一、电子产品整机结构设计简介

电子产品的设计通常包括电路设计和结构设计。电路设计就是根据产品的功能要求和技术条件，确定总体方案并设计原理框图，并在此基础上进行必要的计算和试验，最终确定详细电路设计图纸并选定元器件及其参数。结构设计则是根据电路设计提供的资料和数据，结合电子产品的性能要求、技术条件等，合理布置元器件、使之组成部件或电路单元，同时进行机械设计和防护设计，将各零部件或电路单元互连，最后给出齐套的技术图纸。

设计和制造电子产品，除满足工作性能的要求外，还必须满足加工制造的要求，电路性能指标的实现，要通过具体的产品结构体现出来。电子产品是随着电子技术的发展而发展的，其结构和构成形式也随之发生变化。初期的电子产品功能比较简单，设计考虑的主要问题是电路设计。到20世纪40年代后，随着电子产品功能越来越多，出现了将复杂产品分为若干部件、树立结构级别的先进想法；为防止气候影响，研制出密封外壳；为防止机械过载而研制出减振器，产品结构功能进一步完善，此时，结构设计才正式成为电子产品设计的内容。随后，由于产品向高集成度和小型化方向发展，尤其是出于军用电子技术的发展和野战的需要，散热、抗电磁干扰、防潮、防霉菌、防盐雾开始成为结构设计中必须考虑的内容，结构设计的内容也因此逐步丰富起来。目前，结构设计在电子产品的设计中占有较大的比重，直接关系到电子产品的性能和技术指标（条件）的实现。

电子产品的整机结构是指电子产品中由工程材料按合理的方式进行连接，能够安装电子元器件及机械零部件，使产品成为一个整体的基础结构。这种结构包括机箱机架和机柜结构、分机插箱、底座和积木盒结构、导向定位装置、面板、指示和操控装置等。

电子产品结构设计的目的是解决产品的结构形态如何与产品的功能相统一、与使用要求相统一、与由电子产品组成的工作环境和生活环境相统一，并适合人的生理和心理特性等，以满足用户的要求。

二、电子产品整机结构设计的内容

电子设备结构设计和生产工艺的任务就是以结构设计为手段，保证所设计的电子设备在既定的工作环境条件和使用要求下，达到技术条件所规定的各项指标，并能稳定可靠地完成预期功能，即保证电子设备的可靠性。

根据产品的技术指标和使用条件，整机结构设计应包括以下几方面内容：

（1）总体方案设计

具体包括：

① 分机或单元的划分与总体布局。

② 各分机或单元的技术指标分配。

③ 可靠性分析与设计。

④ 环境条件分析和使用要求分析。

⑤ 可维修性的结构考虑和机电连接考虑。

⑥ 机箱、机柜的统一性设计、造型设计及确定主要尺寸。

（2）分机或单元结构设计

具体包括：

① 元器件、零部件排列和布线，印制电路板设计。

② 电磁兼容设计。

③元器件散热及机械传动系统的布置等。

④ 各分机或单元之间的协调性设计。

（3）整机防护设计

具体包括：

① 散热系统的设计。

② 减振缓冲系统的设计。

③ 三防（防潮、防霉、防盐雾）措施的选择和设计等。

④ 防护设计不仅应在整机设计中考虑，在分机和单元结构设计中也应考虑。

（4）典型机械结构件设计

具体包括：

① 根据技术要求和所选定的结构形式确定整机或分机（插箱）的机架、底座和面板结构。

② 进行刚强度分析或计算，周密地考虑可维修性及其设计，进行造型、色彩设计。

③ 各种附件设计等。

④ 人机工程设计，以便于安装、调试和操作、维护。

（5）机电连接设计

具体包括：

① 分机或单元之间、整机与外部设备及电源之间、分机与天线之间的机电连接形式和安排。

② 连接元器件的选择。由于连接元器件对保证产品正常工作有重要的作用，因此在整机结构设计时，必须做到连接可靠，不引入干扰，装卸方便。

（6）整机布线设计

具体包括：

① 根据不同类型的整机电路结构及其组合设计的特点，从整机接口出发，按单向性布线的原则，合理完成接口、印制板组装件、母板、面板元器件及部件之间的导线布线、走线路径与连接关系设计。

