某系統電子設備結構及工藝設計

彭輝

摘 要：結合某系統研制過程中所從事的具體工作，著眼于結構及工藝，對電子設備設計技術、結構設計方法、產品具體的結構形式和處理工藝作了簡單介紹和說明。根據設備功能、性能及所處工作環境等研制方案明確或隱含的設計要求，電路設計應與結構設計密切協調、互相配合，共同采取相應措施以達到最佳的設計效果。經工程實際應用，某系統電子設備運行持久正常、性能穩定可靠。

關鍵詞：電子設備 結構設計 工藝設計

中圖分類號：TN02 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0071-03

結構設計是為了滿足電子產品的各項功能和電性能，使設備在各種既定環境下都能正常工作所進行的設計。它可以把產品的外觀直接展現出來，在一定程度上決定了產品的可靠性、壽命及性價比。好的設計應合理滿足整機的性能要求，在市場上具有競爭力。

產品的工藝性能直接影響到產品性能和戰術技術指標的實現。工藝設計的最高原則是以最少的社會勞動消耗創造出最大的物質財富，這個原則也是企業賴以生存和發展的基礎。

無論哪類電子設備的設計都離不開結構，整機結構設計水平的高低和工藝技術的好壞對于產品質量至關重要。電子設備的故障或失效大都可歸結為設計上沒有想到或沒意識到某些細節或約束，一些通用設計的技術、準則、理念和方法必須被予以重視并深入貫徹到產品研發中去。

1 某系統電子設備結構設計

1.1 概述

某系統主要由多路耦合器、終端機和信號分配器組成，采用19英寸標準機柜上架安裝方式。各設備遵循標準化、系列化、通用化設計原則，顏色、標識、銘牌、把手和接口連接器選擇均符合系統設計規范要求。

根據研制方案確定電氣功能、性能及使用環境要求，經研究分析整機結構形式和尺寸約束后，初步進行元器件布局、布線和組裝設計，合理選用材料、涂鍍、加工手段，采用通用件和標準件，簡化制造工藝，積極運用成熟技術。后通過軟件進行三維實體建模、裝配仿真、應力應變分析、熱流分析，進一步優化零部件結構。

1.2 多路耦合器

機箱箱體及內部隔板全選用鋁合金板，銑削成型，并通過相互搭接、螺釘擰緊固定。選用鋁合金板，是因其具有重量輕、加工定位準確、易開溝槽安裝固定屏蔽材料、裝配拆卸簡便、外形美觀等優點。

多路耦合器采用模塊化設計理念，將防雷電路、放大電路和功率分配電路分別安裝在鋁合金板銑削成型的屏蔽盒內，構成單獨的防雷模塊、放大模塊和功率分配模塊。為便于器件散熱，將散熱器緊貼機箱左側板，電源模塊緊貼機箱右側板，放大模塊和功率分配模塊固定在散熱器上，并分別在安裝貼合面涂敷導熱硅脂。由于電源模塊較重，為滿足沖擊、振動試驗要求，設計固定架使其一側與底板連接，另一側包住電源與右側板。防雷模塊安裝在前隔板預設位置，并與中隔板和后隔板一起組成隔板部件，組裝時將其整體插入機箱。各模塊用隔板隔開，分別安裝在3個相對封閉獨立的隔段內，盡可能避免電源與模塊、模塊與模塊間的電磁互擾。多路耦合器結構形式如圖1所示。

1.2.1 終端機

箱體是機箱結構的主體部分，是設備功能模塊的安裝載體，也是機箱結構的集中受力體。根據安裝器件的尺寸、重量和位置，同時考慮振動、沖擊對結構強度的影響，參考壓鉚螺釘、壓鉚螺母柱的鉚接裝配要求，核算確定各面板材料及厚度。終端機結構形式如圖2所示。

