某系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

彭輝

摘 要：結(jié)合某系統(tǒng)研制過(guò)程中所從事的具體工作，著眼于結(jié)構(gòu)及工藝，對(duì)電子設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品具體的結(jié)構(gòu)形式和處理工藝作了簡(jiǎn)單介紹和說(shuō)明。根據(jù)設(shè)備功能、性能及所處工作環(huán)境等研制方案明確或隱含的設(shè)計(jì)要求，電路設(shè)計(jì)應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切協(xié)調(diào)、互相配合，共同采取相應(yīng)措施以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用，某系統(tǒng)電子設(shè)備運(yùn)行持久正常、性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工藝設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（c）-0071-03

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足電子產(chǎn)品的各項(xiàng)功能和電性能，使設(shè)備在各種既定環(huán)境下都能正常工作所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。它可以把產(chǎn)品的外觀直接展現(xiàn)出來(lái)，在一定程度上決定了產(chǎn)品的可靠性、壽命及性價(jià)比。好的設(shè)計(jì)應(yīng)合理滿足整機(jī)的性能要求，在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

產(chǎn)品的工藝性能直接影響到產(chǎn)品性能和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。工藝設(shè)計(jì)的最高原則是以最少的社會(huì)勞動(dòng)消耗創(chuàng)造出最大的物質(zhì)財(cái)富，這個(gè)原則也是企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。

無(wú)論哪類電子設(shè)備的設(shè)計(jì)都離不開(kāi)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的高低和工藝技術(shù)的好壞對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。電子設(shè)備的故障或失效大都可歸結(jié)為設(shè)計(jì)上沒(méi)有想到或沒(méi)意識(shí)到某些細(xì)節(jié)或約束，一些通用設(shè)計(jì)的技術(shù)、準(zhǔn)則、理念和方法必須被予以重視并深入貫徹到產(chǎn)品研發(fā)中去。

1 某系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 概述

某系統(tǒng)主要由多路耦合器、終端機(jī)和信號(hào)分配器組成，采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上架安裝方式。各設(shè)備遵循標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化設(shè)計(jì)原則，顏色、標(biāo)識(shí)、銘牌、把手和接口連接器選擇均符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

根據(jù)研制方案確定電氣功能、性能及使用環(huán)境要求，經(jīng)研究分析整機(jī)結(jié)構(gòu)形式和尺寸約束后，初步進(jìn)行元器件布局、布線和組裝設(shè)計(jì)，合理選用材料、涂鍍、加工手段，采用通用件和標(biāo)準(zhǔn)件，簡(jiǎn)化制造工藝，積極運(yùn)用成熟技術(shù)。后通過(guò)軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模、裝配仿真、應(yīng)力應(yīng)變分析、熱流分析，進(jìn)一步優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)。

1.2 多路耦合器

機(jī)箱箱體及內(nèi)部隔板全選用鋁合金板，銑削成型，并通過(guò)相互搭接、螺釘擰緊固定。選用鋁合金板，是因其具有重量輕、加工定位準(zhǔn)確、易開(kāi)溝槽安裝固定屏蔽材料、裝配拆卸簡(jiǎn)便、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。

多路耦合器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將防雷電路、放大電路和功率分配電路分別安裝在鋁合金板銑削成型的屏蔽盒內(nèi)，構(gòu)成單獨(dú)的防雷模塊、放大模塊和功率分配模塊。為便于器件散熱，將散熱器緊貼機(jī)箱左側(cè)板，電源模塊緊貼機(jī)箱右側(cè)板，放大模塊和功率分配模塊固定在散熱器上，并分別在安裝貼合面涂敷導(dǎo)熱硅脂。由于電源模塊較重，為滿足沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)固定架使其一側(cè)與底板連接，另一側(cè)包住電源與右側(cè)板。防雷模塊安裝在前隔板預(yù)設(shè)位置，并與中隔板和后隔板一起組成隔板部件，組裝時(shí)將其整體插入機(jī)箱。各模塊用隔板隔開(kāi)，分別安裝在3個(gè)相對(duì)封閉獨(dú)立的隔段內(nèi)，盡可能避免電源與模塊、模塊與模塊間的電磁互擾。多路耦合器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.2.1 終端機(jī)

箱體是機(jī)箱結(jié)構(gòu)的主體部分，是設(shè)備功能模塊的安裝載體，也是機(jī)箱結(jié)構(gòu)的集中受力體。根據(jù)安裝器件的尺寸、重量和位置，同時(shí)考慮振動(dòng)、沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，參考?jí)恒T螺釘、壓鉚螺母柱的鉚接裝配要求，核算確定各面板材料及厚度。終端機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

