容錯設計與電子設備插箱固定形式的研究

趙文生，董智鼎，李 果

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

來自百度百科中容錯設計的學術文獻解釋為：“允許操作者產生失誤行為的設計技術稱為容錯設計，容錯系統能吸收或容忍失誤存在，使操作者能從已發生的失誤信息中獲得幫助”。容錯設計的范疇比較廣，在產品和使用過程中到處可見，比如SIM卡做成了一個倒角，避免了長方形插入帶來的多種錯誤，家庭用的電表空氣開關降低了人觸電或對家用電器損壞的風險，空調安裝支架上的寬槽長腰孔，降低了安裝工人的安裝失誤和工作難度。一個好的設計師之所以要考慮容錯設計，主要是因為產品從設計到加工到用戶操作者中間環節很多，不能出現一個錯誤。然而受環境、人的身體狀態等各種因素影響，要其中所有人、所有設備每時每刻都做到這一點幾乎不可能。以一個機械零件為例，除了設計可以固化外，其它都存在變數，比如在不同的廠家加工，工藝、設備、加工者可能會有所不同，不同的加工者手藝不同，即使同一個加工者加工相同的零件每個零件公差也會有所不同，到用戶手中，不同的操作者使用細節也不盡相同，這些都有可能導致產品錯誤的發生，這也是即使世界名牌產品也會有維修的原因。既然出錯難以避免，如何容錯設計才是關鍵，容錯設計的關鍵是做好防御，產品設計者必須不斷尋找造成產品出錯的原因，并想法解決，盡可能預防錯誤的發生或將錯誤發生產生的損失降至最低。文中對插箱各種固定形式進行了分析和研究，剖析了利弊，從容錯設計理念出發，提出了一種新的插箱固定形式技術，減少了人為過失因素對插箱固定螺釘及螺母損壞的幾率，解決了某些插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題，對插箱固定形式具有很好的參考意義。

1 一般插箱固定形式

1.1 軍標要求插箱固定方式

為了提高設備的通用化、系列化程度，國家軍用標準對插箱及機柜出臺了相關標準，根據文獻［1］的要求，插箱前面板固定孔形式見圖1，根據文獻［2］的要求，插箱前面板固定孔形式見圖2～4。面板安裝孔或安裝槽的形式及尺寸見圖5，允許采用圖5以外的孔或槽，但應能適應文獻［2］中M6安裝螺釘尺寸及公差要求。

圖1 整面板插箱外形圖

圖2 1U～2U插箱面板

文獻［2］中插箱所要裝入的機柜及高度系列孔尺寸見圖6。

圖3 1U～6U插箱面板

圖4 6U～13U插箱面板

圖5 面板安裝孔

文獻［2］要求機柜必須具有圖6所示的系列安裝孔（允許用T型槽或其它結構代替），需要時可在孔距為31.75mm的2孔中心位置增加1個孔。在每米間距內，任意兩孔的孔距公差為±0.4mm。

機柜寬度方向有關尺寸見表1和圖7，表1中B0為面板安裝尺寸。

表1 機柜寬度方向有關尺寸（單位mm）

1.2 安裝槽插箱固定方式

早期產品設計多為鈑金或鈑金型材機柜，因當時加工設備所限，機柜上的系列孔尺寸公差較大，機箱面板安裝孔也多為人工劃線加工，機箱安裝孔公差同樣也大，因安裝槽固定方式對安裝精度要求不高，因而早期產品多采取文獻［1］、文獻［2］圖示安裝槽固定方式。根據圖5安裝槽所示尺寸6.8mm（下偏差0和上偏差＋0.5mm）和10.3±0.4mm，如機柜插箱安裝螺絲孔上下、左右公差按±0.4mm計算，對應插箱固定孔上下尺寸允許公差為±0.4～±0.9mm。計算過程如下：

圖6 機柜高度系列孔尺寸

圖7 機柜寬度方向有關尺寸

插箱固定孔上下孔距尺寸上公差：

插箱固定孔上下孔距尺寸下公差：

也就是說，當機柜安裝槽孔尺寸最大為7.3mm時，插箱固定孔距上下尺寸允許公差為±0.9mm。

當機柜安裝槽孔尺寸最小為6.8mm時，插箱上下固定孔距尺寸允許公差為±0.4mm。插箱上下固定孔距允許公差合格判據一般取下公差±0.4mm，即插箱上下固定孔距尺寸公差要求為±0.4mm。

