容錯(cuò)設(shè)計(jì)與電子設(shè)備插箱固定形式的研究

趙文生，董智鼎，李 果

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

來自百度百科中容錯(cuò)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)解釋為：“允許操作者產(chǎn)生失誤行為的設(shè)計(jì)技術(shù)稱為容錯(cuò)設(shè)計(jì)，容錯(cuò)系統(tǒng)能吸收或容忍失誤存在，使操作者能從已發(fā)生的失誤信息中獲得幫助”。容錯(cuò)設(shè)計(jì)的范疇比較廣，在產(chǎn)品和使用過程中到處可見，比如SIM卡做成了一個(gè)倒角，避免了長方形插入帶來的多種錯(cuò)誤，家庭用的電表空氣開關(guān)降低了人觸電或?qū)矣秒娖鲹p壞的風(fēng)險(xiǎn)，空調(diào)安裝支架上的寬槽長腰孔，降低了安裝工人的安裝失誤和工作難度。一個(gè)好的設(shè)計(jì)師之所以要考慮容錯(cuò)設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)楫a(chǎn)品從設(shè)計(jì)到加工到用戶操作者中間環(huán)節(jié)很多，不能出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤。然而受環(huán)境、人的身體狀態(tài)等各種因素影響，要其中所有人、所有設(shè)備每時(shí)每刻都做到這一點(diǎn)幾乎不可能。以一個(gè)機(jī)械零件為例，除了設(shè)計(jì)可以固化外，其它都存在變數(shù)，比如在不同的廠家加工，工藝、設(shè)備、加工者可能會(huì)有所不同，不同的加工者手藝不同，即使同一個(gè)加工者加工相同的零件每個(gè)零件公差也會(huì)有所不同，到用戶手中，不同的操作者使用細(xì)節(jié)也不盡相同，這些都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品錯(cuò)誤的發(fā)生，這也是即使世界名牌產(chǎn)品也會(huì)有維修的原因。既然出錯(cuò)難以避免，如何容錯(cuò)設(shè)計(jì)才是關(guān)鍵，容錯(cuò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是做好防御，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須不斷尋找造成產(chǎn)品出錯(cuò)的原因，并想法解決，盡可能預(yù)防錯(cuò)誤的發(fā)生或?qū)㈠e(cuò)誤發(fā)生產(chǎn)生的損失降至最低。文中對(duì)插箱各種固定形式進(jìn)行了分析和研究，剖析了利弊，從容錯(cuò)設(shè)計(jì)理念出發(fā)，提出了一種新的插箱固定形式技術(shù)，減少了人為過失因素對(duì)插箱固定螺釘及螺母損壞的幾率，解決了某些插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題，對(duì)插箱固定形式具有很好的參考意義。

1 一般插箱固定形式

1.1 軍標(biāo)要求插箱固定方式

為了提高設(shè)備的通用化、系列化程度，國家軍用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)插箱及機(jī)柜出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的要求，插箱前面板固定孔形式見圖1，根據(jù)文獻(xiàn)［2］的要求，插箱前面板固定孔形式見圖2～4。面板安裝孔或安裝槽的形式及尺寸見圖5，允許采用圖5以外的孔或槽，但應(yīng)能適應(yīng)文獻(xiàn)［2］中M6安裝螺釘尺寸及公差要求。

圖1 整面板插箱外形圖

圖2 1U～2U插箱面板

文獻(xiàn)［2］中插箱所要裝入的機(jī)柜及高度系列孔尺寸見圖6。

圖3 1U～6U插箱面板

圖4 6U～13U插箱面板

圖5 面板安裝孔

文獻(xiàn)［2］要求機(jī)柜必須具有圖6所示的系列安裝孔（允許用T型槽或其它結(jié)構(gòu)代替），需要時(shí)可在孔距為31.75mm的2孔中心位置增加1個(gè)孔。在每米間距內(nèi)，任意兩孔的孔距公差為±0.4mm。

