1U~5U 通用工业机箱的设计与应用
伏怀文
【摘 要】为降低产品成本，提高产品质量，提出了通用化、模块化和标准化的工业机箱设计理念。分析了目前1U~5U 通用工业机箱的需求特点和不同种类之间的区别，确定了产品总体设计方案，阐述了产品造型设计和结构分件方案。为了统一机箱尺寸，对机箱内部空间进行了功能分区，简化了设计、制造和装配流程。介绍了机箱零部件设计的若干关键问题，阐述了提高零部件的工艺性和产品的可靠性的相应措施。实际产品应用情况表明，通用工业机箱设计具有结构简单、性价比高、可靠性好和通用性强的优点。%In order to reduce the product costs and improve product quality,a design concept of industrial chassis that is generalized,modularized and standardized was proposed.The demand characteristics of present 1U ~ 5U general industrial case and the difference of kinds of cases were analyzed,the overall product design program was determined,product model-ing design and structure separate program were expounded.For the case of unifying the size of different cases,the case in-ternal space was separated according to the function of related modules,w
hich making the process of the design,manufac-ture and assemble simplified.The key problems of chassis parts design which can improve the technological property of structure and product reliability were introduced.The application situation of product showed that the general industrial chassis has the advantages of simple structure,high cost performance,the good reliability,and high universality.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2014(000)011
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】1U~5U;通用;机箱;设计;应用
【作 者】伏怀文
【作者单位】国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210032
【正文语种】中 文
【中图分类】TH12
随着工业和民用电气机箱类产品的快速发展，对1U(高约44.45 mm，宽约482.6 mm)和2U(高为1U的2倍，宽度不变)等标准规格机箱(以下简称机箱)产品的需求量越来越大；因此，研制出具有市场竞争力的机箱产品具有重要意义。
一些学者和专家对机箱的设计进行了有益的探索，并取得了显著的进展[1-3]。生建友等[4]提出机箱设计需要具有良好的结构工艺性，提出了模块化、小型化和造型设计理念；袁新江[5]开展了开放式强迫风冷机箱的结构设计，对其热设计和电磁兼容性进行了分析；付琳莉[6]对机箱抗恶劣环境、电磁兼容和跌落试验进行了研究；艾文光[7]介绍了ART机箱的模块化设计、热设计、电磁兼容设计、力学强度设计和维修性设计的实现方法。
目前，市场上1U～5U机箱类产品大多依据客户需求定制，由于客户需求具有一定的不确定性，造成产品造型和结构种类繁多。此外，由于每种机箱的订货量较少，其设计、制造和管理成本较高。
为解决上述问题，本文提出机箱通用化的设计原则，指出了通用机箱的若干设计要点，并介绍了通用机箱的应用情况。
1.1 机箱产品总体设计
通过对国电南京自动化股份有限公司当前标准规格机箱进行结构分析发现，不同种类机箱的区别主要集中在如下4个方面：1)前端面和后端面的结构布局与丝印不同；2)电路板安装尺寸、结构形式和数量不同；3)工作电源不同；4)电子元器件规格不一致。
