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Resumen ejecutivoLa complejidad electromecánica en el sector de la automoción pone a prueba las metodologías tradicionales de diseño mecánico y eléctrico por separado. El codiseño ECAD-MCAD puede aumentar la productividad y asegurar la precisión del diseño, ya que reemplaza los complicados medios de colaboración entre los dominios eléctrico y mecánico. Hasta ahora, debían integrarse por correo electrónico, hojas de cálculo y archivos XML. Gracias a las modernas herramientas CAD, los diseñadores pueden sincronizar sus datos de manera más eficaz y colaborar con mayor eficiencia en los elementos esenciales del diseño entre dominios. De este modo, se garantiza una correcta implementación de la intención de diseño.

Kevin Paul Siemens Digital Industries Software

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Diseño óptimo en la primera fase gracias al codiseño ECAD-MCAD en automoción

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White paper | Diseño óptimo en la primera fase gracias al codiseño ECAD-MCAD en automoción

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El desafío: éxito en la primera fase

El objetivo de todo equipo de diseño de automoción eléctrico y mecánico es lograr el éxito en la primera fase. La esperanza es minimizar o incluso eliminar las costosas iteraciones de diseño. La disminución del número de iteraciones reduce el coste de desarrollo del producto y, lo que es más importante, ayuda a garantizar que se logre el objetivo de lanzamiento del producto.

En esta industria, la creciente complejidad y densidad electromecánica de los vehículos modernos hacen que alcanzar el éxito en la primera fase sea más difícil que nunca. La mayoría de los automóviles modernos ejecutan sus sistemas básicos, por ejemplo los sistemas de aceleración y frenado, de forma electrónica a través de ordenadores y sensores. Además, casi todos ellos pueden estar equipados con una serie de

comodidades en el interior como sistemas de información y entretenimiento, aire acondicionado y asientos con calefacción. En el caso de los coches de lujo de gama alta, las prestaciones son todavía mayores. Según Car and Driver (2016), el Bentley Bentayga contiene más de 100 millones de líneas de software, 90 ordenadores y módulos de control, y un arnés eléctrico que pesa alrededor de 50 kilos.

En este paper se analiza cómo un proceso eficiente de codiseño ECAD-MCAD ayuda a los equipos de diseño a eliminar los costosos problemas electromecánicos durante el desarrollo del vehículo y aumenta la probabilidad de lograr el éxito en la primera fase.

Imagen 1: La complejidad de los sistemas eléctricos de automoción aumenta a medida que los clientes demandan más funciones electrónicas.



Codiseño ECAD-MCAD

Es más fácil decirlo que hacerlo. Los posibles impedimentos en la colaboración ECAD-MCAD son muy variados. El primero y más importante es la separación tradicional entre las disciplinas eléctrica y mecánica. Los ingenieros eléctricos y mecánicos suelen trabajar con terminologías y herramientas completamente distintas. A menudo también se encuentran en lugares diferentes.

A su vez, los sistemas CAD mecánicos y eléctricos poseen distintos modos de presentar la estructura del mismo objeto. En un sistema MCAD, un módulo computarizado puede representarse en una lista de materiales física, como los tornillos, la carcasa, la placa de circuito y los conectores. Sin embargo, una representación ECAD del mismo módulo incluye una vista funcional o esquemática que va más allá de la estructura física del objeto. Además, pueden asignarse varias funciones eléctricas a placas de circuitos y conectores distintos, lo que hace imposible asociar una única función a una sola pieza física.

Es por eso por lo que los esfuerzos de colaboración del pasado solo han cosechado un éxito parcial. Anteriormente, la herramientas de colaboración de ECAD y MCAD abarcaban desde notas adhesivas hasta correos electrónicos u hojas de cálculo de Excel®. Estas estrategias distaban mucho de ser ideales, por razones obvias. Como consecuencia, muchos equipos de desarrollo de productos de automoción recurrieron a software y procesos de colaboración desarrollados internamente que debían probarse y verificarse con cada nueva versión de los conjuntos de herramientas ECAD y MCAD subyacentes. Estos procesos y el software de desarrollo local eran costosos de mantener y requerían soporte interno a dedicación completa.

