军用电子设备的组装设计*

(总参第六十三研究所,南京 210007)

1 引 言

所谓组装就是将各种电子元器件、磁性元件和结构件按照电路、结构设计要求，装接在规定的位置上，组成具有一定功能的完整电子产品的过程[1]。设备的组装作为结构设计的重要组成部分，直接影响到设备的装配、调试、环境试验等活动，最终影响设备的性能和可靠性。随着科学技术、微电子技术、计算机技术的飞速发展，电子设备的体积越来越小，功能越来越多，结构越来越紧凑、复杂，组装空间越来越小，组装密度越来越大，使得设备的组装问题日益突出。由于重电路轻结构、重性能轻工艺等传统设计观念的影响，加上品种多、数量少、研制周期短等特点，军用电子设备的组装设计一直没有受到足够重视，造成设备组装、调试周期长，环境试验和可靠性试验经常出现故障，甚至在使用过程中发生故障。

电子设备组装设计的任务是：合理划分组成模块、单元，确定组装方案和组装结构，妥善布置各元器件、单元、模块的位置，并安排好它们之间的互连、布线与固定，全面实现项目研制合同所规定的各项技术性能指标、功能、环境适应性与可靠性要求[2]。结构设计师应改变传统设计理念，根据组装设计任务要求，加强对组装相关问题的研究，切实提高设备的组装质量。

2 模块划分与组装结构确定

按照武器装备研制的有关规定和模块化设计要求，对设备进行模块及单元划分是确定组装结构的基础，也是进行组装设计的第一步。为了使划分的模块合理、实用，电路和结构设计师应密切配合，首先对该类设备进行广泛调研并充分了解、消化，然后采用系统工程和工作分解的原理和方法，对设备进行功能分析与分解，最后划分出各级模块与单元。模块划分时应遵循以下原则[3～5]：

(1)划分的依据是设备功能框图，划分的模块应具有特定的独立功能和结构，能单独进行测试、制造和储备；

(2)充分考虑利用现有科技成果，尽可能多地划分出通用性、互换性(兼容性)强的模块，最好可以直接采购到，以降低研制风险，提高可靠性；

(3)划分的模块应具有良好的适应性和组合性，既能适应在研设备的需要，又能适用于现役设备的改型以及预研设备的需要，能以有限种类的模块组装成各军兵种都适用的产品；

(4)划分的模块要与组装工艺相适应，便于组织生产，在组装时各模块互不影响和制约；

(5)在电性能彼此产生干扰或影响的元器件、单元不能安排在同一模块中，如高频与低频、高压与低压等电路，同时尽量减少模块进入、引出的导线数，以免引起寄生耦合与反馈；

(6)划分的模块应方便使用、管理，并和预期的维护级别相适应，能适应军用装备的“三级维护”体制。

由于军用电子设备功能、使用环境的不同，其组装结构形式也不一样，常用的有插件结构、单元盒结构、插箱结构和底板结构等4种形式[2]，它们各有特点，采用哪一种形式的组装结构，取决于以下几点：设备的技术要求、性能和功能要求；设备和组成模块的复杂程度；组装工艺和产品数量；使用环境及其防护要求。确定具体组装结构时，应综合考虑上述几种因素，权衡利弊，重点解决突出问题和主要矛盾，力争兼顾全部，确保方案最佳。我们在研制某车载电子设备时，基于重点解决其屏蔽和散热问题，综合采用了单元盒结构和底板结构的组装形式，直接用螺钉固定在机箱上；对于某舰载电子设备，基于重点解决设备的颠震和电磁兼容性问题，综合采用了单元盒结构与插件结构两种形式，利用锁紧导轨固定在机箱上；对于某机载电子设备，基于重点解决设备的振动和电磁兼容性问题，采用了单元盒结构，将它们先固定在安装架上，再通过锁紧导轨固定到机箱上。

3 设备布局

电子设备中各组成单元、模块的位置安排以及各单元中元器件、零部件的位置安排统称为布局[2]，元器件的布局和总体布局是否合理直接影响到组装工艺、设备的性能和质量。

3.1 元器件布局

元器件的布局应遵循以下原则[1，2，6]：

(1)确保单元、模块电性能指标的实现，这是元器件布局的最终目标。由于元器件的位置对单元的电性能指标影响比较大，因此，元器件的布局可能会反复几次才能使器件参数达到最佳匹配，从而使电路性能达到最佳状态；

(2)利于布线。元器件的位置和放置方向直接影响到连线长度和敷设路径，而连线长度和走线对电路分布参数和电、磁感应影响很大，因此，布局时要综合考虑整个电路的布线和走线问题；