終端機(jī)由16個(gè)解調(diào)模塊組成，外部線纜通過(guò)航空插座進(jìn)入機(jī)箱并通過(guò)雙絞塑膠線與母板歐式插座連接。由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，一個(gè)航空插座需通過(guò)8路音頻信號(hào)或8路串口數(shù)據(jù)，為避免設(shè)備內(nèi)部多路信號(hào)互相串?dāng)_，走線及母板設(shè)計(jì)盡量將多路同類信號(hào)線分開(kāi)。另外所有解調(diào)板都安裝了背板進(jìn)行電磁屏蔽隔離、安全防護(hù)和固定，以提高電氣連接的可靠性。

導(dǎo)軌支撐部件由托板、導(dǎo)軌和連接條構(gòu)成，主要起約束解調(diào)模塊自由度的作用，模塊的插拔、固定簡(jiǎn)單方便。

終端機(jī)前面板左、右兩側(cè)各開(kāi)設(shè)一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口安在后面板中部，風(fēng)扇裝在機(jī)箱外側(cè)向外抽風(fēng)。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)把箱內(nèi)的熱空氣強(qiáng)制抽出，使機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，吸引機(jī)箱外的冷空氣由進(jìn)風(fēng)孔口進(jìn)入，從而形成空氣交換。為避免導(dǎo)軌支撐部件阻擋、妨礙空氣在箱內(nèi)流通，導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)有導(dǎo)風(fēng)孔，冷空氣經(jīng)導(dǎo)風(fēng)孔流過(guò)帶走解調(diào)模塊散發(fā)的熱量。其基本任務(wù)是在熱源至熱沉之間設(shè)計(jì)一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去，以便滿足可靠性要求[1]。另一方面，設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)孔還起到減輕設(shè)備重量的作用。兼顧電磁屏蔽和良好通風(fēng)的雙重要求，通風(fēng)開(kāi)口處分別安裝了屏蔽通風(fēng)窗，為進(jìn)一步提高屏蔽效果，屏蔽通風(fēng)窗與箱體固定貼合面還粘結(jié)橡膠密封絲網(wǎng)組合襯墊。終端機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.2.2 信號(hào)分配器

以前設(shè)計(jì)的機(jī)箱大多采用零部件搭接、螺釘擰緊固定的結(jié)構(gòu)形式，為滿足強(qiáng)度和電磁兼容性要求，完成箱體組裝往往要使用很多螺釘，這使得設(shè)備拆卸、裝配十分繁瑣，維修性不好。為解決此問(wèn)題，信號(hào)分配器設(shè)計(jì)采用插裝結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。

根據(jù)裝配順序?qū)⒌装宀迦肭懊姘濉⒑竺姘濉⒆髠?cè)板和右側(cè)板底部對(duì)應(yīng)的溝槽，推動(dòng)左、右側(cè)板使其與前、后面板互相卡住，然后用螺釘進(jìn)行固定。把隔板插入箱內(nèi)使其與底板和后面板配合，分別將濾波器、電源模塊和主板模塊安裝在隔板分開(kāi)的兩個(gè)封閉隔段內(nèi)，盡可能避免電源對(duì)主板模塊的電磁騷擾。將蓋板榫齒插入前面板頂部后面的溝槽中，往前推動(dòng)蓋板使其后端向下插入左、右側(cè)板卡槽，用螺釘將蓋板與箱體固定。信號(hào)分配器全部零部件共計(jì)12個(gè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便。

2 某系統(tǒng)電子設(shè)備工藝設(shè)計(jì)

2.1 概述

某系統(tǒng)電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性要求比較苛刻，設(shè)計(jì)人員不僅要將“六性”設(shè)計(jì)理念融入、貫徹到研發(fā)工作中去，還需清楚產(chǎn)品的工藝流程。電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性主要取決于所選材料、構(gòu)件、元器件的耐環(huán)境能力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)采取的耐環(huán)境措施是否合理和有效[2]。裝聯(lián)工人應(yīng)積極主動(dòng)地提出合理化建議，配合工藝人員共同完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣才能使設(shè)備滿足低溫、高溫、濕熱、鹽霧、霉菌、振動(dòng)、沖擊、顛震等環(huán)境試驗(yàn)要求。

裝配、組裝質(zhì)量不僅影響設(shè)備外觀，而且影響系統(tǒng)的性能，可以說(shuō)系統(tǒng)的質(zhì)量直接體現(xiàn)在焊接和組裝上。應(yīng)合理安排裝配順序，注意前后工序的銜接，連接應(yīng)牢固可靠，安裝方向、位置要正確，不損傷設(shè)備單元和零部件，不損傷面板等機(jī)殼表面涂覆層，確保電性能穩(wěn)定和機(jī)械強(qiáng)度足夠。

2.2 通用工藝技術(shù)

根據(jù)各種材料在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，內(nèi)部設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)明確禁止使用預(yù)鍍鋅鋼板。以前鈑金件多采用冷軋鋼板，加工后進(jìn)行鍍鋅工藝處理，但其防護(hù)能力還是偏弱，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生銹斑腐蝕，相關(guān)零件要求全部換成奧氏體不繡鋼，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再使用冷軋鋼板。除鈍化處理外，奧氏體不繡鋼零件可不再做其他表面處理。

