系列化模塊化設(shè)計在機箱機柜設(shè)計中的應(yīng)用探析

趙金木

（福水智聯(lián)技術(shù)有限公司，福建 福州 350000）

隨著科技的快速發(fā)展，我國在制造業(yè)領(lǐng)域不斷地開始采用系列化模塊化設(shè)計的理念，結(jié)合當(dāng)代的社會發(fā)展需求，在機柜機箱產(chǎn)品的機械設(shè)計時引入系列化模塊化設(shè)計的理念，這有利于行業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化推廣及使用，有利于后期產(chǎn)品的維護與升級，消除和減少貿(mào)易技術(shù)壁壘，促進各單位技術(shù)共同合作。

1 系列化模塊化設(shè)計理念

系列化模塊化設(shè)計理念屬于一種標(biāo)準(zhǔn)化的體系范疇。模塊化設(shè)計就是將一個系統(tǒng)分割成幾個相互獨立的部分，即是幾個模塊，每個模塊都是具有獨立的功能，具有相同或相近的幾何尺寸和安裝方式，具有一致的輸入、輸出接口，各模塊在功能結(jié)構(gòu)方面保持獨立性和完整性。模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化的高級形式，是標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，用相同或不同模塊可組合成新的系統(tǒng)，也便于從系統(tǒng)中拆卸更換。模塊具有通用性、互換性、典型性、兼容性。標(biāo)準(zhǔn)化通用化只是在零件級別進行通用互換，模塊化則是在部件級別，甚至子系統(tǒng)級別進行互換通用，從而實現(xiàn)更高層次的簡化。系列化模塊化設(shè)計，可以使整個產(chǎn)品生命周期中的規(guī)劃、設(shè)計、采購、物流、生產(chǎn)制造、升級和維護簡化。系列化模塊化設(shè)計即考慮產(chǎn)品的通用性和互通性，必須引入系列化模塊化設(shè)計理念，跟進與改進社會形成的模塊化和系列化的發(fā)展趨勢。

2 機柜機箱的模塊化設(shè)計過程

2.1 模塊化設(shè)計的主要作用

機柜機箱在實際的應(yīng)用過程中，對于整個系統(tǒng)起著很重要的作用，不同系統(tǒng)的使用功能和使用環(huán)境對于機柜機箱的要求也是不一樣的，因此設(shè)計出一款具有通用性的產(chǎn)品是不太現(xiàn)實的，但是可以引入系列化模塊化設(shè)計理念，設(shè)計出一種具有不同的側(cè)重點的模塊化的系統(tǒng)，針對不同的使用情況進行靈活的組合和變化，這樣可以縮短產(chǎn)品的研制周期，避免了各種產(chǎn)品的生產(chǎn)效率的降低，可以避免重復(fù)設(shè)計，提高了整體設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。用戶可根據(jù)自己的需求選用機柜產(chǎn)品，再選用滿足需求的機箱產(chǎn)品。模塊化設(shè)計的另一個主要用途是使機箱機柜在各個領(lǐng)域之間的適用性更加方便，加強機箱機柜的靈活性，模塊化設(shè)計不光可以提高機箱機柜的生產(chǎn)效率和縮短機箱機柜的生產(chǎn)周期，也可以提高機箱機柜滿足不同客戶不同需求的能力。

2.2 機柜模塊化的設(shè)計

在實際的應(yīng)用過程中，機柜模塊化設(shè)計主要是考慮機柜本身各部分的拼裝及安裝不同的機箱和機箱的數(shù)量，還需考慮線纜走線、散熱模塊、電源模塊等的安裝。機柜分為控制臺機柜、網(wǎng)絡(luò)機柜、服務(wù)器機柜，機柜的深度、寬度均有要求，一般用U 來表示機柜尺寸的單位（1U=44.45mm），目前使用較廣的是19′機柜，19′機柜是指機柜內(nèi)安裝機箱的法蘭最外側(cè)的寬度（482.6mm=19′），以U 為基本單位來區(qū)分機柜的系列，比如5U、8U、10U…系列機柜。5U機柜是指內(nèi)部空間可安裝一個5U 機箱的機柜，也可以安裝5 個1U 的機箱。機柜內(nèi)的機架上有固定機箱及各功能模塊單元的孔位，孔位的間距和大小是標(biāo)準(zhǔn)化的以滿足不同規(guī)格機箱的安裝要求。

圖1 19‘機柜的基本安裝尺寸

圖2 標(biāo)準(zhǔn)機箱的基本安裝尺寸

如圖1 所示，1U 機箱在機柜內(nèi)占用44.45mm 的高度空間，在寬度方向的固定孔距是確定的（即465mm）。這樣，按照系列化模塊化來設(shè)計的機柜，可以安裝不同規(guī)格的機箱，可滿足用戶的各種需求。機柜主要是機箱的載體，機柜的尺寸和形式主要是由機箱來決定的，設(shè)計機柜時先考慮安裝機箱的樣式及個數(shù)，同時預(yù)留一定的空間給將來擴展使用，未安裝機箱的位置用盲板封蓋??；考慮到機箱模塊單元的散熱需求，通過計算確定散熱模塊的安裝數(shù)量，同時留有一定的余量。機柜的材料主要是鋼板，通過數(shù)控彎折、沖壓成型，再經(jīng)過一系列的后處理后做成成品。

