Совершенствование совместного проектирования электромеханических узлов

Эффективная совместная работа — важнейший фактор повышения производительности и создания высококачественных изделий. Современные системы автоматизированного проектирования (CAD) и интеллектуальные инструменты помогают инженерам синхронизировать данные и совместно работать над важнейшими междисциплинарными вопросами проекта, концентрируясь при этом на выполнении своей основной задачи: создавать инновации. Благодаря такому подходу удается наилучшим образом реализовывать замысел конструктора, сокращать сроки проектирования и в нужное время выводить продукт на рынок.

Введение

Современные заказчики, независимо от отрасли, весьма требовательны: их изделия должны быть всё более интеллектуальными и обладать обширной функциональностью. В связи с этим использование электроники в традиционных механических устройствах растет беспрецедентными темпами, и все эти электронные компоненты должны быть физически соединены между собой и увязаны с общей компоновкой изделия.

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 у современного изделия образуется настоящая «электрическая нервная система».

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 всё 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 области их специализации. Например, инженеры­механики нередко имеют дело с электрооборудованием, а инженеры­электрики — с механическим.

Проблема — в разрозненности инженерных дисциплин

В отсутствие скоординированного процесса проектирования объединение систем изделия выполняется на этапе изготовления опытных образцов, то есть уже в завершение цикла разработки. При этом ошибки, допущенные на таких поздних этапах, оказываются весьма дорогостоящими. Если их не удается выявить до изготовления и проведения испытаний опытных образцов, компания несет существенные издержки — финансовые и временные. Кроме того, подобные ошибки способны существенно задержать выход нового изделия на рынок.

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

Почему

• Когда инженеры­электрики и инженеры­механики работают в различных системах проектирования, согласование даже простейших вопросов превращается в серьезную проблему. «Мы говорим про этот провод или про тот?»: для инженера­электрика провод — это линия на электрической схеме, для инженера­механика этот же провод прокладывается на 3D­модели механического узла. Из­за разницы в подходах возникает непонимание, ошибки и задержки в проектировании;
• при отсутствии согласования рабочих процессов инженеры­электрики разрабатывают комплект электросхем, спецификации и чертежи. Затем инженеры­механики 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 инженеров­электриков и инженеров­механиков, при этом на каждом цикле специалисту приходится заново изучать внесенные изменения.

В итоге ошибки проектирования передаются на следующие этапы, из­за чего приходится выполнять множество циклов изготовления и проведения испытаний опытных образцов.

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

Препятствия на пути интеграции ECAD­ и MCAD­систем

К сожалению, обеспечение совместной работы пользователей электрических (ECAD) и механических (MCAD) САПР — непростая задача. Главная проблема состоит в традиционном разделении проекта на электрическую и механическую части. Как правило, инженеры­электрики и инженеры­механики «говорят» на разных языках и пользуются различными инструментами. К тому же чаще всего их рабочие места разнесены территориально.

Следующая трудность состоит в том, что структура одного и того же объекта для проектирования электрической и механической частей представляется в CAD­системах по­разному.

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

В любой MCAD­системе электронный блок — это спецификация в виде крепежа, корпуса, печатной платы и разъемов. При этом в ЕCAD­системе 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 выполнять трассировку электропроводки по изделию, учитывая при этом вопросы электромагнитной совместимости. В процессе трассировки следует 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.

В итоге, чтобы создать действительно хорошую электросистему, инженеры­электрики и инженеры­механики 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 ECAD­MCAD­систем применялось всё, что только можно: стикеры, электронная почта, файлы Excel. По понятным причинам подобные подходы были обречены на провал.

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

Спроектировать электрическую систему, используя комбинацию из универсального редактора для построения схем, электронных таблиц и 2D CAD­системы, 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 инженеры­механики вынуждены вручную разбираться с документацией на электрическую систему, чтобы выяснить, где и какие жгуты проводов требуется проложить.

К счастью, появились новые процессы автоматизированного проектирования, которые успешно справляются с указанными сложностями. Интеллектуальные процессы ECAD­MCAD­проектирования поддерживают совместную работу специалистов, создающих электрическую и механическую части проекта.

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

Проектирование современных электромеханических систем — непростая задача, которая представляет собой циклический процесс с широким перечнем ограничений. Предприятиям требуются новые автоматизированные и интеллектуальные решения, обеспечивающие совместную работу специалистов. Однако до сих пор многие решают не развивать интегрированный процесс проектирования, обосновывая это тем, что он требует значительных расходов. В связи с этим необходимо задаться другим вопросом: какие убытки возникнут, если изделие не выйдет на рынок в благоприятный момент?

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 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 гораздо шире, чем при использовании традиционных опытных образцов.

