Verbesserung des Gelenkdesigns von elektromechanischen Bauteilen

Kurze Zusammenfassung

Eine effektive Zusammenarbeit ist ein wesentlicher Faktor für die Steigerung der Produktivität und die Schaffung hochwertiger Produkte. Moderne CAD-Systeme (Computer Aided Design) und intelligente Tools helfen Ingenieuren, Daten zu synchronisieren und gemeinsam an den wichtigsten interdisziplinären Themen des Projekts zu arbeiten, wobei sie sich auf ihre Hauptaufgabe konzentrieren: Innovation zu schaffen. Dank dieses Ansatzes ist es möglich, den Plan des Designers optimal umzusetzen, die Entwurfszeit zu verkürzen und das Produkt zur richtigen Zeit auf den Markt zu bringen.

Die Unterstützung der interdisziplinären Zusammenarbeit beschleunigt die Innovation

Einleitung

Moderne Kunden, unabhängig von der Branche, sind sehr anspruchsvoll: Ihre Produkte müssen intelligenter sein und umfassende Funktionen haben. In dieser Hinsicht nimmt der Einsatz von Elektronik in traditionellen mechanischen Geräten in beispielloser Geschwindigkeit zu, und all diese elektronischen Komponenten müssen physisch miteinander verbunden und mit dem allgemeinen Layout des Produkts verknüpft werden.

Sensoren sind in nahezu allen Geräten installiert, um Geräte in einer einzigen „intelligenten“ Welt zu kombinieren. Die Signale dieser Sensoren werden drahtgebunden an die Einbaugeräte, Antriebe und Antennen übertragen. Separate Drähte werden zusammen gebündelt. Dadurch entsteht ein echtes „elektrisches Nervensystem“ eines modernen Produktes.

Infolge der Tatsache, dass Elektronik und Software beginnen, die mechanischen Komponenten der Struktur zu steuern, wächst die Komplexität elektromechanischer Systeme, das Beste aus den vorhandenen Konstruktionsprozessen wird schnell hinfällig und ineffizient, und es wird für Konstrukteure immer schwieriger, mit den sich schnell ändernden Marktanforderungen Schritt zu halten. Heute ist es nicht mehr möglich, das fertige Projekt einfach auf die Produktion eines Prototyps zu übertragen, um zu prüfen, ob das Produkt wie vorgesehen funktioniert. Ingenieure müssen über ihr Spezialgebiet hinausgehen. Beispielsweise beschäftigen sich Maschinenbauer häufig mit elektrischen Ausrüstungen und Elektrotechniker mit mechanischen Ausrüstungen.

Das Problem ist die Fragmentierung der Ingenieurdisziplinen

In Ermangelung eines koordinierten Designprozesses erfolgt die Integration von Produktsystemen in der Phase der Herstellung von Prototypen, dh am Ende des Entwicklungszyklus. Gleichzeitig erweisen sich die in solchen späten Phasen gemachten Fehler als sehr teuer. Wenn sie vor der Herstellung und Prüfung von Prototypen nicht identifiziert werden können, trägt das Unternehmen erhebliche Kosten - finanzielle und zeitliche. Darüber hinaus können solche Fehler die Markteinführung eines neuen Produkts erheblich verzögern.
Somit wird die traditionelle Trennung von Prozessen vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität der entworfenen Produkte unwirksam.

Warum?

• Wenn Elektroingenieure und Maschinenbauer in verschiedenen Konstruktionssystemen arbeiten, wird es zu einem großen Problem, auch die einfachsten Fragen zu beantworten. „Sprechen wir über diesen Draht oder darüber?“: Für einen Elektrotechniker ist ein Draht eine Linie in einem Stromkreis, für einen Maschinenbauingenieur wird derselbe Draht auf einem 3D-Modell einer mechanischen Baugruppe verlegt. Aufgrund der unterschiedlichen Herangehensweisen entstehen Missverständnisse, Fehler und Designverzögerungen.
• In Ermangelung einer Koordinierung der Arbeitsabläufe entwickeln die Elektrotechniker eine Reihe von Schaltplänen, Spezifikationen und Zeichnungen. Dann sollten Maschinenbauer die Dokumentation studieren und herausfinden, welche Drähte auf den mechanischen Knoten verfolgt werden müssen. Diese Arbeiten werden manuell ausgeführt, wodurch die Gefahr von Fehlern besteht.

