系列化模塊化設計在機箱機柜設計中的應用探析

趙金木

（福水智聯技術有限公司，福建 福州 350000）

隨著科技的快速發展，我國在制造業領域不斷地開始采用系列化模塊化設計的理念，結合當代的社會發展需求，在機柜機箱產品的機械設計時引入系列化模塊化設計的理念，這有利于行業產品的標準化推廣及使用，有利于后期產品的維護與升級，消除和減少貿易技術壁壘，促進各單位技術共同合作。

1 系列化模塊化設計理念

系列化模塊化設計理念屬于一種標準化的體系范疇。模塊化設計就是將一個系統分割成幾個相互獨立的部分，即是幾個模塊，每個模塊都是具有獨立的功能，具有相同或相近的幾何尺寸和安裝方式，具有一致的輸入、輸出接口，各模塊在功能結構方面保持獨立性和完整性。模塊化是標準化的高級形式，是標準化的發展，用相同或不同模塊可組合成新的系統，也便于從系統中拆卸更換。模塊具有通用性、互換性、典型性、兼容性。標準化通用化只是在零件級別進行通用互換，模塊化則是在部件級別，甚至子系統級別進行互換通用，從而實現更高層次的簡化。系列化模塊化設計，可以使整個產品生命周期中的規劃、設計、采購、物流、生產制造、升級和維護簡化。系列化模塊化設計即考慮產品的通用性和互通性，必須引入系列化模塊化設計理念，跟進與改進社會形成的模塊化和系列化的發展趨勢。

2 機柜機箱的模塊化設計過程

2.1 模塊化設計的主要作用

機柜機箱在實際的應用過程中，對于整個系統起著很重要的作用，不同系統的使用功能和使用環境對于機柜機箱的要求也是不一樣的，因此設計出一款具有通用性的產品是不太現實的，但是可以引入系列化模塊化設計理念，設計出一種具有不同的側重點的模塊化的系統，針對不同的使用情況進行靈活的組合和變化，這樣可以縮短產品的研制周期，避免了各種產品的生產效率的降低，可以避免重復設計，提高了整體設備的應用領域。用戶可根據自己的需求選用機柜產品，再選用滿足需求的機箱產品。模塊化設計的另一個主要用途是使機箱機柜在各個領域之間的適用性更加方便，加強機箱機柜的靈活性，模塊化設計不光可以提高機箱機柜的生產效率和縮短機箱機柜的生產周期，也可以提高機箱機柜滿足不同客戶不同需求的能力。

2.2 機柜模塊化的設計

在實際的應用過程中，機柜模塊化設計主要是考慮機柜本身各部分的拼裝及安裝不同的機箱和機箱的數量，還需考慮線纜走線、散熱模塊、電源模塊等的安裝。機柜分為控制臺機柜、網絡機柜、服務器機柜，機柜的深度、寬度均有要求，一般用U 來表示機柜尺寸的單位（1U=44.45mm），目前使用較廣的是19′機柜，19′機柜是指機柜內安裝機箱的法蘭最外側的寬度（482.6mm=19′），以U 為基本單位來區分機柜的系列，比如5U、8U、10U…系列機柜。5U機柜是指內部空間可安裝一個5U 機箱的機柜，也可以安裝5 個1U 的機箱。機柜內的機架上有固定機箱及各功能模塊單元的孔位，孔位的間距和大小是標準化的以滿足不同規格機箱的安裝要求。

圖1 19‘機柜的基本安裝尺寸

圖2 標準機箱的基本安裝尺寸

如圖1 所示，1U 機箱在機柜內占用44.45mm 的高度空間，在寬度方向的固定孔距是確定的（即465mm）。這樣，按照系列化模塊化來設計的機柜，可以安裝不同規格的機箱，可滿足用戶的各種需求。機柜主要是機箱的載體，機柜的尺寸和形式主要是由機箱來決定的，設計機柜時先考慮安裝機箱的樣式及個數，同時預留一定的空間給將來擴展使用，未安裝機箱的位置用盲板封蓋住；考慮到機箱模塊單元的散熱需求，通過計算確定散熱模塊的安裝數量，同時留有一定的余量。機柜的材料主要是鋼板，通過數控彎折、沖壓成型，再經過一系列的后處理后做成成品。

