電子整機設(shè)備可制造性設(shè)計的應(yīng)用研究

史建洲

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

電子整機設(shè)備是由零件、部件、模塊等部分組成，通常具有輸入、輸出接口，并能夠完成一定電性能指標(biāo)的設(shè)備單元。不同功能的電子整機設(shè)備可以組成一個更加復(fù)雜的系統(tǒng)。機箱是典型的電子整機設(shè)備形式，其組成包括機箱框架、電路板卡、功能模塊、電氣零部件和電氣互聯(lián)部分。其中機箱框架結(jié)構(gòu)是給電氣部件及板卡提供支持和安裝的部分，電氣互聯(lián)部分主要由導(dǎo)線和線束等組成，用于電氣部件和板卡的連接，以及設(shè)備的對外信號連接[1-3]。

以往的整機設(shè)計以功能實現(xiàn)為主，較少地考慮如何方便快捷地進(jìn)行加工生產(chǎn)。因此在電氣端口規(guī)劃、連接器選型等直接影響電氣互聯(lián)的可制造性方面關(guān)注度不夠，這就造成了電子整機裝配時出現(xiàn)了很多問題：一是電氣互聯(lián)的導(dǎo)線以散線為主，連接關(guān)系復(fù)雜，電氣部件和導(dǎo)線、線束交織到一起，并且只能依托于設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場裝配；二是連接器或模塊以焊接端子為主，這就導(dǎo)致電子裝配時，往往需要較長的作業(yè)時間；三是結(jié)構(gòu)件加工、電氣部件的固定連接和電氣互聯(lián)導(dǎo)線的電裝之間是一種先后制約的串行作業(yè)關(guān)系，前一種工作如果無法完成就無法開展后續(xù)工作。正是由于上述問題造成整機類電子設(shè)備生產(chǎn)的一系列問題：周期長、難度大、成本高、質(zhì)量控制困難[4-5]。

筆者采用模塊化的理念，借助于汽車生產(chǎn)的模式，將整個電子整機設(shè)備劃分為相互獨立的模塊，在總裝前期進(jìn)行并行生產(chǎn)，在模塊完成生產(chǎn)后快速組裝。設(shè)計理念的改變，將極大的改善后續(xù)的生產(chǎn)加工效率。

圖1 傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)方式圖

圖2 改進(jìn)后的并行生產(chǎn)方式

1 可制造性設(shè)計

可制造性設(shè)計（DFM）、可裝配性設(shè)計（DFA）是產(chǎn)品設(shè)計的一種重要理念，也就是在產(chǎn)品設(shè)計時要考慮到生產(chǎn)加工階段，如何符合現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，如何更快、更方便以及更低成本地生產(chǎn)加工出來。

可制造性設(shè)計在理念上采用以下幾個觀點：保持設(shè)計的簡單；使用標(biāo)準(zhǔn)化的物料；減少組裝和處理；設(shè)計和組裝流程用同一個方向；采用自動化生產(chǎn)的理念。

根據(jù)可制造性理念，電子整機設(shè)備在設(shè)計時應(yīng)采用模塊化的方式，也就是將框架結(jié)構(gòu)、電氣部件、板卡、電氣互聯(lián)部分都盡量地轉(zhuǎn)化成獨立的模塊，消除裝配相互制約的因素，從而實現(xiàn)并行生產(chǎn)、快速裝配的目的。

1.1 整體要求

電子整機設(shè)備的可制造性整體要求就是：組成設(shè)備的各個部分都能被拆分為獨立的部件或模塊。獨立的部件或模塊，指的是相互之間沒有電氣或結(jié)構(gòu)上的制約和關(guān)聯(lián)，沒有先后的生產(chǎn)或裝配約束關(guān)系。

以機箱為例，常見的機箱組成包括：機箱框架結(jié)構(gòu)件、電路板、濾波器電源等功能模塊、連接器、開關(guān)、顯示屏等電氣零部件以及電氣互聯(lián)的導(dǎo)線或線束。

按照可制造性要求，在零部件選型以及接口規(guī)劃時，機箱的這些部分都應(yīng)該成為相互獨立的模塊。最簡單的評判標(biāo)準(zhǔn)就是：當(dāng)機箱裝配完成后，能夠通過起子、扳手等簡單的裝配工具，就可以將機箱拆成能夠重新裝配的獨立模塊。

1.2 線束組件的使用

在整機設(shè)備的可制造性設(shè)計中，最核心的理念就是線束組件的使用。獨立線束組件是整機設(shè)備中電氣互聯(lián)的線束組件的最主要形式。所謂獨立線束組件，就是兩端有連接器或端子的線束組件。獨立線束組件一般采用連接器引腳一對一的連接關(guān)系。獨立線束組件通常為多芯導(dǎo)線的形式。

獨立線束組件的類型包括：電源類、信號類、通信類、控制類和復(fù)合類等形式。企業(yè)可以根據(jù)自己的行業(yè)特點和電性能特征來規(guī)劃獨立線束組件的種類，形成線束組件的選型圖譜手冊，方便設(shè)計師規(guī)劃接口及電氣互聯(lián)時選用。

1.3 電氣零部件及模塊的選型和線束化

電氣零部件通常是指需要進(jìn)行電氣互聯(lián)的零部件，例如安裝于機箱面板的連接器、開關(guān)、指示燈等。電氣模塊常見的有濾波器、電源模塊以及其他具有特定電性能的模塊。