電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)采取主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃、“對(duì)抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針[3]。某系統(tǒng)電子設(shè)備的箱體材料全部選用鋁合金板材，機(jī)加工后進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，使機(jī)箱內(nèi)表面形成理論上連續(xù)的導(dǎo)電面。

箱體搭接縫隙處全部安裝橡膠芯金屬絲網(wǎng)屏蔽條，這種屏蔽條既有很好的彈性，又抗永久壓縮形變，在潮濕及鹽霧環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗電化學(xué)腐蝕性能。由于屏蔽條有彈塑性，按設(shè)計(jì)尺寸截取時(shí)不要用力拉伸，可先從一端塞入溝槽并順著按壓到另一端再截取，剪切屏蔽條時(shí)應(yīng)使其端頭的橡膠芯微縮在絲網(wǎng)內(nèi)，切忌安裝后屏蔽條端頭的橡膠芯露出金屬絲網(wǎng)很長(zhǎng)。

在設(shè)備通風(fēng)開(kāi)口處安裝屏蔽通風(fēng)窗，利用截止波導(dǎo)原理解決通風(fēng)和屏蔽這對(duì)矛盾。具體設(shè)計(jì)可參考GJB 1046-1990《艦船搭接、接地、屏蔽、濾波及電纜的電磁兼容性要求和方法》（6.2.2.3截止波導(dǎo)通風(fēng)孔）。

電源線穿過(guò)箱體會(huì)使機(jī)箱整體屏蔽效能降低，為提高設(shè)備電磁兼容性，電源輸入接口采用將航空插座與電源濾波器做成一體的結(jié)構(gòu)形式。在濾波器與后面板安裝固定面粘接扭角鈹銅簧片或?qū)щ娨r墊，使殼體和機(jī)箱貼合并保證接觸良好，輸入輸出線不能靠得太近，引線盡量短且不能交叉，電源線不要與其他電纜捆綁走線。電源輸入接口旁邊就近設(shè)計(jì)安裝安全的螺栓，并將電源線安全地連接。

帶有螺紋連接、壓合、搭接、鉚接、點(diǎn)焊、單面焊接等組合件，原則上不允許進(jìn)行電化學(xué)處理，不同金屬材料組合在一起的部件不能進(jìn)行溶液處理，這些組合件應(yīng)盡可能采用涂漆，或分別進(jìn)行電化學(xué)處理后再組裝。所有電化學(xué)處理都應(yīng)在零件狀態(tài)（即非組合件）下進(jìn)行。

鋼鐵件在噴涂前應(yīng)進(jìn)行磷化處理，鋁件噴涂前應(yīng)進(jìn)行氧化處理（鑄鋁合金可采用噴砂處理），以增加涂層附著力。

體積和質(zhì)量較大的模塊、晶振、線圈可用硅橡膠封裝或加固管腳。盡量降低元器件的安裝高度，縮短其管腳引線。導(dǎo)線穿過(guò)金屬孔或靠近金屬零部件時(shí)需用絕緣套管將導(dǎo)線套住，線束的安裝和支撐應(yīng)當(dāng)牢固，以免使用期間絕緣材料因磨損而短路。電路GND通過(guò)金屬化螺釘以及對(duì)應(yīng)的阻焊亮銅帶和結(jié)構(gòu)件良好搭接，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件不作噴漆處理。使用不銹鋼錯(cuò)齒彈墊、棘爪彈墊、止退螺母等緊固件防止裝配松動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展及加工技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式有了很大變化，從單機(jī)到系統(tǒng)，從最初主要使用型材、鈑金結(jié)構(gòu)發(fā)展到數(shù)控銑削成型的零件實(shí)現(xiàn)形式，精密加工技術(shù)已開(kāi)始影響電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)是項(xiàng)目研制過(guò)程的重要組成部分，直接影響到產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和品質(zhì)指標(biāo)，并不僅是為硬件平臺(tái)做個(gè)外殼那樣簡(jiǎn)單，需考慮多方面的約束因素以選擇最合理最可靠的設(shè)計(jì)技術(shù)。綜合某系統(tǒng)裝備介紹，可了解電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法和在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)采取的具體措施，對(duì)其他電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

某系統(tǒng)電子設(shè)備裝配拆卸簡(jiǎn)單，生產(chǎn)維護(hù)方便，具備較高的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求。系統(tǒng)通過(guò)公司內(nèi)部功能、性能測(cè)試和第三方電磁兼容試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、信道試驗(yàn)驗(yàn)證，所有設(shè)備均滿足研制方案要求。

參考文獻(xiàn)

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[2] 祝耀昌.產(chǎn)品環(huán)境工程概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[3] 張明.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的電磁兼容性設(shè)計(jì)策略[J].電子機(jī)械工程，2006，22（5）：5-9.