尺寸鏈公差分配原理在盲插互聯結構電子設備中的應用

摘 要：盲插互聯結構電子設備不僅結構較復雜而且裝配精度要求相對較高。為了將相互對插的連接器最終位置偏差控制在合理范圍內，需要利用尺寸鏈公差分配原理對設備內部影響連接器最終對插精度的各零部件關鍵尺寸和形位公差以及裝配定位尺寸公差進行規劃，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插，最終保證盲插互聯電氣連接的可靠性。

關鍵詞： 盲插互聯結構；尺寸鏈；公差分配；電子設備

1 概述

機箱類電子設備，其母板（或結構板）安裝在機箱底部，模塊沿著機箱內側的導槽垂直插入機箱，模塊底部的連接器與母板（或結構板上）的連接器在不可見（或不可調整）的情況下對插，這種互聯結構被稱為盲插互聯。盲插互聯技術是現代電氣互連組裝所普遍采用的技術，其不但體積小、重量輕、抗振性好；而且還能提高電子設備的互換性、應急保障性，節約結構空間，縮短修復時間。因此盲插技術在軍用、民用各平臺電子設備上得到了大量運用。

然而，由于結構的復雜性導致的眾多精度不確定性嚴重影響了盲插結構的最終裝配精度。主要涉及到機箱、模塊、母板（或結構板）、連接器的加工和裝配精度，以及整個系統的裝配精度等諸多環節。要發揮出盲插技術在電氣互聯方面的優越性，就必須解決盲插結構裝配定位精度控制技術問題。目前盲插互聯技術應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駐波、插損等指標要求，以及低頻信號連接可靠，要求盲插精度公差必須保證控制在±0.15mm以內。因此，如果不能有效控制上述影響盲插結構裝配精度的因素，最終裝配精度將無法滿足盲插技術的容許公差。

2 典型盲插結構電子設備

如圖1所示的產品為典型的盲插互聯結構產品。主要組成部分有機箱、模塊、電路板（結構板）、模塊上的連接器、電路板（或結構板）上的連接器。結構板安裝在機箱底部的安裝面上，模塊沿著機箱側面的導槽垂直插入機箱，模塊上的連接器與結構板上的連接器對插。連接器對插時的相對位置精度直接影響了連接器對插后的性能，從而影響了產品功能的實現。實際生產實踐中，甚至經常出現連接器位置偏差過大而無法對插的情況。

3 典型機箱盲插結構的尺寸鏈分解

圖2是典型盲插設備結構的剖面示意圖，文章以此為例進行分析說明。

由圖2看出由于裝配尺寸鏈中環節較多，如果各尺寸的公差沒有得到控制，裝配關系使各環節的誤差累積到接插件上，會使其超過了接插件對插允許的誤差值，造成插拔困難直至無法對插（在水平X和Y方向造成對插的接插件中心線不重合，偏移量過大；在豎直Z向造成接插件對插深度不夠或過插）。

在生產實際中，尺寸鏈的簡化顯然比復雜的理論計算更有利于實際問題的解決和改善。以誤差累積最為突出的X方向的尺寸關系為例，提取X方向的尺寸裝配關系進行分析，有如下的尺寸和公差如表1所示。

根據尺寸鏈計算方法[1]，按統計法對表1中各公差并結合圖3尺寸鏈進行分析計算。

由于模塊上連接器與結構板（或電路母板）上連接器對接偏差是整個制造和裝配過程中最后形成的一環，因此將該環確定為尺寸鏈的封閉環T0，其余為尺寸鏈的組成環。該封閉環的統計公差為：

其中，K0為封閉環的相對分布系數；Ki為各組成環的相對分布系數；Ti為各組成環的公差；ξi為各組成環的傳遞系數（增環時ξi =1，減環時ξi=-1）， m為組成環的數量。

在本例中，各參數如下：

根據公差統計原理，當m≥5時，封閉環的公差分布可近似看作正態分布，本例中m=8，因此本例可取K0=1。

對中各組成環公差的相對分布系數進行分析如下：

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控設備加工形成，因此認為公差T1、T2、T3、T4、T5公差可以按正太分布規律[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，以及連接器在結構板（或電路母板）上的安裝位置偏差方向和大小是隨機的，結構板（或電路母板）在機箱上的安裝位置偏差方向和大小也是隨機的。因此，T6、T7、T8也符合正太分布規律，即本例中取K6=K7=K8=1。

