Проектирование электрических систем от Dassault Systemes и IGE+XAO Group

Илья Новиков, Андрей Бубнов

See One. Electrical Expert Embedded

CATIA V5. Electrical Library

CATIA V5. Electrical Harness Installation (EHI)

CATIA V5. Electrical Wire Routing (EWR)

CATIA V5. Electrical Harness Flattening (EHF)

Методика проектирования электрических систем

Заключение

В ноябре прошлого года компания «Гетнет Консалтинг» заключила партнерское соглашение с французской фирмой IGE+XAO Group, являющейся золотым партнером Dassault Systemes в сфере электротехнических прикладных модулей. Благодаря тесной интеграции электрических модулей CATIA V5 с предлагаемым IGE+XAO Group решением See One — Harness Design по разработке электрических схем стало возможным охватить весь цикл проектирования электротехнических систем и объектов.

Одним из немногочисленных направлений проектирования в системе CATIA V5, которое еще не было широко освещено в публикациях, является разработка электротехнических систем и объектов. Прежде всего это объясня ется тем, что функциональность электрических модулей в CATIA V5 позволяет охватить лишь ту часть электротехнического проекта, которая связана с трехмерной реализацией проектируемой системы (под электрическими подразумеваются модули электрического определения объектов Electrical Library, создания и раскладки жгутов и кабелей Electrical Harness и разводки проводов по жгутам Electrical Wire Routing). При этом достаточно остро ощущалось отсутствие средства для создания электрических схем (структурных, принципиальных), в соответствии с которыми должна происходить 3D-реализация проекта.

В данной статье мы расскажем читателям об общем подходе при проектировании электрических систем и объектов в среде CATIA V5 с применением решения See One — Harness Design от IGE+XAO Group, которое дополняет недостающую функциональность по созданию схем электрических соединений.

Прежде чем перейти к рассмотрению методики проектирования, приведем краткое описание функциональных возможностей используемых прикладных модулей.

See One. Electrical Expert Embedded

Как уже было сказано, See One — Harness Design является французским (как и CATIA) программным продуктом в области электрооборудования. Это решение представляет собой целую линейку независимых программных модулей, в основные задачи которых входит создание логики электротехнического проекта, разработка структурных и принципиальных электрических схем, построение 2,5D-топологии жгутов, выпуск монтажных схем.

Наборы этих модулей могут составлять отдельные конфигурации (в качестве аналога можно вспомнить конфигурации в CATIA), а минимальной конфигурацией, которая при этом имеет интерфейс с 3D-САПР, является отдельный продукт Electrical Expert Embedded. Именно с помощью этого продукта стало возможным ликвидировать упомянутый выше пробел в цикле разработки электротехнического проекта.

Данный модуль можно охарактеризовать как ElectricalCAD-систему для разработки электрических принципиальных схем. В состав функций этого продукта включен основной набор инструментов — для создания отдельных электрических компонентов схемы и проводов с определением необходимых атрибутов; для помещения их в библиотеку; для составления электрической схемы с помощью библиотечных элементов (как стандартных, так и созданных пользователем); для генерации списка подключений и пр.

Интерфейс с CATIA V5 реализуется на основе XML-файла, который генерируется в этом модуле с помощью стандартной экспортной функции на основе созданной электрической схемы. Такой интерфейсный XML-файл содержит информацию по оборудованию, коннекторам, выводам и проводам, присутствующим в схеме.

CATIA V5. Electrical Library

Модули Electrical Part Design и Electrical Assembly Design, объединенные под общим названием Electrical Library (ELB), работают соответственно на уровне детали и сборки и выполняют задачи электрического определения трехмерных объектов, а также размещения и подключения электрически определенных устройств и оборудования.

Процедура электрического определения подразумевает присвоение так называемого электрического поведения обычному трехмерному объекту, после чего этот объект в функциональном плане становится электрическим компонентом.

В CATIA V5 существует несколько типов функциональных электрических определений: коннектор, гнездо, оборудование, заглушка, контакт и др. К примеру, объект, определенный как оборудование, может содержать гнездо, в которое затем вставляется коннектор (кабельный разъем).

Электрическое соединение трехмерных компонентов осуществляется в модуле Electrical Assembly Design. При создании такого соединения между двумя электрически определенными компонентами возникает два типа связей:

• электрическая — обеспечивающая прохождение сигнала от одного компонента к другому через созданное соединение;

• механическая — стандартная связь (constraint), используемая при создании сборок в модуле Assembly Design.

