Siemens Digital Industries Software 자동차 제조 시 ECAD- MCAD …

개요자동차 전기 메카니컬이 복잡해짐에 따라 전기 영역과 기계 영역이 분리된 기존의 설계 방법은 이제 한계에 이르고 있습니다. ECAD-MCAD 공동 설계는 전기 영역과 기계 영역 사이의 번거로운 협업 방법을 대체하여 생산성을 높이고 설계 정확성을 보장할 수 있습니다. 지금까지는 이메일, 스프레드시트, XML 파일로 정보를 통합해야 했습니다. 최신 CAD 도구를 통해 설계자는 보다 효율적으로 데이터를 동기화하고 영역 간의 중요 설계 항목을 더 효과적으로 공동 제작하여 설계 의도를 정확하게 반영할 수 있습니다.

Kevin PaulSiemens Digital Industries Software

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자동차 제조 시 ECAD-MCAD 공동 설계로 한 번에 설계 성공 달성

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과제: 한 번에 설계 성공

한 번에 성공적으로 설계한다는 것은 전기 및 메카니컬 설계 팀을 불문한 모든 자동차 설계 팀의 목표입니다. 비용이 많이 드는 설계 반복을 최소화하거나 아예 없앨 수 있기를 바랍니다. 설계 반복 횟수를 줄이면 제품 개발 비용이 줄고 무엇보다도 제품 출시 목표 달성에 더 가까워집니다.

첨단 자동차의 전기 기계적 복잡성과 밀도가 증가함에 따라 자동차 제조 시 한 번에 성공적으로 설계하는 것은 그 어느 때보다 어렵습니다. 첨단 자동차의 대부분은 스로틀, 제동 시스템 같은 중요한 시스템을 컴퓨터 및 센서를 통해 전자식으로 작동합니다. 대부분의 자동차에는

인포테인먼트 시스템, 공기 조절 장치, 온열 시트 같은 편의 장치도 장착할 수 있습니다. 고급 차종일수록 더 복잡합니다. Car and Driver(2016년)에 따르면 Bentley Bentayga에는 1억 개가 넘는 소프트웨어 라인, 90개의 컴퓨터와 제어 모듈, 약 50kg에 달하는 와이어링 하네스가 장착되어 있습니다.

본 백 서 에 서 는 효 율 적 인 E C A D - M C A D 공 동 설 계 프로세스를 통해 어떻게 설계 팀이 자동차 개발 중 큰 비용이 드는 전기 기계 문제를 극복하고 한 번에 성공할 가능성을 높일 수 있는지 살펴봅니다.

그림 1: 고객이 더 많은 전자 기능을 요구함에 따라 자동차 전기 시스템이 점점 더 복잡해지고 있습니다.

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ECAD-MCAD 공동 설계

공동 설계는 생각보다 어렵습니다. ECAD-MCAD 협업을 방해할 수 있는 요인은 다양합니다. 특히 전기 부문과 기계 부문이 분리되어 있는 기존 방식이 협업의 걸림돌입니다. 전기 및 메카니컬 엔지니어는 보통 전혀 다른 도구 세트를 사용해 작업하며, 사용하는 용어도 완전히 다릅니다. 심지어 물리적 장소가 다른 경우도 많습니다.

또한, 기계 및 전기 CAD 시스템은 동일한 개체 구조를 다른 방법으로 표현합니다. MCAD 시스템에서 컴퓨터 모듈은 나사, 케이싱, 회로 기판, 커넥터 등의 물리적 BOM으로 표현될 수 있습니다. 그러나 ECAD에서는 동일한 모듈을 개체의 물리적 구조를 초월하는 기능적 뷰 또는 구조적 뷰로 표시합니다. 특정 전기 기능이 여러 회로 기판과 커넥터에 매핑될 수 있으므로 하나의 기능을 하나의 물리적 부품에 연결시키는 것은 비실용적입니다.

