W świecie robotyki, elektroniki i projektowania urządzeń płytki PCB (Printed Circuit Board, czyli obwody drukowane) to podstawa każdego zaawansowanego prototypu. Przygotowanie projektu do produkcji na zamówienie wymaga precyzji, znajomości narzędzi i zrozumienia procesu – od schematu po gotowy prototyp. Ten artykuł krok po kroku wyjaśni, jak samodzielnie lub z pomocą specjalistów przygotować plik Gerber i inne dane, by uniknąć błędów, opóźnień i kosztów.
Dlaczego przygotowanie projektu PCB jest kluczowe w robotyce i elektronice?
Płytki PCB umożliwiają kompaktowe rozmieszczenie komponentów w robotach, sterownikach, sensorach czy modułach IoT. Błędy na etapie projektowania – jak źle poprowadzone ścieżki, zła separacja masy czy ignorowanie zasad EMC – prowadzą do awarii, przegrzewania i utraty funkcjonalności. Firmy jak Microbotic czy Rapidlab podkreślają, że sukces zależy od profesjonalnego projektowania, które uwzględnia funkcjonalność, łatwą produkcję seryjną i efektywne testowanie.
W robotyce, gdzie płytki muszą wytrzymywać wibracje, wilgoć czy wysokie obciążenia, przygotowanie projektu to nie tylko rysowanie schematu, ale także symulacja, weryfikacja dostępności komponentów i optymalizacja pod koszty. Prototypy jednowarstwowe nadają się do prostych układów (np. Arduino w robocie mobilnym), a wielowarstwowe – do złożonych systemów sterowania.
Krok 1 – zdefiniuj wymagania i zbierz dokumentację
Pierwszy etap to burza mózgów i określenie potrzeb biznesowych oraz technicznych. Zastanów się nad poniższymi aspektami projektu:
- funkcje urządzenia – co ma robić płytka? (np. sterowanie silnikami w robocie, przetwarzanie danych z sensorów);
- parametry – wymiary, liczba warstw (1–2 dla prototypów, więcej dla zaawansowanych), grubość laminatu (standardowo 1–1,55 mm);
- komponenty – lista BOM (Bill of Materials) z symbolami, wartościami i producentami; sprawdź dostępność na rynku, bo ograniczenia dostaw mogą opóźnić realizację;
- ograniczenia – normy EMC, odporność termiczna, montaż SMT/THT.
Zbierz schemat elektryczny – to podstawowy plik do wyceny. Większość firm wymaga schematu do oszacowania kosztów zależnych od złożoności i czasu projektowania.
Przykład w robotyce – dla robota kroczącego zdefiniuj wymagania co do prądu (np. 5 A na ścieżkach silników), GPIO i komunikacji I2C/SPI.
Krok 2 – wybierz oprogramowanie do projektowania PCB
Użyj darmowych lub profesjonalnych narzędzi, biorąc pod uwagę funkcje, skalę projektu i budżet:
| Oprogramowanie | Zalety | Wady | Polecane dla |
|---|---|---|---|
| KiCad (darmowe) | Pełne środowisko, symulacje, eksport Gerber | Krzywa uczenia | Hobbystów i prototypy robotyczne |
| Eagle/Autodesk | Integracja z Fusion 360, bogate biblioteki | Płatne powyżej limitu | Profesjonalistów w elektronice |
| Altium Designer | Zaawansowane symulacje, reguły EMC, projekty wielowarstwowe | Wysoka cena | Złożone projekty robotów |
| EasyEDA | Online, integracja z JLCPCB | Mniej zaawansowane funkcje | Szybkie prototypy |
Narysuj schemat ideowy, przypisz footprinty (odbicia komponentów), a następnie przejdź do rozmieszczenia elementów. Przestrzegaj zasad projektowania – minimalna szerokość ścieżek (0,15–0,25 mm), odległości (ok. 0,2 mm), średnice przelotek (np. via 0,3 mm).
Krok 3 – projektuj układ – rozmieszczenie i routing ścieżek
Podczas projektowania zwróć uwagę na kluczowe obszary:
- rozmieszczenie komponentów – grupuj sekcje analogowe i cyfrowe osobno, by ograniczyć zakłócenia EMC; silniki i sensory trzymaj z dala od mikrokontrolerów;
- routing ścieżek – użyj autoroutera, ale ręcznie popraw krytyczne linie (zasilanie, zegary, wysokie prądy); szerokość ścieżek wyznacz kalkulatorem (np. ok. 1 mm dla 1 A);
- warstwy – w płytkach 2‑warstwowych korzystaj z top/bottom, w wielowarstwowych prowadź sygnały warstwami wewnętrznymi;
- maska lutownicza i nadruk – odpowiednio oznacz elementy, by ułatwić montaż i serwis.
