容错设计与电子设备插箱固定形式的研究

赵文生，董智鼎，李 果

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

来自百度百科中容错设计的学术文献解释为：“允许操作者产生失误行为的设计技术称为容错设计，容错系统能吸收或容忍失误存在，使操作者能从已发生的失误信息中获得帮助”。容错设计的范畴比较广，在产品和使用过程中到处可见，比如SIM卡做成了一个倒角，避免了长方形插入带来的多种错误，家庭用的电表空气开关降低了人触电或对家用电器损坏的风险，空调安装支架上的宽槽长腰孔，降低了安装工人的安装失误和工作难度。一个好的设计师之所以要考虑容错设计，主要是因为产品从设计到加工到用户操作者中间环节很多，不能出现一个错误。然而受环境、人的身体状态等各种因素影响，要其中所有人、所有设备每时每刻都做到这一点几乎不可能。以一个机械零件为例，除了设计可以固化外，其它都存在变数，比如在不同的厂家加工，工艺、设备、加工者可能会有所不同，不同的加工者手艺不同，即使同一个加工者加工相同的零件每个零件公差也会有所不同，到用户手中，不同的操作者使用细节也不尽相同，这些都有可能导致产品错误的发生，这也是即使世界名牌产品也会有维修的原因。既然出错难以避免，如何容错设计才是关键，容错设计的关键是做好防御，产品设计者必须不断寻找造成产品出错的原因，并想法解决，尽可能预防错误的发生或将错误发生产生的损失降至最低。文中对插箱各种固定形式进行了分析和研究，剖析了利弊，从容错设计理念出发，提出了一种新的插箱固定形式技术，减少了人为过失因素对插箱固定螺钉及螺母损坏的几率，解决了某些插箱固定螺钉及螺母损坏后难以更换的难题，对插箱固定形式具有很好的参考意义。

1 一般插箱固定形式

1.1 军标要求插箱固定方式

为了提高设备的通用化、系列化程度，国家军用标准对插箱及机柜出台了相关标准，根据文献［1］的要求，插箱前面板固定孔形式见图1，根据文献［2］的要求，插箱前面板固定孔形式见图2～4。面板安装孔或安装槽的形式及尺寸见图5，允许采用图5以外的孔或槽，但应能适应文献［2］中M6安装螺钉尺寸及公差要求。

图1 整面板插箱外形图

图2 1U～2U插箱面板

文献［2］中插箱所要装入的机柜及高度系列孔尺寸见图6。

图3 1U～6U插箱面板

图4 6U～13U插箱面板

图5 面板安装孔

文献［2］要求机柜必须具有图6所示的系列安装孔（允许用T型槽或其它结构代替），需要时可在孔距为31.75mm的2孔中心位置增加1个孔。在每米间距内，任意两孔的孔距公差为±0.4mm。

机柜宽度方向有关尺寸见表1和图7，表1中B0为面板安装尺寸。

表1 机柜宽度方向有关尺寸（单位mm）

1.2 安装槽插箱固定方式

早期产品设计多为钣金或钣金型材机柜，因当时加工设备所限，机柜上的系列孔尺寸公差较大，机箱面板安装孔也多为人工划线加工，机箱安装孔公差同样也大，因安装槽固定方式对安装精度要求不高，因而早期产品多采取文献［1］、文献［2］图示安装槽固定方式。根据图5安装槽所示尺寸6.8mm（下偏差0和上偏差＋0.5mm）和10.3±0.4mm，如机柜插箱安装螺丝孔上下、左右公差按±0.4mm计算，对应插箱固定孔上下尺寸允许公差为±0.4～±0.9mm。计算过程如下：

图6 机柜高度系列孔尺寸

图7 机柜宽度方向有关尺寸

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：

也就是说，当机柜安装槽孔尺寸最大为7.3mm时，插箱固定孔距上下尺寸允许公差为±0.9mm。

当机柜安装槽孔尺寸最小为6.8mm时，插箱上下固定孔距尺寸允许公差为±0.4mm。插箱上下固定孔距允许公差合格判据一般取下公差±0.4mm，即插箱上下固定孔距尺寸公差要求为±0.4mm。