(3)利于小型化。小型化是现代电子设备的发展趋势，而电路单元的小型化是设备小型化的前提，因此，器件布局时，应精心设计，巧妙安排，尽可能地提高组装密度，以缩小单元尺寸，满足整机小型化要求；

(4)利于设备的调试、装配和维修。现代电子设备功能多、结构复杂，组装模块和单元数量较多，作为设备的核心部分，模块的安装、调试和维修都是独立的，因此，元器件布局时，应使器件的位置利于模块本身的装配、调试和维修，从而为整机的调试、安装和维修提供方便。对于批量大、需要采用自动装配的电路模块，所有元器件在印制板上只能沿一个轴向(x轴向或y轴向)，以提高装配效率。

元器件布局时还应尽量做到最佳电接触、热分布和防振效果，为此要解决好以下3个方面的问题[6～9]：

(1)散热问题。元器件的长度方向与冷却剂的流动方向要一致，有利于减小冷却剂的流动阻力，国外有的产品为了增加强制空气冷却的效果，沿着冷却气流的方向在印制板上增加汇流排，当冷却气流流动时，由于汇流排的作用，在靠近器件的地方产生涡流，由于涡流而使对流换热效率提高，从而增加了印制电路板的散热效果；在同一印制电路板上的元器件按其功耗大小及耐热程度分区排列，把不耐热的元件、热敏元件以及大规模集成电路、运行速度快的芯片放在冷却气流的入口处，耐热性能好的元件放在冷却气流的出口处，对于大功率器件，在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边缘布置，以缩短传热路径，垂直放置的电路单元，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响；

(2)防振动问题。为了防止印制板受力变形，尽量使元器件对称布置，较重的元器件尽量靠近印制板的固定部位，降低重心；由于不同的元器件其承受振动、冲击的能力也不同，因此，耐振冲性能差的元器件尽量靠近印制板的固定端，即挠度最小位置；

(3)电磁兼容问题。合理布置元器件的位置和走线，尽量减小它们之间的电磁感应，降低电路的电磁辐射；各接地元器件要就近布置在地线附近，以缩短接地线长度，同时尽量增加印制地线的宽度，地线加宽不仅能提高电路的抗噪声能力，而且能提高电路的散热能力；印制板上同时有高、中、低不同速度的逻辑电路时，应将它们分区布置；当印制板上数字电路与模拟电路并存时，应使它们分开，且两者近端不共地；对需要屏蔽隔离的电路集中布置，并预留安装屏蔽盒的空间；如果空间允许，布置器件位置时，最好能使器件之间的连线形成双“#”字形网状布线结构，以避免线间干扰。

3.2 总体布局

为实现设备的技术性能指标，确保设备稳定可靠地工作，总体布局应注意解决以下几个问题[2,6]：

(1)总体布局力求美观、简化，且方便操作和观察，显示和操作区要符合人体的生理特性和操作习惯，避免造成视觉疲劳和误操作；

(2)综合考虑设备的减振缓冲要求，将重量较大的模块放置在设备的最下部，力求降低设备重心，同时，各模块的位置应使设备重量分布均匀，进一步增加设备稳定性；

(3)各模块的位置要有利于模块间的电连接和走线，且预留走线空间，并注意避免线间寄生耦合和反馈；各模块的位置要有利于抑制和减少模块间的相互干扰，并选择合适的接地点和接地系统；

(4)各模块的位置有利于设备的散热。发热量大的模块，如功放模块、发热模块、数据处理模块等，尽量缩短其热传导路径，减小传导路径上的热阻，并布置在设备的最上端或其它便于散热、便于安装散热装置的部位，远离那些对热敏感的元件；设计好各模块之间的间距，尤其是发热模块，确保冷却剂获得最佳的流动路径，从而有效带走发热模块的热量；散热系统(装置)中的元器件、部件不能对设备内部的其它模块、单元造成干扰，且散热装置应充分利用设备现有空间，尽量不要额外增加设备体积；

(5)总体布局要有利于设备的调试、装配和维修。按照研制合同中规定的体积要求，最大限度地利用现有空间进行布局，以保证有足够的装配、调试、维修空间；易损件和需要经常更换的模块、单元应放置在容易触及的位置上，且装拆时不需要先移除其它部件。

4 布线和扎线

电子设备的各模块、单元安装完毕后，需要用导线将它们按设计要求连接起来，并将导线加以绑扎、固定，以组成整机的电路系统。布线的好坏、扎线是否合理对设备的性能、可靠性会产生较大的影响。

4.1 布线

布线是一项实践性很强的设计工作，布线好不好与设计师的经验有很大关系，主要包括印制板上元器件之间的连接线(印制线)和单元、模块之间连接线的位置、走向。印制线的布线由电路设计人员负责，本文不做讨论，这里主要讨论模块间的布线问题。

