標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法

賈松

（中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣州 510310）

0 引言

19 in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜（符合IEC60297標(biāo)準(zhǔn)）在電子設(shè)備通信領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，在固定機(jī)房、車載移動(dòng)通信等領(lǐng)域，很多電子設(shè)備都按照這種標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計(jì)來適應(yīng)機(jī)柜的安裝。在實(shí)際進(jìn)行電子設(shè)備系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)遇到不同數(shù)量、不同高度的設(shè)備集成應(yīng)用的情況，這就需要不同高度的機(jī)柜來滿足電子設(shè)備的安裝需求。因此需要針對不同高度的機(jī)柜開展設(shè)計(jì)，同時(shí)在機(jī)柜寬度和深度上也要有尺寸變化的要求，機(jī)柜在這方面的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，大多采用模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件的建模，利用骨架模型、族表等方式進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)[1-2]，這些方法對軟件的使用要求相對較高。為了能夠準(zhǔn)確而快速簡單地設(shè)計(jì)出滿足不同尺寸要求的機(jī)柜，探索一種適用于19 in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)方法，從而完成機(jī)柜的系列化設(shè)計(jì)，無疑將會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)周期、提高工作效率。

1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和尺寸參數(shù)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜定義

機(jī)柜是用于容納電氣或電子設(shè)備的獨(dú)立式或自支撐的機(jī)殼，機(jī)柜通常配置有門、可拆或不可拆的側(cè)板[3]。機(jī)柜的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、側(cè)板、背板等覆板組成，機(jī)架由前、后立柱和上下梁或頂框底框組成，機(jī)架是機(jī)柜的主要承力和支撐結(jié)構(gòu)，決定了機(jī)柜的主要尺寸。

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜通常指基本尺寸符合GB/T 19520規(guī)定的482.6 mm（19 in）系列的機(jī)柜，適合安裝面板寬度為19 in，高度進(jìn)制為U的倍數(shù)的機(jī)柜。符號U表示高度為44.45 mm的垂直增量，1U的高度增量等于44.45 mm[4]。

1.2 機(jī)柜尺寸參數(shù)

機(jī)柜外形尺寸有高度、寬度和深度這三個(gè)常規(guī)指標(biāo)。機(jī)柜高度在使用中是根據(jù)實(shí)際使用高度（內(nèi)部凈高度）來命名的，最常見的是用U數(shù)來表達(dá)機(jī)柜的高度，因此，在進(jìn)行參數(shù)化建模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把機(jī)柜的使用高度作為高度方向的設(shè)計(jì)尺寸，把機(jī)柜外形寬度和深度作為另外方向上的設(shè)計(jì)尺寸。這三個(gè)關(guān)鍵尺寸確定后，一個(gè)機(jī)柜的主要外形尺寸基本就確定了。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)領(lǐng)域有許多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以利用比較流行的三維設(shè)計(jì)軟件Creo進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，充分利用該軟件的參數(shù)化功能建立機(jī)柜的模型，以方便進(jìn)行機(jī)柜產(chǎn)品的參數(shù)化和系列化設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

2.1 尺寸關(guān)系分析

根據(jù)機(jī)柜組成元件的裝配關(guān)系，利用各元件或特征之間的關(guān)系建立相關(guān)約束，將這些關(guān)系和設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)之間關(guān)聯(lián)起來，以參數(shù)的變化來驅(qū)動(dòng)裝配模型的變化。在進(jìn)行建模設(shè)計(jì)過程中，可以針對機(jī)柜的主要結(jié)構(gòu)部件機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，其它側(cè)板、門板等覆板和附件可以在裝配中通過約束和關(guān)系方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

按照GB/T 19520.16-2015標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)柜立柱上的電子設(shè)備安裝系列孔與面板、插箱和機(jī)箱的孔位設(shè)置如圖1所示。

