某系统电子设备结构及工艺设计

彭辉

摘 要：结合某系统研制过程中所从事的具体工作，着眼于结构及工艺，对电子设备设计技术、结构设计方法、产品具体的结构形式和处理工艺作了简单介绍和说明。根据设备功能、性能及所处工作环境等研制方案明确或隐含的设计要求，电路设计应与结构设计密切协调、互相配合，共同采取相应措施以达到最佳的设计效果。经工程实际应用，某系统电子设备运行持久正常、性能稳定可靠。

关键词：电子设备 结构设计 工艺设计

中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0071-03

结构设计是为了满足电子产品的各项功能和电性能，使设备在各种既定环境下都能正常工作所进行的设计。它可以把产品的外观直接展现出来，在一定程度上决定了产品的可靠性、寿命及性价比。好的设计应合理满足整机的性能要求，在市场上具有竞争力。

产品的工艺性能直接影响到产品性能和战术技术指标的实现。工艺设计的最高原则是以最少的社会劳动消耗创造出最大的物质财富，这个原则也是企业赖以生存和发展的基础。

无论哪类电子设备的设计都离不开结构，整机结构设计水平的高低和工艺技术的好坏对于产品质量至关重要。电子设备的故障或失效大都可归结为设计上没有想到或没意识到某些细节或约束，一些通用设计的技术、准则、理念和方法必须被予以重视并深入贯彻到产品研发中去。

1 某系统电子设备结构设计

1.1 概述

某系统主要由多路耦合器、终端机和信号分配器组成，采用19英寸标准机柜上架安装方式。各设备遵循标准化、系列化、通用化设计原则，颜色、标识、铭牌、把手和接口连接器选择均符合系统设计规范要求。

根据研制方案确定电气功能、性能及使用环境要求，经研究分析整机结构形式和尺寸约束后，初步进行元器件布局、布线和组装设计，合理选用材料、涂镀、加工手段，采用通用件和标准件，简化制造工艺，积极运用成熟技术。后通过软件进行三维实体建模、装配仿真、应力应变分析、热流分析，进一步优化零部件结构。

1.2 多路耦合器

机箱箱体及内部隔板全选用铝合金板，铣削成型，并通过相互搭接、螺钉拧紧固定。选用铝合金板，是因其具有重量轻、加工定位准确、易开沟槽安装固定屏蔽材料、装配拆卸简便、外形美观等优点。

多路耦合器采用模块化设计理念，将防雷电路、放大电路和功率分配电路分别安装在铝合金板铣削成型的屏蔽盒内，构成单独的防雷模块、放大模块和功率分配模块。为便于器件散热，将散热器紧贴机箱左侧板，电源模块紧贴机箱右侧板，放大模块和功率分配模块固定在散热器上，并分别在安装贴合面涂敷导热硅脂。由于电源模块较重，为满足冲击、振动试验要求，设计固定架使其一侧与底板连接，另一侧包住电源与右侧板。防雷模块安装在前隔板预设位置，并与中隔板和后隔板一起组成隔板部件，组装时将其整体插入机箱。各模块用隔板隔开，分别安装在3个相对封闭独立的隔段内，尽可能避免电源与模块、模块与模块间的电磁互扰。多路耦合器结构形式如图1所示。

1.2.1 终端机

箱体是机箱结构的主体部分，是设备功能模块的安装载体，也是机箱结构的集中受力体。根据安装器件的尺寸、重量和位置，同时考虑振动、冲击对结构强度的影响，参考压铆螺钉、压铆螺母柱的铆接装配要求，核算确定各面板材料及厚度。终端机结构形式如图2所示。

终端机由16个解调模块组成，外部线缆通过航空插座进入机箱并通过双绞塑胶线与母板欧式插座连接。由于结构尺寸的限制，一个航空插座需通过8路音频信号或8路串口数据，为避免设备内部多路信号互相串扰，走线及母板设计尽量将多路同类信号线分开。另外所有解调板都安装了背板进行电磁屏蔽隔离、安全防护和固定，以提高电气连接的可靠性。

导轨支撑部件由托板、导轨和连接条构成，主要起约束解调模块自由度的作用，模块的插拔、固定简单方便。

终端机前面板左、右两侧各开设一个进风口，出风口安在后面板中部，风扇装在机箱外侧向外抽风。由于风扇转动把箱内的热空气强制抽出，使机箱内产生负压，吸引机箱外的冷空气由进风孔口进入，从而形成空气交换。为避免导轨支撑部件阻挡、妨碍空气在箱内流通，导轨上设计有导风孔，冷空气经导风孔流过带走解调模块散发的热量。其基本任務是在热源至热沉之间设计一条低热阻的通道，保证热量迅速传递出去，以便满足可靠性要求[1]。另一方面，设计导风孔还起到减轻设备重量的作用。兼顾电磁屏蔽和良好通风的双重要求，通风开口处分别安装了屏蔽通风窗，为进一步提高屏蔽效果，屏蔽通风窗与箱体固定贴合面还粘结橡胶密封丝网组合衬垫。终端机风道设计如图3所示。

1.2.2 信号分配器

以前设计的机箱大多采用零部件搭接、螺钉拧紧固定的结构形式，为满足强度和电磁兼容性要求，完成箱体组装往往要使用很多螺钉，这使得设备拆卸、装配十分繁琐，维修性不好。为解决此问题，信号分配器设计采用插装结构形式，如图4所示。

