电子设备机箱的系列化和参数化三维设计

贾 松

(中国电子科技集团公司 第七研究所，广东 广州 510310)

0 引言

在电子设备产品设计的初始阶段，会根据产品的不同功能需求，设计不同外观和尺寸的机箱结构，设计人员往往需要尝试改变机箱的高度、宽度和深度等尺寸，以满足内部不同模块的结构布局和堆叠。为了缩短设计周期、快速响应市场需求，对具有相似外观、不同结构尺寸的19in标准电子设备机箱进行系列化设计，实现装配模式下的参数化设计，则可以大大提高装配的快捷性和实时性，减少重复装配的时间和成本。

实现参数化设计有不同的方法，常见的有利用三维软件的二次开发功能或通过布局文件来实现[1,2]，这些方法需要通过编程或间接通过设计文件实现，设计过程较为复杂、不够直接，对设计人员要求较高。为了在软件界面可以直接通过简单的操作实现产品的系列化和参数化设计，针对符合国家标准的19in电子设备机箱,利用PTC公司的Creo三维设计软件的关系式和参数化功能[3]，在参数窗口中输入设计尺寸，可以实现装配模式下产品的三维模型的参数化设计，通过控制其中的关键参数值，即可实现各组成零部件尺寸的自动更新，从而快速有效地实现产品系列化的三维设计，满足产品设计初期快速建模的需求。

1 机箱系列化组成

电子设备机箱广泛应用于国防、交通、电力、通信、网络等工程领域和行业，尤其是符合19in标准的机械结构机箱大量应用于各行业的通信机柜中[4]，该类型机箱通常具有相似的外观、不同的结构尺寸，非常适合作为系列化产品进行设计。系列化产品的设计，常常用到TOP-Down自顶向下的设计方法[5]。

系列化产品设计的工作就是要确定产品基本参数系列，从而制定产品的系列型谱。19in标准电子设备系列化机箱是具有相似外观、不同规格的同型产品的派生系列。在产品机箱的最初设计阶段，可以将机箱的外观、关键尺寸、约束及各组成部件之间的装配关系等信息确定下来，利用这些关键约束和装配关系组成一个稳定的箱体结构，考虑各组成结构部件的装配尺寸和位置关系并添加关系约束，最终确定将需要改变的尺寸作为设计参数变量。

因此在机箱装配中，可以把高度、宽度和深度作为设计输入的变量，分别在参数功能窗口中建立对应的参数来定义这些变量。对于装配组成中用到的标准件和通用件等其他附件，可以在关系中进行相关装配约束以保持同步装配。

2 建立模型和确定参数系列

2.1 建立装配约束模型

常用的19in标准电子设备机箱主要由前面板、后面板、左侧板、右侧板、底板及盖板等拼接而成，前、后面板上附带有把手和支脚等附件。首先以19in标准高度为2U(U为高度垂直增量)的机箱为例建立基础的三维模型，如图1所示，以前面板作为首个元件进行装配，然后装配盖板和底板、侧板及其余零部件，并建立好各部分之间的装配约束。

图1 2U机箱模型

2.2 确定参数系列内在关系

19in系列电子设备机箱通常安装在标准机柜中，机箱的外形结构主要由前面板高度、箱体宽度和箱体深度尺寸来控制。机箱高度由面板的高度U数决定，箱体的宽度和深度尺寸则在安装机柜时用来作为设计尺寸来控制，所以可以选取面板高度U数、箱体宽度和深度作为设计输入的参数变量。只要控制这三个参数的设计值，一个机箱的结构外形也即随之确定。

根据GB/T19520.16-2015，不同高度U数的面板外形及尺寸变化系列如图2和图3所示。

图2 1U～6U面板尺寸

图3 6U～12U面板尺寸

根据GB/T19520.16-2015图表中面板尺寸系列可得出，面板高度尺寸H1与机箱高度U数有如下关系：

H1=n×U-0.8.

(1)

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

面板上的安装孔距H2与高度U数也存在一定的关系：

H2=n×U-0.8-H3×2.