圖1 機(jī)柜的安裝系列孔距

其中圖示Ⅱ型具有附加孔的機(jī)柜可以滿足任意4個(gè)孔間距為1U，這類型標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜在實(shí)際使用中最為廣泛，已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的首選系列。在進(jìn)行機(jī)柜的建模時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照此類機(jī)柜的安裝孔尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中上、下兩端孔中心至內(nèi)框口面的距離通常取7.9 mm。

從圖1中可得知，機(jī)柜立柱的垂直系列安裝孔從上到下其間距分布規(guī)律為S=7.9+ 31.75/2+31.75/2+12.7+31.75/2+31.75/2+12.7+…+31.75/2+7.9。

理論上，1U機(jī)柜內(nèi)部凈高度為7.9×2+31.75；2U機(jī)柜內(nèi)部凈高度為7.9×2+31.75+12.7+31.75；3U機(jī)柜內(nèi)部凈高度為：7.9×2+31.75+12.7+31.75+12.7+31.75；……由此類推，可得出nU的機(jī)柜內(nèi)部凈高度尺寸為7.9×2+31.75+(n-1)×U。其中U=44.45 mm。

機(jī)柜寬度W和深度D尺寸分別有不同的數(shù)值系列，分別位于550～900、300～1200的范圍，其中W和D可以作為變量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際使用需要設(shè)置不同的數(shù)值以滿足不同尺寸系列的要求。

2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將模型的尺寸通過內(nèi)在的約束和參數(shù)建立一定的關(guān)系，有了這個(gè)關(guān)系，尺寸將不需再用確定的值，只需改變相關(guān)的參數(shù)值，與之相關(guān)的尺寸將會(huì)自動(dòng)改變。利用Creo中模型間的參數(shù)和關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性、控制產(chǎn)品尺寸的約束和變化，從而達(dá)到改變驅(qū)動(dòng)模型的目的。

運(yùn)行Creo軟件，以機(jī)柜的主要結(jié)構(gòu)部件機(jī)架作為主要模塊進(jìn)行建模，建立圖2所示的模型。

圖2 機(jī)架模型

機(jī)柜立柱上的系列孔按照圖1中具有附加孔的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格創(chuàng)建，先創(chuàng)建如圖3所示位于立柱頂部的1U空間尺寸的孔。

圖3 立柱頂部的系列孔

由于系列孔的分布具有規(guī)律性，因此對于nU尺寸的高度，可以采用陣列的方法進(jìn)行創(chuàng)建。對上述三個(gè)孔進(jìn)行數(shù)量為2的陣列操作，即可得到機(jī)柜2U空間的凈高度。同理，可以對nU機(jī)柜的凈高度采用相似的方法創(chuàng)建。

為了得到便捷通用的創(chuàng)建方法，可以采取參數(shù)化的輸入方式，即通過改變高度U數(shù)的參數(shù)變量n，得到相應(yīng)高度的機(jī)柜。在機(jī)柜凈高度S=7.9×2+31.75+(n-1)×U方程式中，只有U的數(shù)量n為變量，因此，可以把高度U的數(shù)量作為參數(shù)，建立上述關(guān)系式，通過改變該參數(shù)值，從而驅(qū)動(dòng)改變機(jī)柜的凈高度。

在Creo軟件界面，從工具選項(xiàng)卡下打開參數(shù)對話框，在彈出的窗口中用戶可以自定義一些與模型相關(guān)的參數(shù)，如名稱、編號、物料編碼等。名稱欄下即為用戶自定義的相關(guān)參數(shù)，參數(shù)名稱可以自己命名，在此窗口下分別添加以下參數(shù)：高度nU、寬度W、深度D、n。類型分別為整數(shù)和實(shí)數(shù)，初始值可以預(yù)設(shè)一定的數(shù)值也可以空著，如圖4所示。

圖4 參數(shù)創(chuàng)建窗口

2.3 參數(shù)賦值

創(chuàng)建完自定義的參數(shù)變量后，然后在工具選項(xiàng)卡下打開關(guān)系窗口，如圖5所示。利用CREO中關(guān)系的功能，可以在尺寸和自定義參數(shù)之間創(chuàng)建方程，可以給方程式中的變量進(jìn)行賦值或創(chuàng)建條件語句。建立好的關(guān)系方程就儲(chǔ)存在模型中，參數(shù)通過建立的關(guān)系方程驅(qū)動(dòng)模型尺寸的變化，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模的目的。