同理可计算出插箱固定孔左右孔距尺寸允许公差在±3.9mm。计算过程如下：

插箱固定孔左右孔距尺寸允许公差

因而安装槽插箱固定方式一般加工手段就可满足插箱固定。

安装槽固定方式的优点包括：

（1）对加工设备和人员要求低，加工成本低；

（2）插箱互换性好；

（3）插箱固定螺钉如损坏可方便更换；

（4）插箱固定时，机柜上螺纹不易被固定螺钉损坏。

安装槽固定方式的缺点为：

（1）插箱抽出机柜时，需要将固定螺钉一个个拆下，螺钉没有合适的摆放位置，尤其在调试时间长时，容易和其它螺钉混淆，需要时寻找时间长或一时找不到；

（2）插箱拆装时间长，增加维修时间。

1.3 松不脱螺钉插箱固定方式

为了解决安装槽固定方式的缺点，随着数控等加工技术的运用，加工精度得到提高，于是有了插箱松不脱螺钉固定方式，就是将插箱面板上由安装槽固定方式的槽孔改为螺丝孔，面板上安装松不脱螺钉。M6松不脱螺钉光杆部分国家标准为直径4.32～4.5mm，如机柜插箱安装孔上下、左右公差按±0.4mm计算，对应插箱固定孔上下、左右尺寸允许公差经计算均在±1.1～±1.28mm，一般加工手段可满足插箱固定孔加工，但因为比安装槽固定方式公差允许范围小很多，因而机柜系列孔尺寸公差需保证在±0.4mm。

机柜系列安装孔加工精度要求比安装槽固定机柜要高，一般工人手工划线难以保证所有系列安装孔尺寸要求，过去多数工人采取插箱配打或数控模板配打方式。前者会为将来插箱备件更换带来隐患，设计师及工艺师发现后应制止，同时设计、质量、工厂等相关部门应加强宣贯力度，避免在产品图纸和实际操作中通过插箱进行配打孔现象的出现。

松不脱螺钉固定方式的优点包括：

（1）因松不脱螺钉始终在插箱上，螺钉不会找不到，也不会和其它螺钉混淆，维修时间比安装槽固定方式短；

（2）松不脱螺钉如损坏可方便更换；

（3）松不脱螺钉较其它常规螺钉固定公差大，安装精度低（但比安装槽固定方式高）。

松不脱螺钉固定方式的缺点为：

（1）插箱面板或机柜固定螺丝处需要留出松不脱空间（见图8），增加面板厚度（见图9）或铆接松不脱螺钉所需的过渡件；

图8 机柜留出松不脱空间图

图9 插箱面板留出松不脱空间图

（2）加工精度比安装槽固定方式高；

（3）插箱通过导轨推入时，松不脱螺钉因为重力作用，中心轴线不能和面板成垂直状态，自动对准机柜上固定孔，需要人工对准，如操作者用力过大，松不脱螺钉撞在机柜固定孔边沿会损坏，同时也可能对机柜固定孔螺纹造成损伤。

1.4 弹簧松不脱螺钉插箱固定方式

为了解决松不脱螺钉固定方式的缺点，设计师们发明了插箱弹簧松不脱螺钉固定方式，其方式是在面板上铆装一螺套，螺套上攻丝，松不脱螺钉通过螺套上螺丝和其相联接，螺套和松不脱螺钉之间装入弹簧（见图10），利用弹簧的弹力强制使松不脱螺钉中心轴线和插箱面板垂直，减少插箱通过导轨推入时对松不脱螺钉螺纹的损坏，另外设计师也可通过市场采购合适的更加复杂的不可拆卸铆装弹簧松不脱螺钉。