Abb. 1. Die traditionelle Trennung der Entwurfsprozesse der elektrischen und mechanischen Teile von Produkten erlaubt keine Synchronisation einzelner Teile des Projekts.


Abb. 2. Es ist ein Fehler zu glauben, dass das Aufspüren und Herstellen von Kabelbäumen eine einfache Aufgabe ist.

• Die Konstruktion des elektrischen Teils ist beim ersten Mal selten zu vervollständigen. In den meisten Fällen handelt es sich um einen zyklischen Prozess, an dem Elektrotechniker und Maschinenbauer beteiligt sind. In jedem Zyklus muss ein Fachmann die vorgenommenen Änderungen überprüfen.

Infolgedessen werden Konstruktionsfehler an die nächsten Phasen weitergegeben, weshalb viele Zyklen zur Herstellung und Prüfung von Prototypen durchgeführt werden müssen.

Unter modernen Bedingungen können die verstreuten Abteilungen des Unternehmens nicht effizient arbeiten. Die elektrischen und mechanischen Teile des Projekts müssen kombiniert werden.

Hindernisse für die Integration von ECAD- und MCAD-Systemen

Leider ist es keine leichte Aufgabe, die Zusammenarbeit von Benutzern elektrischer (ECAD) und mechanischer (MCAD) CAD-Systeme sicherzustellen. Das Hauptproblem ist die traditionelle Aufteilung des Projekts in elektrische und mechanische Teile. In der Regel „sprechen“ Elektrotechniker und Maschinenbauer unterschiedliche Sprachen und verwenden unterschiedliche Werkzeuge. Darüber hinaus sind ihre Arbeitsplätze meist geografisch verteilt.

Die nächste Schwierigkeit besteht darin, dass die Struktur desselben Objekts für die Konstruktion elektrischer und mechanischer Teile in CAD-Systemen unterschiedlich dargestellt wird.

In jedem MCAD-System ist eine elektronische Einheit eine Spezifikation in Form von Befestigungselementen, einem Gehäuse, einer Leiterplatte und Verbindern. Darüber hinaus ist im ECAD-System das gleiche Modul ein funktionaler oder elektrischer Schaltkreis, dh eine Darstellung einer höheren Ebene als nur die physikalische Struktur des Objekts. Um eine Reihe von elektrischen Funktionen auszuführen, werden mehrere Leiterplatten und Steckverbinder gleichzeitig verwendet, so dass eine bestimmte Funktion nicht eindeutig einem bestimmten physikalischen Element des Produkts zugeordnet werden kann.

Um die notwendige Funktionalität des elektrischen Teils sicherzustellen, ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich. Während des Konstruktionsprozesses wählen die Ingenieure die geeigneten Steckverbinder, Klemmen, Abschirmungen, Drahtmaterialien usw. aus. Bei der Entwicklung elektrischer Systeme müssen außerdem viele Probleme bei der Konstruktion mechanischer Komponenten gelöst werden. Die Verkabelung des Produkts muss unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit sorgfältig nachverfolgt werden. Der Rückverfolgungsprozess sollte den physischen Schnittpunkt der elektrischen Verkabelung mit den Teilen ausschließen, die Länge der Drähte korrekt berechnen (basierend auf den tatsächlichen Biegeradien) und andere Faktoren berücksichtigen - zum Beispiel die richtige Auswahl der Befestigungspunkte für die Verkabelung.

Um ein wirklich gutes elektrisches System zu schaffen, führen Elektro- und Maschinenbauingenieure daher viele Konstruktionszyklen durch. Sie müssen Konstruktionsdaten austauschen und eng zusammenarbeiten.

Frühere Versuche, eine solche Zusammenarbeit zu unterstützen, brachten keinen signifikanten Erfolg. Für die Integration von ECAD-MCAD-Systemen wurde alles verwendet: Aufkleber, E-Mail, Excel-Dateien. Aus offensichtlichen Gründen waren solche Ansätze zum Scheitern verurteilt.