2.3 機箱模塊化的設(shè)計

機箱的種類有很多種，不同使用環(huán)境和使用條件對機箱的要求是不同的。這里主要講述19′機柜安裝用的機箱。設(shè)計機箱時必需考慮機箱內(nèi)部元、器件相互間的電磁干擾和散熱；必需考慮機箱的強度、剛度問題；必需考慮實際工作環(huán)境和使用條件，采取相應(yīng)的措施以提高機箱的可靠性和使用壽命，保證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)。機箱尺寸是根據(jù)在機柜所占用的高度及機箱內(nèi)元器件的大小確定，外形尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以先選定標(biāo)準(zhǔn)的外形尺寸，再配合硬件工程師的工作，進行機箱內(nèi)元器件的布局分配。一般也是用U 來表示機箱尺寸的單位（1U=44.45mm），1U機箱即指高度占用19′機柜內(nèi)1U 空間的機箱，2U 機箱即指高度占用19′機柜內(nèi)2U 空間的機箱，以此類推。根據(jù)不同的需求，設(shè)計系列化的產(chǎn)品1U、2U、3U......。單個機箱內(nèi)則是考慮模塊化的安裝方案，機箱內(nèi)有一系列固定面板模塊單元的孔位，孔位的間距和大小是標(biāo)準(zhǔn)化的以滿足不同規(guī)格面板的安裝要求，一般是用Te 來表示孔位的間距和面板高度尺寸的單位（1Te=5.08mm），面板高度一般是Te 的整數(shù)倍減去必需的間隙,通常為20(4Te)、40(8Te)、60(12Te)、80(16Te).....,根據(jù)不同的需求確定面板的高度。

如圖2，標(biāo)準(zhǔn)機箱在寬度方向的固定孔距是確定的（即465mm），最外側(cè)的尺寸（482.6mm）也是確定的。機箱的高度H 是根據(jù)機箱的類型（1U、2U......）來確定,高度方向的固定孔距h1 及其位置要根據(jù)機柜上的預(yù)留孔位確定。機箱內(nèi)面板單元的安裝也是模塊化的設(shè)計，用戶可根據(jù)自己的需求選用合適的模塊，未安裝面板的空間可用盲板封蓋。

3 機箱機柜機械設(shè)計理念的特點

3.1 整體設(shè)計產(chǎn)品完整化

在實際產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以通過對市場相關(guān)的產(chǎn)品的功能進行調(diào)查，規(guī)劃出一個科學(xué)有效的方案，通過進行模塊化的有效組合，從而產(chǎn)生特定的產(chǎn)品。此外，還可根據(jù)不同的使用環(huán)境和用戶需求，產(chǎn)生不同的組合，從而形成一個全新的產(chǎn)品，使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上和功能上都能夠滿足相應(yīng)的需求，繼而進一步提高產(chǎn)品經(jīng)濟效益和社會收益。

3.2 減少產(chǎn)品的設(shè)計周期

在實際的設(shè)計中，為滿足不同用戶的需求，可通過系列化模塊化設(shè)計，將產(chǎn)品進行內(nèi)部模塊化分工設(shè)計，各部分設(shè)計同步進行，依據(jù)要求定義幾個標(biāo)準(zhǔn)的模塊，這樣機械設(shè)計的周期可以縮短，同時各種部品的種類減少了，在模具開發(fā)上可以節(jié)省成本及縮短生產(chǎn)周期，制品的采購、生產(chǎn)周期也縮短。通過利用模塊化設(shè)計，可以很好地提高現(xiàn)在機箱機柜設(shè)計的效率，從而縮短整個產(chǎn)品的設(shè)計周期。

3.3 實現(xiàn)模塊化設(shè)計的知識管理和集成管理

在具體的模塊化設(shè)計過程中，要對整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計進行一個實際性的規(guī)范調(diào)研和學(xué)習(xí)，查詢行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，充分了解標(biāo)準(zhǔn)對于各部分結(jié)構(gòu)尺寸的規(guī)定。前期對產(chǎn)品知識進行各種科學(xué)合理的規(guī)劃，為各模塊的設(shè)計人員提供一定的便捷方式。實現(xiàn)模塊化設(shè)計的知識管理和集成管理，可以提高管理層的效率，加強在管理層內(nèi)部人員的使用,合理分配技術(shù)人員的工作。

4 結(jié)語

綜上所述，機箱機柜作為系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)體系，對其內(nèi)部的電子元器件都可以起到很好的保護作用，對電路的功能的實現(xiàn)起到相當(dāng)重要的作用。在整個系統(tǒng)中具有很高的地位。因此，機箱機柜行業(yè)采取系列化模塊化設(shè)計理念，有利于向標(biāo)準(zhǔn)化、通用化發(fā)展，有利于產(chǎn)品在各領(lǐng)域的推廣使用，降低生產(chǎn)成本提高生產(chǎn)效率，提高整個產(chǎn)品的市場競爭力。