标准机柜的参数化建模设计方法

贾松

（中国电子科技集团公司第七研究所，广州 510310）

0 引言

19 in标准机柜（符合IEC60297标准）在电子设备通信领域应用比较广泛，在固定机房、车载移动通信等领域，很多电子设备都按照这种标准尺寸设计来适应机柜的安装。在实际进行电子设备系统集成设计时，会遇到不同数量、不同高度的设备集成应用的情况，这就需要不同高度的机柜来满足电子设备的安装需求。因此需要针对不同高度的机柜开展设计，同时在机柜宽度和深度上也要有尺寸变化的要求，机柜在这方面的相关设计方法，大多采用模块化和系列化的设计，结合三维设计软件的建模，利用骨架模型、族表等方式进行自顶向下的设计[1-2]，这些方法对软件的使用要求相对较高。为了能够准确而快速简单地设计出满足不同尺寸要求的机柜，探索一种适用于19 in标准机柜参数化建模的设计方法，从而完成机柜的系列化设计，无疑将会大大缩短设计周期、提高工作效率。

1 标准机柜和尺寸参数

1.1 标准机柜定义

机柜是用于容纳电气或电子设备的独立式或自支撑的机壳，机柜通常配置有门、可拆或不可拆的侧板[3]。机柜的结构主要由机架、侧板、背板等覆板组成，机架由前、后立柱和上下梁或顶框底框组成，机架是机柜的主要承力和支撑结构，决定了机柜的主要尺寸。

标准机柜通常指基本尺寸符合GB/T 19520规定的482.6 mm（19 in）系列的机柜，适合安装面板宽度为19 in，高度进制为U的倍数的机柜。符号U表示高度为44.45 mm的垂直增量，1U的高度增量等于44.45 mm[4]。

1.2 机柜尺寸参数

机柜外形尺寸有高度、宽度和深度这三个常规指标。机柜高度在使用中是根据实际使用高度（内部净高度）来命名的，最常见的是用U数来表达机柜的高度，因此，在进行参数化建模设计时，应把机柜的使用高度作为高度方向的设计尺寸，把机柜外形宽度和深度作为另外方向上的设计尺寸。这三个关键尺寸确定后，一个机柜的主要外形尺寸基本就确定了。

现代设计领域有许多计算机辅助设计软件，可以利用比较流行的三维设计软件Creo进行辅助设计，充分利用该软件的参数化功能建立机柜的模型，以方便进行机柜产品的参数化和系列化设计。

2 参数化设计方法

2.1 尺寸关系分析

根据机柜组成元件的装配关系，利用各元件或特征之间的关系建立相关约束，将这些关系和设计输入参数之间关联起来，以参数的变化来驱动装配模型的变化。在进行建模设计过程中，可以针对机柜的主要结构部件机架进行参数化设计，其它侧板、门板等覆板和附件可以在装配中通过约束和关系方程进行关联驱动。

按照GB/T 19520.16-2015标准，机柜立柱上的电子设备安装系列孔与面板、插箱和机箱的孔位设置如图1所示。

图1 机柜的安装系列孔距

其中图示Ⅱ型具有附加孔的机柜可以满足任意4个孔间距为1U，这类型标准机柜在实际使用中最为广泛，已经作为标准机柜的首选系列。在进行机柜的建模时，应当按照此类机柜的安装孔尺寸进行设计，其中上、下两端孔中心至内框口面的距离通常取7.9 mm。

从图1中可得知，机柜立柱的垂直系列安装孔从上到下其间距分布规律为S=7.9+ 31.75/2+31.75/2+12.7+31.75/2+31.75/2+12.7+…+31.75/2+7.9。

理论上，1U机柜内部净高度为7.9×2+31.75；2U机柜内部净高度为7.9×2+31.75+12.7+31.75；3U机柜内部净高度为：7.9×2+31.75+12.7+31.75+12.7+31.75；……由此类推，可得出nU的机柜内部净高度尺寸为7.9×2+31.75+(n-1)×U。其中U=44.45 mm。

机柜宽度W和深度D尺寸分别有不同的数值系列，分别位于550～900、300～1200的范围，其中W和D可以作为变量进行参数化设计，根据实际使用需要设置不同的数值以满足不同尺寸系列的要求。

2.2 参数化建模

参数化设计是将模型的尺寸通过内在的约束和参数建立一定的关系，有了这个关系，尺寸将不需再用确定的值，只需改变相关的参数值，与之相关的尺寸将会自动改变。利用Creo中模型间的参数和关系，可以实现产品尺寸间的内在关联性、控制产品尺寸的约束和变化，从而达到改变驱动模型的目的。