② 确保导线束的绑扎、辐射、弯曲、分支及其焊接及加固所需的空间、面积、距离与间隙。

③ 形成“整机导线走线图”和“导线接点表”，保证整机导线及导线束的走线与安装。

三、电子产品整机结构设计的基本原则

电子产品的整机结构设计是一个复杂的系统工程，需要考虑的要素很多，不仅要考虑单一要素设计的合理性，更要考虑各种设计要素的整体性。有些情况下，不同要素的设计要求甚至是相互矛盾的，这就要求根据产品的总体性能要求采用折中设计方法。

电子产品的整机结构设计一般应遵循以下基本原则：

（1）保证产品技术指标的实现

电子产品的性能体现为产品的技术指标，实现这些技术指标是研制与生产的最终目标。要实现产品性能指标，一方面依赖于电路设计，另一方面则依靠整机结构设计。在有些情况下，某些技术指标（与电路无关的）必须依赖于整机结构设计来解决。技术指标的实现应以电子产品的总体技术指标为主，不应盲目追求个别指标的先进性，给设计、制造工作带来额外困难。

（2）保证产品可靠性指标的实现

可靠性是电子产品的一项重要指标。电子产品的可靠性包括元器件可靠性和整机（或系统）可靠性两个方面。整机（或系统）可靠性是建立在元器件可靠性基础上的。为了提高产品可靠性，在整机结构设计时，要注意整机电路系统的可靠性和整机机械结构的可靠性。在结构设计时，应进行载荷和应力分析，充分估计工作时的最恶劣情况，精心设计和试验验证，这样可靠性才有保障。

（3）保证产品使用要求的实现

电子产品的最终价值体现是满足使用要求。因此在整机结构设计时，必须保证产品满足使用要求。一般来说，使用要求包括产品的体积、质量、产品的可维修性和产品的操纵控制性能等，具体要求如下：

① 尽量做到体积小、质量轻。对于一些需要在对空间位置和产品质量有严格要求的场合下使用的产品，减小其体积和质量具有重要意义。减小产品的体积和质量还可以节约材料，有利于加工和运输；载荷产品质量轻，结构紧凑，可以减小惯性，降低能耗。军用电子产品的体积和质量越小，其机动性越高，越能充分发挥其作用。因此，在整机结构设计时，必须合理布局，提高其组装密度，选用小型化元器件和轻质材料，并尽量简化结构，最大限度地利用空间，以减少其体积和质量。

② 尽可能提高电子产品的可维修性。提高可维修性可以缩短维修时间，减少维修费用，延长产品无故障工作时间，充分发挥产品的作用，这对于军用产品更为重要。因此在整机结构设计时，要采取各种措施，如采用模块化结构和快速拆卸结构等，以便在发生故障时能迅速处理。

③ 充分考虑人机工程学。设计出符合人的生理、心理特点的结构，使操作者感到方便、灵活、安全，从而更好地发挥人和机器的效能。如在使用电子产品时，一般都要通过控制器（各种旋钮、开关等）和显示器（图像显示、读数、指示等）来进行操纵和控制。对此，在整机结构设计时，要合理安排，使其符合人的生理特点，做到简便、合理、可靠，符合人的操作习惯。

（4）保证产品具有良好的工艺性

设计工艺性是产品设计工作中的一项重要因素，它直接决定了产品的可制造性，是采用经济、合理和可靠的方法制造产品的基础。随着自动化生产设备的应用和智能制造技术的发展，可制造性设计的作用越来越重要。在设计电子产品时，要从实际生产出发，使所设计的零件、组件、部件具有良好的工艺性，整机有良好的装配工艺性。只有对新材料生产情况和新工艺发展情况及加工设备和工艺水平有较全面的了解，才有可能设计出具有良好工艺性的产品。

（5）通用化、系列化、模块化

在整机结构设计中，采用模块化结构可以提高标准化程度。模块化就是把一些通用性、重复性较大的单元，用成熟的电路和结构形式固定下来，使之通用化、系列化。在设计整机产品时，通过使用这些通用化、系列化组件、单元，或稍加修改补充即可构成新产品，可以缩短设计和试制周期，减少重复劳动，使设备结构紧凑、操作维修方便，提高生产效率和产品质量。模块化是一种新的设计方法，模块化设计是按照标准化原理和系统工程原理及方法，采用顶层分析与底层需求相结合的设计方法，是一个自上而下的过程，合理划分模块、建立模块体系是其设计的关键。实践证明，采用模块设计方法能显著缩短研制周期，降低研制成本，提高产品的可靠性和可维修性。