終端機由16個解調模塊組成，外部線纜通過航空插座進入機箱并通過雙絞塑膠線與母板歐式插座連接。由于結構尺寸的限制，一個航空插座需通過8路音頻信號或8路串口數據，為避免設備內部多路信號互相串擾，走線及母板設計盡量將多路同類信號線分開。另外所有解調板都安裝了背板進行電磁屏蔽隔離、安全防護和固定，以提高電氣連接的可靠性。

導軌支撐部件由托板、導軌和連接條構成，主要起約束解調模塊自由度的作用，模塊的插拔、固定簡單方便。

終端機前面板左、右兩側各開設一個進風口，出風口安在后面板中部，風扇裝在機箱外側向外抽風。由于風扇轉動把箱內的熱空氣強制抽出，使機箱內產生負壓，吸引機箱外的冷空氣由進風孔口進入，從而形成空氣交換。為避免導軌支撐部件阻擋、妨礙空氣在箱內流通，導軌上設計有導風孔，冷空氣經導風孔流過帶走解調模塊散發的熱量。其基本任務是在熱源至熱沉之間設計一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去，以便滿足可靠性要求[1]。另一方面，設計導風孔還起到減輕設備重量的作用。兼顧電磁屏蔽和良好通風的雙重要求，通風開口處分別安裝了屏蔽通風窗，為進一步提高屏蔽效果，屏蔽通風窗與箱體固定貼合面還粘結橡膠密封絲網組合襯墊。終端機風道設計如圖3所示。

1.2.2 信號分配器

以前設計的機箱大多采用零部件搭接、螺釘擰緊固定的結構形式，為滿足強度和電磁兼容性要求，完成箱體組裝往往要使用很多螺釘，這使得設備拆卸、裝配十分繁瑣，維修性不好。為解決此問題，信號分配器設計采用插裝結構形式，如圖4所示。

根據裝配順序將底板插入前面板、后面板、左側板和右側板底部對應的溝槽，推動左、右側板使其與前、后面板互相卡住，然后用螺釘進行固定。把隔板插入箱內使其與底板和后面板配合，分別將濾波器、電源模塊和主板模塊安裝在隔板分開的兩個封閉隔段內，盡可能避免電源對主板模塊的電磁騷擾。將蓋板榫齒插入前面板頂部后面的溝槽中，往前推動蓋板使其后端向下插入左、右側板卡槽，用螺釘將蓋板與箱體固定。信號分配器全部零部件共計12個，結構簡單，組裝方便。

2 某系統電子設備工藝設計

2.1 概述

某系統電子設備環境適應性要求比較苛刻，設計人員不僅要將“六性”設計理念融入、貫徹到研發工作中去，還需清楚產品的工藝流程。電子設備環境適應性主要取決于所選材料、構件、元器件的耐環境能力和結構設計、工藝設計采取的耐環境措施是否合理和有效[2]。裝聯工人應積極主動地提出合理化建議，配合工藝人員共同完善產品設計，這樣才能使設備滿足低溫、高溫、濕熱、鹽霧、霉菌、振動、沖擊、顛震等環境試驗要求。

裝配、組裝質量不僅影響設備外觀，而且影響系統的性能，可以說系統的質量直接體現在焊接和組裝上。應合理安排裝配順序，注意前后工序的銜接，連接應牢固可靠，安裝方向、位置要正確，不損傷設備單元和零部件，不損傷面板等機殼表面涂覆層，確保電性能穩定和機械強度足夠。

2.2 通用工藝技術

根據各種材料在實際應用中的表現，內部設計規范應明確禁止使用預鍍鋅鋼板。以前鈑金件多采用冷軋鋼板，加工后進行鍍鋅工藝處理，但其防護能力還是偏弱，長時間使用時會產生銹斑腐蝕，相關零件要求全部換成奧氏體不繡鋼，新產品設計不再使用冷軋鋼板。除鈍化處理外，奧氏體不繡鋼零件可不再做其他表面處理。

