電子設備機箱的系列化和參數化三維設計

賈 松

(中國電子科技集團公司 第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引言

在電子設備產品設計的初始階段，會根據產品的不同功能需求，設計不同外觀和尺寸的機箱結構，設計人員往往需要嘗試改變機箱的高度、寬度和深度等尺寸，以滿足內部不同模塊的結構布局和堆疊。為了縮短設計周期、快速響應市場需求，對具有相似外觀、不同結構尺寸的19in標準電子設備機箱進行系列化設計，實現裝配模式下的參數化設計，則可以大大提高裝配的快捷性和實時性，減少重復裝配的時間和成本。

實現參數化設計有不同的方法，常見的有利用三維軟件的二次開發功能或通過布局文件來實現[1,2]，這些方法需要通過編程或間接通過設計文件實現，設計過程較為復雜、不夠直接，對設計人員要求較高。為了在軟件界面可以直接通過簡單的操作實現產品的系列化和參數化設計，針對符合國家標準的19in電子設備機箱,利用PTC公司的Creo三維設計軟件的關系式和參數化功能[3]，在參數窗口中輸入設計尺寸，可以實現裝配模式下產品的三維模型的參數化設計，通過控制其中的關鍵參數值，即可實現各組成零部件尺寸的自動更新，從而快速有效地實現產品系列化的三維設計，滿足產品設計初期快速建模的需求。

1 機箱系列化組成

電子設備機箱廣泛應用于國防、交通、電力、通信、網絡等工程領域和行業，尤其是符合19in標準的機械結構機箱大量應用于各行業的通信機柜中[4]，該類型機箱通常具有相似的外觀、不同的結構尺寸，非常適合作為系列化產品進行設計。系列化產品的設計，常常用到TOP-Down自頂向下的設計方法[5]。

系列化產品設計的工作就是要確定產品基本參數系列，從而制定產品的系列型譜。19in標準電子設備系列化機箱是具有相似外觀、不同規格的同型產品的派生系列。在產品機箱的最初設計階段，可以將機箱的外觀、關鍵尺寸、約束及各組成部件之間的裝配關系等信息確定下來，利用這些關鍵約束和裝配關系組成一個穩定的箱體結構，考慮各組成結構部件的裝配尺寸和位置關系并添加關系約束，最終確定將需要改變的尺寸作為設計參數變量。

因此在機箱裝配中，可以把高度、寬度和深度作為設計輸入的變量，分別在參數功能窗口中建立對應的參數來定義這些變量。對于裝配組成中用到的標準件和通用件等其他附件，可以在關系中進行相關裝配約束以保持同步裝配。

2 建立模型和確定參數系列

2.1 建立裝配約束模型

常用的19in標準電子設備機箱主要由前面板、后面板、左側板、右側板、底板及蓋板等拼接而成，前、后面板上附帶有把手和支腳等附件。首先以19in標準高度為2U(U為高度垂直增量)的機箱為例建立基礎的三維模型，如圖1所示，以前面板作為首個元件進行裝配，然后裝配蓋板和底板、側板及其余零部件，并建立好各部分之間的裝配約束。

圖1 2U機箱模型

2.2 確定參數系列內在關系

19in系列電子設備機箱通常安裝在標準機柜中，機箱的外形結構主要由前面板高度、箱體寬度和箱體深度尺寸來控制。機箱高度由面板的高度U數決定，箱體的寬度和深度尺寸則在安裝機柜時用來作為設計尺寸來控制，所以可以選取面板高度U數、箱體寬度和深度作為設計輸入的參數變量。只要控制這三個參數的設計值，一個機箱的結構外形也即隨之確定。

根據GB/T19520.16-2015，不同高度U數的面板外形及尺寸變化系列如圖2和圖3所示。

圖2 1U～6U面板尺寸

圖3 6U～12U面板尺寸

根據GB/T19520.16-2015圖表中面板尺寸系列可得出，面板高度尺寸H1與機箱高度U數有如下關系：

H1=n×U-0.8.

(1)

其中：U為高度垂直增量，1U=44.45 mm；n為高度U數，n取1，2，3，…。

面板上的安裝孔距H2與高度U數也存在一定的關系：

H2=n×U-0.8-H3×2.