为提高设备布线的合理性，实现规定的电性能指标，确保设备电路系统工作稳定可靠，布线时应采取以下措施[1,2,6]：

(1)线束尽可能紧贴机箱底板、面板、框架的内侧边沿或拐角处，以方便固定，对于必须要架空的连接线，应采用垫柱、支架固定，防止造成电连接不可靠；

(2)线束穿过金属孔时，应采用绝缘材料做成的套管进行保护，或在穿孔部位缠绕绝缘胶带、电缆螺旋缠线等；

1.2.2 实验组。1）教学改革思路：成立教学小组，精选《内科学》《外科学》《肿瘤学概论》等课程中血液与肿瘤疾病相关教学内容，通过调整授课顺序重新整合，删减重复内容，形成一个现代医学整体观念。综合讲述血液与肿瘤疾病的病理、病理生理变化、临床表现、诊断及治疗关系。编写血液与肿瘤疾病CBL课程教案。

(3)有利于模块的调试、安装和维修。需要经常从机箱中抽出的模块，如有线束相连，应设计好长度，以满足带电测试、调试、维修等；

(4)为避免线束长距离平行走线造成的线间干扰，提高线束抵抗外磁场的干扰能力，线束应采用交叉扭绞布线；

(5)线束的布置要整齐、美观、有条理，在不影响电性能的前提下，同向导线应扎成线札，压缩导线布线面积，提高布线的整齐性，同时方便线束的固定；

(6)布线时同步考虑线束的固定位置，并预留空间，确保连接线缆牢固、可靠，以满足合同规定的机械环境要求。

4.2 扎线

设备的技战术指标主要通过各模块以及模块间的连接线缆来实现。由于军用电子设备的功能越来越多，结构越来越复杂，机器内部的连接线缆比较多，纵横交错，长短不一，若不对其进行整理、固定，不仅影响机器内部美观以及设备安装、检修，在机械环境较为恶劣的条件下，线束的晃动会影响机器正常工作，甚至发生故障。因此，应对机器内部的线缆按其布局、走向进行绑扎和固定，使布线整洁，走线美观，线束定位，提高设备的可靠性。

(1)线束绑扎

实施扎线措施前，首先应按照总体布局和布线图绘制扎线图，扎线图是实际线束的样板，通常采用1∶1比例在同一平面上绘制，以符合线束的实际情况[1]。如线束有折弯情况，可采用主视图与向视图相结合的方法表示，图上应注明线束的实际尺寸，包括长度、折弯的角度，分支与主干之间的距离，每束线缆的编号以及线缆两端插头的位置编号，按照电子行业标准SJ/T207.1-3-1999要求规定，插头代号为XP，插座代号为XS，编号从1开始，并且线束上的插头编号要与单元、模块、机箱上相应插座的位置编号一致，如XP01配XS01，避免误操作;同时，扎线的相关技术要求在图纸上都要明确，如线束的弯曲半径，线束内各导线的放置顺序，导线的焊接加工余量等。

根据扎线图利用线绳或电缆扣对整理好的线束进行绑扎，考虑到军用电子设备的使用环境比较恶劣，以及线束的绑扎、拆装方便，主要采用阻燃型尼龙电缆扣。电缆扣的形式多种多样，但其原理都是一样的，就是利用倒齿对收紧带起作用，绑扎时只要沿顺时针方向拉紧就行了，拉紧时用手也可用专用工具。绑扎时应注意：一般从导线比较集中的一端开始，且严格按照接线表的顺序进行加工，以免因为某根导线的差错而造成整个线束返工，而延长研制周期；另外，线扣拉紧时，其松紧程度要适宜，太紧的话，长期使用会因为材料老化或疲劳损坏而断裂;太松的话，起不到预期的效果，而且，收紧后应剪去多余的部分。值得注意的是,像低电平与高电平信号线、输入与输出信号线、交流与直流电源线等不同性质的导线不能扎在一起，以避免线间干扰。

