Das Zusammenwirken der Bereiche Elektronik, Informatik und Mechanik erfordert in der Produktentwicklung vermehrt ein ganzheitliches Vorgehen. Eine Vorreiterrolle hat hier die Automobilindustrie inne – Entwicklungsergebnisse wie ABS oder ESP sind in fast jedem Auto zu finden. Und auch in anderen Bereichen der Maschinenbauindustrie wie dem Anlagen- oder Kraftwerksbau wird eine disziplinübergreifende Produktentwicklung immer wichtiger. Da bei einer ganzheitlichen Produktentwicklung die Expertise der Spezialisten aus allen Fachbereichen in den Entwurf einfließen kann, vereinfachen sich Kommunikationsvorgänge und Arbeitsprozesse.

Gerade dann, wenn individuelle Lösungen nach den Bedürfnissen der Kunden herzustellen sind, ist eine reibungslose Entwicklungsphase unverzichtbar. Dabei ist oft wenig Zeit für den Bau von Prototypen. Zumeist wird zudem gefordert, dass einzelne Baugruppen auf Anhieb zusammenpassen und funktionieren. Fehlplanungen müssen um jeden Preis vermieden werden, um teure Nacharbeiten und Projektverzögerungen zu verhindern.

Aber: Das Zusammenspiel von Elekt­ronik und Mechanik ist bei der Kon­struktion nicht trivial. Beim mechanischen Aufbau einer Maschine muss bereits in der Entwicklung unter anderem der Platz berücksichtigt werden, den die Elektroniker und Steuerungstechniker für ihre Kabelbäume und Bussysteme benötigen. Da diese elektrischen und mechanischen Komponenten sowie deren Zusammenhänge in mechatronischen Systemen überaus kompliziert aufgebaut sind, ist Elektro-CAE-Software heute unverzichtbar geworden – ohne eine genaue Visualisierung aller Zusammenhänge wären die komplexen Systeme bei der Planung und Projektierung elektrotechnischer Steuerungen und Anlagen nicht mehr zu überblicken.

Verkabelung eines Motors mit der Steuerung bei einem deckenhohen Bahnsteig-Türsystem sowie einem Positionsschalter für die Tür. Das Rendering erfolgte mit Autodesk Inventor.

© Autodesk

Elektro-CAE-Software wie beispielsweise „AutoCAD ecscad“ verbindet mechanische Konstruktionen mit schematischen Darstellungen der Elektrokonstruktion. Die Software basiert auf der 2D-Konstruktionssoftware „AutoCAD“, so dass sich CAD-Zeichnungen von Maschinen, Anlagen oder dem Aufbau eines Schaltschranks 1:1 in die Software einlesen und damit zur Elektroplanung verwenden lassen. Neben einem abstrahierten Stromlaufplan erstellt der Elektroingenieur mit der Software die Aufbau- und Anschlusspläne und erhält auf Knopfdruck sämtliche Übersichten wie Stecker- und Klemmenpläne sowie Stück- und Kabellisten. Ebenso werden Dokumentationen automatisch erstellt. Eine Online-Logikprüfung hilft dabei, Fehler von Anfang an zu vermeiden.

Die Verwaltung aller Pläne, Dokumente und Bauteile erfolgt in einer Datenbank, so dass Änderungen oder Querverweise sofort in allen anderen Dokumenten übernommen werden. Dadurch bleibt nicht nur der Überblick über alle Daten eines Projektes erhalten, auch Fehler durch veraltete Zeichnungen und Pläne lassen sich vermeiden. Die Anbindung an Microsoft Access und die VBA-Schnittstelle ermöglichen es zudem, eigene Anpassungen wie die Programmierung von Standardabläufen vorzunehmen. So lässt sich beispielsweise ein automatischer Schaltplan-Generator erstellen, der mit wenigen Klicks Pläne selbst erzeugt. Eine integrierte Fremdsprachentabelle ermöglicht das rasche Übersetzen von Plänen, um die Zusammenarbeit mit Kollegen an anderen Standorten sowie Kunden und Zulieferern auf der ganzen Welt zu erleichtern.

