電子產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

電子產(chǎn)品的設(shè)計通常包括電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。電路設(shè)計就是根據(jù)產(chǎn)品的功能要求和技術(shù)條件，確定總體方案并設(shè)計原理框圖，并在此基礎(chǔ)上進行必要的計算和試驗，終確定詳細(xì)電路設(shè)計圖紙并選定元器件及其參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計則是根據(jù)電路設(shè)計提供的資料和數(shù)據(jù)，結(jié)合電子產(chǎn)品的性能要求、技術(shù)條件等，合理布置元器件、使之組成部件或電路單元，同時進行機械設(shè)計和防護設(shè)計，將各零部件或電路單元互連，給出齊套的技術(shù)圖紙。

設(shè)計和制造電子產(chǎn)品，除滿足工作性能的要求外，還必須滿足加工制造的要求，電路性能指標(biāo)的實現(xiàn)，要通過具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來。電子產(chǎn)品是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)成形式也隨之發(fā)生變化。初期的電子產(chǎn)品功能比較簡單，設(shè)計考慮的主要問題是電路設(shè)計。到20世紀(jì)40年代后，隨著電子產(chǎn)品功能越來越多，出現(xiàn)了將復(fù)雜產(chǎn)品分為若干部件、樹立結(jié)構(gòu)級別的先進想法；為防止氣候影響，研制出密封外殼；為防止機械過載而研制出減振器，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能進一步完善，此時，結(jié)構(gòu)設(shè)計才正式成為電子產(chǎn)品設(shè)計的內(nèi)容。隨后，由于產(chǎn)品向高集成度和小型化方向發(fā)展，尤其是出于軍用電子技術(shù)的發(fā)展和野戰(zhàn)的需要，散熱、抗電磁干擾、防潮、防霉菌、防鹽霧開始成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的內(nèi)容，結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容也因此逐步豐富起來。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計在電子產(chǎn)品的設(shè)計中占有較大的比重，直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的性能和技術(shù)指標(biāo)（條件）的實現(xiàn)。

電子產(chǎn)品的整機結(jié)構(gòu)是指電子產(chǎn)品中由工程材料按合理的方式進行連接，能夠安裝電子元器件及機械零部件，使產(chǎn)品成為一個整體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括機箱機架和機柜結(jié)構(gòu)、分機插箱、底座和積木盒結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向定位裝置、面板、指示和操控裝置等。

電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是解決產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形態(tài)如何與產(chǎn)品的功能相統(tǒng)一、與使用要求相統(tǒng)一、與由電子產(chǎn)品組成的工作環(huán)境和生活環(huán)境相統(tǒng)一，并適合人的生理和心理特性等，以滿足用戶的要求。

二、電子產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝的任務(wù)就是以結(jié)構(gòu)設(shè)計為手段，保證所設(shè)計的電子設(shè)備在既定的工作環(huán)境條件和使用要求下，達到技術(shù)條件所規(guī)定的各項指標(biāo)，并能穩(wěn)定可靠地完成預(yù)期功能，即保證電子設(shè)備的可靠性。

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和使用條件，整機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括以下幾方面內(nèi)容：

（1）總體方案設(shè)計

具體包括：

①分機或單元的劃分與總體布局。

②各分機或單元的技術(shù)指標(biāo)分配。

③可靠性分析與設(shè)計。

④環(huán)境條件分析和使用要求分析。

⑤可維修性的結(jié)構(gòu)考慮和機電連接考慮。

⑥機箱、機柜的統(tǒng)一性設(shè)計、造型設(shè)計及確定主要尺寸。

（2）分機或單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

具體包括：

①元器件、零部件排列和布線，印制電路板設(shè)計。

②電磁兼容設(shè)計。

③元器件散熱及機械傳動系統(tǒng)的布置等。

④各分機或單元之間的協(xié)調(diào)性設(shè)計。

（3）整機防護設(shè)計

具體包括：

①散熱系統(tǒng)的設(shè)計。

②減振緩沖系統(tǒng)的設(shè)計。

③三防（防潮、防霉、防鹽霧）措施的選擇和設(shè)計等。

④防護設(shè)計不僅應(yīng)在整機設(shè)計中考慮，在分機和單元結(jié)構(gòu)設(shè)計中也應(yīng)考慮。

（4）典型機械結(jié)構(gòu)件設(shè)計

具體包括：

①根據(jù)技術(shù)要求和所選定的結(jié)構(gòu)形式確定整機或分機（插箱）的機架、底座和面板結(jié)構(gòu)。

②進行剛強度分析或計算，周密地考慮可維修性及其設(shè)計，進行造型、色彩設(shè)計。

③各種附件設(shè)計等。

④人機工程設(shè)計，以便于安裝、調(diào)試和操作、維護。

（5）機電連接設(shè)計

具體包括：

①分機或單元之間、整機與外部設(shè)備及電源之間、分機與天線之間的機電連接形式和安排。

②連接元器件的選擇。由于連接元器件對保證產(chǎn)品正常工作有重要的作用，因此在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須做到連接可靠，不引入干擾，裝卸方便。

