賈 松

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引言

在電子設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的不同功能需求，設(shè)計(jì)不同外觀和尺寸的機(jī)箱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員往往需要嘗試改變機(jī)箱的高度、寬度和深度等尺寸，以滿足內(nèi)部不同模塊的結(jié)構(gòu)布局和堆疊。為了縮短設(shè)計(jì)周期、快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，對(duì)具有相似外觀、不同結(jié)構(gòu)尺寸的19in標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝配模式下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，則可以大大提高裝配的快捷性和實(shí)時(shí)性，減少重復(fù)裝配的時(shí)間和成本。

實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)有不同的方法，常見(jiàn)的有利用三維軟件的二次開發(fā)功能或通過(guò)布局文件來(lái)實(shí)現(xiàn)[1,2]，這些方法需要通過(guò)編程或間接通過(guò)設(shè)計(jì)文件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜、不夠直接，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高。為了在軟件界面可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，針對(duì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的19in電子設(shè)備機(jī)箱,利用PTC公司的Creo三維設(shè)計(jì)軟件的關(guān)系式和參數(shù)化功能[3]，在參數(shù)窗口中輸入設(shè)計(jì)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)裝配模式下產(chǎn)品的三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過(guò)控制其中的關(guān)鍵參數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)各組成零部件尺寸的自動(dòng)更新，從而快速有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化的三維設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期快速建模的需求。

1 機(jī)箱系列化組成

電子設(shè)備機(jī)箱廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通、電力、通信、網(wǎng)絡(luò)等工程領(lǐng)域和行業(yè)，尤其是符合19in標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)箱大量應(yīng)用于各行業(yè)的通信機(jī)柜中[4]，該類型機(jī)箱通常具有相似的外觀、不同的結(jié)構(gòu)尺寸，非常適合作為系列化產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，常常用到TOP-Down自頂向下的設(shè)計(jì)方法[5]。

系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備系列化機(jī)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(jī)箱的最初設(shè)計(jì)階段，可以將機(jī)箱的外觀、關(guān)鍵尺寸、約束及各組成部件之間的裝配關(guān)系等信息確定下來(lái)，利用這些關(guān)鍵約束和裝配關(guān)系組成一個(gè)穩(wěn)定的箱體結(jié)構(gòu)，考慮各組成結(jié)構(gòu)部件的裝配尺寸和位置關(guān)系并添加關(guān)系約束，最終確定將需要改變的尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù)變量。

因此在機(jī)箱裝配中，可以把高度、寬度和深度作為設(shè)計(jì)輸入的變量，分別在參數(shù)功能窗口中建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)來(lái)定義這些變量。對(duì)于裝配組成中用到的標(biāo)準(zhǔn)件和通用件等其他附件，可以在關(guān)系中進(jìn)行相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備機(jī)箱主要由前面板、后面板、左側(cè)板、右側(cè)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(biāo)準(zhǔn)高度為2U(U為高度垂直增量)的機(jī)箱為例建立基礎(chǔ)的三維模型，如圖1所示，以前面板作為首個(gè)元件進(jìn)行裝配，然后裝配蓋板和底板、側(cè)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(jī)箱模型

2.2 確定參數(shù)系列內(nèi)在關(guān)系

19in系列電子設(shè)備機(jī)箱通常安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，機(jī)箱的外形結(jié)構(gòu)主要由前面板高度、箱體寬度和箱體深度尺寸來(lái)控制。機(jī)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(jī)柜時(shí)用來(lái)作為設(shè)計(jì)尺寸來(lái)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(shè)計(jì)輸入的參數(shù)變量。只要控制這三個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)值，一個(gè)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)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(jī)箱高度U數(shù)有如下關(guān)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(guān)系：

H2=n×U-0.8-H3×2.

(2)

其中：H3為安裝孔定位基準(zhǔn)尺寸。當(dāng)n處于不同范圍時(shí)，H3(如圖2所示)取相應(yīng)的值，如當(dāng)n≥3時(shí)，H3=37.7；當(dāng)n≥6時(shí)，面板增加安裝孔距H4。由此可以根據(jù)n的變化，運(yùn)用條件語(yǔ)句進(jìn)行約束使得安裝孔距與參數(shù)n建立內(nèi)在關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)以參數(shù)n來(lái)控制相應(yīng)面板的不同安裝孔距。

2.3 確定把手系列參數(shù)

機(jī)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(gè)通用件來(lái)進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，以滿足不同高度機(jī)箱的安裝需求。常見(jiàn)把手的結(jié)構(gòu)外形如圖4所示，可以根據(jù)不同面板的高度需求，設(shè)置把手安裝的尺寸系列，如表1所示。