（6）采用先进的设计技术

现代电子产品结构总体设计时需要进行大量的分析计算、数据处理、图形处理、模拟试验与计算机仿真。传统的设计技术不能满足要求，这就需要在设计上采用先进的设计技术，如CAD（计算机辅助设计）、EDA（电子设计自动化）、MDA（机械设计自动化）等技术，对产品的电路和结构进行优化设计，尽量简化产品结构，最大限度地利用空间，减小产品的体积。

四、电子产品整机结构设计的顺序及要求

整机结构牵涉面广，要解决的矛盾多，很难遵循一套标准的设计流程，一般只能采用边分析边设计、边设计边调整，前后呼应，多方照顾与协调的设计流程（即反复迭代的设计模式）。

根据设计经验，进行整机结构设计时，可按以下顺序进行，如图1所示。

图1 整机结构设计流程

（1）分机或单元划分

首先，根据产品的电路原理图和方框图，将产品划分为几个分机，若产品较简单也可划分为几个单元或部分。在划分分机（或单元）时，一般应注意以下要求：

① 各分机（或单元）在电路上应具有一定的独立性，以便于单独装配、调整和检验。

② 高频和低频、高压和低压、输入和输出应尽可能分开，电源系统建议划分成独立分机（或单元）。

③ 需要统调的元器件和统调机构应放在一个分机（或单元）内，同一功能的控制部分和相关的显示部分一般划在同一个分机（或单元）内。

④ 各分机（或单元）所使用（划分）的元器件和零件、组件、部件，其体积、尺寸应能为分机（或单元）所容纳，以便采用统一尺寸的插箱或模块单元。

⑤ 各分机（或单元）轮廓尺寸应大体相近或相同。在划分分机（或单元）时，电路设计人员和结构设计人员应密切配合，并取得一致意见，获得最佳方案。在这一过程中，应结合模块化设计方法，尽量利用现有的成熟单元模块。

（2）总体布局

在划分分机（或单元）的基础上进行总体布局。总体布局时，一般应注意以下要求：

① 质量较大的分机（或单元）应放在产品（设备）的最下部，力求降低产品（设备）重心。发热量较大的分机（或单元）应放在产品（设备）的最上部或便于散热的部位，并远离对热敏感的元器件，分机（或单元）内的元器件的布局应有利于散热。

② 分机（或单元）的布局有利于各部分之间的电连接和布线，特别应避免电连接和布线而引起耦合和反馈，从而形成干扰。

③ 分机（或单元）的布局应有利于产品（设备）安装、调试和维修，有利于操纵运用，并满足安装空间要求及使用人员的工作习惯。

（3）整机各部分主要尺寸确定

在总体布局方案大致确定后，即可确定整机各部分主要尺寸，即确定各分机（或单元）的轮廓尺寸和整机总体尺寸。在确定这些尺寸时，一般要求尽可能做到通用化、系列化，并尽可能选用统一尺寸的插箱或模块单元。

（4）整机防护措施的选择和设计

在整机总体尺寸和各分机（或单元）主要尺寸确定后，总体设计师就可以进行整机防护措施的选择和设计了。整机防护设计包括整机散热设计、隔振缓冲设计、电磁兼容设计和“三防”设计等。具体设计要求如下：

① 整机散热设计：在进行具体的设计前，应首先根据产品的功率、组装密度、工作环境温度和产品所允许的温升（或最高工作温度）等选择适合的散热形式。在保证产品正常升温的条件下，散热系统要求简单可靠，系统本身所消耗的功率要小，工作时不会或很少给产品带来附加的振动和噪声等。

② 隔振缓冲设计：主要是根据机械环境条件确定相应的隔振缓冲措施并布置减振器。

③ 电磁兼容设计：主要是进行屏蔽设计和采取其他防干扰措施，合理布局布线及合理设计馈线和接地。

④ “三防”设计：主要是根据工作环境条件合理选择“三防”材料和防护手段（包括结构防护、工艺防护等），其中主要是进行产品机箱的密封设计。

（5）整机机械结构设计

整机机械结构设计是具有总成性质的设计，它涉及的面很广，要解决的矛盾也很多，其中有电气和机械的矛盾、结构和工艺的矛盾、整体和局部的矛盾，甚至还有经济上的考虑。

整机机械结构设计的具体内容包括：机箱/机柜设计、插箱/模块单元设计、操纵控制和维修结构设计，以及紧固/联接和其他附属结构的设计。在整机机械结构设计时，必须综合考虑各方面因素，综合平衡妥善解决。

