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(chǎn)品設計的初始階段，會根據(jù)產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)裝配模式下的參數(shù)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(xiàn)參數(shù)化設計有不同的方法，常見的有利用三維軟件的二次開發(fā)功能或通過布局文件來實現(xiàn)[1,2]，這些方法需要通過編程或間接通過設計文件實現(xiàn)，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(xiàn)產(chǎn)品的系列化和參數(shù)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(shù)化功能[3]，在參數(shù)窗口中輸入設計尺寸，可以實現(xiàn)裝配模式下產(chǎn)品的三維模型的參數(shù)化設計，通過控制其中的關鍵參數(shù)值，即可實現(xiàn)各組成零部件尺寸的自動更新，從而快速有效地實現(xiàn)產(chǎn)品系列化的三維設計，滿足產(chǎn)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(wǎng)絡等工程領域和行業(yè)，尤其是符合19in標準的機械結構機箱大量應用于各行業(yè)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(chǎn)品進行設計。系列化產(chǎn)品的設計，常常用到TOP-Down自頂向下的設計方法[5]。

系列化產(chǎn)品設計的工作就是要確定產(chǎn)品基本參數(shù)系列，從而制定產(chǎn)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(guī)格的同型產(chǎn)品的派生系列。在產(chǎn)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(wěn)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(shù)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(shù)功能窗口中建立對應的參數(shù)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(shù)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(shù)系列內(nèi)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(shù)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(shù)、箱體寬度和深度作為設計輸入的參數(shù)變量。只要控制這三個參數(shù)的設計值，一個機箱的結構外形也即隨之確定。

根據(jù)GB/T19520.16-2015，不同高度U數(shù)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(jù)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(shù)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(shù)，n取1，2，3，…。

面板上的安裝孔距H2與高度U數(shù)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(jù)n的變化，運用條件語句進行約束使得安裝孔距與參數(shù)n建立內(nèi)在關系，最終實現(xiàn)以參數(shù)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(shù)

機箱上通常需要根據(jù)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(jù)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(jù)圖4和表1中的數(shù)據(jù)，可知把手高度L1與面板高度U數(shù)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(xiàn)把手和面板高度之間的裝配約束關系，當面板高度U數(shù)n的數(shù)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(chuàng)建參數(shù)和建立關系

3.1 為輸入變量創(chuàng)建參數(shù)

在圖1所建立模型的裝配模式下，打開如圖5所示的“參數(shù)”(Parameters)對話框，新建參數(shù)“箱體寬”“箱體深”“高度nU”及“n”，并選擇相應的類型為實數(shù)和整數(shù)。創(chuàng)建參數(shù)的目的是可以使用數(shù)字參數(shù)作為輸入變量，使用符號尺寸名稱和參數(shù)名稱來建立關系，通過關系和方程式來建立約束和尺寸聯(lián)動。根據(jù)參數(shù)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(shù)對話框

3.2 為輸入變量創(chuàng)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(shù)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(jīng)存在的設計尺寸和對應的參數(shù)進行賦值。為了方便區(qū)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?yún)?shù)變量高度nU、箱體寬和箱體深進行賦值，根據(jù)式(1)，在關系對話框中輸入如下關系內(nèi)容：

/*對設計輸入?yún)?shù)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(nèi)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?yún)?shù)“箱體寬”和“箱體深”控制，前面板高度尺寸由輸入?yún)?shù)“高度nU”控制。后面板的高度和寬度尺寸同樣可以根據(jù)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(jù)前述把手安裝高度與面板高度U數(shù)n的關系，由式(3)可通過條件函數(shù)關系式建立內(nèi)在約束和關聯(lián)，其函數(shù)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(guī)則造型，可利用陣列關系進行參數(shù)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(shù)。

通過上述參數(shù)和關系式的建立，機箱系列化所需的參數(shù)設計和約束已基本完成。

4 參數(shù)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(shù)和關系約束后，對整個裝配模型進行兩次重生以更新數(shù)據(jù)。打開參數(shù)對話框，對設計輸入?yún)?shù)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(xiàn)機箱的不同結構尺寸系列。

圖7 參數(shù)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(shù)化驅動功能，通過在裝配模式下控制輸入?yún)?shù)，完成各組成零部件尺寸的自動更新，從而快速實現(xiàn)了電子設備機箱系列化和參數(shù)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(chǎn)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(chǎn)品的設計效率，并為產(chǎn)品的系列化和開展詳細設計打下了基礎。