Solidworks Electrical: Kabel nicht vergessen!

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Rein mechanische Produkte sind heute selten – elektrische Antriebe, Steuerungen, Sensoren und Aktuatoren sind ebenso Bestandteile von Maschinen und Produkten. In der Konstruktion sieht es dagegen oft noch anders aus: Da wird zunächst die mechanische Konstruktion fertiggestellt und erst im zweiten Schritt die Elektrik hinzugefügt. Solidworks Electrical ermöglicht es nun, die beiden Bereiche in einem gemeinsamen Modell zusammenzubringen. Von Ralf Steck

Rein mechanische Produkte sind heute selten – elektrische Antriebe, Steuerungen, Sensoren und Aktuatoren sind ebenso Bestandteile von Maschinen und Produkten. In der Konstruktion sieht es dagegen oft noch anders aus: Da wird zunächst die mechanische Konstruktion fertiggestellt und erst im zweiten Schritt die Elektrik hinzugefügt. Solidworks Electrical ermöglicht es nun, die beiden Bereiche in einem gemeinsamen Modell zusammenzubringen.  Von Ralf Steck

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Die Entwicklung elektrotechnischer Schaltungen unterscheidet sich fundamental vom typischen mechanischen Konstruktionsablauf – interessanterweise ähnelt sie stark dem Systems-Engineering-Gedanken: Im ersten Schritt wird unabhängig von physikalischen Formen ein Funktionsschema aufgebaut, in dem die Funktionsbausteine durch Symbole repräsentiert werden. Diese funktionale Beschreibung entspricht dem Schaltplan.
Im zweiten Schritt erstellt der Anwender einen Verkabelungsplan. Hier werden die Komponenten bereits relativ realistisch dargestellt, die Bauteile sind zumindest grob in eine örtliche Beziehung zueinander gesetzt und die Verkabelung definiert. Dann lassen sich die Komponenten aus Schalt- und Verkabelungsplan miteinander verknüpfen. Der Verkabelungsplan weist also schon aus, dass eine Klemme im Schaltschrank und ein Motor an der Maschine sitzt und dass beide Elemente über Kabel verbunden sind. Aber die Länge und Verlegung der Kabel sowie die genaue Position des Motors fehlen nach wie vor.
Meist ist die elektrotechnische Entwicklung an dieser Stelle im Großen und Ganzen beendet, im Sondermaschinenbau werden die elektrischen Komponenten an das aus der Mechanikkonstruktion kommende Maschinengestell geschraubt, die Drähte und Kabel frei verlegt und am Ende zu Strängen zusammengefasst. Geht es um Serienprodukte, muss man noch einen Kabelbaum konstruieren und fertigen, aber meist bereits nach einem Muster, das am ersten physikalischen Prototypen manuell angebaut wurde.

Oft fehlt die Verbindung

Ein Problem dabei ist die fehlende Verbindung zwischen dem dreidimensionalen, geometrisch sehr genauen Mechanik-Modell, das der Konstrukteur in einem CAD-System wie Solidworks erzeugt hat, und der nach wie vor relativ abstrakten Verkabelungsplanung. Der Elektrokonstrukteur hat oft schlicht nicht die Informationen, die er benötigt, um einen realistischen ­Kabelplan am 3D-Modell zu erzeugen.
Dabei wäre die geometrisch richtige Modellierung der Verkabelung und die Integration der elektrotechnischen Komponenten extrem wichtig – schließlich sind Kabellängen durchaus eine zu berücksichtigende Einflussgröße für die Dimensionierung von Kabeln und Klemmen. Der Kabelquerschnitt beeinflusst auch die Steifigkeit eines Kabels und führt immer wieder zu Problemen bei der Montage, weil sich ein Kabel eben doch nicht in so engen Radien führen lässt, wie man es sich wünscht.
Die Kopplung von Elektrotechnik und Mechanik ist deshalb eine schiere Notwendigkeit, es lassen sich viele Fehlerquellen schon am digitalen Modell ausmerzen, die in der Fertigung und Montage oft viel Zeit und Geld kosten. Der Trend nach immer kompakteren Maschinen und Produkten verstärkt die Problematik, denn der Mechanik-Konstrukteur kann nicht mehr „auf Verdacht“ Platz lassen für die Verkabelung und die elektrotechnischen Komponenten – deren Geometrie muss in das Gesamtmodell des Produkts einfließen.