（6）整机机电连接设计

多箱式整机产品中，分机与分机、分机与整机的机电连接形式和质量，对于保证产品的可靠工作是很重要的环节。一般说来，在保证使用要求的前提下，应尽量减少连接点，因为连接点过多会使整机的可靠性降低。整机机电连接设计关键在于合理确定连接形式和选择连接件。

在整机结构设计时，首先要选定连接形式，然后考虑整机走线，并确定连接点位置和连接件的型号、尺寸。整机机电连接可分为电气连接和机械连接。

① 电气连接：电气连接包括两种方式：一是电缆连接；二是接插件连接。电缆连接的质量较高，工作可靠，分机抽出后电路仍然接通，便于带电测试检修；接插件连接的结构较简单，机箱（机柜）紧凑，但可靠性较低。

② 机械连接：机械连接包括紧固、导向和定位位置。在整机结构设计时，要选定连接结构的形式和尺寸，做到连接可靠、装卸方便。

（7）试验验证及完善设计

完成上述整个过程后，通常会制作出一台样机产品，样机制成后，必须对整机进行电的和结构的模拟试验或实地使用检验。通常的做法是对样机进行例行试验，按照技术指标的要求进行逐项试验或综合试验，通过试验暴露结构设计中的薄弱环节和问题，分析其原因，并有针对性地进行修改，使设计趋于完善，最后达到设计定型要求。

五、电子产品整机结构设计的工艺性要求

电子产品整机结构工艺性设计要求包含整机结构设计所必需的工艺要素及整机结构设计的规范性、可实施性、可检测性、可靠性与安全性等要求。具体涉及整机及分机尺寸、整机的机电连接接口布局与接点分配、整机机械构型、整机防护与加固、元器件及零（部/组）件的布局、整机布线等相关的标准要求、工艺技术参数、合理间隔尺寸、安全操作空间等工艺性要素。

1.机电连接接口设计

整机机电连接接口设计工艺要求涉及整机内部机械连接和电气连接设计的可实施性和可靠性，具体包括机械件的安装固定、电气连接方式的选择、电缆网的设计与安装等。

机电连接接口设计的工艺性要求包括：

① 在保证使用要求的前提下，应按照简化设计原则，尽量减少机械和电气连接点，以提高整机的可靠性。

② 进行结构件设计时，选定的连接结构的形式和尺寸应能保证连接可靠、装卸方便。

③ 进行电气连接设计时，应根据产品性能和使用要求选择最为可靠的连接方式，一般情况下优选电缆连接方式，印制板组装件的互连则优选接插件连接方式。

④ 应尽可能采用通用化、标准化、模块化的设计，整机内各分系统或单机的接口设计应尽可能保持一致。

⑤ 尽可能压缩导线和电连接器的规格型号数量与生产厂家数量。

⑥ 电缆网设计中，连接点分配应考虑安全冗余、导线应与电连接接触件/尾罩出线方式等匹配。

2.布局设计

电子产品设计应重点考虑结构总体布局设计，确定所有分机（或单元）的安装位置和方式，进而确定接口位置和连接方式，最终确定自制零部件、外购零部件的形状、尺寸及安装方式。

整机布局设计的工艺性要求包括：

① 总体布局时应力求按照整机方框的顺序排列各组成单元，使各组成单元之间相互干扰最少或没有干扰，各组成单元之间的连线走向合理，并有利于布线。

② 总体布局时要注意质量分布应均衡，产品重心应尽可能降到最低，产品总体尺寸合理，各组成单元的尺寸协调。

③ 总体布局时要注意机电协调。

④ 控制系统应尽可能和与其相连的电路布置在同一组装单元，力求简化并便于操作。

⑤ 显示、指示单元与相应的机电部件应就近布置，并与面板布置相协调。

⑥ 总体布局应有利于抑制和减少干扰。应保证敏感电路不受干扰。

⑦ 接地点和接地方式的选择及地线系统的布局等都应予以考虑。

⑧ 总体布局应有利于散热。应处理好冷却介质的流动途径，做到以最有利的形式把各单元产生的热量带走，并且不影响热敏元器件正常工作。散热系统布局中，应充分利用设备现有空间。