El desarrollo del formato de archivo XML ayudó a resolver algunos de estos desafíos. XML es un formato independiente de la plataforma para almacenar datos. Eso significa que pueden leerlo muchos tipos de programas, máquinas e incluso personas. En el caso de los diseñadores eléctricos y mecánicos, significaba que los datos almacenados en XML se podían transferir directamente entre sus respectivos entornos de diseño. De esta manera, se resolvía la laguna que tradicionalmente había existido entre los dominios eléctrico y mecánico (imagen 2).

Debido a su versatilidad, muchas empresas han diseñado su propio esquema XML para permitir la interoperabilidad entre diferentes productos de software. Por ejemplo, Siemens Digital Industries Software desarrolló PLMXML como medio

de comunicación entre el software del ciclo de vida de sus productos, como NX, y otras aplicaciones que han adoptado el formato, como el sistema eléctrico de Capital y el diseñador de arnés eléctrico.

Imagen 2: XML ayudó a conectar los dominios ECAD y MCAD tradicionalmente separados.

XML



La integración de NX y Capital a través de PLMXML permite sincronizar periódicamente los diseños ECAD y MCAD. De este modo, se asegura la compatibilidad del diseño y se permite que los diseñadores trabajen en sus entornos nativos. En líneas generales, el flujo de diseño entre Capital y NX podría ser el siguiente:

1. El diseñador de ECAD comienza creando la disposición de cableado y conectividad en Capital. Este diseño incluye componentes clave como cables, conectores, multinúcleos y empalmes. A continuación, el diseñador exporta estos datos de cableado al ingeniero mecánico.

2. El ingeniero mecánico importa el archivo PLMXML y los datos eléctricos se vinculan automáticamente a los objetos 3D en NX. Después, puede enrutar el cableado a través del vehículo o la pieza del vehículo, y exportar un archivo con estos cambios incrementales para que los revise el diseñador de ECAD.

3. Posteriormente, este puede importar estos datos y realizar una serie de comprobaciones en el diseño. Con las longitudes de cable 3D de NX, el diseñador puede realizar cálculos de caída de tensión y asegurarse de que se haya reservado suficiente espacio en el diseño mecánico para adaptarse al cableado. Se pueden efectuar cambios según sea necesario y enviar un nuevo archivo al ingeniero mecánico.

Este proceso permite que los diseñadores verifiquen el diseño colaborativo a intervalos regulares, con lo que se evitan errores de espacio o en el sistema eléctrico. Sin embargo, este método aún requiere que los diseñadores exporten e importen datos manualmente. Los dominios ECAD y MCAD se pueden integrar más estrechamente para lograr un mayor ahorro de tiempo y costes.

Limitaciones de XML1. Vincular diferentes plataformas a través de XML es, sin

lugar a dudas, una mejora respecto a los métodos antiguos empleados para transferir hojas de Excel o archivos PDF marcados para realizar un seguimiento de los cambios y mantener la intención del diseño. No obstante, puesto que los datos XML deben exportarse e importarse manualmente, después de que un dominio complete los cambios de diseño, se debe esperar a que el otro diseñador revise los cambios propuestos y los acepte o los rechace. Esto aumenta el tiempo de inactividad de un proyecto y dilata el proceso de desarrollo.

2. Además, este nivel de integración solo elude de manera parcial las barreras entre ECAD y MCAD. Al proponer cambios de diseño, los diseñadores de ECAD y MCAD lo hacen únicamente con el conocimiento de lo que dichos cambios significan para su dominio. Por lo tanto, un diseñador que trabaja en el entorno de Capital podría proponer cambios que causarían errores físicos o de espacio, e ignorarlo hasta que el ingeniero mecánico revise los cambios y los rechace.



Los procesos de diseño eléctrico y mecánico deberían estar más conectados e integrados, y ser más colaborativos de lo que son actualmente. Un sondeo cruzado entre ambos dominios posibilita una integración y una colaboración más cercanas, ya que el diseño de cada dominio se completa con información contextual del otro (imagen 3).

Una funcionalidad clave de dicha integración es la sustitución del engorroso intercambio basado en archivos del método XML. Con XML, la integración dependía de la exportación de un archivo masivo de cambios a un sistema de archivos para que los otros ingenieros lo recuperaran e importaran. Capital y NX admiten la integración de API, de forma que los dos dominios están conectados directamente para actualizar el diseño de inmediato con cambios o información nueva. Los ingenieros ya no intercambian archivos XML, sino que realmente están integrados en los datos mediante un mecanismo consolidado.