根据装配顺序将底板插入前面板、后面板、左侧板和右侧板底部对应的沟槽，推动左、右侧板使其与前、后面板互相卡住，然后用螺钉进行固定。把隔板插入箱内使其与底板和后面板配合，分别将滤波器、电源模块和主板模块安装在隔板分开的两个封闭隔段内，尽可能避免电源对主板模块的电磁骚扰。将盖板榫齿插入前面板顶部后面的沟槽中，往前推动盖板使其后端向下插入左、右侧板卡槽，用螺钉将盖板与箱体固定。信号分配器全部零部件共计12个，结构简单，组装方便。

2 某系统电子设备工艺设计

2.1 概述

某系统电子设备环境适应性要求比较苛刻，设计人员不仅要将“六性”设计理念融入、贯彻到研发工作中去，还需清楚产品的工艺流程。电子设备环境适应性主要取决于所选材料、构件、元器件的耐环境能力和结构设计、工艺设计采取的耐环境措施是否合理和有效[2]。装联工人应积极主动地提出合理化建议，配合工艺人员共同完善产品设计，这样才能使设备满足低温、高温、湿热、盐雾、霉菌、振动、冲击、颠震等环境试验要求。

装配、组装质量不仅影响设备外观，而且影响系统的性能，可以说系统的质量直接体现在焊接和组装上。应合理安排装配顺序，注意前后工序的衔接，连接应牢固可靠，安装方向、位置要正确，不损伤设备单元和零部件，不损伤面板等机壳表面涂覆层，确保电性能稳定和机械强度足够。

2.2 通用工艺技术

根据各种材料在实际应用中的表现，内部设计规范应明确禁止使用预镀锌钢板。以前钣金件多采用冷轧钢板，加工后进行镀锌工艺处理，但其防护能力还是偏弱，长时间使用时会产生锈斑腐蚀，相关零件要求全部换成奥氏体不绣钢，新产品设计不再使用冷轧钢板。除钝化处理外，奥氏体不绣钢零件可不再做其他表面处理。

电磁兼容设计应采取主动预防、整体规划、“对抗”与“疏导”相结合的方针[3]。某系统电子设备的箱体材料全部选用铝合金板材，机加工后进行导电氧化处理，使机箱内表面形成理论上连续的导电面。

箱体搭接缝隙处全部安装橡胶芯金属丝网屏蔽条，这种屏蔽条既有很好的弹性，又抗永久压缩形变，在潮湿及盐雾环境中具有很强的抗电化学腐蚀性能。由于屏蔽条有弹塑性，按设计尺寸截取时不要用力拉伸，可先从一端塞入沟槽并顺着按压到另一端再截取，剪切屏蔽条时应使其端头的橡胶芯微缩在丝网内，切忌安装后屏蔽条端头的橡胶芯露出金属丝网很长。

在设备通风开口处安装屏蔽通风窗，利用截止波导原理解决通风和屏蔽这对矛盾。具体设计可参考GJB 1046-1990《舰船搭接、接地、屏蔽、滤波及电缆的电磁兼容性要求和方法》（6.2.2.3截止波导通风孔）。

电源线穿过箱体会使机箱整体屏蔽效能降低，为提高设备电磁兼容性，电源输入接口采用将航空插座与电源滤波器做成一体的结构形式。在滤波器与后面板安装固定面粘接扭角铍铜簧片或导电衬垫，使壳体和机箱贴合并保证接触良好，输入输出线不能靠得太近，引线尽量短且不能交叉，电源线不要与其他电缆捆绑走线。电源输入接口旁边就近设计安装安全的螺栓，并将电源线安全地连接。

带有螺纹连接、压合、搭接、铆接、点焊、单面焊接等组合件，原则上不允许进行电化学处理，不同金属材料组合在一起的部件不能进行溶液处理，这些组合件应尽可能采用涂漆，或分别进行电化学处理后再组装。所有电化学处理都应在零件状态（即非组合件）下进行。

钢铁件在喷涂前应进行磷化处理，铝件喷涂前应进行氧化处理（铸铝合金可采用喷砂处理），以增加涂层附着力。

体积和质量较大的模块、晶振、线圈可用硅橡胶封装或加固管脚。尽量降低元器件的安装高度，缩短其管脚引线。导线穿过金属孔或靠近金属零部件时需用绝缘套管将导线套住，线束的安装和支撑应当牢固，以免使用期间绝缘材料因磨损而短路。电路GND通过金属化螺钉以及对应的阻焊亮铜带和结构件良好搭接，对应的结构件不作喷漆处理。使用不锈钢错齿弹垫、棘爪弹垫、止退螺母等紧固件防止装配松动。

3 结语

随着社会发展及加工技术的进步，产品的结构形式有了很大变化，从单机到系统，从最初主要使用型材、钣金结构发展到数控铣削成型的零件实现形式，精密加工技术已开始影响电子设备的设计和生产。

电子设备的结构及工艺设计是项目研制过程的重要组成部分，直接影响到产品的可靠性、稳定性和品质指标，并不仅是为硬件平台做个外壳那样简单，需考虑多方面的约束因素以选择最合理最可靠的设计技术。综合某系统装备介绍，可了解电子设备的结构形式及设计方法和在工程实际应用时采取的具体措施，对其他电子产品的结构及工艺设计具有一定的指导意义。

某系统电子设备装配拆卸简单，生产维护方便，具备较高的标准化、系列化、通用化程度，符合国家标准有关要求。系统通过公司内部功能、性能测试和第三方电磁兼容试验、环境试验、信道试验验证，所有设备均满足研制方案要求。

參考文献

[1] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理（修订本）[M].南京：东南大学出版社，2005.

[2] 祝耀昌.产品环境工程概论[M].北京：航空工业出版社，2003.

[3] 张明.电子设备结构的电磁兼容性设计策略[J].电子机械工程，2006，22（5）：5-9.