⑨ 总体布局时应考虑减振缓冲方面的要求。

⑩ 总体布局应有利于维修、调整、测试和装配，在条件允许情况下布局密度不宜过大，要保证有足够的维修、调整、测试和装配空间。

3.尺寸设计

整机尺寸必须满足产品的性能和使用要求，对产品进行结构总体布局设计后，即可确定整机各部分主要尺寸，即确定各分机（或单元）的轮廓尺寸和整机总体尺寸。

确定这些尺寸的一般工艺要求是：尽可能做到通用化、系列化，并尽可能选用统一尺寸的插箱或模块单元。

4.组装结构设计

目前，电子产品的组装结构多采用整机、分机、电路单元或整件、印制电路板或组件等分级组装结构形式，其组装结构形式和组装工艺一致。这种分级组装结构不仅在电路上具有一定的独立性，而且在结构上和工艺上也具有相对独立性。采用分级组装结构的好处是便于组织生产（装配和调试），也便于维修检验。

整机组装结构设计根据不同的型号、不同的应用环境，有不同的设计要求，但从整机生产的可实施性和使用的可靠性方面考虑，其设计工艺性的原则和要求是一致的，具体包括：

① 整机组装结构设计应符合整机组合化、模块化的要求，应满足整机、分机、印制板组装件、面板安装元器件（下面简称面板元器件）组合与安装的层次性。

② 应满足印制板组装件组合、面板元器件安装、导线装联及结构件安装所必需的操作空间及安装操作的可达性和可视性要求。

③ 禁止出现安装操作、多余物控制与质量检验的盲区。

④ 整机内各零（部/组）件（含导线束、屏蔽件、加固件）之间的间隔、距离，应保证它们与电子元器件及电子部件、组件之间绝缘、耐电压和防低气压放电的有效距离与空间。

⑤ 导线从整机接口电连接器到母（背）板（插板式结构）或到各PCBA（支架等结构）的布局，在满足电源线、各种信号线电磁兼容性要求分类布线的条件下，应保证导线束绑扎、分支、甩（并）线与焊接的操作空间。

⑥ 导线束敷设、分支伸展及导线走线的方向、顺序、层次，应按照印制板组装件及面板元器件组合安装的层次、每一层接点位置和接点顺序，从上到下、从左到右（或反之）依次进行安排，保证产品组合安装方便和每块印制板组装件安装、翻转与拆卸的独立性及可维修要求。

⑦ 应避免导线束不规范敷设、导线不规范互联而引起整机组合与安装设计的不可操作、不可检测、不可维修等问题。

⑧ 应满足整机的可调试性和可测试性要求。

六、典型机械结构件设计及工艺性要求

电子产品中的典型机械结构件包括电子机箱（柜）、壳体、基座、底座与面板等，以及一些附件（如把手、导轨、铰链、锁紧装置等），它们是电子产品中的重要载体和连接构件。其设计质量的好坏关乎产品的性能实现、使用体验和产品可靠性。其设计工艺性的好坏直接影响结构设计的可制造性、可靠性、可维修性和经济性。因此其设计过程应依据相关的设计及工艺技术标准，在符合产品性能和使用要求的基础上，合理完成零件选材、加工方法的选择、表面处理工艺等相关工艺性属性与要素的设计，以确保设计的合理性和可靠性。

一)机箱（柜）

1．机箱（柜）基本概念

在电子产品中，安装了电子元器件及机械零部件，使产品成为一个整体的基础结构称为机箱（机壳）结构。机箱是把整个产品结合成机械整体的主体，靠它保证整机的机械结构强度。

机箱通常用于尺寸较小和结构简单的中、小型电子产品中，由于其外形往往是箱形的，因此称为机箱。机壳与机箱类似，只是它的外形往往不规则，且尺寸较小。对于结构复杂、尺寸较大的电子产品，为了便于安装、使用和检修，往往将产品分为若干分机（插箱），安置在一个共同的安装架上，这种用以组合方式安装设备的安装架称为机架。封闭式的机架称为机柜。机柜由骨架（框架）、插箱、导轨、外壳和盖板等主要零部件组成。