電磁兼容設計應采取主動預防、整體規劃、“對抗”與“疏導”相結合的方針[3]。某系統電子設備的箱體材料全部選用鋁合金板材，機加工后進行導電氧化處理，使機箱內表面形成理論上連續的導電面。

箱體搭接縫隙處全部安裝橡膠芯金屬絲網屏蔽條，這種屏蔽條既有很好的彈性，又抗永久壓縮形變，在潮濕及鹽霧環境中具有很強的抗電化學腐蝕性能。由于屏蔽條有彈塑性，按設計尺寸截取時不要用力拉伸，可先從一端塞入溝槽并順著按壓到另一端再截取，剪切屏蔽條時應使其端頭的橡膠芯微縮在絲網內，切忌安裝后屏蔽條端頭的橡膠芯露出金屬絲網很長。

在設備通風開口處安裝屏蔽通風窗，利用截止波導原理解決通風和屏蔽這對矛盾。具體設計可參考GJB 1046-1990《艦船搭接、接地、屏蔽、濾波及電纜的電磁兼容性要求和方法》（6.2.2.3截止波導通風孔）。

電源線穿過箱體會使機箱整體屏蔽效能降低，為提高設備電磁兼容性，電源輸入接口采用將航空插座與電源濾波器做成一體的結構形式。在濾波器與后面板安裝固定面粘接扭角鈹銅簧片或導電襯墊，使殼體和機箱貼合并保證接觸良好，輸入輸出線不能靠得太近，引線盡量短且不能交叉，電源線不要與其他電纜捆綁走線。電源輸入接口旁邊就近設計安裝安全的螺栓，并將電源線安全地連接。

帶有螺紋連接、壓合、搭接、鉚接、點焊、單面焊接等組合件，原則上不允許進行電化學處理，不同金屬材料組合在一起的部件不能進行溶液處理，這些組合件應盡可能采用涂漆，或分別進行電化學處理后再組裝。所有電化學處理都應在零件狀態（即非組合件）下進行。

鋼鐵件在噴涂前應進行磷化處理，鋁件噴涂前應進行氧化處理（鑄鋁合金可采用噴砂處理），以增加涂層附著力。

體積和質量較大的模塊、晶振、線圈可用硅橡膠封裝或加固管腳。盡量降低元器件的安裝高度，縮短其管腳引線。導線穿過金屬孔或靠近金屬零部件時需用絕緣套管將導線套住，線束的安裝和支撐應當牢固，以免使用期間絕緣材料因磨損而短路。電路GND通過金屬化螺釘以及對應的阻焊亮銅帶和結構件良好搭接，對應的結構件不作噴漆處理。使用不銹鋼錯齒彈墊、棘爪彈墊、止退螺母等緊固件防止裝配松動。

3 結語

隨著社會發展及加工技術的進步，產品的結構形式有了很大變化，從單機到系統，從最初主要使用型材、鈑金結構發展到數控銑削成型的零件實現形式，精密加工技術已開始影響電子設備的設計和生產。

電子設備的結構及工藝設計是項目研制過程的重要組成部分，直接影響到產品的可靠性、穩定性和品質指標，并不僅是為硬件平臺做個外殼那樣簡單，需考慮多方面的約束因素以選擇最合理最可靠的設計技術。綜合某系統裝備介紹，可了解電子設備的結構形式及設計方法和在工程實際應用時采取的具體措施，對其他電子產品的結構及工藝設計具有一定的指導意義。

某系統電子設備裝配拆卸簡單，生產維護方便，具備較高的標準化、系列化、通用化程度，符合國家標準有關要求。系統通過公司內部功能、性能測試和第三方電磁兼容試驗、環境試驗、信道試驗驗證，所有設備均滿足研制方案要求。

參考文獻

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理（修訂本）[M].南京：東南大學出版社，2005.

[2] 祝耀昌.產品環境工程概論[M].北京：航空工業出版社，2003.

[3] 張明.電子設備結構的電磁兼容性設計策略[J].電子機械工程，2006，22（5）：5-9.