（6）整機布線設(shè)計

具體包括：

①根據(jù)不同類型的整機電路結(jié)構(gòu)及其組合設(shè)計的特點，從整機接口出發(fā)，按單向性布線的原則，合理完成接口、印制板組裝件、母板、面板元器件及部件之間的導(dǎo)線布線、走線路徑與連接關(guān)系設(shè)計。

②確保導(dǎo)線束的綁扎、輻射、彎曲、分支及其焊接及加固所需的空間、面積、距離與間隙。

③形成“整機導(dǎo)線走線圖”和“導(dǎo)線接點表”，保證整機導(dǎo)線及導(dǎo)線束的走線與安裝。

三、電子產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

電子產(chǎn)品的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮的要素很多，不僅要考慮單一要素設(shè)計的合理性，更要考慮各種設(shè)計要素的整體性。有些情況下，不同要素的設(shè)計要求甚至是相互矛盾的，這就要求根據(jù)產(chǎn)品的總體性能要求采用折中設(shè)計方法。

電子產(chǎn)品的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計一般應(yīng)遵循以下基本原則：

（1）保證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)

電子產(chǎn)品的性能體現(xiàn)為產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)這些技術(shù)指標(biāo)是研制與生產(chǎn)的終目標(biāo)。要實現(xiàn)產(chǎn)品性能指標(biāo)，一方面依賴于電路設(shè)計，另一方面則依靠整機結(jié)構(gòu)設(shè)計。在有些情況下，某些技術(shù)指標(biāo)（與電路無關(guān)的）必須依賴于整機結(jié)構(gòu)設(shè)計來解決。技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)應(yīng)以電子產(chǎn)品的總體技術(shù)指標(biāo)為主，不應(yīng)盲目追求個別指標(biāo)的先進性，給設(shè)計、制造工作帶來額外困難。

（2）保證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的實現(xiàn)

可靠性是電子產(chǎn)品的一項重要指標(biāo)。電子產(chǎn)品的可靠性包括元器件可靠性和整機（或系統(tǒng)）可靠性兩個方面。整機（或系統(tǒng)）可靠性是建立在元器件可靠性基礎(chǔ)上的。為了提高產(chǎn)品可靠性，在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注意整機電路系統(tǒng)的可靠性和整機機械結(jié)構(gòu)的可靠性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)進行載荷和應(yīng)力分析，充分估計工作時的惡劣情況，精心設(shè)計和試驗驗證，這樣可靠性才有保障。

（3）保證產(chǎn)品使用要求的實現(xiàn)

電子產(chǎn)品的終價值體現(xiàn)是滿足使用要求。因此在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須保證產(chǎn)品滿足使用要求。一般來說，使用要求包括產(chǎn)品的體積、質(zhì)量、產(chǎn)品的可維修性和產(chǎn)品的操縱控制性能等，具體要求如下：

①盡量做到體積小、質(zhì)量輕。對于一些需要在對空間位置和產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格要求的場合下使用的產(chǎn)品，減小其體積和質(zhì)量具有重要意義。減小產(chǎn)品的體積和質(zhì)量還可以節(jié)約材料，有利于加工和運輸；載荷產(chǎn)品質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可以減小慣性，降低能耗。軍用電子產(chǎn)品的體積和質(zhì)量越小，其機動性越高，越能充分發(fā)揮其作用。因此，在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須合理布局，提高其組裝密度，選用小型化元器件和輕質(zhì)材料，并盡量簡化結(jié)構(gòu)，大限度地利用空間，以減少其體積和質(zhì)量。

②盡可能提高電子產(chǎn)品的可維修性。提高可維修性可以縮短維修時間，減少維修費用，延長產(chǎn)品無故障工作時間，充分發(fā)揮產(chǎn)品的作用，這對于軍用產(chǎn)品更為重要。因此在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要采取各種措施，如采用模塊化結(jié)構(gòu)和快速拆卸結(jié)構(gòu)等，以便在發(fā)生故障時能迅速處理。

③充分考慮人機工程學(xué)。設(shè)計出符合人的生理、心理特點的結(jié)構(gòu)，使操作者感到方便、靈活、安全，從而更好地發(fā)揮人和機器的效能。如在使用電子產(chǎn)品時，一般都要通過控制器（各種旋鈕、開關(guān)等）和顯示器（圖像顯示、讀數(shù)、指示等）來進行操縱和控制。對此，在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要合理安排，使其符合人的生理特點，做到簡便、合理、可靠，符合人的操作習(xí)慣。