从选材和加工方式上，机箱（柜）可分为钣金结构机箱、型材结构机箱（围框式、型板式、型材组合式）、压铸机箱、非金属材料机箱（压塑、木料）等；机柜可分为型材结构机柜（钢型材、铝型材）、弯板结构机柜（整板式、立柱式）。

2．机箱（柜）结构形式

从组装结构上，机箱（柜）可分为插板式机箱、功能模块式机箱、堆叠式机箱、支架式机箱、混合式机箱及箱式机箱、柜式机箱、台式机箱和便携式机箱。前五种多用于机载和星载等高可靠性产品中，后四种多用于地面产品中。

（1）插板式机箱

插板式机箱通常由装有接插件的安装板及结构类似的插箱（单板）组成。每个插箱（单板）都是独立的，它们在结构形式上是一致的，共同组成一个机箱产品，如图2所示。



图2 插板式机箱

（2）堆叠式机箱

堆叠式机箱也称模块组合式机箱。它由多个结构类似的功能模块，通过螺栓或板间连接器等简单方式组合到一起，组成一个机箱产品，如图3所示。



图3 堆叠式机箱

（3）支架式机箱

支架式机箱通常为复杂系统所采用，它由导槽（轨）或支架结构及单机（插箱）共同组成。支架式机箱与插板式机箱的主要区别在于是否通过带有接插件的安装板进行机电连接。支架式机箱的机械连接由支架结构完成，电气连接则往往通过导线或电缆线实现。支架式机箱如图4所示。



图4 支架式机箱

3．机箱设计基本步骤

进行机箱设计，一般应遵循以下步骤：

（1）技术指标分析

产品的技术指标是设计、制造与使用的唯一依据，也是产品质量检验和验收的客观标准。因此进行机箱结构设计前，应详细研究产品的技术指标，全面了解市场上同类产品或相近产品的结构与使用情况，并结合制造、生产条件及工艺成熟度等，最终确定产品的结构形式。

（2）绘制结构框图

根据产品复杂程度和功能需要，按照电路原理框图，划分插箱或组装结构并形成结构框图。结构框图绘制过程中应综合考虑电路性能、抗干扰、散热、重心分配、操作性和制造工艺等多种要素。

（3）确定机箱的外形尺寸

机箱外形尺寸的确定有两种方式：

① 一种情况是电子整机或用户对机箱外形尺寸已经限定。此时，应按照电子整机产品的“三化”要求，选用标准机箱，并在此基础上进行插箱尺寸和电子元器件的安装尺寸等的设计。

② 另一种情况是电子整机或用户对机箱外形没有严格限制。此时，应先根据元器件尺寸和安装要求确定插箱大小，进而推算机箱的外形尺寸。

值得注意的是，不管采用哪种方式，最后都要进行标准化处理，即选用与规划尺寸接近的标准尺寸。

（4）面板设计与元器件排布

机箱、插箱外形尺寸与元器件组装方式确定后，即可进行面板和机箱内元器件的具体排布设计。

进行面板设计与元器件排布设计时，一般应注意以下要求：

① 对于面板上各种操纵、显示装置的选择布置，应首先满足电气原理图及电气性能的要求，另外还要综合考虑便于操作使用、人机工程和造型美观等因素。

② 对于插箱内元器件的排布，应根据主要元器件的外形尺寸及连接关系，综合考虑散热、减振、屏蔽等要求确定。

③ 对于其他仪表和电气元器件的排布，应根据其安装尺寸、安全间距、质量大小以及可操作性和可维修性等因素综合考虑确定。

4．机箱设计工艺性要求

（1）插板式机箱设计

插板式机箱是以机箱结构框或箱为主结构、以母板（底板）或背板（安装板）为承接口，插箱（板）通过主结构的导槽（轨）插入母（背）板的接口进行组合的机箱结构形式。

母板和插板如图5所示。

插板式机箱设计时应注意以下工艺性要求：

① 母（背）板的安装结构及尺寸，应保证与插板（箱）对应安装面的垂直度或平行度匹配性要求，安装尺寸的误差不应造成插板与母板间接插件的不正常插接（插不进去或插入深度不够）。