이러한 장애물로 인해 이전에는 성공적으로 협업하는 데 한계가 있었습니다. 이전의 ECAD-MCAD 협업에는 포스트잇, 이메일부터 Excel® 스프레드시트까지 다양한 도구가 사용되었습니다. 이러한 방식은 여러 이유로 인해 성공을 거두지 못했습니다. 그 결과, 대다수의 자동차 제조업체 제품 개발 팀에서는 사내에서 개발한 협업용 소프트웨어와 프로세스를 이용해야 했는데, 이러한 도구는 기본 ECAD 및 MCAD 도구 세트가 새로 출시될 때마다 다시 테스트와 검증을 거쳐야 했습니다. 자체 개발한 소프트웨어와 프로세스는 유지 관리 비용이 많이 들고 전담 내부 지원이 필요했습니다.

XML 파일 형식을 개발하여 이 문제의 일부를 해결할 수 있었습니다. XML은 플랫폼에 상관없이 사용 가능한 데이터 저장 형식으로, 여러 가지 유형의 프로그램, 장비에서는 물론 사람이 직접 읽을 수도 있습니다. 전기 설계자와 메카니컬 설계자에게 이는 XML로 저장된 데이터를 각 설계 환경 간에 직접 전송할 수 있음을 의미했습니다. 이로써 전기 영역과 기계 영역 사이의 간극이 메워졌습니다(그림 2).

XML의 다재다능함을 활용해 많은 기업은 여러 소프트웨어 제품 간 상호운용성을 지원하기 위한 자체 XML 스키마를 개발했습니다. 예를 들어, Siemens Digital Industries Software는 NX 등의 제품 라이프사이클 소프트웨어와

Capital 전기 시스템 및 와이어링 하네스 설계자와 같은 형식을 채용한 기타 애플리케이션 사이의 통신 수단으로 PLMXML을 개발했습니다.

그림 2: XML로 기존의 분리된 ECAD 영역과 MCAD 영역을 연결할 수 있게 되었습니다.

XML

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PLMXML을 통해 NX와 Capital을 통합하면 ECAD 및 MCAD 설계를 주기적으로 동기화할 수 있으므로, 설계자가 자체 환경에서 작업하면서도 타 분야와 설계를 공유할 수 있습니다. 큰 그림에서 Capital과 NX 간 설계 흐름은 다음과 같이 이루어집니다.

1. ECAD 설계자는 Capital에서 배선과 연결 레이아웃을 만 드 는 작 업 부 터 시 작 합 니 다 . 이 레 이 아 웃 에 는 와이어, 커넥터, 멀티코어 및 스플라이스와 같은 주요 컴포넌트가 포함됩니다. 그다음 설계자는 이 와이어링 데이터를 메카니컬 엔지니어에게 보냅니다.

2. 메카니컬 엔지니어가 PLMXML 파일을 가져오면 전기 데이터가 NX의 3D 개체에 자동으로 연결됩니다. 그러면 메카니컬 엔지니어가 자동차 또는 자동차 부품을 통해 와이어링의 경로를 정하고 ECAD 설계자가 검토할 수 있게 이러한 점증적인 변경 사항이 포함된 파일을 내보냅니다.

3. 다 음 단 계 로 E C A D 설 계 자 가 이 데 이 터 를 가 져 와 설계에 다양한 점검을 실시합니다. NX에서 가져온 3D 와이어 길이를 이용하면 전압 강하 정도를 계산할 수 있고 메카니컬 설계 내에 와이어링 번들을 장착하기에 충분한 공간을 확보했는지 확인할 수 있습니다. 필요에 따라 설계를 변경하고 새로운 증분 파일을 메카니컬 엔지니어에게 다시 보낼 수 있습니다.

이 프로세스를 통해 설계자는 정기적으로 공동 설계를 확 인 하 여 공 간 또 는 전 기 시 스 템 위 반 을 방 지 할 수 있 습 니 다 . 하 지 만 이 방 법 을 사 용 하 려 면 설 계 자 가 데이터를 수동으로 내보내고 가져와야 합니다. ECAD 영역과 MCAD 영역의 긴밀한 통합을 통해 시간과 비용을 크게 절약할 수 있습니다.