Grundsätzlich ist es möglich, ein elektrisches System mit einer Kombination aus einem universellen Editor zum Erstellen von Schaltkreisen, Tabellenkalkulationen und einem 2D-CAD-System zu entwerfen, aber es gibt viele Risiken:

• Die in jedem dieser Systeme entwickelten Elemente sind in keiner Weise miteinander verbunden. Wenn Änderungen an der elektrischen Schaltung vorgenommen und vergessen werden, spiegeln die Zeichnungen und Spezifikationen nicht die neue Entwurfsentscheidung wider.
• Alle Elemente des Diagramms, die Angaben der Zeichnung sind nichts weiter als Linien und Symbole. Es ist absolut unmöglich, mit ihrer Hilfe numerische Modelle zu erstellen und die Funktionalität von Systemen zu testen. Wenn der Sicherungsnennstrom zu niedrig ist, wissen die Ingenieure erst, wenn der Prototyp getestet wurde, dass er durchbrennt.
• In Ermangelung einer Automatisierung beim Übergang von der Elektrotechnik zur Verlegung der elektrischen Verkabelung durch mechanische Komponenten sind die Maschinenbauer gezwungen, die Dokumentation für die elektrische Anlage manuell zu bearbeiten, um herauszufinden, wo und welche Kabelbäume verlegt werden müssen.

Glücklicherweise sind neue computergestützte Entwurfsprozesse entstanden, die diese Herausforderungen erfolgreich meistern.

Intelligente Prozesse von ECAD-MCAD-Design unterstützen die Zusammenarbeit von Spezialisten bei der Erstellung der elektrischen und mechanischen Teile des Projekts.

Die numerische Modellierung sagt die Eigenschaften des elektrischen Systems voraus, wodurch Sie die Konstruktionslösung überprüfen und optimieren können, und eine Gegenprüfung der Konstruktion in verschiedenen Anwendungen verbessert die Integration.

Ein neuer Ansatz für die gemeinsame Entwicklung elektrischer und mechanischer Teile des Produkts

Der Entwurf moderner elektromechanischer Systeme ist keine leichte Aufgabe, sondern ein zyklischer Prozess mit einer Vielzahl von Einschränkungen. Unternehmen benötigen neue, automatisierte und intelligente Lösungen, die die Zusammenarbeit zwischen Fachleuten gewährleisten. Viele entscheiden sich jedoch bisher dafür, keinen integrierten Entwurfsprozess zu entwickeln, was rechtfertigt, dass dafür erhebliche Kosten anfallen. In diesem Zusammenhang ist eine weitere Frage zu stellen: Welche Verluste entstehen, wenn das Produkt nicht zum richtigen Zeitpunkt auf den Markt kommt?

Die Qualität des elektrischen Teils hat enorme Auswirkungen auf den Erfolg oder das Scheitern eines neuen Produkts, und numerische Modelle und Berechnungen dienen als Grundlage für eine wirksame Kontrolle der Entwurfsentscheidungen im Frühstadium. Die numerische Simulation elektrischer Systeme zu Beginn der Entwicklung kann Probleme identifizieren, die eine vollständige Änderung der gesamten Grundarchitektur des elektrischen Teils erfordern.

Das elektrische System ist eng mit den mechanischen Komponenten verbunden, sodass Änderungen im elektrischen Teil häufig auch Anpassungen am mechanischen Teil erfordern.
Solche Änderungen sowohl in der Elektrik als auch in der Mechanik sind in den frühesten Phasen der Produktentwicklung viel einfacher und kostengünstiger durchzuführen.

Die Einführung neuer intelligenter Design-Systeme bietet Entwicklern vollständigen Zugriff auf alle Produktinformationen. Basierend auf diesen Informationen wird eine numerische Modellierung durchgeführt - die Grundlage für die Konstruktionsprozesse integrierter elektromechanischer Systeme, mit deren Hilfe der Bedarf an Prototypen reduziert, Zeit und Geld gespart werden.

Computermethoden zur Modellierung und Kontrolle von Entwurfsentscheidungen des elektrischen Teils sind ein bedeutender Fortschritt in Bezug auf die Überprüfung der Integrität der Struktur. Die Möglichkeiten dieses Ansatzes sind viel breiter als bei Verwendung herkömmlicher Prototypen.