同理可計算出插箱固定孔左右孔距尺寸允許公差在±3.9mm。計算過程如下：

插箱固定孔左右孔距尺寸允許公差

因而安裝槽插箱固定方式一般加工手段就可滿足插箱固定。

安裝槽固定方式的優點包括：

（1）對加工設備和人員要求低，加工成本低；

（2）插箱互換性好；

（3）插箱固定螺釘如損壞可方便更換；

（4）插箱固定時，機柜上螺紋不易被固定螺釘損壞。

安裝槽固定方式的缺點為：

（1）插箱抽出機柜時，需要將固定螺釘一個個拆下，螺釘沒有合適的擺放位置，尤其在調試時間長時，容易和其它螺釘混淆，需要時尋找時間長或一時找不到；

（2）插箱拆裝時間長，增加維修時間。

1.3 松不脫螺釘插箱固定方式

為了解決安裝槽固定方式的缺點，隨著數控等加工技術的運用，加工精度得到提高，于是有了插箱松不脫螺釘固定方式，就是將插箱面板上由安裝槽固定方式的槽孔改為螺絲孔，面板上安裝松不脫螺釘。M6松不脫螺釘光桿部分國家標準為直徑4.32～4.5mm，如機柜插箱安裝孔上下、左右公差按±0.4mm計算，對應插箱固定孔上下、左右尺寸允許公差經計算均在±1.1～±1.28mm，一般加工手段可滿足插箱固定孔加工，但因為比安裝槽固定方式公差允許范圍小很多，因而機柜系列孔尺寸公差需保證在±0.4mm。

機柜系列安裝孔加工精度要求比安裝槽固定機柜要高，一般工人手工劃線難以保證所有系列安裝孔尺寸要求，過去多數工人采取插箱配打或數控模板配打方式。前者會為將來插箱備件更換帶來隱患，設計師及工藝師發現后應制止，同時設計、質量、工廠等相關部門應加強宣貫力度，避免在產品圖紙和實際操作中通過插箱進行配打孔現象的出現。

松不脫螺釘固定方式的優點包括：

（1）因松不脫螺釘始終在插箱上，螺釘不會找不到，也不會和其它螺釘混淆，維修時間比安裝槽固定方式短；

（2）松不脫螺釘如損壞可方便更換；

（3）松不脫螺釘較其它常規螺釘固定公差大，安裝精度低（但比安裝槽固定方式高）。

松不脫螺釘固定方式的缺點為：

（1）插箱面板或機柜固定螺絲處需要留出松不脫空間（見圖8），增加面板厚度（見圖9）或鉚接松不脫螺釘所需的過渡件；

圖8 機柜留出松不脫空間圖

圖9 插箱面板留出松不脫空間圖

（2）加工精度比安裝槽固定方式高；

（3）插箱通過導軌推入時，松不脫螺釘因為重力作用，中心軸線不能和面板成垂直狀態，自動對準機柜上固定孔，需要人工對準，如操作者用力過大，松不脫螺釘撞在機柜固定孔邊沿會損壞，同時也可能對機柜固定孔螺紋造成損傷。

1.4 彈簧松不脫螺釘插箱固定方式

為了解決松不脫螺釘固定方式的缺點，設計師們發明了插箱彈簧松不脫螺釘固定方式，其方式是在面板上鉚裝一螺套，螺套上攻絲，松不脫螺釘通過螺套上螺絲和其相聯接，螺套和松不脫螺釘之間裝入彈簧（見圖10），利用彈簧的彈力強制使松不脫螺釘中心軸線和插箱面板垂直，減少插箱通過導軌推入時對松不脫螺釘螺紋的損壞，另外設計師也可通過市場采購合適的更加復雜的不可拆卸鉚裝彈簧松不脫螺釘。