XML의 한계1. X M L 을 통 해 다 른 플 랫 폼 을 연 결 하 는 방 식 은

변경사항을 추적하고 설계 의도를 유지하기 위해 Excel 시트나 마크업된 PDF 파일을 전송하는 기존 방식보다는 훨씬 나은 방법이긴 합니다. 하지만 XML 데이터를 수동으로 내보내고 가져와야 하므로 한 영역에서 설계 변경을 완료한 후 다른 설계자가 제안된 변경 내용을 검토하고 수락하거나 거부할 때까지 기다려야 합니다. 이 때문에 프로젝트 중단 시간이 늘어나 개발 프로세스가 연장됩니다.

2. 게다가 이 정도의 통합은 ECAD와 MCAD 간 장벽을 부분적으로 해소할 뿐입니다. ECAD 및 MCAD 설계자는 설계 변경 제안 시 이 변경이 자체 영역에 무엇을 의미하는지 아는 수준에 그칩니다. Capital 환경에서 작업하는 설계자는 공간적 또는 물리적 위반을 초래할 수 있는 변경을 제안할 수 있으나, 메카니컬 엔지니어가 이를 검토하고 변경을 반려할 때까지 이에 대해서는 알지 못할 수 있습니다.

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전기 및 메카니컬 설계 프로세스는 현재 수준보다 더 원활하게 연결되고 통합될 수 있으며, 협업도 강화할 수 있습니다. 두 영역 사이의 원활한 교차 검증은 다른 영역의 컨텍스트 정보로 각 영역에서 설계를 완료할 수 있게 하여 더 긴밀한 통합과 협업을 지원합니다(그림 3).

여기서 핵심은 XML 방식의 번거로운 파일 기반 교환 기능을 대체하는 것입니다. XML 사용하는 경우 통합은 다 른 엔 지 니 어 가 검 색 하 고 가 져 올 수 있 도 록 파 일 시스템에 변경사항이 담긴 대용량 파일을 내보내는 방식으로 이루어졌습니다. Capital과 NX는 두 영역을 바로 연결해 변경사항이나 새로운 정보를 설계에 즉시 업데이트할 수 있는 API 수준의 통합을 지원합니다. 이제 엔지니어는 XML 파일을 교환하는 방식이 아닌, 강력한 메커니즘을 통해 데이터 수준에서 진정한 통합을 구현할

진정한 공동 설계: 교차 검증

그림 3: 통합된 ECAD-MCAD 설계 흐름으로 실시간 교차 검증(cross-probing)이 가능합니다.

수 있습니다. 예를 들어, Capital 설계자가 와이어링에 대한 BOM을 게시하면 해당 BOM이 NX에 문제없이 통합됩니다.

이 러 한 통 합 덕 분 에 메 카 니 컬 설 계 에 포 함 된 습 기 , 고온 및 소음 영역을 명확하게 파악하여 전기 시스템과 와이어링 하네스를 설계할 수 있습니다. 이를 통해 ECAD 설계자는 전기 시스템을 설계 시 전기적 성능이 이러한 영역에 미치는 영향을 고려할 수 있습니다. 기계 쪽에서는 공간을 확보할 수 있으며, 기계 구조물을 통과해야 하는 와이어링 번들을 고려하도록 하네스 내 곡률이 심한 부분을 조정할 수 있습니다. 다른 영역의 컨텍스트 정보에 액세스하면 전기 엔지니어와 메카니컬 엔지니어가 ECAD 설계와 MCAD 설계 간의 비일관성을 신속하게 조정할 수 있습니다.