機(jī)柜寬度方向有關(guān)尺寸見表1和圖7，表1中B0為面板安裝尺寸。

表1 機(jī)柜寬度方向有關(guān)尺寸（單位mm）

1.2 安裝槽插箱固定方式

早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)多為鈑金或鈑金型材機(jī)柜，因當(dāng)時(shí)加工設(shè)備所限，機(jī)柜上的系列孔尺寸公差較大，機(jī)箱面板安裝孔也多為人工劃線加工，機(jī)箱安裝孔公差同樣也大，因安裝槽固定方式對(duì)安裝精度要求不高，因而早期產(chǎn)品多采取文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［2］圖示安裝槽固定方式。根據(jù)圖5安裝槽所示尺寸6.8mm（下偏差0和上偏差＋0.5mm）和10.3±0.4mm，如機(jī)柜插箱安裝螺絲孔上下、左右公差按±0.4mm計(jì)算，對(duì)應(yīng)插箱固定孔上下尺寸允許公差為±0.4～±0.9mm。計(jì)算過程如下：

圖6 機(jī)柜高度系列孔尺寸

圖7 機(jī)柜寬度方向有關(guān)尺寸

插箱固定孔上下孔距尺寸上公差：

插箱固定孔上下孔距尺寸下公差：

也就是說，當(dāng)機(jī)柜安裝槽孔尺寸最大為7.3mm時(shí)，插箱固定孔距上下尺寸允許公差為±0.9mm。

當(dāng)機(jī)柜安裝槽孔尺寸最小為6.8mm時(shí)，插箱上下固定孔距尺寸允許公差為±0.4mm。插箱上下固定孔距允許公差合格判據(jù)一般取下公差±0.4mm，即插箱上下固定孔距尺寸公差要求為±0.4mm。

同理可計(jì)算出插箱固定孔左右孔距尺寸允許公差在±3.9mm。計(jì)算過程如下：

插箱固定孔左右孔距尺寸允許公差

因而安裝槽插箱固定方式一般加工手段就可滿足插箱固定。

安裝槽固定方式的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）對(duì)加工設(shè)備和人員要求低，加工成本低；

（2）插箱互換性好；

（3）插箱固定螺釘如損壞可方便更換；

（4）插箱固定時(shí)，機(jī)柜上螺紋不易被固定螺釘損壞。

安裝槽固定方式的缺點(diǎn)為：

（1）插箱抽出機(jī)柜時(shí)，需要將固定螺釘一個(gè)個(gè)拆下，螺釘沒有合適的擺放位置，尤其在調(diào)試時(shí)間長時(shí)，容易和其它螺釘混淆，需要時(shí)尋找時(shí)間長或一時(shí)找不到；

（2）插箱拆裝時(shí)間長，增加維修時(shí)間。

1.3 松不脫螺釘插箱固定方式

為了解決安裝槽固定方式的缺點(diǎn)，隨著數(shù)控等加工技術(shù)的運(yùn)用，加工精度得到提高，于是有了插箱松不脫螺釘固定方式，就是將插箱面板上由安裝槽固定方式的槽孔改為螺絲孔，面板上安裝松不脫螺釘。M6松不脫螺釘光桿部分國家標(biāo)準(zhǔn)為直徑4.32～4.5mm，如機(jī)柜插箱安裝孔上下、左右公差按±0.4mm計(jì)算，對(duì)應(yīng)插箱固定孔上下、左右尺寸允許公差經(jīng)計(jì)算均在±1.1～±1.28mm，一般加工手段可滿足插箱固定孔加工，但因?yàn)楸劝惭b槽固定方式公差允許范圍小很多，因而機(jī)柜系列孔尺寸公差需保證在±0.4mm。

機(jī)柜系列安裝孔加工精度要求比安裝槽固定機(jī)柜要高，一般工人手工劃線難以保證所有系列安裝孔尺寸要求，過去多數(shù)工人采取插箱配打或數(shù)控模板配打方式。前者會(huì)為將來插箱備件更換帶來隱患，設(shè)計(jì)師及工藝師發(fā)現(xiàn)后應(yīng)制止，同時(shí)設(shè)計(jì)、質(zhì)量、工廠等相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)宣貫力度，避免在產(chǎn)品圖紙和實(shí)際操作中通過插箱進(jìn)行配打孔現(xiàn)象的出現(xiàn)。