Der digitale Prototyp

Ein neuralgischer Punkt bei der Elektronikkonstruktion von Maschinen ist die Einpassung der elektronischen Komponenten in die mechanischen Baugruppen. Hier gibt es großes Potenzial für Fehler: Beispielsweise werden Bohrlöcher vergessen, Kabelführungen sind zu schmal oder Kabel werden zu stark gebogen. Solche Fehlplanungen zeigen sich meistens erst bei der Montage des ersten Prototypen und ziehen dann oft einen langwierigen und teuren Nachbesserungsprozess mit zahlreichen Korrekturschleifen nach sich. Vermeiden lassen sich diese Risiken mit Hilfe eines digitalen 3D-Prototypen, der schon vor dem ersten Bau alle Eigenschaften der mechanischen Konstruktion zeigt und die Verkabelung integriert. „AutoCAD ecscad“ besitzt aus diesem Grund eine bidirektionale Schnittstelle zur 3D-Konstruktionssoftware „Autodesk Inventor“. Mit ihr lassen sich digitale Modelle aus unterschiedlichen Per­spektiven visualisieren und physikalische Eigenschaften wie Masse oder Trägheitsmomente ermitteln. Die Lösung basiert auf der parametrischen Konstruktionsweise, bei der Änderungen automatisch in Baugruppen und Zeichnungen angepasst werden. Dabei ermöglicht die bidirektionale Schnittstelle es, die Informationen aus AutoCAD ecscad in Autodesk Inventor einzulesen, zu bearbeiten und wieder in ecscad zu nutzen.

Ein elektrisches Kontrollsystem, mit AutoCAD electrical konstruiert.

© Autodesk

Diese beiden Lösungen sind darüber hinaus in der „Autodesk Product Design Suite“ enthalten, einem Softwarepaket für den Bau digitaler Prototypen. Daneben enthält die Suite ein Tool zur Modellierung von Kabeln und Kabelbäumen sowie Schlauch- und Rohrleitungssystemen. Damit lässt sich am digitalen Modell einer Ma­schine auch die Verkabelung abbilden. So können die Konstrukteure feststellen, ob Kabelführungen und Bohrlöcher groß genug konzipiert sind oder ob es nötig ist, den Entwurf noch anzupassen. Da solche Details gerade bei komplexen Konstruktionen oft schwer zu erkennen sind, ist eine automatische Kollisionsprüfung empfehlenswert, wie sie Autodesk Inventor anbietet. Die 3D-Kon­struktionssoftware simuliert zudem die Bewegungen der Maschine, um prüfen zu können, ob ein Kabel stärker als mit dem vorgeschrieben Biegeradius gebogen wird, was zu Materialermüdung und Kabelbrüchen führen würde.

Nach dem Import der Dateien von AutoCAD ecscad berechnet die 3D-Konstruktionssoftware die Länge der einzelnen Kabel, da diese Information aus den schematischen Plänen von AutoCAD ecscad nicht hervorgeht. Sie ist normalerweise erst durch Abmessen der Kabel am Prototypen herauszufinden. Bei mehreren Verkabelungsmöglichkeiten berechnet das Tool die beste Variante, um Materialeinsparungen zu ermöglichen. In AutoCAD ecscad werden die ermittelten Kabellängen übernommen, was vor allem für die Erstellung von Stück- und Kabellisten wichtig ist.

Zusätzlich erleichtert die Anbindung an ein unternehmensweites Produkt­daten-Management-System (PDM) das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik, insofern als durch die zentrale Verwaltung alle Projektbeteiligten Zugriff auf die jeweils aktuellste Dateiversion einzelner Pläne und Modelle haben. Konstrukteure und Elektroingenieure arbeiten so am selben Modell, was Fehler durch veraltete Modelle oder Änderungen, von denen die jeweilige „andere Seite“ nichts wusste, vermeiden hilft. Daher verfügt AutoCAD ecscad in der Version 2013 über eine Schnittstelle zur Produktdaten-Management-Lösung „Autodesk Vault“.

Autor: Wolfgang Lynen war EMEA-Manufacturing-Marketing-Manager bei Autodesk und befindet sich nun im Ruhestand.