしましたが、マイコンを交換し電源投入から放電までどうにか動いているようです。
●次回の計画
次は溶接電極を作る予定です。洗濯ばさみのように自動で閉まる機構にうまくクロム銅電極を取り付けれればと思います。
クロム銅電極はCMでおなじみミスミー！で買えます。ただしメーター単位だったと思いますが。
明日から仕事という暗黒の時代の幕開けなので、たいがいのことが滞りますが、時間を見つけて作っていこうと思います。
コンデンサ溶接電源の自作 その１
２０１６年５月１４日 追記 この設計ではうまく溶接できないという内容をその４でまとめてあります。
●作ろうと思ったきっかけ
仕事の延長線上（遊び）で近藤テックのマイウェルダーを使って熱電対の抵抗溶接を堪能しました。
近藤テック*1マイウェルダー
マイウェルダーは、単相交流をトランスを通して１周期流すというシンプルな構造でした。
今回はコンデンサ充放電式なので方式はマイウェルダーとは違いますが、熱電対の残りかすが家にあるので、溶接ができる電源を造ってみようと思った次第です。
ただ、溶接できたからといって日常生活で得することは全くないので、フリマとかで売りつけて、その金で焼肉でも食べれたらいいなと思っています。
●事例を調べる
ネットに結構事例がありますね。過去トランジスタ技術にも事例がありました。
Youtube動画だと実際に溶接する様子が見れてなかなか迫力あるマシンもありました。
人によって細かい違いはありますが、
コンデンサに 充電して ドーン！
ということは共通しています。したがって、そこを念頭に適当に設計していくことにします。
●構成を練る
昇圧DCDCでコンデンサに充電
フィードバック電圧をマイコンADで監視
充電完了で放電スイッチ点灯
放電スイッチ押下でFETオン！
昇圧ＤＣＤＣには秋月電気のモジュールを使っています
最大３０Ｖ出力 昇圧型スイッチング電源モジュール ＮＪＷ４１３１使用: 組立キット 秋月電子通商 電子部品 ネット通販
●回路図
KiCADを使っての初作図です。
画像として出力する方法がわからず、svg → png → jpg(pngの背景透明がアウトっぽい)としたらギリギリ数字が読めるかなレベルになりました。
●プログラム
とってもシンプルになっています。（一言で言えば手抜き）
ADC、Timer0、FVRの自作ライブラリも同梱しています
●検証してみる
ブレッドボードで検証をしました。（ブレッドボード写真はどっかいった）
放電すると電源電圧が瞬間持ち上がる問題
どうやらFETのソースを電源ＧＮＤ端子から遠いところに配置したせいで、急な放電電流により電位差がでていたようでした。根元に配線しなおすことでキレイに解決しました
また、波形右側のギザギザもコンデンサのＧＮＤを同じく電源近くに配線しなおすことで直りました。
実際に熱電対を交差させた状態で放電したところ、火花が散りくっつきました。
（画像があったはずがどっかいき、電対もどっかいった）
爆裂の一歩手前レベルのようでややもぎれ状態でした。レベル、加圧を管理できればきれいにつくのではないかと思います
次回は基板製作とケーシング、電極製作をめどにまとめる予定です
なんか画像がごっそり消えたような気がするのは気のせいかな
●溶接について思い出す
仕事の延長線（遊び）の中で溶接について簡単に勉強もしました。
- 溶接電流
- 加圧力*2
- 時間
の３つを管理することが重要で、単純に I^2Rt[J] の発熱量Hの公式に当てはまります。（異金属であれば電流方向もペルチェ効果の影響を受け片側が溶け過ぎ、もう片側は溶け不足になるなどもある）
今回、時間と電流はコンデンサと電圧による成り行きで、ボリュームによる調整で決まりますが、加圧力は形式によってばらつくような気がします。
たぶん洗濯ばさみ的な物ではさめばいいんじゃないかなと思っています。
*1:参考リンク：http://www.kondo-tech.co.jp/kthlist.htm
*2:電極が溶接電流により溶けて軟らかくなるのに追従して電対を抑えることで空間を作らず一体化させる目的がある
PIC1823のTimer0モジュールまとめ
●Timer0モジュールを使う目的
- ミリ秒のウェイト
- メインループのFPS管理
ワタクシはTimer0の割り込みでカウンタをインクリメントしています
現在オーバーフロー対策がありません（そんなんでいいんかい！）
●Timer0モジュール
Fosc/4（左上）を青線のとおりに導いてクロック源とするために OPTION_REG を設定し、割り込みを有効化すればTMR0レジスタのカウントが始まります。オーバフローするたびに割り込みルーチンが呼び出されます。
TMR0レジスタ
TMR0レジスタは8bitなので255からインクリメントした時点でオーバフローし、割り込み処理が呼び出されます。つまり256クロック必要なことになり必然的に256分周されちゃうわけです。
そこで割り込み処理終了時にTMR0に意図的に数字をセットすることで細かいタイミング調整ができると思います。（なぜ断言しないかというと合ってるかどうかはわからないがそれっぽくなったから）
●プログラム
tim0Initなど関数はtim0_lib.cにまとめてあります
// ------------------------------------------------------------------------------------------------
// 割り込み
// ------------------------------------------------------------------------------------------------
void interrupt isr(void){
// Timer0割り込み処理
if (TMR0IF == 1){
tim0_count++;
TMR0IF = 0;
TMR0 = tmr0_val;
}
}
void main(void) {
// 初期化処理
// Oscillator Control Register
// SPLLEN (1) : 4x PLL is enable.
// IRCF (1101): Internal oscillator frequency [4MHz HF]
// uninplemented (0) : Read as '0'
// SCS (11) : System clock select [Internal oscillator block]
OSCCON = 0b11101011;
// Timer0初期化
tim0Init(OPTION_PA_8, 131);
// 割り込みの有効
PEIE = 1;
GIE = 1;
while(1){
tim0_Wait(1000);
}
return;
}
下記は参考プログラムファイル
●チョイ待ちWait談義
職場ではArduinoの普及とともに、続々とマイコンデビューするようになっています。しかも、Arduinoでは標準でdelay()が用意されておりWaitもお気軽です。
そして、よく見かけるのが「ここのWait10秒実行してる間、スイッチとか見れないからどうしようかなー」というマイコンWait All 無視状態への対策。特にフロー制御系で出てきます。
こういう処理の場合、ワタクシは個人的に500msec以上のWaitは使わないようにしています。
下記のように「入力処理」と「状態」に分離し一箇所で処理がクローズしないようにします
入力処理 --------------------------
現在の状態を設定する
スイッチ、完了信号を変数などに代入（制御、出力は行わない）
状態処理 --------------------------
状態により遷移と処理
mode変数を列挙対として用意する。case内で状態遷移と処理を行う
switch(mode){
case state1: // センサーONならstate2へ
case state2: // 処理１実行しstate3へ
case state3: // 処理１実行完了ならstate1へ
}
てきな？
switchを増やせば並列作業も一応できると思います。ポイントはwhileなどで一箇所で処理が停滞することのないプログラムにするところです。
これはPLCのラダーの概念を参考にしています