安裝于面板的連接器、開關(guān)等零部件，選型原則是能夠從機箱內(nèi)側(cè)向外安裝固定，例如航空插座，建議由螺母安裝型代替法蘭盤安裝插座，如圖3、4所示。

圖3 法蘭盤安裝插座

圖4 螺母安裝插座

螺母安裝插座和法蘭盤安裝插座最大的區(qū)別就是，螺母安裝插座在機箱裝配前就可以進(jìn)行方便的導(dǎo)線裝配，形成帶線束的連接器組件。該組件可以在機箱裝配時，方便地從機箱內(nèi)安裝固定；裝配完成后，也能夠方便地從機箱結(jié)構(gòu)部分分離出來。

電氣零部件及模塊選型的另一個原則就是盡量選用螺桿或螺釘端子形式，盡量不選焊接型端子的零部件或模塊。因為帶螺桿或螺釘端子的零部件或模塊可以使用帶端子的獨立線束組件，而不需要在安裝后進(jìn)行導(dǎo)線的現(xiàn)場焊接。

但是，有些型號的電氣零部件只有焊接端子一種型號，那么可以對其進(jìn)行線束化，在訂購到器件后對其線束和連接器或端子進(jìn)行連接，使其成為具有線束部分的組件。這種帶線束和連接器或端子的組件，也具備了獨立裝配的特性。

1.4 轉(zhuǎn)接板的使用

對于機箱類的電子整機設(shè)備，通常在后面板安裝各種類型的航空插座，用于供電以及對外的電信號連接。航空插座的內(nèi)側(cè)通常采用焊接或壓接的方式，連接導(dǎo)線到不同的板卡或模塊，有些時候還需要對航空插座之間進(jìn)行互聯(lián)。這種航空插座固定在后面板的模式不太容易使用線束組件，必然會降低機箱的可制造性。

為了解決這個問題，除了采用前面提到的航空插座線束化之外，還可以使用轉(zhuǎn)接板的方式對其進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)接板是安裝在機箱面板內(nèi)側(cè)的一個電路板，在轉(zhuǎn)接板的外側(cè)，采用印制板焊接型的航空插座，在轉(zhuǎn)接板的內(nèi)側(cè)，使用微矩形插座。轉(zhuǎn)接板起到航空插座之間的信號互聯(lián)以及歸類的作用，將同一板塊或模塊的信號通過轉(zhuǎn)接板匯集到內(nèi)側(cè)同一個微矩形插座。轉(zhuǎn)接板內(nèi)側(cè)的微矩形插座因為已經(jīng)對信號進(jìn)行了歸類和整理，具備了和機箱內(nèi)部的電路板或模塊進(jìn)行線束組件連接的要求，就可以方便地選用獨立線束組件了。

轉(zhuǎn)接板就是一個轉(zhuǎn)換、匯總的中轉(zhuǎn)站，其目的就是通過對外部航空插座信號的匯總、歸類使其可以在機箱內(nèi)部使用獨立的線束組件。

圖5 轉(zhuǎn)接板示意圖

1.5 其它的說明

對于電源類的航空插座，可以選用和濾波器一臺化的組合模塊，這種組合模塊解決了2個問題，第一是電磁兼容問題，航空插座直接連接濾波器，減少了中間的導(dǎo)線連接和采取的屏蔽措施，第二是濾波器采用螺柱端子，可以在機箱內(nèi)部使用帶端子的獨立線束組件。

圖6 航空插座濾波器一體模塊

2 線束組件的設(shè)計

在機箱內(nèi)部可以采用企業(yè)通用的線束組件，但是通常的線束組件，只規(guī)定了兩端的連接器型號和接線關(guān)系，對于線束組件的長度，往往只是有幾種推薦的長度，并不適合所有的設(shè)備。那么就需要針對不同的機箱進(jìn)行長度的提前設(shè)計。只有提前獲得了線束組件的長度，才能夠?qū)崿F(xiàn)后期的快速裝配。

線束組件的提前規(guī)劃設(shè)計，可以采用三維布線技術(shù)來實現(xiàn)。三維布線技術(shù)，是一種基于設(shè)備三維模型的線束仿真技術(shù)。三維布線技術(shù)可以獲得線束在設(shè)備里的走線路徑和長度。

三維布線利用了協(xié)同設(shè)計的理念，在結(jié)構(gòu)三維模型完成后，就開始三維布線設(shè)計，并將三維布線獲得的線束路徑和空間沖突信息以及線束固定信息反饋給三維模型進(jìn)行迭代完善。三維布線技術(shù)為線束組件在電子設(shè)備內(nèi)的使用提供了有力的技術(shù)支撐。

3 結(jié)束語

電子整機設(shè)備的可制造性設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，也是一種理念。在方案階段需要對接口進(jìn)行規(guī)劃，確保其便于使用獨立的線束組件；在器材選型階段，也要考慮形成獨立模塊的要求；在設(shè)計階段，要開展結(jié)構(gòu)和電氣互聯(lián)以及工藝的協(xié)同設(shè)計，確保提前獲得線束組件的路徑和長度。

電子整機設(shè)備的可制造性設(shè)計，需要項目團(tuán)隊的設(shè)計師始終秉持設(shè)計為更好的生產(chǎn)制造服務(wù)的精神。一個具有可制造性的產(chǎn)品，可以體現(xiàn)一個設(shè)計師團(tuán)隊卓越的設(shè)計水平和先進(jìn)的思想理念。