(2)

其中：H3为安装孔定位基准尺寸。当n处于不同范围时，H3(如图2所示)取相应的值，如当n≥3时，H3=37.7；当n≥6时，面板增加安装孔距H4。由此可以根据n的变化，运用条件语句进行约束使得安装孔距与参数n建立内在关系，最终实现以参数n来控制相应面板的不同安装孔距。

2.3 确定把手系列参数

机箱上通常需要根据不同的面板高度选择安装不同大小的把手，因此可以将把手定义为一个通用件来进行系列化设计，以满足不同高度机箱的安装需求。常见把手的结构外形如图4所示，可以根据不同面板的高度需求，设置把手安装的尺寸系列，如表1所示。

图4 把手结构外形

根据图4和表1中的数据，可知把手高度L1与面板高度U数n之间有如下关系：

表1 把手尺寸系列

(3)

把上述条件约束写入关系方程，即可实现把手和面板高度之间的装配约束关系，当面板高度U数n的数值改变时，把手会随着面板高度的不同而自动匹配对应的高度来进行装配。

3 创建参数和建立关系

3.1 为输入变量创建参数

在图1所建立模型的装配模式下，打开如图5所示的“参数”(Parameters)对话框，新建参数“箱体宽”“箱体深”“高度nU”及“n”，并选择相应的类型为实数和整数。创建参数的目的是可以使用数字参数作为输入变量，使用符号尺寸名称和参数名称来建立关系，通过关系和方程式来建立约束和尺寸联动。根据参数高度nU、箱体宽和箱体深这几个控制机箱外形尺寸的变量，就可以通过对话框输入值的更改进行尺寸驱动。

图5 参数对话框

3.2 为输入变量创建关系

在三维设计软件Creo中，装配设计时常用的关系有特征关系、零件关系、装配关系和阵列关系等。在装配模式下，将利用这些关系进行各零部件之间参数化的驱动和约束，配合使用条件语句和比较运算符进行辅助约束，可以通过零部件各尺寸之间关系来达到驱动的目的。

在装配模式下，打开如图6所示的“关系”(Relations)对话框，在其中可以对已经存在的设计尺寸和对应的参数进行赋值。为了方便区分各关系式表达的意义，可以在关系之前单独添加以/*开始的注释行作为每个关系的开头。

图6 关系对话框

首先对设计输入参数变量高度nU、箱体宽和箱体深进行赋值，根据式(1)，在关系对话框中输入如下关系内容：

/*对设计输入参数赋值

n=高度nu

d105:4=箱体宽

d106:4=箱体深

d105:2=n*44.45-0.8

/*底板宽度和深度尺寸约束

d105:6=d105:4

d106:6=d106:4

上述关系内容中，d105:4和d106:4为图1所示基础模型中盖板的宽度和深度尺寸符号名称，d105:6和d106:6为底板的宽度和深度尺寸符号名称，d105:2为前面板的高度尺寸符号名称。通过上述关系约束，盖板和底板的宽度和深度尺寸就被输入参数“箱体宽”和“箱体深”控制，前面板高度尺寸由输入参数“高度nU”控制。后面板的高度和宽度尺寸同样可以根据装配关系和尺寸约束编写相应的关系式。

针对不同高度面板具有不同的安装孔距，由式(2)可进行如下条件关系约束：

/*面板安装孔距高度控制

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

……

其余面板安装孔距高度的约束关系，不再赘述。

根据前述把手安装高度与面板高度U数n的关系，由式(3)可通过条件函数关系式建立内在约束和关联，其函数和关系式如下：

/*把手高度选择

if n<=4

d106:10=n*30+12

else

d106:10=162

endif

针对盖板和侧板上的安装孔和规则造型，可利用阵列关系进行参数化的驱动和约束，以模型中盖板上的安装孔为例，可编写如下关系式：

/*盖板安装孔

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

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

上述关系式中，p178:4和p182:4表示盖板安装孔在两个方向的阵列个数。

通过上述参数和关系式的建立，机箱系列化所需的参数设计和约束已基本完成。

4 参数化输入和系列化设计

在关系窗口中完成机箱系列化的参数和关系约束后，对整个装配模型进行两次重生以更新数据。打开参数对话框，对设计输入参数进行更改，如图7所示，输入目的设计值，重新生成模型后即可实现机箱的不同结构尺寸系列。

图7 参数化输入框

图8、图9和图10分别为4U、5U和8U高度，不同宽度和深度的系列化机箱模型。

图8 4U标准机箱模型 图9 5U标准机箱模型 图10 8U标准机箱模型

5 结束语

利用三维设计软件的参数化驱动功能，通过在装配模式下控制输入参数，完成各组成零部件尺寸的自动更新，从而快速实现了电子设备机箱系列化和参数化的建模设计。该设计方法简单、快捷、直观而且通用性强，适合对软件使用要求不高的人员或在产品需要反复更改外形结构的初步设计阶段，可以减少大量不必要的重复设计工作和装配步骤，使得设计和装配同步进行，快速响应市场需求，有助于提高产品的设计效率，并为产品的系列化和开展详细设计打下了基础。