尺寸鏈公差分配原理在盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)電子設(shè)備中的應(yīng)用

摘 要：盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)電子設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)較復(fù)雜而且裝配精度要求相對(duì)較高。為了將相互對(duì)插的連接器最終位置偏差控制在合理范圍內(nèi)，需要利用尺寸鏈公差分配原理對(duì)設(shè)備內(nèi)部影響連接器最終對(duì)插精度的各零部件關(guān)鍵尺寸和形位公差以及裝配定位尺寸公差進(jìn)行規(guī)劃，以便取得合理的制造和裝配精度，從而保證連接器最終順利可靠對(duì)插，最終保證盲插互聯(lián)電氣連接的可靠性。

關(guān)鍵詞： 盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)；尺寸鏈；公差分配；電子設(shè)備

1 概述

機(jī)箱類(lèi)電子設(shè)備，其母板（或結(jié)構(gòu)板）安裝在機(jī)箱底部，模塊沿著機(jī)箱內(nèi)側(cè)的導(dǎo)槽垂直插入機(jī)箱，模塊底部的連接器與母板（或結(jié)構(gòu)板上）的連接器在不可見(jiàn)（或不可調(diào)整）的情況下對(duì)插，這種互聯(lián)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為盲插互聯(lián)。盲插互聯(lián)技術(shù)是現(xiàn)代電氣互連組裝所普遍采用的技術(shù)，其不但體積小、重量輕、抗振性好；而且還能提高電子設(shè)備的互換性、應(yīng)急保障性，節(jié)約結(jié)構(gòu)空間，縮短修復(fù)時(shí)間。因此盲插技術(shù)在軍用、民用各平臺(tái)電子設(shè)備上得到了大量運(yùn)用。

然而，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致的眾多精度不確定性嚴(yán)重影響了盲插結(jié)構(gòu)的最終裝配精度。主要涉及到機(jī)箱、模塊、母板（或結(jié)構(gòu)板）、連接器的加工和裝配精度，以及整個(gè)系統(tǒng)的裝配精度等諸多環(huán)節(jié)。要發(fā)揮出盲插技術(shù)在電氣互聯(lián)方面的優(yōu)越性，就必須解決盲插結(jié)構(gòu)裝配定位精度控制技術(shù)問(wèn)題。目前盲插互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用中普遍采用的連接器為D形連接器、矩形連接器、BMA連接器、LRM連接器等。在這些連接器中為了保證高頻電信號(hào)駐波、插損等指標(biāo)要求，以及低頻信號(hào)連接可靠，要求盲插精度公差必須保證控制在±0.15mm以?xún)?nèi)。因此，如果不能有效控制上述影響盲插結(jié)構(gòu)裝配精度的因素，最終裝配精度將無(wú)法滿(mǎn)足盲插技術(shù)的容許公差。

2 典型盲插結(jié)構(gòu)電子設(shè)備

如圖1所示的產(chǎn)品為典型的盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。主要組成部分有機(jī)箱、模塊、電路板（結(jié)構(gòu)板）、模塊上的連接器、電路板（或結(jié)構(gòu)板）上的連接器。結(jié)構(gòu)板安裝在機(jī)箱底部的安裝面上，模塊沿著機(jī)箱側(cè)面的導(dǎo)槽垂直插入機(jī)箱，模塊上的連接器與結(jié)構(gòu)板上的連接器對(duì)插。連接器對(duì)插時(shí)的相對(duì)位置精度直接影響了連接器對(duì)插后的性能，從而影響了產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，甚至經(jīng)常出現(xiàn)連接器位置偏差過(guò)大而無(wú)法對(duì)插的情況。

3 典型機(jī)箱盲插結(jié)構(gòu)的尺寸鏈分解

圖2是典型盲插設(shè)備結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，文章以此為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

由圖2看出由于裝配尺寸鏈中環(huán)節(jié)較多，如果各尺寸的公差沒(méi)有得到控制，裝配關(guān)系使各環(huán)節(jié)的誤差累積到接插件上，會(huì)使其超過(guò)了接插件對(duì)插允許的誤差值，造成插拔困難直至無(wú)法對(duì)插（在水平X和Y方向造成對(duì)插的接插件中心線不重合，偏移量過(guò)大；在豎直Z向造成接插件對(duì)插深度不夠或過(guò)插）。