为确保设备在使用、运输等过程中，线束不会因振动、冲击影响而发生变形和位移，而造成电连接不可靠，沿着线束走向，在适当位置必须进行固定。随着新材料、新工艺、新技术的不断出现和应用，线束固定用的零部件种类很多，形式多种多样。近几年，我们在设备研制过程中主要采用了以下几种：①螺丝固定线缆扣。线束绑扎后，利用线缆扣上的螺丝安装孔直接用紧固件固定在底板上，其缺点是一次性的，不能重复使用；②电缆扣底座，有自粘式和螺钉紧固式两种。先将电缆扣底板安装在机箱底板或机箱壁上，再将线缆扣穿进去，通过线缆扣收紧线束，线缆扣可根据线束情况任意选配；③电缆扣卡箍，螺钉固定式，其安装方法同电缆扣底座；④可调电缆夹，自带绑扎带，分自粘式和螺钉紧固式，主要用于固定射频电缆和电连接器，根据电缆的粗细调节绑扎带的松紧，可重复使用，且松开、收紧都比较方便；⑤可松脱电缆卡箍，螺钉固定式，其安装方法与可调电缆夹相似，不同的是可调电缆夹的绑扎带是独立的，而可松脱电缆卡箍的绑扎带和安装底板是一体的；⑥铝质自粘式线夹(或卡箍)，可用于电缆、不同直径的导线以及扁带线等多种线束的固定，可以在任何位置安装，使用非常方便。

5 组装工艺

设备的组装工艺直接影响到设备的技战术指标能否实现，以及能否用最合理、经济的方法来实现，并最终影响设备的工作稳定性和可靠性，主要包括机械装配(简称机装)工艺和电气装配(简称电装)工艺。实践证明，60%的质量缺陷都是由机装和电装工艺不当引起的，一些看似简单的缺陷，往往会导致电性能和功能失效的严重后果。

5.1 机装工艺

结构与工艺密切相关，结构形式决定了采用的工艺，在确定设备组装结构时同步考虑其机装工艺，良好的机装工艺是实现设备电性能指标的可靠保证，具体注意以下几个问题[2，3]：

(1)应采用整机、分机、整件(模块)、印制电路板的分级组装模式，这种分级组装模式在电路、结构、工艺上均具有一定的独立性，便于组织生产；

(2)严格按照装配图进行，严格执行机装工艺文件规定的工具、操作规程、装配顺序、辅件、辅料等，避免漏装、错装，尽量采用通用工具，少用或不用专用工具；

(3)装配过程中，一般不允许对零部件进行机械加工，不允许对任何零部件、整件及连接线缆造成损伤，而降低其性能。弹性元件，包括弹簧、弹性垫圈、簧片、卡圈等，装配中不允许造成永久变形；

(4)合理使用紧固件，紧固件的种类、数量少，工艺性就好。螺钉、螺母等紧固件应使用耐腐蚀金属制成的，以满足设备恶劣的使用环境，易损件和需要经常拆卸的模块，应采用快卸螺钉和松不脱螺钉紧固。螺钉应充分拧紧，紧固后，尾端螺纹露出长度不少于2牙，有效连接长度不少于3牙；

(5)所有橡胶、毛毡以及其它非金属衬垫应紧贴安装部位，不允许有裂纹、皱褶，以免影响密封效果；

(6)安装薄膜键盘(面板)时，应先清洗安装表面，确保面板的粘接质量。另外，装配过程中，要注意保护好设备表面的涂、镀层，避免造成损伤和污染，而影响外观效果。

5.2 电装工艺

电装工艺的好坏直接影响到设备的电性能和可靠性。由于电子元器件种类繁多，外形不同，引出线也是多种多样，器件的安装方法也各不相同。因此，应根据设备的结构特点、组装密度、使用要求等确定电装工艺，具体注意以下几点[2，3，6]：

(1)制定相应电装工艺文件，选配技术熟练、有从业资格的工人进行焊接、装配；

(2)严格按照电路装配图和电装工艺文件要求进行，避免漏装、错装、虚焊、漏焊等，原则上印制板上不允许有飞线；

(3)元器件安装前，导线、端头、引线等要进行预加工处理，如清洗、热浸锡、涂胶等；

(4)安装时，一般按先轻后重、先易后难、先一般后特殊器件的顺序进行，表面贴装元件、器件不允许手工焊接，易损件应最后装配；

(5)焊接时不允许将元件、导线及各种套管等烫伤，不得遮蔽元器件标记，可调元件应在可调范围中段，对静电敏感元件应采取保护措施；

(6)印制板焊接后应对焊剂进行清洗。若项目研制合同有“三防”要求，则组装调试好的印制板必须进行“三防”处理。可调元件调试后应用704胶等胶粘剂进行封固。

6 结束语

军用电子设备组装设计的内容很多，本文只是讨论了其中的主要部分。组装设计涉及到电路、结构、工艺、材料等多个方面的理论和技术，是一门综合性较强的专业，同时也是一项实践性很强的工作，有许多问题在书本上无法找到答案，只能在实践中不断学习、总结，通过具体的实践活动来发现、解决问题，逐步积累知识、经验和技巧。同时，应积极跟踪相关的新技术、新方法、新器件、新工艺，并大胆应用到科研项目中去，以提高设备组装质量，确保设备各项技战术指标的实现，从而全面提高设备质量和可靠性水平。

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