图5 插板式机箱的母板和插板

② 安装过程不应出现明显的弓曲（插入过深）、扭曲（歪斜），其最大允许的翘曲不应对接插件的插入造成机械应力或造成接触对的损伤。

（2）堆叠式机箱设计

堆叠式机箱是以多个带有接插件（板间连接器）的功能模块（单元）叠加并由连接螺杆组合在一起的机箱机构形式。在这种结构形式下，每个模块具有相对独立的功能，用螺接件进行模块之间的相互连接固定，或整个结构使用数个长螺栓连成一体，选用其中一个公共面作为安装面。

采用堆叠式机箱结构，各功能模块可单独设计、调试，使用灵活，因此该结构是星载产品最常用的一种设计方式。

功能模块和堆叠式机箱实物如图6所示。



图6 功能模块和堆叠式机箱实物

堆叠式机箱设计的工艺性要求包括：

① 应尽可能保证参与组合的各模块的外形尺寸一致性，模块尺寸相差过大时，可采用不同外形，但相邻模块重叠部分的外形应保持一致。

② 各模块叠加面及其底面的平整度要求应一致，以保证模块组合后的组合体安装面的平整度要求。

③ 对于需要通过板间连接器互连的功能模块，接插件（板间连接器）在功能模块内的相对排布位置应能保证模块的插装自由度。拔插自由度的判定，不应以牺牲模块外形的完全重叠为基础。

（3）支架式机箱设计

支架式机箱中，由支架支撑数块插板（箱）和面板（电连接器接口），每块插板（箱）与面板接口之间采用导线或导线束相连。支架式结构下一般电连接器数量较多，连线关系较为复杂，装联实施难度大。

支架式机箱实物如图7所示。



图7 支架式机箱实物

支架式机箱设计的工艺性要求包括：

① 电连接器型号、规格、标志、使用和布局应注意“防误差”设计。

② 电连接器布局的间隔应能保证电缆网中电连接器的拔插操作与安装的可操作性、可靠性与安全性。

③ 面板上相邻电连接器法兰盘边沿之间的距离不应小于15mm。

④ 支架内部和面板的背面布局空间应能保证电连接器接触件与导线焊接及尾部线束处理、导线束的绑扎与敷设、导线与印制板组装件焊接的可操作性，如图8（a）所示。

⑤ 导线束敷设路径上的金属架、底板及PCB上应设计导线绑扎孔、压线卡安装位置、尺寸和安装孔，如图8（b）所示。



图8 支架机箱内部布局及布线

⑥ 支架结构必须保证产品组装的可实施性、可维修性（包括安装、拆卸）及产品的可靠性。

⑦ 应保证紧固螺钉与金属结构件的可安装性，接地部位紧固件或连接器安装的接触电阻一般应不大于2.5Ω。

二)底座

电子产品中的底座是安装、固定和支撑各种电子元器件、机械零部件及插入单元等的基础结构。在电气设备中底座一般起支撑作用，此外，在电路连接上还起公共接地点的作用。

1．底座结构形式

底座按形状可分为矩形底座、圆形底座和异形底座，如图9所示。



图9 几种典型的底座

底座从使用材料和加工工艺上可分为板料冲制折弯底座和铸造底座。

（1）板料冲制折弯底座

板料冲制折弯底座由金属板经过落料、冲孔，然后折弯焊接成形而成。根据使用要求不同，还可多次折弯，经点焊（或钎焊）、铆接、螺装成为较复杂的机构形式，如图10所示。



图10 板料冲制折弯底座

板料冲制折弯底座的材料通常选用1～2mm厚的钢板。当产品有质量限制或屏蔽要求时，可采用铝合金板或铜板，此时其厚度可适当增大，一般取2～3mm。为了在底座上安装各种元器件和机械零部件，需要在底座上冲制出不同形状的孔时，最好一次性冲出，如果孔的数量较多，面积较大，或限于冲床的冲压力，也可分几道工序分批冲出。

设计时，应根据金属板料的厚度和材料的性能选择折弯半径。最小折弯半径的计算公式如下：

R=K1×K2×D

式中，K1——与材料品牌、状态、弯折线和材料压制纹向间的相对位置等有关的折弯系数。

K2——与弯折角度有关的弯折系数。

D——材料的厚度。

（2）铸造底座

当需要安装质量较大、数量较多的零件，或者对机械传动装置有较高精度要求时，底座应有足够的刚度和强度，以保证受到振动、冲击力作用时底座不发生变形，零部件间不发生相对位移。在这种情况下，一般采用铸造底座。铸造底座的铸造方法有砂型铸造、压力铸造和金属型铸造等。