Gesamtsystem schafft Abhilfe

Mit Solidworks Electrical hat Dassault Systèmes ein System geschaffen, das genau an dieser Stelle ansetzt. Das Gesamtsystem besteht aus dem 3D-CAD-System ­Solidworks, dem 2D-Schematik-Tool ­Solidworks Electrical Schematic und Solidworks Electrical 3D, das die beiden Welten verbindet.
Solidworks Electrical Schematic ist eine grundsätzlich vom CAD-System unabhängige Anwendung, die auf einer Datenbank basiert, auf der wiederum mehrere Personen parallel an einem Projekt arbeiten können. Die integrierte Bibliothek enthält tausende Symbole sowie Herstellerinformationen und 3D-Geometrien von über 500.000 Komponenten, was den Aufbau von ein- und mehrpoligen sowie gemischten Schaltungen vereinfacht. Wiederkehrende Komponenten lassen sich von einem Projekt ins nächste übernehmen.
Beim Aufbau der Schaltung arbeitet man mit den integrierten Symbolen, um Stromquellen, Motoren, Aktuatoren und andere Elemente einzubauen. Bei jedem Symbol lässt sich auf Wunsch die Information hinterlegen, welches tatsächliche Produkt dahintersteht. In der Auswahlmaske steht eine breite Palette von Filterkriterien zur Verfügung, bei Motoren unter anderem die Drehzahl und Leistung. Die Symbole verbinden sich beim Ablegen auf einer Leitung automatisch mit dieser, im Definitionsdialog lassen sich gleich die passenden Klemmennummern vergeben. Solidworks Electrical erstellt auf Knopfdruck Klemmleistenpläne der Schaltung.
Auch mit mehreren Blättern kann die Lösung umgehen. Üblicherweise werden Schaltpläne nach Funktionsgruppen in Blätter unterteilt, mit Hilfe eines Verbindungsmanagers lassen sich Leitungen von einem Blatt zum anderen verknüpfen. Im Schaltplan taucht dann ein beschrifteter Pfeil auf, ein rechter Mausklick auf diesen führt den Anwender zum anderen Ende der Verbindung auf dem anderen Blatt.
Der Verkabelungsplan zeigt Verbindungen als einzelne Linie beziehungsweise Kabel an, im Schaltplan lassen sich nun Verbindungen Kabeln zuordnen, das System weiß also, wie viele und welche Leitungen in welchem Abschnitt des Kabels sich im Verkabelungsplan befinden. Reports ermöglichen es, die Anlage stets auf Plausibilität zu testen – beispielsweise, ob alle Komponenten im Schaltplan mit einer Komponente im Verkabelungsplan verknüpft, alle Leitungen Kabeln zugeordnet oder alle Klemmen angeschlossen sind.

Brücke ins 3D-Modell

Ist diese Entwicklung abgeschlossen, steht das Projekt am obengenannten Punkt, wo bisher die Brücke ins 3D-Modell fehlte. Hier kommt nun Solidworks Electrical 3D ins Spiel: Mit einem Mausklick im Electrical-Schematic-Modul lassen sich Baugruppen erstellen, die in Solidworks platziert werden können. Da die Leitungsverläufe definiert sind, kann das System, sobald die Komponenten platziert wurden, die entsprechenden Kabelbäume in 3D aufbauen. Diese sind komplett realistisch und enthalten die in Schematic definierten Leitungen mit der festgelegten Kabelfarbe und -stärke. Damit kann der Planer Kabel und Kabelbäume in ihrer realen Dicke im 3D-Modell verlegen.

Automatisches Kabel-Routing

Beim automatischen Routing von Einzeladern im Schaltschrank nutzt die Software die im 3D-Modell definierten Kabelrechen und sucht den kürzesten Weg. Das Innenleben eines Schaltschranks lässt sich so schnell verkabeln. Zum Routen der Kabel in der Maschine stellt Solidworks mehrere Optionen zur Verfügung, neben einer automatischen Funktion bietet sich das Routing nach 3D-Skizzen an. Dazu definiert man zunächst dreidimensionale Skizzenlinien, beispielsweise entlang von Kabelwannen; die Software interpretiert diese Linien dann als Pfade, entlang denen sie Kabel routen kann. Das System sucht innerhalb eines Linienrasters stets den optimalen, kürzesten Verlauf. Kabelstränge „wissen“, welche Kabelstärken in ihnen verlegt sind, und berücksichtigen die daraus resultierenden Mindestradien beim Verlegen – sie folgen den 3D-Skizzenlinien nicht genau, sondern so, wie es ein echtes Kabel tun würde. Ein Kabel lässt sich auch manuell verschieben – mit Berücksichtigung der Mindestradien.
Das Gespann aus Solidworks und den Zusatzapplikationen Electrical Schematic und Electrical 3D – unter dem Namen Electrical Professional in einem Bundle vereinigt – bietet eine Lösung für die parallele, kollaborative Entwicklung von Maschinen und Produkten mit Mechanik und Elektrotechnik. Damit entsteht erstmals ein kompletter, virtueller Prototyp, bei dem sich viele Fehler vermeiden lassen, die in herkömmlichen Entwicklungsprozessen erst in der Montage entdeckt werden und dabei Kosten und Zeitverzögerungen verursachen. rt |

Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen.

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