Помимо описанных возможностей, в ELB имеются функции по работе с каталогами проводов и электрических устройств. Эти функции позволяют помещать электрические компоненты в каталоги, а впоследствии доставать эти компоненты из этих каталогов и размещать их в общей сборке с возможностью автоматического создания электрических соединений.

CATIA V5. Electrical Harness Installation (EHI)

Средствами, предоставляющими пользователю возможность по созданию физической реализации объемных жгутов в контексте трехмерной модели, являются работающие в паре модули Electrical Harness Installation и Electrical Harness Assembly.

Первый из них отвечает за создание каждого конкретного сегмента жгута по набору расположенных в пространстве модели точек, а также за определение таких параметров, как диаметр сегмента, минимальный радиус изгиба, величина провисания сегмента.

С помощью второго модуля можно управлять созданными сегментами и создавать электрическое соединение между оконечностью конкретного сегмента жгута и электрическим компонентом.

CATIA V5. Electrical Wire Routing (EWR)

При создании трехмерной реализации электрического жгута не всегда можно заранее определить, какой диаметр будет иметь тот или иной отдельный сегмент, поскольку этот диаметр в итоге будет зависеть от диаметра проводов, входящих в сегмент.

Модуль Electrical Wire Routing на основе имеющейся информации о подключениях (из XML-файла) позволяет осуществить внутри жгута разводку проводов между единицами оборудования. Затем диаметры этих жгутовых сегментов будут автоматически изменены до нужного размера в соответствии с диаметрами проводов, вошедших в эти сегменты. Диаметры отдельных проводов тоже берутся из XML-файла.

CATIA V5. Electrical Harness Flattening (EHF)

Завершающим этапом процесса проектирования любого изделия, объекта или системы является выпуск документации. Модуль Electrical Harness Flattening представляет собой инструмент, который помогает пользователю разрабатывать чертежи на созданный в контексте трехмерной модели электрический жгут. Если говорить точнее, то с помощью инструментария данного модуля можно разложить объемный жгут на плоскость. При этом имеется возможность спрямлять отдельные сегменты, поворачивать сегмент относительно выбранной точки, вводить скругления в спрямленный сегмент, изменять длину сегментов посредством введения фиктивной длины.

Для получения чертежа жгута, разложенного в плоскости, пользователь с помощью функций чертежного модуля Drafting должен сгенерировать проекцию жгута, проставить необходимые размеры и добавить требуемую текстовую информацию.

Методика проектирования электрических систем

После общего представления возможностей модулей, составляющих полный цикл проектирования электрических систем, перейдем к описанию методики проектирования.

Последовательность необходимых действий приведена на структурной схеме взаимодействия программных модулей (рис. 1). Если рассматривать эту взаимосвязанную совокупность модулей в виде черного ящика, то на вход этой системы должны подаваться данные, нужные разработчику для составления электрической схемы и ее реализации в электронном виде, а на выходе будут получены трехмерные модели жгутов, а также конструкторская документация.

Первым этапом цикла проектирования является разработка электрической схемы в продукте Electrical Expert Embedded. Данный продукт имеет стандартную библиотеку электрических компонентов и кабелей. Однако разработчику проектов часто недостаточно имеющегося в библиотеке набора компонентов, поэтому подготовительной фазой в реализации электрической схемы становится создание этих недостающих элементов. Для этих целей в модуле предусмотрен специальный редактор, работа в котором строится на начальном создании графического изображения компонента и на его дальнейшем функциональном определении — уже как компонента электрического. Каждый электрически определенный компонент должен содержать соединительные точки, обеспечивающие подключение проводов к этому компоненту при создании схемы.

Рис. 1. Структура взаимодействия электрических модулей

Процесс разработки самой схемы (рис. 2) начинается с размещения в рабочем поле листа проекта компонентов из библиотеки. Связь между выводами различных компонентов осуществляется путем создания логических подключений. Изначально такое подключение не содержит никакой информации ни о марке, ни о характеристиках применяемого провода и означает лишь то, что вывод одного компонента подключен к выводу другого. В дальнейшем на такое подключение назначается конкретный провод из библиотеки. Назначение может происходить как на одно подключение, так и на группу подключений.

