標準機柜的參數化建模設計方法

賈松

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣州 510310）

0 引言

19 in標準機柜（符合IEC60297標準）在電子設備通信領域應用比較廣泛，在固定機房、車載移動通信等領域，很多電子設備都按照這種標準尺寸設計來適應機柜的安裝。在實際進行電子設備系統集成設計時，會遇到不同數量、不同高度的設備集成應用的情況，這就需要不同高度的機柜來滿足電子設備的安裝需求。因此需要針對不同高度的機柜開展設計，同時在機柜寬度和深度上也要有尺寸變化的要求，機柜在這方面的相關設計方法，大多采用模塊化和系列化的設計，結合三維設計軟件的建模，利用骨架模型、族表等方式進行自頂向下的設計[1-2]，這些方法對軟件的使用要求相對較高。為了能夠準確而快速簡單地設計出滿足不同尺寸要求的機柜，探索一種適用于19 in標準機柜參數化建模的設計方法，從而完成機柜的系列化設計，無疑將會大大縮短設計周期、提高工作效率。

1 標準機柜和尺寸參數

1.1 標準機柜定義

機柜是用于容納電氣或電子設備的獨立式或自支撐的機殼，機柜通常配置有門、可拆或不可拆的側板[3]。機柜的結構主要由機架、側板、背板等覆板組成，機架由前、后立柱和上下梁或頂框底框組成，機架是機柜的主要承力和支撐結構，決定了機柜的主要尺寸。

標準機柜通常指基本尺寸符合GB/T 19520規定的482.6 mm（19 in）系列的機柜，適合安裝面板寬度為19 in，高度進制為U的倍數的機柜。符號U表示高度為44.45 mm的垂直增量，1U的高度增量等于44.45 mm[4]。

1.2 機柜尺寸參數

機柜外形尺寸有高度、寬度和深度這三個常規指標。機柜高度在使用中是根據實際使用高度（內部凈高度）來命名的，最常見的是用U數來表達機柜的高度，因此，在進行參數化建模設計時，應把機柜的使用高度作為高度方向的設計尺寸，把機柜外形寬度和深度作為另外方向上的設計尺寸。這三個關鍵尺寸確定后，一個機柜的主要外形尺寸基本就確定了。

現代設計領域有許多計算機輔助設計軟件，可以利用比較流行的三維設計軟件Creo進行輔助設計，充分利用該軟件的參數化功能建立機柜的模型，以方便進行機柜產品的參數化和系列化設計。

2 參數化設計方法

2.1 尺寸關系分析

根據機柜組成元件的裝配關系，利用各元件或特征之間的關系建立相關約束，將這些關系和設計輸入參數之間關聯起來，以參數的變化來驅動裝配模型的變化。在進行建模設計過程中，可以針對機柜的主要結構部件機架進行參數化設計，其它側板、門板等覆板和附件可以在裝配中通過約束和關系方程進行關聯驅動。

按照GB/T 19520.16-2015標準，機柜立柱上的電子設備安裝系列孔與面板、插箱和機箱的孔位設置如圖1所示。

圖1 機柜的安裝系列孔距

其中圖示Ⅱ型具有附加孔的機柜可以滿足任意4個孔間距為1U，這類型標準機柜在實際使用中最為廣泛，已經作為標準機柜的首選系列。在進行機柜的建模時，應當按照此類機柜的安裝孔尺寸進行設計，其中上、下兩端孔中心至內框口面的距離通常取7.9 mm。

從圖1中可得知，機柜立柱的垂直系列安裝孔從上到下其間距分布規律為S=7.9+ 31.75/2+31.75/2+12.7+31.75/2+31.75/2+12.7+…+31.75/2+7.9。

理論上，1U機柜內部凈高度為7.9×2+31.75；2U機柜內部凈高度為7.9×2+31.75+12.7+31.75；3U機柜內部凈高度為：7.9×2+31.75+12.7+31.75+12.7+31.75；……由此類推，可得出nU的機柜內部凈高度尺寸為7.9×2+31.75+(n-1)×U。其中U=44.45 mm。

機柜寬度W和深度D尺寸分別有不同的數值系列，分別位于550～900、300～1200的范圍，其中W和D可以作為變量進行參數化設計，根據實際使用需要設置不同的數值以滿足不同尺寸系列的要求。

2.2 參數化建模

參數化設計是將模型的尺寸通過內在的約束和參數建立一定的關系，有了這個關系，尺寸將不需再用確定的值，只需改變相關的參數值，與之相關的尺寸將會自動改變。利用Creo中模型間的參數和關系，可以實現產品尺寸間的內在關聯性、控制產品尺寸的約束和變化，從而達到改變驅動模型的目的。