2.3 機箱模塊化的設計

機箱的種類有很多種，不同使用環境和使用條件對機箱的要求是不同的。這里主要講述19′機柜安裝用的機箱。設計機箱時必需考慮機箱內部元、器件相互間的電磁干擾和散熱；必需考慮機箱的強度、剛度問題；必需考慮實際工作環境和使用條件，采取相應的措施以提高機箱的可靠性和使用壽命，保證產品技術指標的實現。機箱尺寸是根據在機柜所占用的高度及機箱內元器件的大小確定，外形尺寸選用標準尺寸，也可以先選定標準的外形尺寸，再配合硬件工程師的工作，進行機箱內元器件的布局分配。一般也是用U 來表示機箱尺寸的單位（1U=44.45mm），1U機箱即指高度占用19′機柜內1U 空間的機箱，2U 機箱即指高度占用19′機柜內2U 空間的機箱，以此類推。根據不同的需求，設計系列化的產品1U、2U、3U......。單個機箱內則是考慮模塊化的安裝方案，機箱內有一系列固定面板模塊單元的孔位，孔位的間距和大小是標準化的以滿足不同規格面板的安裝要求，一般是用Te 來表示孔位的間距和面板高度尺寸的單位（1Te=5.08mm），面板高度一般是Te 的整數倍減去必需的間隙,通常為20(4Te)、40(8Te)、60(12Te)、80(16Te).....,根據不同的需求確定面板的高度。

如圖2，標準機箱在寬度方向的固定孔距是確定的（即465mm），最外側的尺寸（482.6mm）也是確定的。機箱的高度H 是根據機箱的類型（1U、2U......）來確定,高度方向的固定孔距h1 及其位置要根據機柜上的預留孔位確定。機箱內面板單元的安裝也是模塊化的設計，用戶可根據自己的需求選用合適的模塊，未安裝面板的空間可用盲板封蓋。

3 機箱機柜機械設計理念的特點

3.1 整體設計產品完整化

在實際產品設計過程中，設計人員可以通過對市場相關的產品的功能進行調查，規劃出一個科學有效的方案，通過進行模塊化的有效組合，從而產生特定的產品。此外，還可根據不同的使用環境和用戶需求，產生不同的組合，從而形成一個全新的產品，使得產品在結構上和功能上都能夠滿足相應的需求，繼而進一步提高產品經濟效益和社會收益。

3.2 減少產品的設計周期

在實際的設計中，為滿足不同用戶的需求，可通過系列化模塊化設計，將產品進行內部模塊化分工設計，各部分設計同步進行，依據要求定義幾個標準的模塊，這樣機械設計的周期可以縮短，同時各種部品的種類減少了，在模具開發上可以節省成本及縮短生產周期，制品的采購、生產周期也縮短。通過利用模塊化設計，可以很好地提高現在機箱機柜設計的效率，從而縮短整個產品的設計周期。

3.3 實現模塊化設計的知識管理和集成管理

在具體的模塊化設計過程中，要對整個產品結構設計進行一個實際性的規范調研和學習，查詢行業的相關標準，充分了解標準對于各部分結構尺寸的規定。前期對產品知識進行各種科學合理的規劃，為各模塊的設計人員提供一定的便捷方式。實現模塊化設計的知識管理和集成管理，可以提高管理層的效率，加強在管理層內部人員的使用,合理分配技術人員的工作。

4 結語

綜上所述，機箱機柜作為系統的最基礎的結構體系，對其內部的電子元器件都可以起到很好的保護作用，對電路的功能的實現起到相當重要的作用。在整個系統中具有很高的地位。因此，機箱機柜行業采取系列化模塊化設計理念，有利于向標準化、通用化發展，有利于產品在各領域的推廣使用，降低生產成本提高生產效率，提高整個產品的市場競爭力。