运行Creo软件，以机柜的主要结构部件机架作为主要模块进行建模，建立图2所示的模型。

图2 机架模型

机柜立柱上的系列孔按照图1中具有附加孔的标准网格创建，先创建如图3所示位于立柱顶部的1U空间尺寸的孔。

图3 立柱顶部的系列孔

由于系列孔的分布具有规律性，因此对于nU尺寸的高度，可以采用阵列的方法进行创建。对上述三个孔进行数量为2的阵列操作，即可得到机柜2U空间的净高度。同理，可以对nU机柜的净高度采用相似的方法创建。

为了得到便捷通用的创建方法，可以采取参数化的输入方式，即通过改变高度U数的参数变量n，得到相应高度的机柜。在机柜净高度S=7.9×2+31.75+(n-1)×U方程式中，只有U的数量n为变量，因此，可以把高度U的数量作为参数，建立上述关系式，通过改变该参数值，从而驱动改变机柜的净高度。

在Creo软件界面，从工具选项卡下打开参数对话框，在弹出的窗口中用户可以自定义一些与模型相关的参数，如名称、编号、物料编码等。名称栏下即为用户自定义的相关参数，参数名称可以自己命名，在此窗口下分别添加以下参数：高度nU、宽度W、深度D、n。类型分别为整数和实数，初始值可以预设一定的数值也可以空着，如图4所示。

图4 参数创建窗口

2.3 参数赋值

创建完自定义的参数变量后，然后在工具选项卡下打开关系窗口，如图5所示。利用CREO中关系的功能，可以在尺寸和自定义参数之间创建方程，可以给方程式中的变量进行赋值或创建条件语句。建立好的关系方程就储存在模型中，参数通过建立的关系方程驱动模型尺寸的变化，从而实现参数化驱动建模的目的。

图5 关系创建窗口

通过点击模型选中机柜的高度、宽度和深度等尺寸，在关系窗口中输入如下关系式：

n=高度nU——设置高度控制变量

d105=宽度W ——给机柜宽度赋值

d106=深度D ——给机柜深度赋值

p137=n ——系列孔阵列个数

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

其中dxxx（xxx为数字）为尺寸的名称，不同模型的尺寸名称各不相同，通过上述关系对机柜的常规尺寸进行赋值，当在参数窗口中输入设计值，就会将输入的值分别赋予模型中对应的尺寸。

按标准机柜要求，如图6所示，机柜内开档净宽度不小于450，机柜内框口宽度不小于485，安装电子设备机箱、面板等的通用孔间距为465.1，这几处尺寸是电子设备安装时的基本要求，必须在设计机柜时得到保证。这几处尺寸可以在建模时通过装配关系尺寸进行约束和限制，以保证在模型变化时仍保持恒定的数值。

图6 标准机柜的尺寸

3 参数化模型生成

机柜的其它零部件如侧板、背板、顶框底框及相关附件等可以通过装配组合在一起，在装配模式下，依然可以通过建立的约束和关系来驱动尺寸。立柱左、右侧面上的系列孔的创建可以参考前、后面上的系列孔，通过草绘参考和阵列参考特征来实现关联驱动。

以装配后的侧板及背板为例，在装配模型下，其宽度和高度可以通过它与机架框口宽度和高度之间的间隙来控制，在关系窗口中建立如下关系式：

d11:2=d104:0-d109:0-d108:0-3 ——侧板的高度

通过关系式的约束和定义，整个机柜及装配的组件都可以通过相关尺寸与输入参数建立关系方程，然后改变输入参数高度、宽度和深度这三个变量来进行参数化设计。只需在参数窗口中输入不同的高度U数、宽度W和深度D的数值，然后在装配体中重新生成模型后便可得到所需尺寸的机柜。

在图4的参数窗口中输入不同尺寸高度、宽度和深度参数时，分别生成的一系列标准机柜模型，如图7所示。

图7 不同尺寸系列的机柜模型

4 结语

充分利用三维软件CREO的参数化设计理论，建立参数和尺寸的约束关系，输入机柜的高度U数、宽度及深度等主要外形尺寸值，实现了标准机柜不同尺寸系列的参数化设计。该方法可以快速创建标准机柜系列的三维模型，为机柜适应不同要求的车载集成或电子设备产品的模拟装配提供了快速化的建模方法，缩短了产品的设计时间。参数化建模方法使得机柜的系列化设计变得简单直接，对具有相同类似结构的其它柜体类设备的参数化建模具有参考意义。