圖10 彈簧松不脫螺釘示意圖

彈簧松不脫螺釘固定方式的優點包括：

（1）插箱通過導軌推入時對松不脫螺釘螺絲的損壞比非彈簧松不脫螺釘概率要小；

（2）插箱安裝時間、維修時間比上述2種短。

彈簧松不脫螺釘固定方式的缺點為：

（1）插箱需要鉚裝螺套，尤其是市場采購彈簧松不脫螺釘需要專用鉚裝工具，產品交付顧客后，螺釘若損壞更換需要專業人員和專用設備，比較麻煩。

（2）安裝公差小，插箱機柜固定孔加工精度要求高。尤其是有些市場采購彈簧松不脫螺釘沒有常規松不脫螺釘直徑為4.32～4.5mm的光桿部分，雖然鉚裝在插箱面板后螺釘可圍繞中心移動，但經實際測量接近緊固狀態時，螺釘可調節移動范圍小于±0.2mm，采用此種螺釘，插箱面板螺釘間距可調范圍為±0.4mm，如加上插箱面板孔距加工誤差±0.2mm，實際機柜上固定插箱面板孔距可調范圍為±0.2mm，絕對值小于軍標規定的機柜系列孔誤差±0.4mm，說明插箱固定時，如加工誤差均取極限值，理論上插箱固定螺釘和機柜固定孔在不受損的前提下無法同時固定，這也是實際產品中有些插箱對應的安裝孔需要重新攻絲才能安裝上的原因，也是插箱螺釘損壞和機柜插箱安裝孔滑絲的原因之一，同時也是插箱不具有互換性的原因（而帶直徑為4.32～4.5mm的光桿部分松不脫螺釘實際間距可調范圍大于±1.3mm，遠大于機柜系列孔誤差±0.4mm，如加工都控制在理論范圍內，不存在上述問題），因而此類彈簧松不脫螺釘對機柜和插箱固定孔尺寸公差要求高（經計算機柜系列孔尺寸公差需保證在±0.2mm，高于軍標要求±0.4mm），螺釘損壞概率遠高于常規松不脫螺釘，實際使用過程中的產品也證明了這一點，因此建議設計師今后不要再選購。

2 容錯松不脫螺釘插箱固定裝置

2.1 容錯松不脫螺釘固定裝置設計目的

鑒于以上各種插箱固定方式存在的缺點，經過對上述插箱固定方式的分析，通過取長補短，利用容錯設計的理論，設計出了容錯松不脫螺釘插箱固定裝置，其目的是降低機柜系列孔和插箱固定孔距精度要求和加工成本，減少插箱固定螺釘及螺母損壞的機率，解決插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題，降低人為差錯所帶來的負面影響和設備通用化難度，將可能發生的人為過失錯誤損失降至最小，提高設備的可靠性、維修性和安全性。

2.2 容錯松不脫螺釘固定裝置設計原理

容錯松不脫螺釘固定裝置由松不脫螺釘、螺套、彈簧、可調螺母和墊板組成，如圖11所示。

可調螺母上有2個螺紋孔，一個為固定插箱所用的M6孔，另一個為固定可調螺母在機柜系列孔件上的M4孔。兩孔間距根據機柜系列孔定為12.7mm，墊板上根據插箱上固定孔數量開設相對應的固定M4沉頭螺絲釘孔和直徑6.5mm的通孔，可調螺母通過M4沉頭螺釘和墊板固定在機柜系列孔上，可調螺母和墊板上設松不脫螺釘所需的光孔尺寸。

圖11 容錯松不脫螺釘固定裝置

此尺寸之和設計時應大于松不脫螺釘螺紋長度尺寸，否則松不脫螺釘在松開過程中，其上螺紋部分將同時聯結可調螺母和插箱面板上螺紋而產生干涉，對三者螺紋干涉部分造成損傷，失去使用松不脫螺釘調整加工誤差的目的。

螺套內放入外徑為7mm的彈簧，裝彈簧處螺套內徑為7.2mm，壓縮彈簧螺套接觸面處孔徑為6mm，插箱面板安裝孔為M6螺紋孔，通過合理設計各相關零件和選擇合適的彈簧，容錯松不脫螺釘固定裝置從外觀上看螺套就象鉚裝在插箱面板上，松不脫螺釘非固定狀態中心軸線基本和插箱面板垂直。