（4）保證產(chǎn)品具有良好的工藝性

設(shè)計工藝性是產(chǎn)品設(shè)計工作中的一項重要因素，它直接決定了產(chǎn)品的可制造性，是采用經(jīng)濟、合理和可靠的方法制造產(chǎn)品的基礎(chǔ)。隨著自動化生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用和智能制造技術(shù)的發(fā)展，可制造性設(shè)計的作用越來越重要。在設(shè)計電子產(chǎn)品時，要從實際生產(chǎn)出發(fā)，使所設(shè)計的零件、組件、部件具有良好的工藝性，整機有良好的裝配工藝性。只有對新材料生產(chǎn)情況和新工藝發(fā)展情況及加工設(shè)備和工藝水平有較全面的了解，才有可能設(shè)計出具有良好工藝性的產(chǎn)品。

（5）通用化、系列化、模塊化

在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用模塊化結(jié)構(gòu)可以提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。模塊化就是把一些通用性、重復(fù)性較大的單元，用成熟的電路和結(jié)構(gòu)形式固定下來，使之通用化、系列化。在設(shè)計整機產(chǎn)品時，通過使用這些通用化、系列化組件、單元，或稍加修改補充即可構(gòu)成新產(chǎn)品，可以縮短設(shè)計和試制周期，減少重復(fù)勞動，使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、操作維修方便，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。模塊化是一種新的設(shè)計方法，模塊化設(shè)計是按照標(biāo)準(zhǔn)化原理和系統(tǒng)工程原理及方法，采用頂層分析與底層需求相結(jié)合的設(shè)計方法，是一個自上而下的過程，合理劃分模塊、建立模塊體系是其設(shè)計的關(guān)鍵。實踐證明，采用模塊設(shè)計方法能顯著縮短研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品的可靠性和可維修性。

（6）采用先進的設(shè)計技術(shù)

現(xiàn)代電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)總體設(shè)計時需要進行大量的分析計算、數(shù)據(jù)處理、圖形處理、模擬試驗與計算機仿真。傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)不能滿足要求，這就需要在設(shè)計上采用先進的設(shè)計技術(shù)，如CAD（計算機輔助設(shè)計）、EDA（電子設(shè)計自動化）、MDA（機械設(shè)計自動化）等技術(shù)，對產(chǎn)品的電路和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，盡量簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大限度地利用空間，減小產(chǎn)品的體積。

四、電子產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計的順序及要求

整機結(jié)構(gòu)牽涉面廣，要解決的矛盾多，很難遵循一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計流程，一般只能采用邊分析邊設(shè)計、邊設(shè)計邊調(diào)整，前后呼應(yīng)，多方照顧與協(xié)調(diào)的設(shè)計流程（即反復(fù)迭代的設(shè)計模式）。

（1）分機或單元劃分

首先，根據(jù)產(chǎn)品的電路原理圖和方框圖，將產(chǎn)品劃分為幾個分機，若產(chǎn)品較簡單也可劃分為幾個單元或部分。在劃分分機（或單元）時，一般應(yīng)注意以下要求：

①各分機（或單元）在電路上應(yīng)具有一定的獨立性，以便于單獨裝配、調(diào)整和檢驗。

②高頻和低頻、高壓和低壓、輸入和輸出應(yīng)盡可能分開，電源系統(tǒng)建議劃分成獨立分機（或單元）。

③需要統(tǒng)調(diào)的元器件和統(tǒng)調(diào)機構(gòu)應(yīng)放在一個分機（或單元）內(nèi)，同一功能的控制部分和相關(guān)的顯示部分一般劃在同一個分機（或單元）內(nèi)。

④各分機（或單元）所使用（劃分）的元器件和零件、組件、部件，其體積、尺寸應(yīng)能為分機（或單元）所容納，以便采用統(tǒng)一尺寸的插箱或模塊單元。

⑤各分機（或單元）輪廓尺寸應(yīng)大體相近或相同。在劃分分機（或單元）時，電路設(shè)計人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)密切配合，并取得一致意見，獲得方案。在這一過程中，應(yīng)結(jié)合模塊化設(shè)計方法，盡量利用現(xiàn)有的成熟單元模塊。

（2）總體布局

在劃分分機（或單元）的基礎(chǔ)上進行總體布局。總體布局時，一般應(yīng)注意以下要求：

①質(zhì)量較大的分機（或單元）應(yīng)放在產(chǎn)品（設(shè)備）的下部，力求降低產(chǎn)品（設(shè)備）重心。發(fā)熱量較大的分機（或單元）應(yīng)放在產(chǎn)品（設(shè)備）的上部或便于散熱的部位，并遠(yuǎn)離對熱敏感的元器件，分機（或單元）內(nèi)的元器件的布局應(yīng)有利于散熱。

