基于结构快速设计平台的机柜设计*

夏海豹

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

基于结构快速设计平台的机柜设计*

夏海豹

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

结构快速设计平台以三维设计软件Pro/E和PDM数据库为基础，融入了Top-Down的设计理念。为了实现机柜的快速设计，文中对机柜设计过程中的几个关键要素进行了分析：对机柜的设计过程进行提炼形成标准的设计流程；对机柜及附件的模型数据进行整理形成专业的显性知识库；结合参数化设计实现机柜自定义变形；分析机柜的装配关系，利用骨架模型、关系和参数实现装配的自动定位；利用面板快速装联工具实现转接板的快速设计。最后结合具体实例介绍了机柜的快速设计过程。通过结构快速设计平台，降低了机柜的设计难度，提高了机柜的设计效率，避免了因设计能力差异造成的设计质量不一致。

快速设计；快速装配；设计平台；Pro/E

引 言

产品需求的多样化、复杂化以及市场的全球化，迫切要求以最快的速度开发出成本最低、质量最高、服务最好的产品来适应变化的市场需求，为制造企业赢得竞争和生存空间，而实现这一目标的前提是缩短产品的设计周期。因此，以缩短产品设计开发周期为目标的快速设计技术己成为众多企业赢取市场竞争的关键技术。

国内外对快速设计技术的研究与应用已经取得了一定的成果，很多企业根据自身特点定制了与产品特性相适应的快速设计[1-4]，但在机柜的设计上还存在以下问题：1)缺乏标准设计流程，设计效率和质量难以统一；2)缺乏系统化平台支撑机柜设计的全过程。

本文对机柜快速设计进行了介绍，基于结构快速设计平台，借助标准流程引导和显性知识库支撑，实现了机柜的自定义变形设计、快速装配、面板快速设计等一系列的操作。

1 电子设备机柜

电子设备机柜是雷达电子行业常用的产品，完整机柜产品是由机架、减震器、风机组件、导轨、跟线架、导轨支架和机箱等多个模块互相装配组成的整体，如图1所示。随着产品通用化、系列化、模块化的推进，机柜以及机柜内的机箱和附件得到了有效的整合，形成了系列化产品。机柜的设计涉及机架设计、机柜装配和转接板设计3个方面。

图1 电子设备机柜组成(去掉机柜侧门)

通用机架基本上满足了90%以上的使用要求，只有不到10%的机架需要重新设计。设计出一款新机架需要几天甚至几周的时间，绝大多数新设计机架与通用机架都有着密切的关联，通过参数驱动实现通用机柜自定义变形能够实现机柜机架的快速设计，设计时间减少到1～2 h，效率提高了十几倍。

导轨、导轨支架及跟线架受机箱高度影响，安装位置不同，需要计算每一个机箱及附件的安装位置。目前虽已将导轨及导轨支架、跟线架与机箱的关系固定转接板的设计流程为转接板开孔—连接器安装—紧固件安装—连接器代号标注。转接板的设计虽然难度不大，但需要设计师频繁查阅器件手册以确定开孔尺寸，需重复安装大量的紧固件[5]。

机柜的设计不可避免地需要多次调整或修改，这样，最终完成1个机柜的设计可能需要几周的时间，制约了设计效率的提升。

2 结构快速设计平台

结构快速设计平台集成于Windchill页面中，如图2所示，平台以PDM 为知识库，以Pro/E软件为实现手段。结构快速设计平台是一个面向结构设计师，基于三化资源、设计模板、规范和经验的快速设计系统，可协助结构设计师快速、高质量地完成模型设计和工程图，大幅提高产品设计效率。

系统采用Weblink和Toolkit开发架构，采用直观的网页式或对话框式，直接操作和选取，快速定义产品的主要结构、形式和参数。定义以参数的形式通过Weblink和模块传递到Pro/E中，Pro/E从设计知识库中检索和调用模型，利用Pro/E参数化和相关性的特点，驱动模型快速变更，实现模型的快速建立。相关的工程图也从工程图模板库中调用，自动生成与三维模型关联的工程图。

图2 结构快速设计平台

3 机柜快速设计的关键技术

3.1 机柜设计流程

由于设计师设计能力和方式的不同，设计效率也相差很多。为了提高机柜的设计效率，将传统的机柜设计流程进行提炼，根据机柜的特点将其分为机柜设计和转接板设计2部分，如图3所示。

