Новый подход Siemens к совместной разработке электрической и механической частей изделия

Краткая аннотация

Введение

Датчики устанавливают практически в любое оборудование, чтобы объединить устройства в единый «умный» мир. Сигналы от этих датчиков передаются по проводам на встроенные блоки, приводы и антенны. Отдельные провода объединяются в жгуты. В итоге образуется настоящая «электрическая нервная система» современного изделия.

Как результат того, что электроника и программное обеспечение начинают управлять механическими узлами конструкции, растет сложность электромеханических систем, самые лучшие из существующих процессов проектирования быстро устаревают и становятся неэффективными, а конструкторам все труднее успевать за быстро меняющимися требованиями рынка. Сегодня уже невозможно просто передать готовый проект на изготовление опытного образца, чтобы проверить, работает ли изделие так, как задумано. Инженерам приходится выходить за пределы их области специализации. Например, инженеры-механики нередко имеют дело с электрооборудованием, а инженеры-электрики — с механическим.

Проблема — в разрозненности инженерных дисциплин

Таким образом, традиционное разделение процессов становится неэффективным на фоне все возрастающей сложности проектируемых изделий.

Почему?

• Когда инженеры-электрики и инженеры-механики работают в различных системах проектирования, согласование даже простейших вопросов превращается в большую проблему. «Мы говорим про этот провод или про тот?»: для инженера-электрика провод — это линия на электрической схеме, для инженера-механика этот же провод прокладывается на 3D-модели механического узла. Из-за разницы в подходах возникает непонимание, ошибки и задержки в проектировании.
• При отсутствии согласования рабочих процессов инженеры-электрики разрабатывают комплект электросхем, спецификации и чертежи. Затем инженеры-механики должны изучить документацию и выяснить, какие провода требуют трассировки по механическим узлам. Эти работы выполняются вручную, а значит возрастает риск появления ошибок.
• Проектирование электрической части редко удается завершить с первого раза. Чаще всего это циклический процесс с участием инженеров-электриков и инженеров-механиков, при этом на каждом цикле специалисту приходится заново изучать внесенные изменения.

Рис. 1. Традиционное разделение процессов проектирования электрической и механической части изделий не позволяет синхронизировать отдельные части проекта

В современных условиях разрозненные отделы предприятия не могут работать эффективно. Электрическую и механическую части проекта необходимо объединять.

Препятствия на пути интеграции ECAD- и MCAD-систем

Следующая трудность состоит в том, что структура одного и того же объекта для проектирования электрической и механической частей представляется в CAD-системах по-разному.

В любой MCAD-системе электронный блок – это спецификация в виде крепежа, корпуса, печатной платы и разъемов. При этом в ЕCAD-системе тот же самый модуль – это функциональная или электрическая схема, то есть представление более высокого уровня, чем только физическая структура объекта. Для выполнения ряда функций электрооборудования задействуются сразу несколько печатных плат и разъемов, что не позволяет однозначно связать конкретную функцию с конкретным физическим элементом изделия.

Чтобы обеспечить необходимую функциональность электрической части, требуются значительные трудозатраты. В ходе проектирования инженеры подбирают подходящие разъемы, клеммы, экраны, материалы проводов и пр. Также при разработке электрических систем приходится решать немало задач конструирования механических узлов. Необходимо тщательно выполнить трассировку электропроводки по изделию, учитывая при этом вопросы электромагнитной совместимости. Процесс трассировки должен исключать физическое пересечение электропроводки с деталями, правильно рассчитывать длины проводов (на основе реальных радиусов сгиба) и учитывать другие факторы — например, корректный выбор точек крепления проводки.

Рис. 2. Ошибочно думать, что трассировка и изготовление жгутов проводки — простая задача

В итоге, чтобы создать действительно хорошую электросистему, инженеры-электрики и инженеры-механики выполняют множество циклов проектирования. Им необходимо обмениваться проектными данными и работать в тесном взаимодействии.

Предпринимавшиеся ранее попытки поддержки такой совместной работы не принесли значительных успехов. Для интеграции ECAD и MCAD систем применялось все, что угодно: стикеры, электронная почта, файлы Excel. По понятным причинам подобные подходы были обречены на провал.

Спроектировать электрическую систему, используя комбинацию из универсального редактора для построения схем, электронных таблиц и 2D CAD-системы, в принципе можно, но возникает немало рисков:

• Разрабатываемые в каждой из этих систем элементы никак не связаны между собой. Если в электрическую схему вносят изменения и забывают о них, чертежи и спецификации не будут отражать новое проектное решение.
• Все элементы схемы, спецификации чертежа — это не более чем линии и символы. Выполнить численное моделирование и проверку функциональности систем с их помощью абсолютно невозможно. Если ошибочно выбран слишком малый номинальный ток предохранителя, инженеры не узнают о том, что он перегорит, до проведения испытаний опытного образца.
• В отсутствие автоматизации при переходе от электротехнического проектирования к трассировке электропроводки по механическим узлам инженеры-механики вынуждены вручную разбираться с документацией на электрическую систему, чтобы выяснить, где и какие жгуты проводов требуется проложить.

Численное моделирование прогнозирует характеристики электрической системы, что позволяет проверять и оптимизировать проектное решение, а перекрестная проверка конструкции в различных приложениях усиливает интеграцию.