因此，式（1）可寫為

4 各環節公差值的分配

由于零部件結構特點不同、制造設備和工藝水平不同，導致T1-T8各個公差所能達到的最小值不同。因此，在確定T0的最大允許值的基礎上，根據實際情況對T1-T8各個值進行合理分配，如果使得式（3）成立，則本例中盲插互聯結構滿足連接器對插精度要求，否則需要對T1-T8中的全部或部分公差進行優化改進。

由于T1-T5本身較小，與其余公差不在相同數量級，在整個尺寸鏈中影響較小。而且其對應的尺寸為零件自身尺寸，由數控設備加工形成，其水平與設備本身加工精度、裝夾精度有關，因此T1-T5提高的空間有限，本例中不作為重點改進項。

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孔之間的間隙是裝配位置誤差產生的主要原因。改進模塊上連接器的裝配方法是減小T6的有效途徑。

T7為結構板（或電路母板）上連接器的安裝位置誤差。安裝在結構板上的連接器一般為射頻連接器，使用M2.5螺釘裝配在結構板上；安裝在電路母板上的連接器一般為低頻連接器或低、高頻混合類型連接器，一般是插裝類器件，插裝在電路板的焊孔內，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、鎖緊螺釘與過孔之間也存在間隙，使得連接器安裝實際位置與理論位置出現偏差。因此，減小T7的有效途徑也是改進結構板（或電路母板）上連接器裝配方法。

結構板（或電路母板）也是通過M3螺釘安裝在機箱上的，螺釘與過孔之間也是存在間隙。在實際生產裝配中發現，由于螺釘與過孔之間的間隙存在使得結構板（或電路母板）的位置可以微調，反而可以補償最終累積在對插連接器之間的誤差T0。也就是說，在實際應用中，T8對應的尺寸（理論上是0）已經作為尺寸鏈中的補償環存在了（補償環是尺寸鏈中預先選定的一環，可以通過改變其大小和位置使封閉環達到要求）。

5 裝配方法改進

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，我們在裝配過程中引入裝配工裝（圖4、圖5、圖6）。裝配工裝的作用是在裝配過程中準確固定連接器與模塊，以及連接器與電路板之間的位置關系，并在裝配后固定下來。經實際測量，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 補償環的確定

前文已提到，在實際生產裝配中，在裝配結構板（或電路母板）與機箱時，螺釘與過孔之間的間隙存在使得結構板（或電路母板）的位置可以微調，反而可以補償最終累積在對插連接器之間的誤差T0。因此在產品裝配公差設計階段，就將此誤差設計為裝配尺寸鏈中的補償環。在允許的范圍內，結構上使其位置可以適度調整（-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的誤差累積。

6 改進后的裝配效果

針對以上的分析，在設計中引入補償環和在裝配中引入工裝進行定位。上述盲插互聯結構的機箱尺寸鏈中各環的公差實際值有了明顯改善（如表3）。

表3 各公差改進效果

將T1-T7代入式（2）得（T8作為補償環，其尺寸可以調整，不累積公差）

因此，改進后連接器對插的公差范圍為（-0.19～+0.19）。由于設置了補償環T8，其對應尺寸可以在（-0.15～+0.15）之間調節。因此，調節后的連接器對插的公差范圍計算值為（-0.04～+0.04），滿足了連接器對插誤差±0.15mm的要求。

同時，在實際裝配中，使用以上方法改進后的盲插互聯結構設備，連接器對插問題顯著降低，對插后低頻連接器接觸全部良好，高頻連接器連接指標良好，駐波值都在控制在1.2以下。滿足連接器對插的指標要求。

7 結束語

對于復雜盲插互聯結構電子設備，由于各環節誤差累積而造成的連接器對接困難，可以通過尺寸鏈公差分配原理，并結合實際制造工藝水平對所能達到的對各環節允許的誤差進行合理分配。同時，通過改進制造和裝配工藝方法對其中影響作用較大的尺寸精度環節進行精度提高。實踐證明，運用尺寸鏈公差分配原理進行公差分配和改進，可以顯著提高復雜盲插互聯結構電子設備的裝配精度。

參考文獻

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 5847-2004尺寸鏈計算方法[S].

國家標準化管理委員會，2005.

[2]何景熙.復雜尺寸鏈分析計算理論及應用[D].重慶：重慶大學，2003：5-6.