圖4 把手結(jié)構(gòu)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(guān)系：

表1 把手尺寸系列

(3)

把上述條件約束寫入關(guān)系方程，即可實(shí)現(xiàn)把手和面板高度之間的裝配約束關(guān)系，當(dāng)面板高度U數(shù)n的數(shù)值改變時(shí)，把手會(huì)隨著面板高度的不同而自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的高度來(lái)進(jìn)行裝配。

3 創(chuàng)建參數(shù)和建立關(guān)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(duì)話框，新建參數(shù)“箱體寬”“箱體深”“高度nU”及“n”，并選擇相應(yīng)的類型為實(shí)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(hào)尺寸名稱和參數(shù)名稱來(lái)建立關(guān)系，通過(guò)關(guān)系和方程式來(lái)建立約束和尺寸聯(lián)動(dòng)。根據(jù)參數(shù)高度nU、箱體寬和箱體深這幾個(gè)控制機(jī)箱外形尺寸的變量，就可以通過(guò)對(duì)話框輸入值的更改進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)。

圖5 參數(shù)對(duì)話框

3.2 為輸入變量創(chuàng)建關(guān)系

在三維設(shè)計(jì)軟件Creo中，裝配設(shè)計(jì)時(shí)常用的關(guān)系有特征關(guān)系、零件關(guān)系、裝配關(guān)系和陣列關(guān)系等。在裝配模式下，將利用這些關(guān)系進(jìn)行各零部件之間參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)和約束，配合使用條件語(yǔ)句和比較運(yùn)算符進(jìn)行輔助約束，可以通過(guò)零部件各尺寸之間關(guān)系來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。

在裝配模式下，打開如圖6所示的“關(guān)系”(Relations)對(duì)話框，在其中可以對(duì)已經(jīng)存在的設(shè)計(jì)尺寸和對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行賦值。為了方便區(qū)分各關(guān)系式表達(dá)的意義，可以在關(guān)系之前單獨(dú)添加以/*開始的注釋行作為每個(gè)關(guān)系的開頭。

圖6 關(guān)系對(duì)話框

首先對(duì)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)變量高度nU、箱體寬和箱體深進(jìn)行賦值，根據(jù)式(1)，在關(guān)系對(duì)話框中輸入如下關(guān)系內(nèi)容：

/*對(duì)設(shè)計(jì)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(guān)系內(nèi)容中，d105:4和d106:4為圖1所示基礎(chǔ)模型中蓋板的寬度和深度尺寸符號(hào)名稱，d105:6和d106:6為底板的寬度和深度尺寸符號(hào)名稱，d105:2為前面板的高度尺寸符號(hào)名稱。通過(guò)上述關(guān)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(guān)系和尺寸約束編寫相應(yīng)的關(guān)系式。

針對(duì)不同高度面板具有不同的安裝孔距，由式(2)可進(jìn)行如下條件關(guān)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(guān)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(guān)系，由式(3)可通過(guò)條件函數(shù)關(guān)系式建立內(nèi)在約束和關(guān)聯(lián)，其函數(shù)和關(guān)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(duì)蓋板和側(cè)板上的安裝孔和規(guī)則造型，可利用陣列關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)和約束，以模型中蓋板上的安裝孔為例，可編寫如下關(guān)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(guān)系式中，p178:4和p182:4表示蓋板安裝孔在兩個(gè)方向的陣列個(gè)數(shù)。

通過(guò)上述參數(shù)和關(guān)系式的建立，機(jī)箱系列化所需的參數(shù)設(shè)計(jì)和約束已基本完成。

4 參數(shù)化輸入和系列化設(shè)計(jì)

在關(guān)系窗口中完成機(jī)箱系列化的參數(shù)和關(guān)系約束后，對(duì)整個(gè)裝配模型進(jìn)行兩次重生以更新數(shù)據(jù)。打開參數(shù)對(duì)話框，對(duì)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行更改，如圖7所示，輸入目的設(shè)計(jì)值，重新生成模型后即可實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的不同結(jié)構(gòu)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(jī)箱模型。

圖8 4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱模型 圖9 5U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱模型 圖10 8U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱模型

5 結(jié)束語(yǔ)

利用三維設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)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(dòng)更新，從而快速實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備機(jī)箱系列化和參數(shù)化的建模設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、快捷、直觀而且通用性強(qiáng)，適合對(duì)軟件使用要求不高的人員或在產(chǎn)品需要反復(fù)更改外形結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)階段，可以減少大量不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)工作和裝配步驟，使得設(shè)計(jì)和裝配同步進(jìn)行，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，有助于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，并為產(chǎn)品的系列化和開展詳細(xì)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。