在生產(chǎn)實(shí)際中，尺寸鏈的簡(jiǎn)化顯然比復(fù)雜的理論計(jì)算更有利于實(shí)際問(wèn)題的解決和改善。以誤差累積最為突出的X方向的尺寸關(guān)系為例，提取X方向的尺寸裝配關(guān)系進(jìn)行分析，有如下的尺寸和公差如表1所示。

根據(jù)尺寸鏈計(jì)算方法[1]，按統(tǒng)計(jì)法對(duì)表1中各公差并結(jié)合圖3尺寸鏈進(jìn)行分析計(jì)算。

由于模塊上連接器與結(jié)構(gòu)板（或電路母板）上連接器對(duì)接偏差是整個(gè)制造和裝配過(guò)程中最后形成的一環(huán)，因此將該環(huán)確定為尺寸鏈的封閉環(huán)T0，其余為尺寸鏈的組成環(huán)。該封閉環(huán)的統(tǒng)計(jì)公差為：

其中，K0為封閉環(huán)的相對(duì)分布系數(shù)；Ki為各組成環(huán)的相對(duì)分布系數(shù)；Ti為各組成環(huán)的公差；ξi為各組成環(huán)的傳遞系數(shù)（增環(huán)時(shí)ξi =1，減環(huán)時(shí)ξi=-1）， m為組成環(huán)的數(shù)量。

在本例中，各參數(shù)如下：

根據(jù)公差統(tǒng)計(jì)原理，當(dāng)m≥5時(shí)，封閉環(huán)的公差分布可近似看作正態(tài)分布，本例中m=8，因此本例可取K0=1。

對(duì)中各組成環(huán)公差的相對(duì)分布系數(shù)進(jìn)行分析如下：

尺寸A1、A2、A3為零件尺寸，T4、T5為零件自身位置公差，這些尺寸和公差所涉及的零件屬性均由數(shù)控設(shè)備加工形成，因此認(rèn)為公差T1、T2、T3、T4、T5公差可以按正太分布規(guī)律[2]，即本例中取K1=K2=K3= K4=K5=1。

由于裝配間隙的存在，連接器在模塊上的安裝位置的偏差方向和大小，以及連接器在結(jié)構(gòu)板（或電路母板）上的安裝位置偏差方向和大小是隨機(jī)的，結(jié)構(gòu)板（或電路母板）在機(jī)箱上的安裝位置偏差方向和大小也是隨機(jī)的。因此，T6、T7、T8也符合正太分布規(guī)律，即本例中取K6=K7=K8=1。

因此，式（1）可寫(xiě)為

4 各環(huán)節(jié)公差值的分配

由于零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同、制造設(shè)備和工藝水平不同，導(dǎo)致T1-T8各個(gè)公差所能達(dá)到的最小值不同。因此，在確定T0的最大允許值的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)T1-T8各個(gè)值進(jìn)行合理分配，如果使得式（3）成立，則本例中盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足連接器對(duì)插精度要求，否則需要對(duì)T1-T8中的全部或部分公差進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

由于T1-T5本身較小，與其余公差不在相同數(shù)量級(jí)，在整個(gè)尺寸鏈中影響較小。而且其對(duì)應(yīng)的尺寸為零件自身尺寸，由數(shù)控設(shè)備加工形成，其水平與設(shè)備本身加工精度、裝夾精度有關(guān)，因此T1-T5提高的空間有限，本例中不作為重點(diǎn)改進(jìn)項(xiàng)。

T6為模塊上連接器安裝位置誤差。本例中連接器是使用M2.5螺釘裝配在模塊上的。因此，螺紋連接本身的精度以及螺釘與安裝過(guò)孔之間的間隙是裝配位置誤差產(chǎn)生的主要原因。改進(jìn)模塊上連接器的裝配方法是減小T6的有效途徑。

T7為結(jié)構(gòu)板（或電路母板）上連接器的安裝位置誤差。安裝在結(jié)構(gòu)板上的連接器一般為射頻連接器，使用M2.5螺釘裝配在結(jié)構(gòu)板上；安裝在電路母板上的連接器一般為低頻連接器或低、高頻混合類(lèi)型連接器，一般是插裝類(lèi)器件，插裝在電路板的焊孔內(nèi)，然后焊接并用M2.5或M3螺釘鎖死。由于插針與焊孔之間存在間隙、鎖緊螺釘與過(guò)孔之間也存在間隙，使得連接器安裝實(shí)際位置與理論位置出現(xiàn)偏差。因此，減小T7的有效途徑也是改進(jìn)結(jié)構(gòu)板（或電路母板）上連接器裝配方法。