松不脫螺釘固定方式的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）因松不脫螺釘始終在插箱上，螺釘不會(huì)找不到，也不會(huì)和其它螺釘混淆，維修時(shí)間比安裝槽固定方式短；

（2）松不脫螺釘如損壞可方便更換；

（3）松不脫螺釘較其它常規(guī)螺釘固定公差大，安裝精度低（但比安裝槽固定方式高）。

松不脫螺釘固定方式的缺點(diǎn)為：

（1）插箱面板或機(jī)柜固定螺絲處需要留出松不脫空間（見圖8），增加面板厚度（見圖9）或鉚接松不脫螺釘所需的過渡件；

圖8 機(jī)柜留出松不脫空間圖

圖9 插箱面板留出松不脫空間圖

（2）加工精度比安裝槽固定方式高；

（3）插箱通過導(dǎo)軌推入時(shí)，松不脫螺釘因?yàn)橹亓ψ饔?，中心軸線不能和面板成垂直狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)機(jī)柜上固定孔，需要人工對(duì)準(zhǔn)，如操作者用力過大，松不脫螺釘撞在機(jī)柜固定孔邊沿會(huì)損壞，同時(shí)也可能對(duì)機(jī)柜固定孔螺紋造成損傷。

1.4 彈簧松不脫螺釘插箱固定方式

為了解決松不脫螺釘固定方式的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)師們發(fā)明了插箱彈簧松不脫螺釘固定方式，其方式是在面板上鉚裝一螺套，螺套上攻絲，松不脫螺釘通過螺套上螺絲和其相聯(lián)接，螺套和松不脫螺釘之間裝入彈簧（見圖10），利用彈簧的彈力強(qiáng)制使松不脫螺釘中心軸線和插箱面板垂直，減少插箱通過導(dǎo)軌推入時(shí)對(duì)松不脫螺釘螺紋的損壞，另外設(shè)計(jì)師也可通過市場采購合適的更加復(fù)雜的不可拆卸鉚裝彈簧松不脫螺釘。

圖10 彈簧松不脫螺釘示意圖

彈簧松不脫螺釘固定方式的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）插箱通過導(dǎo)軌推入時(shí)對(duì)松不脫螺釘螺絲的損壞比非彈簧松不脫螺釘概率要??；

（2）插箱安裝時(shí)間、維修時(shí)間比上述2種短。

彈簧松不脫螺釘固定方式的缺點(diǎn)為：

（1）插箱需要鉚裝螺套，尤其是市場采購彈簧松不脫螺釘需要專用鉚裝工具，產(chǎn)品交付顧客后，螺釘若損壞更換需要專業(yè)人員和專用設(shè)備，比較麻煩。

（2）安裝公差小，插箱機(jī)柜固定孔加工精度要求高。尤其是有些市場采購彈簧松不脫螺釘沒有常規(guī)松不脫螺釘直徑為4.32～4.5mm的光桿部分，雖然鉚裝在插箱面板后螺釘可圍繞中心移動(dòng)，但經(jīng)實(shí)際測量接近緊固狀態(tài)時(shí)，螺釘可調(diào)節(jié)移動(dòng)范圍小于±0.2mm，采用此種螺釘，插箱面板螺釘間距可調(diào)范圍為±0.4mm，如加上插箱面板孔距加工誤差±0.2mm，實(shí)際機(jī)柜上固定插箱面板孔距可調(diào)范圍為±0.2mm，絕對(duì)值小于軍標(biāo)規(guī)定的機(jī)柜系列孔誤差±0.4mm，說明插箱固定時(shí)，如加工誤差均取極限值，理論上插箱固定螺釘和機(jī)柜固定孔在不受損的前提下無法同時(shí)固定，這也是實(shí)際產(chǎn)品中有些插箱對(duì)應(yīng)的安裝孔需要重新攻絲才能安裝上的原因，也是插箱螺釘損壞和機(jī)柜插箱安裝孔滑絲的原因之一，同時(shí)也是插箱不具有互換性的原因（而帶直徑為4.32～4.5mm的光桿部分松不脫螺釘實(shí)際間距可調(diào)范圍大于±1.3mm，遠(yuǎn)大于機(jī)柜系列孔誤差±0.4mm，如加工都控制在理論范圍內(nèi)，不存在上述問題），因而此類彈簧松不脫螺釘對(duì)機(jī)柜和插箱固定孔尺寸公差要求高（經(jīng)計(jì)算機(jī)柜系列孔尺寸公差需保證在±0.2mm，高于軍標(biāo)要求±0.4mm），螺釘損壞概率遠(yuǎn)高于常規(guī)松不脫螺釘，實(shí)際使用過程中的產(chǎn)品也證明了這一點(diǎn)，因此建議設(shè)計(jì)師今后不要再選購。