圖5 關(guān)系創(chuàng)建窗口

通過點(diǎn)擊模型選中機(jī)柜的高度、寬度和深度等尺寸，在關(guān)系窗口中輸入如下關(guān)系式：

n=高度nU——設(shè)置高度控制變量

d105=寬度W ——給機(jī)柜寬度賦值

d106=深度D ——給機(jī)柜深度賦值

p137=n ——系列孔陣列個(gè)數(shù)

d104=d108+d109+（7.9×2+31.75+（n-1）×44.45）——機(jī)柜外形高度

其中dxxx（xxx為數(shù)字）為尺寸的名稱，不同模型的尺寸名稱各不相同，通過上述關(guān)系對機(jī)柜的常規(guī)尺寸進(jìn)行賦值，當(dāng)在參數(shù)窗口中輸入設(shè)計(jì)值，就會(huì)將輸入的值分別賦予模型中對應(yīng)的尺寸。

按標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜要求，如圖6所示，機(jī)柜內(nèi)開檔凈寬度不小于450，機(jī)柜內(nèi)框口寬度不小于485，安裝電子設(shè)備機(jī)箱、面板等的通用孔間距為465.1，這幾處尺寸是電子設(shè)備安裝時(shí)的基本要求，必須在設(shè)計(jì)機(jī)柜時(shí)得到保證。這幾處尺寸可以在建模時(shí)通過裝配關(guān)系尺寸進(jìn)行約束和限制，以保證在模型變化時(shí)仍保持恒定的數(shù)值。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的尺寸

3 參數(shù)化模型生成

機(jī)柜的其它零部件如側(cè)板、背板、頂框底框及相關(guān)附件等可以通過裝配組合在一起，在裝配模式下，依然可以通過建立的約束和關(guān)系來驅(qū)動(dòng)尺寸。立柱左、右側(cè)面上的系列孔的創(chuàng)建可以參考前、后面上的系列孔，通過草繪參考和陣列參考特征來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

以裝配后的側(cè)板及背板為例，在裝配模型下，其寬度和高度可以通過它與機(jī)架框口寬度和高度之間的間隙來控制，在關(guān)系窗口中建立如下關(guān)系式：

d11:2=d104:0-d109:0-d108:0-3 ——側(cè)板的高度

通過關(guān)系式的約束和定義，整個(gè)機(jī)柜及裝配的組件都可以通過相關(guān)尺寸與輸入?yún)?shù)建立關(guān)系方程，然后改變輸入?yún)?shù)高度、寬度和深度這三個(gè)變量來進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。只需在參數(shù)窗口中輸入不同的高度U數(shù)、寬度W和深度D的數(shù)值，然后在裝配體中重新生成模型后便可得到所需尺寸的機(jī)柜。

在圖4的參數(shù)窗口中輸入不同尺寸高度、寬度和深度參數(shù)時(shí)，分別生成的一系列標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜模型，如圖7所示。

圖7 不同尺寸系列的機(jī)柜模型

4 結(jié)語

充分利用三維軟件CREO的參數(shù)化設(shè)計(jì)理論，建立參數(shù)和尺寸的約束關(guān)系，輸入機(jī)柜的高度U數(shù)、寬度及深度等主要外形尺寸值，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜不同尺寸系列的參數(shù)化設(shè)計(jì)。該方法可以快速創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜系列的三維模型，為機(jī)柜適應(yīng)不同要求的車載集成或電子設(shè)備產(chǎn)品的模擬裝配提供了快速化的建模方法，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。參數(shù)化建模方法使得機(jī)柜的系列化設(shè)計(jì)變得簡單直接，對具有相同類似結(jié)構(gòu)的其它柜體類設(shè)備的參數(shù)化建模具有參考意義。