图10 弹簧松不脱螺钉示意图

弹簧松不脱螺钉固定方式的优点包括：

（1）插箱通过导轨推入时对松不脱螺钉螺丝的损坏比非弹簧松不脱螺钉概率要小；

（2）插箱安装时间、维修时间比上述2种短。

弹簧松不脱螺钉固定方式的缺点为：

（1）插箱需要铆装螺套，尤其是市场采购弹簧松不脱螺钉需要专用铆装工具，产品交付顾客后，螺钉若损坏更换需要专业人员和专用设备，比较麻烦。

（2）安装公差小，插箱机柜固定孔加工精度要求高。尤其是有些市场采购弹簧松不脱螺钉没有常规松不脱螺钉直径为4.32～4.5mm的光杆部分，虽然铆装在插箱面板后螺钉可围绕中心移动，但经实际测量接近紧固状态时，螺钉可调节移动范围小于±0.2mm，采用此种螺钉，插箱面板螺钉间距可调范围为±0.4mm，如加上插箱面板孔距加工误差±0.2mm，实际机柜上固定插箱面板孔距可调范围为±0.2mm，绝对值小于军标规定的机柜系列孔误差±0.4mm，说明插箱固定时，如加工误差均取极限值，理论上插箱固定螺钉和机柜固定孔在不受损的前提下无法同时固定，这也是实际产品中有些插箱对应的安装孔需要重新攻丝才能安装上的原因，也是插箱螺钉损坏和机柜插箱安装孔滑丝的原因之一，同时也是插箱不具有互换性的原因（而带直径为4.32～4.5mm的光杆部分松不脱螺钉实际间距可调范围大于±1.3mm，远大于机柜系列孔误差±0.4mm，如加工都控制在理论范围内，不存在上述问题），因而此类弹簧松不脱螺钉对机柜和插箱固定孔尺寸公差要求高（经计算机柜系列孔尺寸公差需保证在±0.2mm，高于军标要求±0.4mm），螺钉损坏概率远高于常规松不脱螺钉，实际使用过程中的产品也证明了这一点，因此建议设计师今后不要再选购。

2 容错松不脱螺钉插箱固定装置

2.1 容错松不脱螺钉固定装置设计目的

鉴于以上各种插箱固定方式存在的缺点，经过对上述插箱固定方式的分析，通过取长补短，利用容错设计的理论，设计出了容错松不脱螺钉插箱固定装置，其目的是降低机柜系列孔和插箱固定孔距精度要求和加工成本，减少插箱固定螺钉及螺母损坏的机率，解决插箱固定螺钉及螺母损坏后难以更换的难题，降低人为差错所带来的负面影响和设备通用化难度，将可能发生的人为过失错误损失降至最小，提高设备的可靠性、维修性和安全性。

2.2 容错松不脱螺钉固定装置设计原理

容错松不脱螺钉固定装置由松不脱螺钉、螺套、弹簧、可调螺母和垫板组成，如图11所示。

可调螺母上有2个螺纹孔，一个为固定插箱所用的M6孔，另一个为固定可调螺母在机柜系列孔件上的M4孔。两孔间距根据机柜系列孔定为12.7mm，垫板上根据插箱上固定孔数量开设相对应的固定M4沉头螺丝钉孔和直径6.5mm的通孔，可调螺母通过M4沉头螺钉和垫板固定在机柜系列孔上，可调螺母和垫板上设松不脱螺钉所需的光孔尺寸。

图11 容错松不脱螺钉固定装置

此尺寸之和设计时应大于松不脱螺钉螺纹长度尺寸，否则松不脱螺钉在松开过程中，其上螺纹部分将同时联结可调螺母和插箱面板上螺纹而产生干涉，对三者螺纹干涉部分造成损伤，失去使用松不脱螺钉调整加工误差的目的。

螺套内放入外径为7mm的弹簧，装弹簧处螺套内径为7.2mm，压缩弹簧螺套接触面处孔径为6mm，插箱面板安装孔为M6螺纹孔，通过合理设计各相关零件和选择合适的弹簧，容错松不脱螺钉固定装置从外观上看螺套就象铆装在插箱面板上，松不脱螺钉非固定状态中心轴线基本和插箱面板垂直。