Типовой процесс интеллектуального проектирования

Инженер­электрик разрабатывает спецификацию на элементы электрической системы, которую затем интегрирует в эффективную среду трехмерного проектирования, например Solid Edge® от Siemens Digital Industries Software. Подобная интеграция позволяет при проектировании электрической части учитывать ограничения, налагаемые механической конструкцией, указывает на наличие мест с повышенной влажностью, температурой и другими опасными факторами. В то же время, при проектировании механической части конструктор будет оставлять достаточно места для проводки, а также обеспечивать требуемые радиусы изгиба жгутов. Благодаря наличию междисциплинарного контекста инженеры­электрики и инженеры­механики смогут быстро выявить несоответствия между электрической и механической частями проекта.

Инженер­механик должен гарантировать, что жгут со всеми требуемыми проводами удастся проложить в имеющемся пространстве. Однако моделирование этих проводов в MCAD­системе — 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 налагаемых механической частью ограничений максимально допустимый диаметр жгута проводки передается в модуль Solid Edge, который проверяет, что спроектированный жгут действительно не превышает указанного диаметра. Для этого в модуле Solid Edge Wiring and Harness Design предусмотрена автоматическая проверка правил конструирования.

Если жгут оснащается хомутами, изолирующими втулками и усадочными трубками, для учета их влияния также требуется междисциплинарное взаимодействие специалистов. Подобные объекты лучше всего создавать в 3D MCAD­системе, а затем добавлять к ним данные по электрической части, полученные из ECAD­системы. Такая ассоциативная связь позволяет автоматически проектировать жгуты проводки и точно определять их параметры.

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

Функции перекрестной проверки в модуле Solid Edge Wiring and Harness Design

Интеллектуальный подход к проектированию электромеханических узлов

Модули Solid Edge для проектирования электрических систем ориентированы на предприятия среднего размера, для которых особенно важны такие параметры, как легкость внедрения и низкая общая стоимость владения. Широкие возможности этой системы выходят далеко за рамки традиционных функций по созданию электромеханических узлов. В частности, модули выполняют численное моделирование токов и напряжений, выявляют такие ошибки, как короткие замыкания, рассчитывают номиналы предохранителей. Эти функции, а также возможности автоматизированного проектирования жгутов проводки и подготовки документации в модуле Solid Edge Wiring and Harness Design помогают нашим заказчикам победить в конкурентной борьбе даже при отсутствии большого опыта работы с подобными инструментами.

При совместном использовании с CAD­системой Solid Edge 3D модуль Solid Edge Wiring and Harness Design обеспечивает эффективную совместную работу инженеров­электриков и инженеров­механиков:

• полная информация об электрической части проекта передается в Solid Edge 3D, поэтому инженер­механик 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 3D­трассировку проводов, кабелей и жгутов автоматически, сокращая вероятность ошибок, связанных с человеческим фактором;
• надежная передача изменений между электрической и механической частями проекта. Перекрестные проверка и визуализация обеспечивают контроль прохождения сигналов прямо на 3D­модели, что помогает в подборе оптимальной трассы, исключающей возникновение электромагнитных помех. Когда кто­то из инженеров вносит изменения в свою часть конструкции, их сразу видят все остальные участники разработки. Это минимизирует количество проектных ошибок;
• интерактивное выделение объектов. Когда инженер­электрик выбирает провод на электросхеме, то этот же провод подсвечивается на 3D­модели механического узла. И, наоборот, при выборе провода на 3D­модели 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;
• инженеры­электрики 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 инженера­механика, занимающегося трассировкой электропроводки по изделию.

Модуль Solid Edge Wiring and Harness Design успешно решает проблемы проектирования электромеханических устройств. Интегрированное междисциплинарное решение основано на технологиях ведущего разработчика систем электротехнического проектирования Mentor Graphics, входящего в компанию Siemens Digital Industries Software. Все решения для проектирования электрической части, включая модуль Solid Edge Wiring and Harness Design, созданы одним и тем же разработчиком и глубоко интегрированы, что было бы невозможно в случае объединения со сторонними приложениями или самостоятельно разработанными дополнительными модулями. При совместном использовании с CAD­системой Solid Edge 3D модуль Solid Edge Wiring and Harness Design помогает разрабатывать электромеханические системы быстрее и дешевле.

Заключение

Электрические системы играют важнейшую роль в большинстве современных изделий. Они обеспечивают необходимое питание электроники, а также точное и эффективное взаимодействие множества систем. Без надежных электрических систем современные изделия стали бы просто неработоспособными.

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 «ECAD­MCAD». ECAD­система сообщает все необходимые атрибуты, включая точки, соединяемые каждым проводником. Затем MCAD­система выполняет трассировку провода, кабеля или жгута в 3D и отправляет фактические длины обратно в ECAD­систему. 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 решение их основной задачи: создавать инновации.