Рис. 2. Рабочее окно Electrical Expert Embedded

Весь проект может быть выполнен на нескольких листах и должен содержать по меньшей мере один жгут (harness). В частном случае в качестве такого жгута может выступать отдельный кабель. После разработки схемы пользователь выбирает те жгуты, которые нужно передать в CATIA V5, и генерирует по ним экспортный XML-файл. Такой файл несет в себе данные по всем проводам, входящим в жгуты, по самим жгутам, а также сведения об оборудовании и коннекторах, которые этими жгутами соединяются.

На этом фаза 2D-разработки проекта заканчивается, и разработчик может приступить к этапу его трехмерной реализации. Начинается работа по трехмерной реализации проекта с размещения электрического оборудования в трехмерном пространстве цифрового макета при помощи модуля Electrical Assembly Design.

Однако этому этапу может предшествовать подготовительный этап — создание трехмерных моделей оборудования, его электрическое определение и помещение в каталог (на рис. 1 это показано стрелкой, идущей вверх от модуля ELB к каталогу). Здесь прослеживается полная аналогия с разработкой пользовательских компонентов в Electrical Expert Embedded. На подготовительном этапе выполняется построение в модулях твердотельного моделирования геометрии оборудования, коннекторов, колодок; придание необходимого электрического поведения той или иной созданной геометрии как на уровне детали, так и на уровне сборки; сохранение электрически определенных моделей в соответствующих функциональных разделах заранее созданного каталога.

Рис. 3. Размещение компонентов в Electrical Assembly Design

Модуль Electrical Assembly Design предоставляет пользователю возможность помещать из каталога в пространство цифрового макета именно то трехмерное электрическое оборудование, которое соответствует разработанной электрической схеме (рис. 3). Данные, переданные из электрической схемы через XML-файл, видны в списке размещаемого оборудования в среде CATIA. В связи с этим разработчику необходимо сделать следующее. Во-первых, требуется настроить модуль Electrical Assembly Design на работу с нужным каталогом; в этом каталоге должны храниться 3D-аналоги оборудования из электрической схемы, которые в дальнейшем и будут вставляться в сборку. Во-вторых, при этом должны совпадать значения атрибута Part Number у 2D-оборудования из Electrical Expert Embedded и у 3D-оборудования из каталога CATIA.

Если эти два условия выполнены, то процесс размещения оборудования сводится к выбору в списке размещаемого оборудования очередного электрического компонента, который требуется поместить в модель, и к расположению его в пространстве при помощи стандартных средств CATIA V5. При этом из данного списка будут последовательно исключаться те единицы оборудования, которые были размещены. Кроме того, при правильной настройке каталога (mapping) пользователю не потребуется вручную искать необходимую для размещения единицу оборудования — система автоматически выберет нужную запись в каталоге.

Рис. 4. Создание жгута в Electrical Harness Assembly

Следующий этап проектирования электрической системы состоит в создании жгутов электрических проводов, соединяющих между собой уже размещенное оборудование (рис. 4). На данном этапе пользователю достаточно построить геометрию жгута в общем виде, то есть определить набор точек, через которые пройдут отдельные сегменты, и создать сами жгутовые сегменты. При этом совсем необязательно заботиться о таких параметрах сегментов, как диаметр поперечного сечения и минимальный радиус изгиба, — указанные данные будут импортированы в модель на следующем шаге.

В общем случае жгут представляет собой функционально определенный product в дереве спецификаций, внутри которого находятся отдельные сегменты жгута (bundle segment). Поэтому фактически жгут в CATIA — это набор отдельных жгутовых сегментов, объединенных под одним product'ом (то есть на одном уровне сборки).

Точки, через которые пройдет жгут, можно условно поделить на два типа. Точки первого типа не привязаны к 3D-объектам и как бы висят в воздухе, причем эти точки фактически определяют форму жгута. Точки второго типа лежат на оборудовании, коннекторах, разъемах и являются аналогами контакта сегмента жгута с кабельным или аппаратным разъемом. Указанные точки должны быть функционально определены соответствующим образом в модуле Electrical Part Design.

Кроме того, сегменты жгута могут проходить через хомуты, стяжки, крепления, объединенные под общим названием support(опора), — это твердотельные детали с добавленным функциональным определением. В месте прохождения через такой элемент осевая образующая сегмента жгута полностью совпадает с осью отверстия хомута.