容錯松不脫螺釘固定裝置設計原理就是將原來機柜系列孔上不可調整的M6孔改為直徑為6.5mm的通孔，并在其上固定一個個可調螺母，固定可調螺母為M4沉頭螺釘，沉頭螺釘通過機柜系列孔上直徑為6.5mm的通孔，利用直徑6.5mm通孔和M4螺紋之間的間隙（2.5mm），對零件加工過程中產生的孔距誤差進行調整，因為容錯松不脫螺釘固定裝置中的可調螺母可完全調整到和機柜系列孔上直徑為6.5mm的通孔同心或邊沿相齊，不受機柜插箱安裝孔誤差影響，另螺套為活動式，對插箱松不脫螺釘調整不干涉，容錯松不脫螺釘固定裝置中孔距誤差僅受插箱面板螺絲孔和松不脫螺釘光桿直徑尺寸影響，故上下左右容錯松不脫螺釘間距可調整范圍為±1.5mm，比市場采購彈簧松不脫螺釘調整范圍要大。

因為可調螺母為一個個獨立個體，如在使用過程中損壞，可非常方便地進行更換，而一些直接在機柜固定面上或間接通過過渡件打出系列螺紋孔的，如螺紋損壞有些無法保持原狀態維修，或者恢復原狀態要更換整條機柜系列孔零件，成本高，工作時間長，難度大。而容錯松不脫螺釘因為不是一體化鉚裝，螺釘損壞后更換也很方便。

綜上所述，容錯松不脫螺釘固定裝置有如下優點：

（1）機柜上插箱固定螺母可以移動調整，單個最大可調范圍為±0.25mm，一組（2個）可調范圍為±0.5mm，完全可消除軍標規定的孔距誤差±0.4mm的負面影響。

（2）插箱松不脫螺釘可以移動調整，單個最大可調范圍為±0.75mm，一組（2個）可調范圍為±1.5mm，完全可消除常規加工手段達到的孔距誤差±0.2mm的負面影響。

（3）通過可調螺母調整后固定和插箱松不脫螺釘的自動調整，同時降低了對機柜系列孔和插箱安裝孔的加工精度要求（比如，若插箱安裝孔距公差要求為±0.4mm時，計算機柜系列孔公差可擴大為±1.6mm），消除了插箱固定尺寸誤差滿足不了要求而對松不脫螺釘和螺母所造成的損壞或損傷。

（4）因插箱導軌安裝不當或其它各種原因造成螺釘和螺母損壞，不需要專業人員幫忙，顧客或現場人員就可進行更換。

容錯松不脫螺釘固定裝置的缺點是每個可調螺母安裝時都需要調整（不過實際調整過程非常簡單快捷，熟練工人調整時間一般小于30s）。

2.3 容錯松不脫螺釘固定裝置效果簡介

容錯松不脫螺釘固定裝置已應用于某產品，該產品由多個機柜和顯控臺組成，由不同地域多個單位參與，大小不同插箱幾十個，不同加工生產單位數個，盡管有些機柜上系列孔水平尺寸誤差較大（超出±0.4mm，個別接近1mm），但通過使用容錯松不脫螺釘固定裝置的調整，所有插箱都完成了裝配，經實際驗證，達到了設計目的，證明采用容錯松不脫螺釘固定裝置的機柜通用化、系列化程度高，能滿足不同單位的需求。

3 結束語

在科研生產和設備調試維修過程中，提高全體人員的素質和責任心是必須的，但是作為一個產品設計師，不可把產品生產的質量、設備的安全性、維修性、可靠性完全放在人的素質和責任心上，應該考慮人為過失錯誤可能給設備和人員帶來的各種隱患。

容錯設計的目的不是允許錯誤的發生，而是要對可能發生的錯誤通過優化設計進行預防。容錯松不脫螺釘固定裝置基于這種理念，采取容錯設計，減少了人為過失因素對插箱固定螺釘及螺母損壞的幾率，解決了某些插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題。經產品實際驗證，設備通用化難度得到降低，可靠性、維修性得到了提高。

［1］GJB／Z28A－99.插箱、插件基本尺寸系列［S］.

［2］GJB 2825－97.軍用雷達機柜、插箱、插件模塊化要求［S］.