图3 机柜的设计流程

将机柜的标准设计流程集成到快速设计系统中，形成由流程引导的设计模式。设计过程分为3步：机柜选型、机柜配置和机箱选型。按照流程引导，以机柜、机箱、附件和面板器件知识库为支撑，模型的查找和装配得到了简化，降低了设计难度，提高了设计效率，并确保产品的质量如一。

3.2 自定义变形

在通用机柜上引入参数化设计模式，在最高级装配模型中添加参数(如长、宽、高等)，并使用Pro/E的关系功能，将最高级装配模型的参数与零部件中的参数一一对应起来，从最高级装配模型上驱动参数，能够实现整个模型的变化。如图4所示，组件2_001_002与其零件的参数通过添加关系实现了从最高级装配模型上对零件参数的控制和驱动。

图4 组件与零件的参数添加关系

结构快速设计平台中有自定义设计模块，选择合适的通用产品，输入新需求机柜的外形尺寸，然后点击完成，即可实现机柜机架的自定义变形，从通用产品自动生产新需求的机柜。

3.3 快速装配

机柜与附件、机箱间的装配关系有对齐、匹配，对称、偏距等，但不同零件模块需要的装配关系数量与种类都存在很大的差别，同样零件模块在不同组件上的装配关系也可能前后有异。为提高装配的效率，统一采用坐标系的方式进行装配，利用坐标系在模块上定义出装配接口。

在机柜的装配模型下创建一个骨架模型，在骨架模型中使用曲线和基准特征等创建出机柜附件及机箱的安装坐标系；在所需安装的机箱上创建安装坐标系，坐标系的原点位于机箱前面板的几何中心，坐标系的方向与骨架模型中的安装坐标系一致。在机柜中，机箱采用从上往下的顺序安装，如图5所示。骨架模型中机箱的安装坐标系受本机箱的高度以及上面机箱的高度影响。在机柜的骨架模型中添加如式(1)所示的关系式将安装坐标系的位置与机箱高度关联起来。

(1)

式中：H1为第1个机箱安装坐标系与机柜上部安装面的间距；H2为第1个机箱安装坐标系与第2个机箱安装坐标系的间距；Hn为第n-1个机箱安装坐标系与第n个机箱安装坐标系的间距；h1为第1个机箱的高度；h2为第2个机箱的高度；hn-1为第n-1个机箱的高度；hn为第n个机箱的高度。

每个机箱以及相对应的跟线架、导轨支架和导轨之间安装位置是有一定的装配位置关系的。在机柜骨架模型中添加关系，实现跟线架、导轨支架和导轨根据机箱的高度及装配位置自动调整骨架模型上安装坐标系的上下装配位置。跟线架的安装坐标系与机箱的安装坐标系的上下距离是Hn1，导轨以及导轨支架的安装坐标系与机箱的安装坐标系的上下距离是Hn2，在骨架模型中添加以下关系：

(2)

式中，x、y取决于机箱与跟线架、导轨支架、导轨之间的位置关系。

根据结构快速设计平台的标准设计流程引导，进行机柜配置和机箱选型，选择合适的附件和机箱，并输入机箱的高度信息，点击生产模型，即可完成机柜的装配。

图5 机箱安装坐标系位置关系

3.4 面板器件的快速装配

通过在面板器件上创建封闭面组和添加参数实现开孔信息与模型的集成，使用面板快速装联工具将面板器件与紧固件装配好，提取出装配文件。元器件和装配文件是数据源头，决定了开孔的大小和紧固件的种类和数量。

利用面板快速装联工具，一次即可实现面板打孔、标识字书写、面板器件装配和紧固件的装配，还可一键实现器件的修改和删除。对元器件模型和装配文件进行统一配置，归入PDM系统，以保证数据的准确性和唯一性。使用面板器件快速装联工具后，面板的设计效果显著，效率提高了数倍。

3.5 知识库的建设

为了提高知识库的覆盖程度，将设计师的设计资源进行统计和梳理。以三化产品为基础，对机箱、机柜及其附件进行梳理，对长期积累沉淀的、具有通用价值的成熟结构进行充分提炼和固化，形成专业的知识库。

在进行模型梳理时，在机柜的装配模型上创建骨架模型，并在机柜的装配模型和骨架模型内添加安装坐标系及关系。同时在机箱、机柜附件中添加安装系，将完善后的模型放置于PDM中，以保证数据源头的唯一性。