2 容錯(cuò)松不脫螺釘插箱固定裝置

2.1 容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置設(shè)計(jì)目的

鑒于以上各種插箱固定方式存在的缺點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)上述插箱固定方式的分析，通過取長補(bǔ)短，利用容錯(cuò)設(shè)計(jì)的理論，設(shè)計(jì)出了容錯(cuò)松不脫螺釘插箱固定裝置，其目的是降低機(jī)柜系列孔和插箱固定孔距精度要求和加工成本，減少插箱固定螺釘及螺母損壞的機(jī)率，解決插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題，降低人為差錯(cuò)所帶來的負(fù)面影響和設(shè)備通用化難度，將可能發(fā)生的人為過失錯(cuò)誤損失降至最小，提高設(shè)備的可靠性、維修性和安全性。

2.2 容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置設(shè)計(jì)原理

容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置由松不脫螺釘、螺套、彈簧、可調(diào)螺母和墊板組成，如圖11所示。

可調(diào)螺母上有2個(gè)螺紋孔，一個(gè)為固定插箱所用的M6孔，另一個(gè)為固定可調(diào)螺母在機(jī)柜系列孔件上的M4孔。兩孔間距根據(jù)機(jī)柜系列孔定為12.7mm，墊板上根據(jù)插箱上固定孔數(shù)量開設(shè)相對(duì)應(yīng)的固定M4沉頭螺絲釘孔和直徑6.5mm的通孔，可調(diào)螺母通過M4沉頭螺釘和墊板固定在機(jī)柜系列孔上，可調(diào)螺母和墊板上設(shè)松不脫螺釘所需的光孔尺寸。

圖11 容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置

此尺寸之和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)大于松不脫螺釘螺紋長度尺寸，否則松不脫螺釘在松開過程中，其上螺紋部分將同時(shí)聯(lián)結(jié)可調(diào)螺母和插箱面板上螺紋而產(chǎn)生干涉，對(duì)三者螺紋干涉部分造成損傷，失去使用松不脫螺釘調(diào)整加工誤差的目的。

螺套內(nèi)放入外徑為7mm的彈簧，裝彈簧處螺套內(nèi)徑為7.2mm，壓縮彈簧螺套接觸面處孔徑為6mm，插箱面板安裝孔為M6螺紋孔，通過合理設(shè)計(jì)各相關(guān)零件和選擇合適的彈簧，容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置從外觀上看螺套就象鉚裝在插箱面板上，松不脫螺釘非固定狀態(tài)中心軸線基本和插箱面板垂直。

容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置設(shè)計(jì)原理就是將原來機(jī)柜系列孔上不可調(diào)整的M6孔改為直徑為6.5mm的通孔，并在其上固定一個(gè)個(gè)可調(diào)螺母，固定可調(diào)螺母為M4沉頭螺釘，沉頭螺釘通過機(jī)柜系列孔上直徑為6.5mm的通孔，利用直徑6.5mm通孔和M4螺紋之間的間隙（2.5mm），對(duì)零件加工過程中產(chǎn)生的孔距誤差進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)槿蒎e(cuò)松不脫螺釘固定裝置中的可調(diào)螺母可完全調(diào)整到和機(jī)柜系列孔上直徑為6.5mm的通孔同心或邊沿相齊，不受機(jī)柜插箱安裝孔誤差影響，另螺套為活動(dòng)式，對(duì)插箱松不脫螺釘調(diào)整不干涉，容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置中孔距誤差僅受插箱面板螺絲孔和松不脫螺釘光桿直徑尺寸影響，故上下左右容錯(cuò)松不脫螺釘間距可調(diào)整范圍為±1.5mm，比市場采購彈簧松不脫螺釘調(diào)整范圍要大。