为了提高铸件的强度，采用砂型铸造或金属型铸造的零件，一般需采用淬火失效处理的方式对铸件的内部组织进行稳固。同时为减少热处理所产生的内应力，应根据不同材料选择相应的热处理工艺。铸件晶相组织致密，缩孔和针孔应限制在一定范围内（直径为0.1～0.2mm的，针孔数量每平方厘米不多于10个），以保证良好的气密性。图11是两种较为复杂的铸造底座实物图。



图11 较为复杂的铸造底座实物图

2．底座设计工艺性要求

除了满足力学性能要求外，底座类产品设计时还应注意以下工艺性要求：

① 应有足够的轻度和刚度，以经受振动、冲击、加速度和运输中的应力考验。

② 应有较高的尺寸精度、形状和位置精度及适当的表面粗糙度，以满足安装基准的要求。

③ 毛坯零件，粗基准选择次数应尽量少于3次，每个粗基准只使用一次。

④ 基准面尽量采用零件结构中便于加工的平面或圆的轴心。

⑤ 有配合关系的零件，应尽量采用“基孔制”原则。

三)面板

面板是指安装控制装置和指示装置等的安装板。在仪表、电气控制柜中一般将前门作为面板。面板与底座、机架相连构成机柜机箱，它起着保护和安装内部元器件的作用。另外，面板是整台产品外观装饰的重要部件，如图12所示。



图12 两种面板实物图

和整机设计的原则类似，面板的设计除了关注良好的机构形式要素外，还应综合考虑面板上元器件的布局是否合理、操作是否方便、是否便于观察、能否适应操作者的生理和心理特性、外形是否美观大方等要素。

1．面板的结构设计

面板从使用材料和加工工艺上可分为板料面板、型材面板和铸造面板。

（1）板料面板

铝合金是电子产品中常用的面板材料。铝合金具有质量轻、强度和刚度适中、机械加工性能好、表面装饰性处理方便等特点。铝板材厚度一般为3～5mm，为增加其刚度或满足密封及外形等要求，面板的四周边缘可设有边框。常用的铝合金材料为LY12铝合金板。对于小型设备也可采用厚度为1～2mm的钢板，大中型设备可采用2～3mm厚的A3、A10板料。

板料面板可进一步分为单一面板和组合面板。单一面板是指将所需标准的文字及符号说明直接标示在板材上的面板，如图13所示。



图13 两种单一面板实物图

组合面板由安装板和附面板组成。其中，安装板主要用于安装固定元器件并承受负荷，附面板仅起文字说明和装饰作用，如图14所示。



图14 两种组合面板实物图

（2）型材面板

型材面板一般用在型板结构机箱中，以适应型板结构机箱的需要和外观装饰的需要。

（3）铸造面板

对于大中型设备或有密封要求、承重要求的面板，一般采用铸造面板，如图15所示。



图15 铸造面板

2．面板设计的工艺性要求

面板作为电子产品人机交互的平台，经常暴露在外，因此对它的质量要求比其他结构件更高，具体包括：

① 除保证相应的结构强度外，对表面质量、元器件布局、人性化设计等更应严格控制。

② 装饰性面板在外形和孔位基准与公差设计上应与其对应的背部元器件、仪表、指标等支撑板一致，以保证安全性。

③ 标识符号、文字、线条设计应能满足生产厂家的工艺与产品条件要求。

四)其他常见零件

机箱常用零件还包括安装板、弯角件、固定夹、减振器和把手等。

设计工艺性要求如下：

（1）安装板

① 外形应尽可能简单平整，便于元器件的布局。

② 对于振动和冲击较小的情况，安装板可采用薄板材料通过钣金成型进行制造。

③ 对于需要进一步加强和刚度需求的情况，应设计加强结构（弯角边、加强筋等）。

（2）弯角件

① 制造时应尽量选择与被加固件相同的材料和加工工艺。

② 外形应尽量简单，以保证加工的工艺性。

③ 优选可展开结构，尽量不选用复杂的结构形式，必要时可采用多个零件组合的方式，以满足使用要求。

（3）其他零件

固定夹、减振器、把手等尽量设计成标准件，需要设计成特殊形式时，应满足性能要求，同时充分考虑人机工程要素。