针对上述不同，结合目前机箱美观度差以及制造工艺较粗糙等现状，确立了通用机箱设计方案如下：1)采用全新的工业造型设计；2)统计分析机箱规格，以当前各规格机箱年总产量的平均价格作为成本参考依据，以能兼容当前各型号产品为条件，确定出最优的机箱尺寸；3)将机箱的前、后端面部分做通用分件设计，提炼、分解出机箱产品的变化部分，并实现结构简单化和降低成本；4)同性能参数元器件的规格统一化，对电路板以及电源等的安装尺寸做标准化设计，实现其装配的互换性；5)机箱内部布局按功能分区，在实现通用或标准化结构的同时预留扩展区，供后期特殊需求产品扩充；6)机箱固定部分的设计通用化或标准化与可变部分的装配接口统一。
根据标准机柜的安装尺寸，1U～5U机箱的高度分别是44、88、132、176和220 mm，机箱的最大优选长度为440 mm；因此，只需要确定机箱的宽度。
模块化设计的优点
以本公司当前近20个1U机箱产品为例，宽度最大的为340 mm，最小的为270 mm，采购单价成本相差不足30元。按当前最大机箱尺寸测算通用机箱成本，由于通用机箱产量的提升、设计和制造等环节投入减少，其价格低于年总产量的平均成本；因此，机箱宽度优选350 mm，实现当前产品的全面兼容。
本文以1U通用机箱为例做设计说明，1U通用机箱外观设计效果如图1所示。从图1可以看出，新机箱造型简约大气，美观新颖，整体感强。
根据产品造型进行结构分析，箱盖是板状结构，其两侧、前端面和顶面没有箱盖装配螺钉；因此，要保证设计效果，箱盖就不能采用侧面、前面或顶面的螺钉装配固定方案。由于箱体的前、后面板部分需要进行通用化分件设计，从各零件的刚度、良好的冲压成型工艺性和成本等方面综合考虑，确立了如图2所示的箱体结构方案。机箱整体由箱体部件、箱盖部件、挂耳、前面板和后面板等组成，其中，箱体部件、箱盖部件、挂耳为通用件或标准件，与产品型号无关；前面板和后面板为专用件，要根据不同产品需求定制，即在所有的1U产品中，不同产品只要变换前、后面板即可。
根据模块化设计原则将产品划分为电路板装配区、电源区、电源开关区、指示灯区和其他装
配区[8]，如图3所示。
电路板装配区设计16个规则排布的压铆螺柱，供不同产品进行电路板设计时安装尺寸的选择；此外，压铆螺柱也可设计成如图4所示的组合结构，铆螺母与箱体底板铆接，螺柱可根据需要选用并更换，以满足多样化的需求。
在电源装配区，不同规格的电源通过与1个通用的转接板装配后，再与底座上的压铆螺钉装配，然后用螺母压紧，从而解决了不同电源的互换安装问题。
开关部件位于开关装配区，用于手动控制产品电路的通断。指示灯区设计2个压铆螺柱，可装配产品运行指示灯部件。产品还预留了一定的空间，以满足其他特殊需求，进一步增强机箱的适应性。
1.2 产品零部件设计
箱体部件是机箱的核心，主要由底座和前、后边框等组成。如图5所示，前、后边框与底座通过底部的铆螺钉和两侧的铆螺母进行装配，构成完整的机箱本体。此外，在底座左右折弯末端设计有3个楔形折弯，用作机箱盖的定位与压紧。该机箱本体及底座顶部折弯的结构设
计使机箱能有效保证良好的刚度。
前、后边框结构分别如图6和图7所示。为保证不同产品间的通用性，边框应设计成内空框架，这就导致零件结构强度与刚度大幅度降低。为解决此问题，边框正面设计形状尺寸统一的1.2 mm深度沉台面用于装配面板，上、下边均设计成折弯翻边，底面折弯翻边设计与底座压铆螺钉配合的装配孔，两侧面设计与底座左右折弯配合的搭接及装配沉头过孔。
对于2U及以上规格的机箱，当前、后边框出现刚度不足时，同样可以通过设计适宜数量的纵、横冲压筋来保证其强度与刚度。
前面板的结构如图8所示。前、后面板是机箱的可替换件，外形及装配尺寸统一。前面板用透明塑料板材，可根据不同产品的需要制作不同丝印并留出指示灯透光区。在面板背面附双面胶，使之与前边框粘贴的装配方式既可提高产品品质，又能降低该部件的制造成本。
后面板的结构如图9所示。后面板左上和右上角各压铆1个M3×6螺钉，下边缘做4个卡脚，后边框上边缘相应位置设计2个螺钉装配过孔。后面板装配时先将下边缘卡脚斜插入后边框卡槽中，装配到位后从机箱内侧在左上和右上角压铆的2个M3×6螺钉上装好螺母并拧紧即可。
对于同尺寸规格机箱，只需装配不同的前、后面板即可实现同类不同系列产品的衍生。
箱盖部件结构如图10所示。箱盖部件由箱盖与前、侧卡构成。在箱盖的左、右两侧分别对称焊接侧卡，在前端焊接前卡，在机箱盖的后端直边段做尺寸适当的小宽度垂直折弯，并在折弯面上设计与后边框压铆螺母装配的螺钉沉头过孔。
侧、前卡有2个方面的作用：1)箱盖与箱体装配时的相互压紧；2)侧卡的横向定位及前卡的前导向。卡的弹性结构设计有效地保证了箱盖部件的装配可靠性。侧卡靠两端弹臂面设计2个球面凸点，既可实现横向的准确定位，又最大限度地减小了箱盖与箱体装配过程中的接触面积，从而减小了装配阻力。