Сборка жгута помимо сегментов может содержать и любые другие узлы с геометрией. Как правило, это могут быть электрические разъемы. В этом случае такую структуру можно рассматривать как жгут, состоящий из жгутовых сегментов и кабельных разъемов.

Сформировав геометрический жгут, можно перейти к этапу трассировки проводов по этому жгуту (напомним, что начальные диаметры сегментов жгута могли быть заданы произвольно). Первым шагом на этом этапе работы с модулем Electrical Wire Routing является выбор геометрических жгутов, в которых будет производиться прокладка проводов. Используя данные о подключении проводов из импортированного XML-файла, при помощи стандартных функций Electrical Wire Routing выполняется автоматическая трассировка проводов в жгуте. В том случае, если в цифровом макете присутствуют обе единицы оборудования, соединяемые конкретным проводом, трассировка будет выполнена успешно. Если же один из элементов будет отсутствовать, то в списке трассируемых проводов будет указано, что данный провод не проложен.

Рис. 5. Трассировка провода по жгуту: выбор провода (сверху) и автоматическое изменение сечения сегмента жгута (снизу)

После завершения трассировки все сегменты жгута, по которым были проложены провода, автоматически изменят ряд своих параметров: диаметр, минимальный радиус изгиба и др. Эти изменения будут сделаны в соответствии с данными о проводах из XML-файла (рис. 5).

Поскольку провода, проложенные по жгуту, теперь имеют длину, определяемую геометрией жгута, то становится возможным экспортировать новые данные о проводах обратно в Electrical Expert Embedded в XML-формате. Эта манипуляция необходима для генерации в Electrical Expert Embedded таблиц подключений, в которой будут даны все сведения по проводам, в том числе и их физическая длина.

Последним этапом в рассматриваемом цикле проектирования электрической системы является создание конструкторской документации — чертежа жгута, необходимого для его изготовления на производстве. Модуль Electrical Harness Flattening позволяет разложить объемный жгут на плоскость (рис. 6), причем реальная длина всех сегментов остается прежней. Отдельные сегменты могут быть выпрямлены, а затем еще загнуты или повернуты относительно выбранной точки (это необходимо для достижения требуемого расположения сегментов жгута на чертеже). При спрямлении на концах сегментов останутся все кабельные разъемы, которые входили в сборку геометрического жгута и были к нему непосредственно подключены.

Рис. 6. Раскладка жгута в модуле Electrical Harness Flattening

А теперь пользователю останется создать проекцию разложенного жгута на лист с помощью чертежного модуля Drafting, проставить необходимые размеры и внести дополнительную информацию о жгуте; к тому же последняя операция может выполняться в автоматизированном режиме с использованием имен объектов. На этом этап проектирования можно считать законченным.

Заключение

У читателя, поверхностно знакомого с функциональностью всех модулей CATIA V5, названия которых начинаются с «Electrical», может возникнуть логичный вопрос по поводу стандартного модуля по созданию схем электрических соединений Electrical Connectivity Diagram : разве он не может рассматриваться как альтернатива продукту Electrical Expert Embedded для обеспечения охвата полного цикла проектирования электрических систем? Ответ здесь следующий: Electrical Connectivity Diagram работает в паре с модулем Electrical Cableway Routing по трехмерной реализации электрических трасс для производственных помещений (такие трассы, как правило, в большей своей части прямолинейны и имеют относительно большую протяженность). А модуль Electrical Cableway Routing, в свою очередь, является как бы частным случаем модуля System Routing — средства упрощенного создания коммуникационных трасс (трубопроводы, волноводы, системы кондиционирования). Соответственно по данным из Electrical Connectivity Diagram строятся трехмерные электрические трассы, имеющие иное назначение и иную физическую реализацию, чем электрические жгуты и кабели в авиа- и автомобилестроении. Для проектирования же последних, как нам уже известно, предназначены именно те модули электрики, которые рассматривались в данной статье и которые используют XML-интерфейс с 2D-электротехническими САПР.

В заключение следует отметить, что при работе в CATIA формат XML является не единственным способом передачи в 3D-среду данных об электрическом оборудовании и электрических соединениях. Вариантом решения данного вопроса является модуль (а точнее, Java-приложение) Electrical System Function Definition для создания функциональных схем на первых этапах разработки проектируемых электрических систем. Однако функциональность данного модуля будет доступна пользователям CATIA V5 лишь в том случае, если на их рабочих станциях установлено приложение ENOVIA 3d com Navigator.

САПР и графика 1`2006