結(jié)構(gòu)板（或電路母板）也是通過(guò)M3螺釘安裝在機(jī)箱上的，螺釘與過(guò)孔之間也是存在間隙。在實(shí)際生產(chǎn)裝配中發(fā)現(xiàn)，由于螺釘與過(guò)孔之間的間隙存在使得結(jié)構(gòu)板（或電路母板）的位置可以微調(diào)，反而可以補(bǔ)償最終累積在對(duì)插連接器之間的誤差T0。也就是說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用中，T8對(duì)應(yīng)的尺寸（理論上是0）已經(jīng)作為尺寸鏈中的補(bǔ)償環(huán)存在了（補(bǔ)償環(huán)是尺寸鏈中預(yù)先選定的一環(huán)，可以通過(guò)改變其大小和位置使封閉環(huán)達(dá)到要求）。

5 裝配方法改進(jìn)

5.1 裝配工裝的使用

為了有效提高模塊上的連接器和電路板上的連接器裝配精度，我們?cè)谘b配過(guò)程中引入裝配工裝（圖4、圖5、圖6）。裝配工裝的作用是在裝配過(guò)程中準(zhǔn)確固定連接器與模塊，以及連接器與電路板之間的位置關(guān)系，并在裝配后固定下來(lái)。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，使用工裝后，連接器在模塊上的位置公差T6可提高到0.2，連接器在電路板上的位置公差T7可提高到0.3。

圖4 模塊連接器裝配定位工裝示意圖

圖5 印制板連接器裝配定位工裝

圖6印制板連接器裝配定位示意圖

5.2 補(bǔ)償環(huán)的確定

前文已提到，在實(shí)際生產(chǎn)裝配中，在裝配結(jié)構(gòu)板（或電路母板）與機(jī)箱時(shí)，螺釘與過(guò)孔之間的間隙存在使得結(jié)構(gòu)板（或電路母板）的位置可以微調(diào)，反而可以補(bǔ)償最終累積在對(duì)插連接器之間的誤差T0。因此在產(chǎn)品裝配公差設(shè)計(jì)階段，就將此誤差設(shè)計(jì)為裝配尺寸鏈中的補(bǔ)償環(huán)。在允許的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)上使其位置可以適度調(diào)整（-0.15～+0.15）。這樣不僅避免了誤差T8的累積作用，而且還可以部分抵消掉其它尺寸環(huán)的誤差累積。

6 改進(jìn)后的裝配效果

針對(duì)以上的分析，在設(shè)計(jì)中引入補(bǔ)償環(huán)和在裝配中引入工裝進(jìn)行定位。上述盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)箱尺寸鏈中各環(huán)的公差實(shí)際值有了明顯改善（如表3）。

表3 各公差改進(jìn)效果

將T1-T7代入式（2）得（T8作為補(bǔ)償環(huán)，其尺寸可以調(diào)整，不累積公差）

因此，改進(jìn)后連接器對(duì)插的公差范圍為（-0.19～+0.19）。由于設(shè)置了補(bǔ)償環(huán)T8，其對(duì)應(yīng)尺寸可以在（-0.15～+0.15）之間調(diào)節(jié)。因此，調(diào)節(jié)后的連接器對(duì)插的公差范圍計(jì)算值為（-0.04～+0.04），滿(mǎn)足了連接器對(duì)插誤差±0.15mm的要求。

同時(shí)，在實(shí)際裝配中，使用以上方法改進(jìn)后的盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)備，連接器對(duì)插問(wèn)題顯著降低，對(duì)插后低頻連接器接觸全部良好，高頻連接器連接指標(biāo)良好，駐波值都在控制在1.2以下。滿(mǎn)足連接器對(duì)插的指標(biāo)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于復(fù)雜盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)電子設(shè)備，由于各環(huán)節(jié)誤差累積而造成的連接器對(duì)接困難，可以通過(guò)尺寸鏈公差分配原理，并結(jié)合實(shí)際制造工藝水平對(duì)所能達(dá)到的對(duì)各環(huán)節(jié)允許的誤差進(jìn)行合理分配。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)制造和裝配工藝方法對(duì)其中影響作用較大的尺寸精度環(huán)節(jié)進(jìn)行精度提高。實(shí)踐證明，運(yùn)用尺寸鏈公差分配原理進(jìn)行公差分配和改進(jìn)，可以顯著提高復(fù)雜盲插互聯(lián)結(jié)構(gòu)電子設(shè)備的裝配精度。

參考文獻(xiàn)

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