因?yàn)榭烧{(diào)螺母為一個(gè)個(gè)獨(dú)立個(gè)體，如在使用過程中損壞，可非常方便地進(jìn)行更換，而一些直接在機(jī)柜固定面上或間接通過過渡件打出系列螺紋孔的，如螺紋損壞有些無法保持原狀態(tài)維修，或者恢復(fù)原狀態(tài)要更換整條機(jī)柜系列孔零件，成本高，工作時(shí)間長，難度大。而容錯(cuò)松不脫螺釘因?yàn)椴皇且惑w化鉚裝，螺釘損壞后更換也很方便。

綜上所述，容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）機(jī)柜上插箱固定螺母可以移動(dòng)調(diào)整，單個(gè)最大可調(diào)范圍為±0.25mm，一組（2個(gè)）可調(diào)范圍為±0.5mm，完全可消除軍標(biāo)規(guī)定的孔距誤差±0.4mm的負(fù)面影響。

（2）插箱松不脫螺釘可以移動(dòng)調(diào)整，單個(gè)最大可調(diào)范圍為±0.75mm，一組（2個(gè)）可調(diào)范圍為±1.5mm，完全可消除常規(guī)加工手段達(dá)到的孔距誤差±0.2mm的負(fù)面影響。

（3）通過可調(diào)螺母調(diào)整后固定和插箱松不脫螺釘?shù)淖詣?dòng)調(diào)整，同時(shí)降低了對(duì)機(jī)柜系列孔和插箱安裝孔的加工精度要求（比如，若插箱安裝孔距公差要求為±0.4mm時(shí)，計(jì)算機(jī)柜系列孔公差可擴(kuò)大為±1.6mm），消除了插箱固定尺寸誤差滿足不了要求而對(duì)松不脫螺釘和螺母所造成的損壞或損傷。

（4）因插箱導(dǎo)軌安裝不當(dāng)或其它各種原因造成螺釘和螺母損壞，不需要專業(yè)人員幫忙，顧客或現(xiàn)場人員就可進(jìn)行更換。

容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置的缺點(diǎn)是每個(gè)可調(diào)螺母安裝時(shí)都需要調(diào)整（不過實(shí)際調(diào)整過程非常簡單快捷，熟練工人調(diào)整時(shí)間一般小于30s）。

2.3 容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置效果簡介

容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置已應(yīng)用于某產(chǎn)品，該產(chǎn)品由多個(gè)機(jī)柜和顯控臺(tái)組成，由不同地域多個(gè)單位參與，大小不同插箱幾十個(gè)，不同加工生產(chǎn)單位數(shù)個(gè)，盡管有些機(jī)柜上系列孔水平尺寸誤差較大（超出±0.4mm，個(gè)別接近1mm），但通過使用容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置的調(diào)整，所有插箱都完成了裝配，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，證明采用容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置的機(jī)柜通用化、系列化程度高，能滿足不同單位的需求。

3 結(jié)束語

在科研生產(chǎn)和設(shè)備調(diào)試維修過程中，提高全體人員的素質(zhì)和責(zé)任心是必須的，但是作為一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，不可把產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量、設(shè)備的安全性、維修性、可靠性完全放在人的素質(zhì)和責(zé)任心上，應(yīng)該考慮人為過失錯(cuò)誤可能給設(shè)備和人員帶來的各種隱患。

容錯(cuò)設(shè)計(jì)的目的不是允許錯(cuò)誤的發(fā)生，而是要對(duì)可能發(fā)生的錯(cuò)誤通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)防。容錯(cuò)松不脫螺釘固定裝置基于這種理念，采取容錯(cuò)設(shè)計(jì)，減少了人為過失因素對(duì)插箱固定螺釘及螺母損壞的幾率，解決了某些插箱固定螺釘及螺母損壞后難以更換的難題。經(jīng)產(chǎn)品實(shí)際驗(yàn)證，設(shè)備通用化難度得到降低，可靠性、維修性得到了提高。

［1］GJB／Z28A－99.插箱、插件基本尺寸系列［S］.

［2］GJB 2825－97.軍用雷達(dá)機(jī)柜、插箱、插件模塊化要求［S］.