Codiseño genuino: pruebas cruzadas

Imagen 3: Un flujo de diseño ECAD-MCAD integrado permite llevar a cabo pruebas cruzadas en tiempo real.

Por ejemplo, un diseñador de Capital puede publicar una lista de materiales para el cableado que luego puede integrarse sin problemas en NX.

Así, el sistema eléctrico y el arnés eléctrico se pueden diseñar con un conocimiento explícito de las áreas húmedas, calientes y ruidosas del diseño mecánico. El diseñador de ECAD puede tener en cuenta el impacto en el rendimiento eléctrico de estas áreas al diseñar el sistema eléctrico. En lo que respecta al diseño mecánico, pueden reservarse espacios y ajustar el grado de gravedad de los doblados en el cableado. Así se tendrá en cuenta los grupos de cables que deben enrutarse en las estructuras mecánicas. Mediante esta información contextual, procedente de otros sectores, los ingenieros eléctricos y mecánicos son capaces de resolver con rapidez las incompatibilidades entre los diseños de ECAD y MCAD.



En un ejemplo típico, el ingeniero mecánico desea asegurarse de que el paquete que contiene todos los cables necesarios se enrute en todo el espacio físico asignado. Sin embargo, no quiere crear ni gestionar estos cables en el modelo MCAD, ya que sería una tarea demasiado difícil y laboriosa. La solución es crear la definición eléctrica en Capital. El diámetro máximo permitido del paquete, basado en varias restricciones mecánicas, se puede enviar a Capital. Mediante comprobaciones de reglas de diseño automáticas, se asegurará que no se exceda el diámetro de los cables sintetizados o enrutados. De este modo, se garantiza un diseño de la construcción correcto y se evitan costosas modificaciones.

Asimismo, incluir objetos como horquillas, ojales y tubos al diseño de arnés exige la colaboración de varios departamentos. La forma más adecuada de crear estos objetos es en un entorno de MCAD 3D. A continuación, se recomienda fusionarlos con datos eléctricos procedentes de la herramienta ECAD. Una vez efectuada esta asociación, el arnés eléctrico, completamente configurable, puede diseñarse de forma automática.

En los últimos años, el contenido eléctrico y electrónico de los vehículos se ha disparado mientras que el espacio disponible se ha mantenido constante (imagen 4). Esto significa que se empaqueta más contenido electrónico en el mismo espacio, lo que puede generar interferencias electromagnéticas y de radio. Las pruebas y visualizaciones cruzadas entre ambos entornos permiten a los diseñadores comprender el enrutamiento de señales en el espacio 3D. De este modo, pueden determinar el enrutamiento óptimo y evitar las interferencias electromagnéticas y de radio.

Por ejemplo, en la fabricación de automóviles de alta gama, el equipo de diseño puede querer consolidar el grupo de instrumentos y los sistemas de información y entretenimiento en los nuevos vehículos. La consolidación de estos dos sistemas puede modificar la ubicación de los sistemas electrónicos para la seguridad, y por lo tanto cambia los requisitos de longitud del cableado y la integridad de la señal. En este caso, las pruebas cruzadas facilitan que los equipos de diseño eléctrico y mecánico determinen con rapidez el enrutamiento óptimo para el cableado.

Coste electrónico en automoción (% del vehículo total)

60 %

50 %

40 %

30 %

20 %

10 %

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 20300 %

1 % 3 % 4 %

10 %15 %

20 %

30 %35 %

50 %

Fuente: Roland Berger

Imagen 4: El contenido eléctrico y electrónico de los vehículos se ha incrementado de manera drástica en los últimos años.



Gestión de cambios

La inmensa complejidad de los vehículos modernos conlleva cientos e incluso miles de compensaciones y órdenes de cambio que afectan a la longitud, al tipo y a la ubicación física de los cables. Es imprescindible contar con una metodología fiable de gestión de cambios para un diseño eléctrico y mecánico integrado en este sector.

El diseño mecánico define las restricciones de radio de curvatura del cableado en función de su estructura física. Estas restricciones deben comunicarse a Capital para crear el útil de doblado sobre el que se ensamblará el arnés eléctrico. La tabla de formas permite colocar físicamente los paquetes de cables y conectar el sistema antes de insertar el arnés eléctrico en el vehículo. Con las restricciones de curvatura de MCAD, Capital, por ejemplo, podría alertar al ingeniero si se está creando un modelo que no se puede construir.