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일반적인 예로 메카니컬 엔지니어는 필요한 모든 와이어가 포함된 번들을 할당된 물리적 공간을 통과해 배선하려고 하나 MCAD 모델에서 이 와이어를 생성하고 관리하는 작업이 너무 어렵고 시간이 오래 걸려 주저할 수 있습니다. 대 신 C a p i t a l 에 서 전 기 적 정 의 를 생 성 하 면 됩 니 다 . 다양한 기계적 제약을 고려하여 허용된 최대 번들 직경 수치를 Capital로 전송하면 여기에서 자동 설계 규칙 검사 기능으로 이러한 번들 내에 합성 또는 라우팅된 와이어가 정해진 정의를 벗어나지 않는지 확인합니다. 이는 CBC (Correct by Construction) 설계를 가능하게 하며, 비용이 많이 드는 재작업을 방지합니다.

또 한 하 니 스 설 계 에 클 립 , 그 로 밋 이 나 튜 브 등 과 같 은 사 물 을 추 가 하 려 면 여 러 영 역 에 걸 친 협 업 이 필수적입니다. 이러한 사물은 일단 3D MCAD 환경에서 만든 다음 ECAD 툴에서 가져온 전기 데이터와 병합하는 것 이 가 장 좋 습 니 다 . 이 연 결 이 이 루 어 지 면 완 전 히 부설 가능한 와이어링 하네스가 해당 구성으로 자동 엔지니어링될 수 있습니다.

최근 몇 년간 자동차의 전기 및 전자 구성 요소가 크게 증가했지만 사용 가능한 공간 면적은 그대로입니다(그림 4). 이는 같은 공간에 더 많은 전자 구성 요소가 배치되어 전자기 및 전파 장애가 발생할 수 있음을 의미합니다. 환경 간의 교차 검증과 교차 시각화를 통해 설계자는 3D 공간의 신호 라우팅을 파악하여 전자기 및 전파 장해를 피하는 최적의 라우팅을 결정할 수 있습니다.

예를 들어, 고급 사양의 차량을 제조하는 경우 설계 팀이 새로운 자동차의 계기판 시스템과 인포테인먼트 시스템을 통합하려고 할 수 있습니다. 이 두 시스템을 통합하면 안전이 필수인 전자 시스템의 위치가 바뀌어 케이블 길이 요구사항이 변경되고 신호 무결성에 영향이 있을 수 있습니다. 이 경우 교차 검증을 통해 전기 설계 팀과 메카니컬 설계 팀이 빠르게 케이블 연결을 위한 최적의 라우팅을 결정할 수 있습니다.

자동차 전자장치 비용(%) (차량 총비용 대비)

60%

50%

40%

30%

20%

10%

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 20300%

1% 3% 4%

10%15%

20%

30%35%

50%

출처: Roland Berger

그림 4: 최근 몇 년간 자동차의 전기 및 전자 구성 요소가 크게 늘었습니다.

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변경 관리

첨단 차량은 엄청나게 복잡하므로 수많은 보완점과 설계 변경을 초래하며, 이는 케이블 길이와 유형, 물리적 배치에 영향을 미칩니다. 따라서 전기와 기계를 통합한 자동차 설계에서는 강력한 변경 사항 관리 방법론이 매우 중요합니다.

메카니컬 설계는 물리적 구조에 기반해 와이어 번들의 곡률 반경 구속 조건을 정의합니다. 와이어링 하네스를 조립할 폼보드를 만들려면 이러한 곡률 반경 구속 조건을 Capital에 다시 전달해야 합니다. 폼보드는 자동차에 와이어링 하네스를 넣기 전에 와이어링 번들을 물리적으로 배치하고 시스템을 함께 연결하는 데 사용됩니다. 예를 들어, MCAD의 곡률 구속 조건을 사용하면 Capital에서 폼보드 엔지니어에게 제작할 수 없는 모델을 만들고 있음을 경고할 수 있습니다.