Typischer intelligenter Entwurfsprozess

Ein Elektroingenieur entwickelt eine Spezifikation für die Elemente eines elektrischen Systems, die er dann in eine effiziente dreidimensionale Konstruktionsumgebung integriert - zum Beispiel Solid Edge von Siemens Digital Industries Software. Eine solche Integration ermöglicht es, dass die Konstruktion des elektrischen Teils die durch die mechanische Struktur auferlegten Einschränkungen berücksichtigt und auf das Vorhandensein von Orten mit hoher Luftfeuchtigkeit, Temperatur und anderen gefährlichen Faktoren hinweist. Andererseits lässt der Konstrukteur bei der Konstruktion des mechanischen Teils genügend Platz für die Verdrahtung und stellt die erforderlichen Biegeradien der Bündel bereit. Aufgrund des interdisziplinären Kontexts erkennen Elektro- und Maschinenbauingenieure schnell Inkonsistenzen zwischen den elektrischen und mechanischen Teilen des Projekts.

Der Maschinenbauer muss sicherstellen, dass der Kabelbaum mit allen erforderlichen Kabeln im verfügbaren Raum verlegt werden kann. Das Modellieren dieser Drähte in einem MCAD-System ist jedoch zu kompliziert und zeitaufwändig. Stattdessen wird eine Beschreibung des elektrischen Systems in einem speziellen Modul wie Solid Edge Wiring und Harness Design erstellt. Der maximal zulässige Durchmesser des Kabelbaums, der auf der Grundlage der vom mechanischen Teil auferlegten Beschränkungen ermittelt wird, wird an das Solid Edge-Modul übertragen, das überprüft, ob der konstruierte Kabelbaum diesen Durchmesser nicht wirklich überschreitet. Zu diesem Zweck bietet das Modul Solid Edge Wiring and Harness Design eine automatische Überprüfung der Entwurfsregeln.


Abb. 3. Validierungsübergreifende Funktionen in Solid Edge Wiring und Harness Design

Wenn der Kabelbaum mit Klemmen, Isolierschläuchen und Schrumpfschläuchen ausgestattet ist, ist auch ein interdisziplinäres Zusammenspiel von Spezialisten erforderlich, um deren Einfluss zu berücksichtigen. Solche Objekte werden am besten in einem 3D-MCAD-System erstellt und fügen dann Daten zu dem vom ECAD-System erhaltenen elektrischen Teil hinzu. Diese assoziative Verbindung ermöglicht es Ihnen, Kabelbäume automatisch zu konstruieren und deren Parameter genau zu bestimmen.

Am Ende der gemeinsamen Entwicklung erhält jeder Ingenieur eine klare Vorstellung davon, wie der von ihm entwickelte Teil des Projekts als Teil des gesamten Produkts funktionieren wird.

Intelligenter Ansatz für das Design elektromechanischer Komponenten

Solid Edge-Module für den Entwurf elektrischer Systeme richten sich an mittelständische Unternehmen, für die Parameter wie einfache Implementierung und niedrige Gesamtbetriebskosten besonders wichtig sind. Die umfangreichen Funktionen dieses Systems gehen weit über die herkömmlichen Funktionen zur Herstellung elektromechanischer Komponenten hinaus. Insbesondere führen die Module eine numerische Simulation von Strömen und Spannungen durch, identifizieren Fehler wie Kurzschlüsse und berechnen Sicherungswerte.

Diese Merkmale sowie die Möglichkeiten der computergestützten Konstruktion von Kabelbäumen und die Erstellung von Dokumentationen im Modul Solid Edge Wiring and Harness Design helfen unseren Kunden, die Konkurrenz auch dann zu gewinnen, wenn sie nicht viel Erfahrung mit ähnlichen Werkzeugen haben.

In Verbindung mit dem Solid Edge 3D-CAD-System ermöglicht das Solid Edge-Modul für Kabel- und Kabelbaumkonstruktion eine effiziente Zusammenarbeit zwischen Elektrotechnikern und Maschinenbauingenieuren.