②分機（或單元）的布局有利于各部分之間的電連接和布線，特別應(yīng)避免電連接和布線而引起耦合和反饋，從而形成干擾。

③分機（或單元）的布局應(yīng)有利于產(chǎn)品（設(shè)備）安裝、調(diào)試和維修，有利于操縱運用，并滿足安裝空間要求及使用人員的工作習(xí)慣。

（3）整機各部分主要尺寸確定

在總體布局方案大致確定后，即可確定整機各部分主要尺寸，即確定各分機（或單元）的輪廓尺寸和整機總體尺寸。在確定這些尺寸時，一般要求盡可能做到通用化、系列化，并盡可能選用統(tǒng)一尺寸的插箱或模塊單元。

（4）整機防護措施的選擇和設(shè)計

在整機總體尺寸和各分機（或單元）主要尺寸確定后，總體設(shè)計師就可以進行整機防護措施的選擇和設(shè)計了。整機防護設(shè)計包括整機散熱設(shè)計、隔振緩沖設(shè)計、電磁兼容設(shè)計和“三防”設(shè)計等。具體設(shè)計要求如下：

①整機散熱設(shè)計：在進行具體的設(shè)計前，應(yīng)首先根據(jù)產(chǎn)品的功率、組裝密度、工作環(huán)境溫度和產(chǎn)品所允許的溫升（或工作溫度）等選擇適合的散熱形式。在保證產(chǎn)品正常升溫的條件下，散熱系統(tǒng)要求簡單可靠，系統(tǒng)本身所消耗的功率要小，工作時不會或很少給產(chǎn)品帶來附加的振動和噪聲等。

②隔振緩沖設(shè)計：主要是根據(jù)機械環(huán)境條件確定相應(yīng)的隔振緩沖措施并布置減振器。

③電磁兼容設(shè)計：主要是進行屏蔽設(shè)計和采取其他防干擾措施，合理布局布線及合理設(shè)計饋線和接地。

④“三防”設(shè)計：主要是根據(jù)工作環(huán)境條件合理選擇“三防”材料和防護手段（包括結(jié)構(gòu)防護、工藝防護等），其中主要是進行產(chǎn)品機箱的密封設(shè)計。

（5）整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是具有總成性質(zhì)的設(shè)計，它涉及的面很廣，要解決的矛盾也很多，其中有電氣和機械的矛盾、結(jié)構(gòu)和工藝的矛盾、整體和局部的矛盾，甚至還有經(jīng)濟上的考慮。

整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體內(nèi)容包括：機箱／機柜設(shè)計、插箱／模塊單元設(shè)計、操縱控制和維修結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及緊固／聯(lián)接和其他附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在整機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須綜合考慮各方面因素，綜合平衡妥善解決。

（6）整機機電連接設(shè)計

多箱式整機產(chǎn)品中，分機與分機、分機與整機的機電連接形式和質(zhì)量，對于保證產(chǎn)品的可靠工作是很重要的環(huán)節(jié)。一般說來，在保證使用要求的前提下，應(yīng)盡量減少連接點，因為連接點過多會使整機的可靠性降低。整機機電連接設(shè)計關(guān)鍵在于合理確定連接形式和選擇連接件。

在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要選定連接形式，然后考慮整機走線，并確定連接點位置和連接件的型號、尺寸。整機機電連接可分為電氣連接和機械連接。

①電氣連接：電氣連接包括兩種方式：一是電纜連接；二是接插件連接。電纜連接的質(zhì)量較高，工作可靠，分機抽出后電路仍然接通，便于帶電測試檢修；接插件連接的結(jié)構(gòu)較簡單，機箱（機柜）緊湊，但可靠性較低。

②機械連接：機械連接包括緊固、導(dǎo)向和定位位置。在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要選定連接結(jié)構(gòu)的形式和尺寸，做到連接可靠、裝卸方便。

（7）試驗驗證及完善設(shè)計

完成上述整個過程后，通常會制作出一臺樣機產(chǎn)品，樣機制成后，必須對整機進行電的和結(jié)構(gòu)的模擬試驗或?qū)嵉厥褂脵z驗。通常的做法是對樣機進行例行試驗，按照技術(shù)指標(biāo)的要求進行逐項試驗或綜合試驗，通過試驗暴露結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)和問題，分析其原因，并有針對性地進行修改，使設(shè)計趨于完善，達到設(shè)計定型要求。
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