더 고급 사양인 경우 제조 엔지니어가 엔지니어링에서 지정한 위치에서 LiDAR 센서를 이동해야 할 수 있습니다. 이 러 한 경 우 센 서 위 치 변 경 에 맞 게 케 이 블 경 로 를 재 지 정 하 거 나 스 플 라 이 스 를 추 가 해 야 할 가 능 성 이 큽니다. LiDAR 센서에는 최대 600MHz의 매우 빠른 데이터 속도가 필요합니다. 따라서 케이블 길이를 바꾸거나 스플라이스를 추가하면 LiDAR 센서에서 보내는 안전 필수 정보의 신호 무결성이 손상될 수 있습니다. 이 센서의 위치를 바꾸면 메카니컬 설계와 전기 설계 모두에서 비용, 무게, 균형 및 기능에 대한 검증이 필요한 여러 설계 변경이 발생합니다.

그러므로 변경 관리에 있어 관건은 영역 간 변경을 빠르고 효율적으로 추적하는 것입니다. 변경 관리에는 크게 두 가지 측면이 있습니다. 하나는 데이터를 자동으로 병합하고 설계자가 알기 쉽게 변경 사항을 보여주는 것입니다. Capital은 설계 변경 내용의 목록을 자동으로 만드는 강력한 변경 사항 관리 도구를 갖추고 있습니다.

전 기 엔 지 니 어 는 이 목 록 에 서 변 경 사 항 을 하 나 씩 수락하거나 반려할 수 있습니다. Capital의 변경 관리 창을 사용해 전기 및 메카니컬 설계를 실시간으로 교차 검증할 수도 있습니다. 변경 관리 도구에서 각 부품을 선택하면 엔지니어가 변경 사항을 파악할 수 있도록 MCAD 또는 ECAD 환경에서 해당 부분이 자동으로 강조 표시됩니다. 변경 관리자는 평면화 다이어그램에서 여러

변경사항을 미리 볼 수 있습니다. 평면화는 3D, 직교 또는 전개형입니다(그림 5).

그림 5: Capital의 변경 관리 프로그램은 3D, 직교 또는 펼치기 편평화로 미리보기를 제공합니다.

3D 평면화

직교 평면화직교 평면화

전개 평면화

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작업 도구

신호 분리 요구 사항 캡처 Teamcenter

요구 사항과 전기 설계 연결 Capital + Teamcenter

와이어링 번들 경로 정의(3D 하네스 기술) NX

3D 하네스 토폴로지와 전기 설계 연결 Capital + NX

와이어링 생성 중 신호 분리를 적용하는 규칙 실행 Capital

전기 설계(예: DC 시뮬레이션) 완료 또는 검증 DRC 실행 Capital

기계 설계 완료를 위해 와이어링 데이터에 백 어노테이트(Back annotate) 적용(예: 진동 시뮬레이션) Capital + NX

전기 설계/BOM 릴리스 및 PLM에 검증 보고 Capital + Teamcenter

다른 중요 요소는 데이터 마스터와 변경 진행 방향을 정의하는 변경 정책입니다. Capital에는 데이터 변경 방식을 자동 제어할 수 있는 강력한 옵션이 있습니다. 데이터 소유권은 세분화된 방식으로 결정되므로 변경 정책을 각각의 설계 흐름에 맞게 조정할 수 있습니다. 선택 가능한 부분은 상세화되며, 개별 구성요소의 특정 속성에 대한 규칙을 설정할 수 있습니다. MCAD는 커넥터의 무게 속성만 업데이트 할 수 있고 전기 특성은 할 수 없다는 규칙이 설정된 경우를 예로 들 수 있습니다.

파생 모델 관리로 인해 변경 관리가 복잡해집니다. 모든 자동차 모델에 다양한 전자 시스템과 기능을 장착할 수 있습니다. 따라서 수백, 수천 개의 와이어링 하네스 버전이 존재합니다. 여러 가지 하네스 설계 버전을 생성할 수 있는 지능적인 통합 관리 도구와 데이터베이스가 필요합니다. 이 관리자는 상대방의 데이터베이스에 따른 조정 없이 메카니컬 엔지니어와 전기 엔지니어에게 해당 영역과 관련된 최신 변형 정보를 지능적으로 제공합니다.