(2)

其中：H3為安裝孔定位基準尺寸。當n處于不同范圍時，H3(如圖2所示)取相應的值，如當n≥3時，H3=37.7；當n≥6時，面板增加安裝孔距H4。由此可以根據n的變化，運用條件語句進行約束使得安裝孔距與參數n建立內在關系，最終實現以參數n來控制相應面板的不同安裝孔距。

2.3 確定把手系列參數

機箱上通常需要根據不同的面板高度選擇安裝不同大小的把手，因此可以將把手定義為一個通用件來進行系列化設計，以滿足不同高度機箱的安裝需求。常見把手的結構外形如圖4所示，可以根據不同面板的高度需求，設置把手安裝的尺寸系列，如表1所示。

圖4 把手結構外形

根據圖4和表1中的數據，可知把手高度L1與面板高度U數n之間有如下關系：

表1 把手尺寸系列

(3)

把上述條件約束寫入關系方程，即可實現把手和面板高度之間的裝配約束關系，當面板高度U數n的數值改變時，把手會隨著面板高度的不同而自動匹配對應的高度來進行裝配。

3 創建參數和建立關系

3.1 為輸入變量創建參數

在圖1所建立模型的裝配模式下，打開如圖5所示的“參數”(Parameters)對話框，新建參數“箱體寬”“箱體深”“高度nU”及“n”，并選擇相應的類型為實數和整數。創建參數的目的是可以使用數字參數作為輸入變量，使用符號尺寸名稱和參數名稱來建立關系，通過關系和方程式來建立約束和尺寸聯動。根據參數高度nU、箱體寬和箱體深這幾個控制機箱外形尺寸的變量，就可以通過對話框輸入值的更改進行尺寸驅動。

圖5 參數對話框

3.2 為輸入變量創建關系

在三維設計軟件Creo中，裝配設計時常用的關系有特征關系、零件關系、裝配關系和陣列關系等。在裝配模式下，將利用這些關系進行各零部件之間參數化的驅動和約束，配合使用條件語句和比較運算符進行輔助約束，可以通過零部件各尺寸之間關系來達到驅動的目的。

在裝配模式下，打開如圖6所示的“關系”(Relations)對話框，在其中可以對已經存在的設計尺寸和對應的參數進行賦值。為了方便區分各關系式表達的意義，可以在關系之前單獨添加以/*開始的注釋行作為每個關系的開頭。

圖6 關系對話框

首先對設計輸入參數變量高度nU、箱體寬和箱體深進行賦值，根據式(1)，在關系對話框中輸入如下關系內容：

/*對設計輸入參數賦值

n=高度nu

d105:4=箱體寬

d106:4=箱體深

d105:2=n*44.45-0.8

/*底板寬度和深度尺寸約束

d105:6=d105:4

d106:6=d106:4

上述關系內容中，d105:4和d106:4為圖1所示基礎模型中蓋板的寬度和深度尺寸符號名稱，d105:6和d106:6為底板的寬度和深度尺寸符號名稱，d105:2為前面板的高度尺寸符號名稱。通過上述關系約束，蓋板和底板的寬度和深度尺寸就被輸入參數“箱體寬”和“箱體深”控制，前面板高度尺寸由輸入參數“高度nU”控制。后面板的高度和寬度尺寸同樣可以根據裝配關系和尺寸約束編寫相應的關系式。

針對不同高度面板具有不同的安裝孔距，由式(2)可進行如下條件關系約束：

/*面板安裝孔距高度控制

if n<3

d114:2=n*44.45-0.8-5.9*2

d111:2=5.9

endif

if n>=3&n<=6

d114:2=n*44.45-0.8-37.7*2

d111:2=37.7

endif

……

其余面板安裝孔距高度的約束關系，不再贅述。

根據前述把手安裝高度與面板高度U數n的關系，由式(3)可通過條件函數關系式建立內在約束和關聯，其函數和關系式如下：

/*把手高度選擇

if n<=4

d106:10=n*30+12

else

d106:10=162

endif

針對蓋板和側板上的安裝孔和規則造型，可利用陣列關系進行參數化的驅動和約束，以模型中蓋板上的安裝孔為例，可編寫如下關系式：

/*蓋板安裝孔

d176:4=(d105:4-d162:4*2)/(p178:4-1)

d180:4=(d106:4-d171:4*2)/(p182:4-1)

上述關系式中，p178:4和p182:4表示蓋板安裝孔在兩個方向的陣列個數。

通過上述參數和關系式的建立，機箱系列化所需的參數設計和約束已基本完成。

4 參數化輸入和系列化設計

在關系窗口中完成機箱系列化的參數和關系約束后，對整個裝配模型進行兩次重生以更新數據。打開參數對話框，對設計輸入參數進行更改，如圖7所示，輸入目的設計值，重新生成模型后即可實現機箱的不同結構尺寸系列。

圖7 參數化輸入框

圖8、圖9和圖10分別為4U、5U和8U高度，不同寬度和深度的系列化機箱模型。

圖8 4U標準機箱模型 圖9 5U標準機箱模型 圖10 8U標準機箱模型

5 結束語

利用三維設計軟件的參數化驅動功能，通過在裝配模式下控制輸入參數，完成各組成零部件尺寸的自動更新，從而快速實現了電子設備機箱系列化和參數化的建模設計。該設計方法簡單、快捷、直觀而且通用性強，適合對軟件使用要求不高的人員或在產品需要反復更改外形結構的初步設計階段，可以減少大量不必要的重復設計工作和裝配步驟，使得設計和裝配同步進行，快速響應市場需求，有助于提高產品的設計效率，并為產品的系列化和開展詳細設計打下了基礎。