• Die vollständigen Informationen zum elektrischen Teil des Projekts werden an Solid Edge 3D übertragen, sodass der Maschinenbauer eine vollständige Liste der gehosteten elektrischen Komponenten und Verbindungen erhält, die nachverfolgt werden müssen. Außerdem weiß Solid Edge, welche Elemente wie verbunden werden müssen, damit das System Drähte, Kabel und Bündel automatisch in 3D nachzeichnet und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern aufgrund menschlicher Faktoren verringert.
• Zuverlässige Übertragung von Änderungen zwischen den elektrischen und mechanischen Teilen des Projekts. Durch Gegenprüfung und Visualisierung kann der Signalfluss direkt auf dem 3D-Modell gesteuert werden. Dies hilft bei der Auswahl des optimalen Pfades, der das Auftreten elektromagnetischer Interferenzen ausschließt. Wenn einer der Ingenieure Änderungen an seinem Teil des Designs vornimmt, sind diese sofort für alle anderen Teilnehmer an der Entwicklung sichtbar. Dies minimiert die Anzahl von Entwurfsfehlern.
• Interaktive Auswahl von Objekten. Wenn ein Elektrotechniker eine Leitung in einem Schaltplan auswählt, wird dieselbe Leitung in einem 3D-Modell einer mechanischen Baugruppe hervorgehoben. Und umgekehrt: Wenn Sie eine Leitung in einem 3D-Modell auswählen, wird diese in einem Schaltplan hervorgehoben. Dies erleichtert die Identifizierung und Beseitigung interdisziplinärer Diskrepanzen erheblich.
• Intelligente Grafiken, Spezifikationen und Zeichnungen sind unterschiedliche Darstellungen derselben Elemente, Anschlüsse oder Drähte. Jede Änderung in einem von ihnen hat die automatische Anzeige dieser Änderung in anderen Materialien zur Folge.
• Elektrotechniker führen nun numerische Simulationen und Berechnungen durch, um die ordnungsgemäße Funktion des entwickelten Systems zu überprüfen. Numerische Modellierung kann aufdecken
  der Zustand der elektrischen Anlage, der zu einer durchgebrannten Sicherung führen wird, und lange vor den Prototypentests.
• Konstruktionsinformationen werden in Form einer Aufgabenliste für einen Maschinenbauer übertragen, die die Verdrahtung des Produkts nachzeichnet.

Das Solid Edge-Modul für Kabel- und Kabelsatzdesign löst erfolgreich die Designprobleme von elektromechanischen Geräten. Die integrierte multidisziplinäre Lösung basiert auf den Technologien des führenden Entwicklers von elektrotechnischen Systemen Mentor Graphics, Mitglied von Siemens Digital Industries Software. Alle Lösungen für das Design des elektrischen Teils, einschließlich des Solid Edge Wiring- und Harness Design-Moduls, wurden vom selben Entwickler entwickelt und tief integriert, was unmöglich wäre, wenn sie mit Anwendungen von Drittanbietern oder unabhängig entwickelten Zusatzmodulen kombiniert würden. In Verbindung mit dem Solid Edge 3D-CAD-System können mit dem Solid Edge-Modul für Kabel- und Kabelbaumkonstruktion elektromechanische Systeme schneller und kostengünstiger entworfen werden.

Fazit

Elektrische Systeme spielen in den meisten modernen Produkten eine entscheidende Rolle. Sie liefern die notwendige Energie für die Elektronik sowie das genaue und effiziente Zusammenspiel vieler Systeme. Ohne zuverlässige elektrische Systeme würden moderne Produkte einfach nicht mehr funktionieren.

Das elektrische System ist eng mit mechanischen Bauteilen verbunden. Beispielsweise hängt die Impedanz eines Leiters von seiner Länge und dem spezifischen Widerstand des Materials ab. In den ersten Systemen zum Entwerfen und Berechnen des elektrischen Teils wurden die Längen der Drähte manuell festgelegt. Mit zunehmender Komplexität der elektrischen Ausrüstung gehörten manuelle Prozesse der Vergangenheit an, und die Entwicklungsstufen elektrischer und mechanischer Teile wurden eng mit einheitlichen interdisziplinären Modellen verzahnt. Hierfür wird nun die zweiseitige ECAD-MCAD-Schnittstelle verwendet. ECAD- , , . MCAD- , 3D ECAD-. .

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Siemens Digital Industries Software

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