향후 전망: 순수 전기 자동차 및 자율 주행전기 자동차가 주류가 되고 자율 주행차 기술이 채택됨에 따라 긴밀한 ECAD-MCAD 통합의 필요성이 더 커졌습니다. 레벨 5 자율 주행차의 경우 설계 프로세스 전체에서 ECAD와 MCAD 간에 지속적으로 상호작용해야만 현실적인 일정으로 복잡한 설계를 구현할 수 있을 것입니다. 강력한 중앙 집중식 처리 시스템이 LiDAR, 레이더, 카메라 등 수십 개의 센서로 이루어진 네트워크를 연결하고 이와 상호작용할 것입니다. 이러한 센서(예: 고해상도 카메라) 중 대다수에는 와이어 길이나 결합의 변경에 특히 민감한

그림 6: 통합된 ECAD-MCAD 흐름으로 전체 설계에 걸쳐 디지털 스레드를 생성합니다.

고속 연결이 필요합니다. 와이어 하네스의 무게와 자동차 전체에서의 배치를 최적화하려면 와이어 번들 경로 재지정이 필요할 수 있습니다. 이 경우 와이어 길이와 신호 성능에 큰 영향이 있습니다. 차체를 위한 금속 격자 구조와 같은 새로운 경량 기술의 도입으로 완전히 새로운 구속 조건이 추가되어 설계 작업이 더 복잡해집니다.

또한 자율 주행으로 인해 전기 메카니컬 설계에 대한 안전 및 기능 요구사항 충족이 더 어려워질 것입니다. 예를 들어, 전자기 간섭으로 인한 데이터 신호 왜곡을 방지하기 위해 고전압 전력 신호를 전송하는 와이어를 데이터 와이어와 분리해야 합니다. 게다가 전자 장애나 사고 발생 시에도 안전 필수 기능을 유지할 수 있도록 중복 전기 시스템을 포함해야 합니다. 중복 시스템은 자동차 설계를 전체적으로 더 복잡하게 만들어 전기와 메카니컬 엔지니어링 간의 정확하고 원활한 설계 변경 전송이 매우 중요해집니다. ECAD-MCAD 통합은 전기 메카니컬 설계가 모든 요구사항을 충족하도록 영역 간에 끊기지 않은 디지털 스레드가 있는지 확인합니다(그림 7).

또한 업계가 완전 전기 자동차로 나아감에 따라 지능형 변경 관리 솔루션의 필요성이 커졌습니다. 메카니컬 엔지니어는 수백 개의 설계 변경을 야기하는 와이어링 하네스의 무게 배분과 조정을 최적화해야 합니다. 또한 가동 중인 차량에서 확인된 문제와 제한을 식별하고 최대한 빨리 제조 라인에 솔루션을 추가해야 합니다. 이를 위해서는 엔지니어, 제조 라인 및 현장 사이에서 고도로 동기화되는 정밀하게 자동화된 피드백 루프가 필요합니다.

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한 번에 설계 성공ECAD-MCAD 공동 설계는 생산성을 높이고 강력한 설계를 보장할 수 있는 요인으로 널리 인정받아 왔습니다. 최신 CAD 도구를 통해 설계자는 보다 효율적으로 데이터를 동기화하고 영역 간의 중요 설계 항목을 더 효과적으로 공동 제작하여 설계 의도를 정확하게 반영할 수 있습니다.

설계 과정에서 전기 환경과 기계 환경 사이의 원활한 교차 검증으로 설계자가 타 영역을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 비일관성을 조기에 파악해 해결할 수 있으며, 비용 부담이 큰 설계 반복을 줄일 수 있습니다. ECAD-MCAD 공동 설계는 다양한 변경 관리 지원과 함께 설계 팀에 핵심 조력 요소를 제공하여 한 번에 성공할 수 있는 가능성을 높입니다.

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

결론

참조1. Pearley Huffman, J. (2016, May 23). “It takes a lot of wiring to keep a

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

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