Wskazówka dla robotyki – dodaj wzmocnione pady pod złącza śrubowe silników i rozległe pola masy (ground planes) dla stabilności układu.
Weryfikuj DRC (Design Rule Check) – automatycznie wykrywaj kolizje, zbyt małe odstępy i inne niezgodności.
Krok 4 – symulacje i weryfikacja projektu
Przed eksportem wykonaj poniższe kroki, aby zminimalizować ryzyko błędów:
- symulacja – sprawdź timing, integralność sygnału i zasilanie (np. LTSpice + KiCad);
- analiza termiczna – oszacuj rozpraszanie mocy i temperatury elementów (np. w Altium);
- poprawki – wprowadź zmiany po weryfikacji wstępnej i testach reguł.
Graficzny projekt schematu → weryfikacja → poprawki → eksport – to standardowy, bezpieczny proces projektowy.
Krok 5 – generowanie plików produkcyjnych (Gerber i inne)
To klucz do produkcji! Przygotuj i wyeksportuj następujące dane:
- pliki Gerber – oddzielnie dla każdej warstwy: top/bottom, maska, jedwab, obrys;
- plik Excellon – dane wierceń (nawierty, średnice, warstwy);
- BOM i CPL (centroid) – lista komponentów oraz współrzędne XY dla montażu SMT;
- PDF/obraz podglądowy – widoki 2D/3D do szybkiej kontroli.
Nazwij pliki logicznie (np. robot_top.gbr) i sprawdź je w Gerber Viewer. Firmy takie jak TSPcb zwykle akceptują powyższe formaty (prototypy do ok. 12 dm², realizacja ekspres nawet w 4–9 dni), a EMS‑Elektronix oferuje również wykończenia, w tym utwardzanie i cynowanie CNC.
Krok 6 – wybór producenta i składanie zamówienia
Przy wyborze dostawcy oceń czas, cenę, możliwości montażu oraz wsparcie techniczne:
- prototypy szybkie – PCBWay (24 h, atrakcyjne ceny małych serii), Satland, TSPcb (tryb express 4/5 dni);
- usługi kompleksowe – Microbotic (projekt + montaż + testy), PROPCB (m.in. HDI);
- koszty – kalkulatory online (np. Prototypy.com) i wycena indywidualna; zależą od powierzchni, liczby warstw, terminów i wykończenia.
Dla szybkiej orientacji w opcjach dostępnych na rynku, zobacz porównanie ofert prototypów:
| Producent | Czas | Prototyp (do 100×100 mm) | Montaż |
|---|---|---|---|
| TSPcb | 4–9 dni | Grubość 1–1,55 mm, obszar do ok. 12 dm² | Opcjonalny |
| Microbotic | Indywidualnie | Wielowarstwowe, projekty złożone | Tak, z testami |
| EMS‑Elektronix | Z montażem | Wykończenia CNC, cynowanie | Pełny (SMT/THT) |
Zamów od razu z zakupem elementów i montażem – ograniczysz logistykę, ryzyko błędów oraz czas wprowadzenia poprawek.
Krok 7 – montaż, testy i iteracje
Po produkcji zaplanuj montaż SMT/THT, programowanie oraz testy (funkcjonalne i EMC). W zastosowaniach robotycznych testuj pod obciążeniem (silniki, sensory, zasilanie). W razie problemów wprowadź zmiany i zamów kolejną serię prototypów.
Koszty prototypu mogą zaczynać się od kilku dolarów (usługi azjatyckie) i rosnąć do kilkuset złotych w przypadku złożonych projektów realizowanych lokalnie.
Najczęstsze błędy i jak ich uniknąć
Na etapie projektowania i przygotowania produkcji najczęściej pojawiają się poniższe problemy – zwróć na nie szczególną uwagę:
- brak DRC – zbyt małe odstępy lub kolizje ścieżek skutkują zwarciami i odrzutami produkcyjnymi;
- ignorowanie EMC – zakłócenia w robotach powodują niestabilność i nieprzewidywalne zachowanie układu;
- niedostępne komponenty – brak części opóźnia projekt; zapewnij zamienniki w BOM i zweryfikuj lead time;
- złe footprinty – rozjazd z obudowami elementów utrudnia montaż i prowadzi do błędów reflow;
- brak modelu 3D – kolizje z obudową lub innymi modułami wychodzą dopiero po produkcji.
Zawsze generuj podgląd 3D, konsultuj reguły z producentem i weryfikuj pliki Gerber/Excellon przed wysłaniem do fabryki.