容错松不脱螺钉固定装置设计原理就是将原来机柜系列孔上不可调整的M6孔改为直径为6.5mm的通孔，并在其上固定一个个可调螺母，固定可调螺母为M4沉头螺钉，沉头螺钉通过机柜系列孔上直径为6.5mm的通孔，利用直径6.5mm通孔和M4螺纹之间的间隙（2.5mm），对零件加工过程中产生的孔距误差进行调整，因为容错松不脱螺钉固定装置中的可调螺母可完全调整到和机柜系列孔上直径为6.5mm的通孔同心或边沿相齐，不受机柜插箱安装孔误差影响，另螺套为活动式，对插箱松不脱螺钉调整不干涉，容错松不脱螺钉固定装置中孔距误差仅受插箱面板螺丝孔和松不脱螺钉光杆直径尺寸影响，故上下左右容错松不脱螺钉间距可调整范围为±1.5mm，比市场采购弹簧松不脱螺钉调整范围要大。

因为可调螺母为一个个独立个体，如在使用过程中损坏，可非常方便地进行更换，而一些直接在机柜固定面上或间接通过过渡件打出系列螺纹孔的，如螺纹损坏有些无法保持原状态维修，或者恢复原状态要更换整条机柜系列孔零件，成本高，工作时间长，难度大。而容错松不脱螺钉因为不是一体化铆装，螺钉损坏后更换也很方便。

综上所述，容错松不脱螺钉固定装置有如下优点：

（1）机柜上插箱固定螺母可以移动调整，单个最大可调范围为±0.25mm，一组（2个）可调范围为±0.5mm，完全可消除军标规定的孔距误差±0.4mm的负面影响。

（2）插箱松不脱螺钉可以移动调整，单个最大可调范围为±0.75mm，一组（2个）可调范围为±1.5mm，完全可消除常规加工手段达到的孔距误差±0.2mm的负面影响。

（3）通过可调螺母调整后固定和插箱松不脱螺钉的自动调整，同时降低了对机柜系列孔和插箱安装孔的加工精度要求（比如，若插箱安装孔距公差要求为±0.4mm时，计算机柜系列孔公差可扩大为±1.6mm），消除了插箱固定尺寸误差满足不了要求而对松不脱螺钉和螺母所造成的损坏或损伤。

（4）因插箱导轨安装不当或其它各种原因造成螺钉和螺母损坏，不需要专业人员帮忙，顾客或现场人员就可进行更换。

容错松不脱螺钉固定装置的缺点是每个可调螺母安装时都需要调整（不过实际调整过程非常简单快捷，熟练工人调整时间一般小于30s）。

2.3 容错松不脱螺钉固定装置效果简介

容错松不脱螺钉固定装置已应用于某产品，该产品由多个机柜和显控台组成，由不同地域多个单位参与，大小不同插箱几十个，不同加工生产单位数个，尽管有些机柜上系列孔水平尺寸误差较大（超出±0.4mm，个别接近1mm），但通过使用容错松不脱螺钉固定装置的调整，所有插箱都完成了装配，经实际验证，达到了设计目的，证明采用容错松不脱螺钉固定装置的机柜通用化、系列化程度高，能满足不同单位的需求。

3 结束语

在科研生产和设备调试维修过程中，提高全体人员的素质和责任心是必须的，但是作为一个产品设计师，不可把产品生产的质量、设备的安全性、维修性、可靠性完全放在人的素质和责任心上，应该考虑人为过失错误可能给设备和人员带来的各种隐患。

容错设计的目的不是允许错误的发生，而是要对可能发生的错误通过优化设计进行预防。容错松不脱螺钉固定装置基于这种理念，采取容错设计，减少了人为过失因素对插箱固定螺钉及螺母损坏的几率，解决了某些插箱固定螺钉及螺母损坏后难以更换的难题。经产品实际验证，设备通用化难度得到降低，可靠性、维修性得到了提高。

［1］GJB／Z28A－99.插箱、插件基本尺寸系列［S］.

［2］GJB 2825－97.军用雷达机柜、插箱、插件模块化要求［S］.