Con un automóvil más avanzado, un ingeniero de fabricación puede necesitar cambiar la ubicación especificada por ingeniería para un sensor LiDAR. Lo más probable es que esto requiera volver a enrutar el cable o incluso añadir un empalme para adaptarse al cambio de ubicación del sensor. Los sensores LiDAR requieren velocidades de datos extremadamente rápidas de hasta 600 MHz. Por lo tanto, cambiar la longitud del cableado o añadir un empalme podría comprometer la integridad de la señal de la información esencial de seguridad procedente del sensor LiDAR. La modificación de la ubicación de este sensor generaría múltiples órdenes de cambio para los diseños mecánicos y eléctricos cuyo coste, peso, equilibrio y funcionalidad deberían verificarse posteriormente.

Sin embargo, el desafío de la gestión del cambio radica en cómo realizar un seguimiento de los cambios de los demás con rapidez y eficacia. La gestión de los cambios presenta dos elementos principales. El primero es la combinación automática de los datos y la visualización clara de los cambios para el diseñador. Capital está equipado con una sólida herramienta de gestión de cambios que crea automáticamente una lista de las modificaciones en el diseño.

De esta lista, el ingeniero eléctrico puede optar por aceptar o rechazar cada cambio de forma individual en lugar de hacerlo como un conjunto. La ventana de gestión de cambios de Capital también permite efectuar una prueba cruzada con los diseños eléctricos y mecánicos. A medida que se selecciona cada pieza en la herramienta de gestión de cambios, se resaltará automáticamente en los entornos MCAD o ECAD para que el

ingeniero comprenda mejor el cambio propuesto. El gestor de cambios también puede generar una vista previa de un conjunto de cambios en un diagrama plano. El aplanado puede ser 3D, ortogonal o desplegado (imagen 5).

Imagen 5: El gestor de cambios de Capital puede obtener una vista previa con aplanado 3D, ortogonal o desplegado.

Aplanado 3D

Aplanado Aplanado ortogonalortogonal

Aplanado desplegado



Tarea Herramienta

Capturar el requisito de separación de señales Teamcenter

Asociar el requisito con los diseños eléctricos Capital + Teamcenter

Definir rutas de cableado (tecnología de arnés 3D) NX

Asociar topología de arnés 3D con diseños eléctricos Capital + NX

Ejecutar la separación de señales mediante reglas durante la creación del cableado Capital

Completar el diseño eléctrico (por ejemplo, simulación de DC) y ejecutar la verificación DRC Capital

Registrar los datos de cableado para completar el diseño mecánico (por ejemplo, simulación de vibraciones) Capital + NX

Enviar a PLM el informe de verificación y la lista de materiales y diseño eléctrico Capital + Teamcenter

El otro elemento fundamental es una política de cambios que define el maestro de los datos y la dirección en la que fluirán los cambios. Capital tiene un avanzado conjunto de opciones para controlar de forma automática cómo se modifican los datos. La propiedad de los datos se determina por partes para que la política de cambios se pueda adaptar a cada flujo de diseño. Las partes disponibles para la selección son muy detalladas, de modo que se pueden establecer reglas para atributos de componentes individuales. Por ejemplo, se puede establecer una regla para que MCAD solo pueda actualizar el atributo de peso de un conector, pero no las características eléctricas.

La gestión de variantes agrava la complejidad de la gestión de cambios. Cualquier modelo de vehículo puede equiparse con una serie variable de sistemas electrónicos y funcionalidades, lo que significa que existirán cientos, o incluso miles, de versiones diferentes de un arnés eléctrico. Es necesario contar con una base de datos y una herramienta de gestión federada inteligente para las variantes de diseño del arnés. Esta herramienta proporcionaría de forma inteligente a los ingenieros mecánicos y eléctricos información de las variantes, actualizada y relevante para su dominio. De esta forma, no se obligaría a ninguna de las disciplinas a adaptarse a la base de datos de la otra.