運行Creo軟件，以機柜的主要結構部件機架作為主要模塊進行建模，建立圖2所示的模型。

圖2 機架模型

機柜立柱上的系列孔按照圖1中具有附加孔的標準網格創建，先創建如圖3所示位于立柱頂部的1U空間尺寸的孔。

圖3 立柱頂部的系列孔

由于系列孔的分布具有規律性，因此對于nU尺寸的高度，可以采用陣列的方法進行創建。對上述三個孔進行數量為2的陣列操作，即可得到機柜2U空間的凈高度。同理，可以對nU機柜的凈高度采用相似的方法創建。

為了得到便捷通用的創建方法，可以采取參數化的輸入方式，即通過改變高度U數的參數變量n，得到相應高度的機柜。在機柜凈高度S=7.9×2+31.75+(n-1)×U方程式中，只有U的數量n為變量，因此，可以把高度U的數量作為參數，建立上述關系式，通過改變該參數值，從而驅動改變機柜的凈高度。

在Creo軟件界面，從工具選項卡下打開參數對話框，在彈出的窗口中用戶可以自定義一些與模型相關的參數，如名稱、編號、物料編碼等。名稱欄下即為用戶自定義的相關參數，參數名稱可以自己命名，在此窗口下分別添加以下參數：高度nU、寬度W、深度D、n。類型分別為整數和實數，初始值可以預設一定的數值也可以空著，如圖4所示。

圖4 參數創建窗口

2.3 參數賦值

創建完自定義的參數變量后，然后在工具選項卡下打開關系窗口，如圖5所示。利用CREO中關系的功能，可以在尺寸和自定義參數之間創建方程，可以給方程式中的變量進行賦值或創建條件語句。建立好的關系方程就儲存在模型中，參數通過建立的關系方程驅動模型尺寸的變化，從而實現參數化驅動建模的目的。

圖5 關系創建窗口

通過點擊模型選中機柜的高度、寬度和深度等尺寸，在關系窗口中輸入如下關系式：

n=高度nU——設置高度控制變量

d105=寬度W ——給機柜寬度賦值

d106=深度D ——給機柜深度賦值

p137=n ——系列孔陣列個數

d104=d108+d109+（7.9×2+31.75+（n-1）×44.45）——機柜外形高度

其中dxxx（xxx為數字）為尺寸的名稱，不同模型的尺寸名稱各不相同，通過上述關系對機柜的常規尺寸進行賦值，當在參數窗口中輸入設計值，就會將輸入的值分別賦予模型中對應的尺寸。

按標準機柜要求，如圖6所示，機柜內開檔凈寬度不小于450，機柜內框口寬度不小于485，安裝電子設備機箱、面板等的通用孔間距為465.1，這幾處尺寸是電子設備安裝時的基本要求，必須在設計機柜時得到保證。這幾處尺寸可以在建模時通過裝配關系尺寸進行約束和限制，以保證在模型變化時仍保持恒定的數值。

圖6 標準機柜的尺寸

3 參數化模型生成

機柜的其它零部件如側板、背板、頂框底框及相關附件等可以通過裝配組合在一起，在裝配模式下，依然可以通過建立的約束和關系來驅動尺寸。立柱左、右側面上的系列孔的創建可以參考前、后面上的系列孔，通過草繪參考和陣列參考特征來實現關聯驅動。

以裝配后的側板及背板為例，在裝配模型下，其寬度和高度可以通過它與機架框口寬度和高度之間的間隙來控制，在關系窗口中建立如下關系式：

d11:2=d104:0-d109:0-d108:0-3 ——側板的高度

通過關系式的約束和定義，整個機柜及裝配的組件都可以通過相關尺寸與輸入參數建立關系方程，然后改變輸入參數高度、寬度和深度這三個變量來進行參數化設計。只需在參數窗口中輸入不同的高度U數、寬度W和深度D的數值，然后在裝配體中重新生成模型后便可得到所需尺寸的機柜。

在圖4的參數窗口中輸入不同尺寸高度、寬度和深度參數時，分別生成的一系列標準機柜模型，如圖7所示。

圖7 不同尺寸系列的機柜模型

4 結語

充分利用三維軟件CREO的參數化設計理論，建立參數和尺寸的約束關系，輸入機柜的高度U數、寬度及深度等主要外形尺寸值，實現了標準機柜不同尺寸系列的參數化設計。該方法可以快速創建標準機柜系列的三維模型，為機柜適應不同要求的車載集成或電子設備產品的模擬裝配提供了快速化的建模方法，縮短了產品的設計時間。參數化建模方法使得機柜的系列化設計變得簡單直接，對具有相同類似結構的其它柜體類設備的參數化建模具有參考意義。