对与机柜相关的资源进行分类梳理，分成机柜、机柜附件、机箱等几个文档。在文档上增加链接关系，打开文档可以点击具体型号，便于模型的使用和查找，实现模型的显性化管理。

4 实例分析

19 inch系列机柜是电子设备常用的机柜，目前有27U和31U两种通用产品。可以在此基础上设计出其他高度系列的机柜，下面对一个35U机柜进行设计。

首先打开Pro/E软件，在工具栏打开服务器管理器，输入PDM帐号和登录密码，在PDM的页面上点击结构快速设计平台—机箱机柜快速设计—机柜设计—自定义，进入机柜设计页面，点击“选择”，在弹出的机柜模型清单上选择19-31- 650型机柜(19 inch、31U高、650 mm深的机柜)，输入新需求机柜的产品参数：宽19 inch、高35U、深650，再点击 “生成模型”。系统自动将31U机柜从PDM中调出，然后参数化驱动变形生成35U的机柜。

按照网页上“下一步”引导进入“机柜选型”的页面，点击“选择”在弹出的附件模型清单上选择减震器“E60”,然后点击“生成模型”，完成附件安装。

按照网页上“下一步”引导进入“机箱选型”的页面，机箱的安装在机柜上是从上向下进行的，点击“选择”，在弹出的机箱模型清单上选择8U-cPCI机箱(高度为8U的cPCI插件机箱)，然后点击“生成模型”，完成机箱及附件的安装。接下来继续进行机箱的选型和安装，直至全部机箱安装完成。

机柜的设计流程如图6所示，通过参数设计实现机柜的自定义变形，通过流程引导的“点选”设计模式实现机柜的快速装配。

图6 通用机柜的装配流程

最后进行转接板的设计。首先在转接板的零件模型上绘制草绘点，然后在转接板的装配模型上进行器件的装配，打开快速装联工具，在元器件库内选择合适的器件，选择安装方式，输入板厚以及标识字的内容、大小和位置信息，点击“装配”，选择草绘点和一个参考面，即可完成器件安装。继续安装，直至转接板设计完成。转接板的设计效果如图7所示。

图7 转接板设计

5 结束语

基于结构快速设计平台的机柜结构设计依托显性知识库，通过流程引导的“DIY”点选设计模式实现产品快速设计，通过参数化设计实现模型的自定义变形，通过面板快速装联工具实现转接面板的设计。使用快速设计系统可以大大减少重复设计工作，提高设计效率，缩短设计周期，降低研制成本，规范设计流程，固化已有知识库，缩短新设计师培养时间，提高整个研发的效率和产品质量。

[1] 周晖, 胡于进. 基于Pro/E的标注件库及装配工具集的开发[J]. 计算机与数字工程, 2007, 35(2): 69-72.

[2] 魏坤, 钟小强, 陈开, 等. 基于Pro/Toolkit的锻压机床装配模型快速设计[J]. 计算机工程, 2008, 34(21): 239-241.

[3] 庞胜军. 机械装配连接快速设计技术研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[4] 刘国维. 新型车载雷达模块化机柜的设计[J]. 电子机械工程, 2007, 23(3): 28-30.

[5] 赵希芳. 电连接器三维快速装配研究[J]. 电子机械工程, 2013, 29(5): 41-43.

夏海豹(1985-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Improved Design of Electronic Equipment Cabinet Based onRapid Structure Design Platform

XIA Hai-bao

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

Based on the 3D design software Pro/E and PDM database, the rapid design platform is integrated with the design concept of Top-Down. In order to realize the rapid design of the cabinet, several key factors in the cabinet design are analyzed. A standard design process is formed by epurating the design process of the cabinet; a professional knowledge base is formed by organizing the model data of the cabinets and accessories; customized deformation of the cabinet is realized by parametric design; the automatic positioning and assembly are realized by analyzing the assembly relationship of the cabinet, using the model, the relation and the parameter of the skeleton; rapid design of the panel is realized with rapid assembling tool. Finally, the design process of the cabinet is introduced with an example. With the rapid design platform, the design difficulty of the cabinet is reduced, the design efficiency is improved and the design quality difference due to the design ability difference is avoided.

rapid design; rapid assembly; design platform; Pro/E

2016-12-30

TP391.99

A

1008-5300(2017)01-0031-04