Новый подход к совместной разработке электрической и механической частей изделия

Качество электрической части оказывает колоссальное влияние на успех или неудачу нового изделия, а численное моделирование и расчеты служат основой эффективного контроля проектных решений на ранних этапах. Численное моделирование электрических систем в самом начале разработки способно выявить проблемы, требующие полной переделки всей базовой архитектуры электрической части.

Электрическая система тесно связана с механическими узлами, поэтому изменения в электрической части зачастую требуют внесения корректировок также и в механическую часть. Подобные изменения как в электрике, так и в механике гораздо проще и дешевле проводить на самых ранних этапах создания изделия.

Внедрение новых интеллектуальных систем проектирования предоставляет разработчикам полный доступ ко всей информации об изделии. На основе такой информации выполняется численное моделирование — основа процессов проектирования интегрированных электромеханических систем, с помощью которого сокращается потребность в опытных образцах, экономятся время и деньги.

Компьютерные методы моделирования и контроля проектных решений электрической части являются значительным шагом вперед в части проверки целостности конструкции. Возможности такого подхода значительно шире, чем при использовании традиционных опытных образцов.

Типовой процесс интеллектуального проектирования

Инженер-механик должен гарантировать, что жгут со всеми требуемыми проводами удастся проложить в имеющемся пространстве. Однако моделирование этих проводов в MCAD-системе – слишком сложная и трудоемкая задача. Вместо этого описание электрической системы создается в специальном модуле — таком как Solid Edge Wiring and Harness Design. Определенный на основе накладываемых механической частью ограничений максимально допустимый диаметр жгута проводки передается в модуль Solid Edge, который проверяет, что спроектированный жгут действительно не превышает этого диаметра. Для этого в модуле Solid Edge Wiring and Harness Design предусмотрена автоматическая проверка правил конструирования.

Рис. 3. Функции перекрестной проверки в модуле Solid Edge Wiring and Harness Design

По окончании совместной разработки каждый инженер получает четкое представление о том, как разработанная им часть проекта будет функционировать в составе всего изделия в целом.

Интеллектуальный подход к проектированию электромеханических узлов

При совместном использовании с CAD-системой Solid Edge 3D модуль Solid Edge Wiring and Harness Design обеспечивает эффективную совместную работу инженеров-электриков и инженеров-механиков.

• Полная информация об электрической части проекта передается в Solid Edge 3D, поэтому инженер-механик получает полный список размещаемых электрических узлов и соединений, требующих трассировки. Более того, Solid Edge знает, какие элементы должны соединяться и каким образом, так что система выполняет 3D-трассировку проводов, кабелей и жгутов автоматически, сокращая вероятность ошибок по причине человеческого фактора.
• Надежная передача изменений между электрической и механической частями проекта. Перекрестная проверка и визуализация обеспечивают контроль прохождения сигналов прямо на 3D-модели, что помогает в подборе оптимальной трассы, исключающей возникновение электромагнитных помех. Когда кто-то из инженеров вносит изменения в свою часть конструкции, их сразу видят все остальные участники разработки. Это минимизирует количество проектных ошибок.
• Интерактивное выделение объектов. Когда инженер-электрик выбирает провод на электросхеме, то этот же провод подсвечивается на 3D-модели механического узла. И наоборот: при выборе провода на 3D-модели он подсвечивается на электросхеме. Это значительно облегчает выявление и устранение междисциплинарных несоответствий.
• Интеллектуальные графики, спецификации и чертежи — это разные представления одних и тех же элементов, разъемов или проводов. Любое изменение в одном из них влечет автоматическое отображение этого изменения в остальных материалах.
• Инженеры-электрики теперь выполняют численное моделирование и расчеты, проверяя надлежащее функционирование разработанной системы. Численное моделирование способно выявить состояние электрической системы, которое приведет к перегоранию предохранителя, причем задолго до испытаний опытного образца.
• Проектная информация передается в виде списка заданий для инженера-механика, занимающегося трассировкой электропроводки по изделию.

Заключение

Электрическая система тесно связана с механическими узлами. Например, полное сопротивление проводника зависит от его длины и удельного сопротивления материала. В первых системах проектирования и расчетов электрической части длины проводов указывались вручную. По мере усложнения электрического оборудования ручные процессы ушли в прошлое, возникла тесная интеграция этапов разработки электрической и механической частей с едиными междисциплинарными моделями. Сейчас для этого применяется двусторонний интерфейс «ECAD-MCAD». ECAD-система сообщает все необходимые атрибуты, включая точки, соединяемые каждым проводником. Затем MCAD-система выполняет трассировку провода, кабеля или жгута в 3D и отправляет фактические длины обратно в ECAD-систему. Такой междисциплинарный процесс сокращает сроки проектирования.

Давно известно, что совместная работа повышает производительность и помогает создавать высокоэффективные конструкции. Современные системы автоматизированного проектирования (CAD) и интеллектуальные инструменты помогают инженерам синхронизировать данные и совместно работать над важнейшими междисциплинарными вопросами проекта. Благодаря этому удается наилучшим образом реализовывать замысел конструктора и с первого раза достигать успеха.

Высокоинтегрированная система электромеханического проектирования, такая как Solid Edge Wiring and Harness Design, обеспечивает междисциплинарную совместную работу, избавляя инженеров от необходимости постоянно проводить совещания, обсуждая ошибки, возникшие при ручном вводе изменений. Интеллектуальная методика проектирования позволяет оценивать последствия изменений для электрической и механической частей в единой среде. Благодаря этому у инженеров остается больше времени на их основную задачу: создавать инновации.