Una mirada al futuro: todos los vehículos eléctricos y la conducción autónomaA medida que se generalicen los vehículos eléctricos y se adopten tecnologías de vehículos autónomos, cada vez será más necesaria la estrecha integración entre ECAD y MCAD. Para los vehículos autónomos de nivel 5, la interacción continua entre ECAD y MCAD durante todo el proceso de diseño será la única forma de lograr diseños avanzados en plazos realistas. Lo más probable es que un potente sistema de procesamiento centralizado se conecte e interactúe con una red de decenas de sensores como LiDAR, radar, cámaras y otros elementos. Muchos de estos sensores, por ejemplo las cámaras de alta resolución, requerirán conexiones de

Imagen 6: Un flujo ECAD-MCAD integrado crea un hilo digital a través del diseño.

alta velocidad que son especialmente sensibles a los cambios en la longitud del cable o los empalmes. La optimización del peso del arnés eléctrico y su distribución por todo el vehículo puede requerir un cambio de la ruta del cableado, lo que afecta de forma muy considerable a la longitud de los cables y al rendimiento de la señal. Para complicar aún más la tarea de diseño, se incluirán nuevas tecnologías de peso ligero, por ejemplo estructuras reticuladas de metal para la carrocería del automóvil, que presentarán una serie de restricciones completamente nuevas.

En el caso de la conducción autónoma, el cumplimiento de los requisitos de seguridad y funcionalidad también dificultará el diseño electromecánico. Por ejemplo, los cables que transportan señales de potencia de alto voltaje deberán separarse de los cables de datos para evitar que la interferencia electromagnética distorsione las señales de datos. Además, será necesario incorporar sistemas eléctricos redundantes para preservar las funciones básicas de seguridad en caso de accidente o errores electrónicos. Los sistemas redundantes aumentan la complejidad general del diseño del automóvil, lo que convierte en fundamental la transferencia precisa y fluida de los cambios de diseño entre la ingeniería eléctrica y mecánica. La integración ECAD-MCAD asegura la existencia de un hilo digital ininterrumpido entre los dominios para que el diseño electromecánico cumpla con todos los requisitos (imagen 7).

Además, se necesitará una solución inteligente de gestión de cambios a medida que la industria avance hacia flotas totalmente eléctricas. Los ingenieros mecánicos deberán optimizar la distribución del peso y el recorte del arnés eléctrico, lo cual generará cientos de peticiones de cambio. Asimismo, se deberá detectar cualquier problema o limitación en los vehículos operativos para incorporar soluciones lo más deprisa posible en la línea de fabricación. Esto requerirá un bucle de feedback muy automatizado y sincronizado entre el ingeniero, la fabricación y el campo.



Lograr el éxito en la primera faseEl codiseño ECAD-MCAD se ha reconocido como un factor que incrementa la productividad y garantiza un diseño sólido. Gracias a las modernas herramientas CAD, los diseñadores pueden sincronizar sus datos de manera más eficaz y colaborar con mayor eficiencia en los elementos esenciales del diseño entre dominios. De este modo, se garantiza una correcta implementación de la intención de diseño.

Durante el diseño, una prueba cruzada entre los entornos eléctrico y mecánico ayuda a los diseñadores a comprender el dominio de sus homólogos. Las incompatibilidades se identifican y se resuelven en una fase temprana, lo que reduce las costosas iteraciones de diseño. El codiseño ECAD-MCAD, con un amplio soporte de la gestión de cambios, es clave para que los equipos de diseño aumenten la probabilidad de lograr el éxito en la primera fase.

Para más información: https://www-preview.plm.automation.siemens.com/global/en/products/electrical-electronics/electrical-system-networks-harness.html

Conclusiones

Referencias1. Pearley Huffman, J. (23 de mayo de 2016). “It takes a lot of wiring to

keep a modern vehicle moving (witness this Bentley’s harness)”, Car and driver. Extracto de https://www.caranddriver.com/news/it-takes-a-lot-of-wiring-to-keep-a-modern-vehicle-moving-witness-this-bentleys-harness

https://www-preview.plm.automation.siemens.com/global/en/products/electrical-electronics/electrical-system-networks-harness.html



https://www.caranddriver.com/news/it-takes-a-lot-of-wiring-to-keep-a-modern-vehicle-moving-witness-this-bentleys-harness

https://www.caranddriver.com/news/it-takes-a-lot-of-wiring-to-keep-a-modern-vehicle-moving-witness-this-bentleys-harness

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