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干货:电子产品整机结构设计

2020-08-21 10:27 来源:互联网 编辑:咩咩

一、电子产品整机结构设计简介

电子产品的设计通常包括电路设计和结构设计。电路设计就是根据产品的功能要求和技术条件,确定总体方案并设计原理框图,并在此基础上进行必要的计算和试验,最终确定详细电路设计图纸并选定元器件及其参数。结构设计则是根据电路设计提供的资料和数据,结合电子产品的性能要求、技术条件等,合理布置元器件、使之组成部件或电路单元,同时进行机械设计和防护设计,将各零部件或电路单元互连,最后给出齐套的技术图纸。

设计和制造电子产品,除满足工作性能的要求外,还必须满足加工制造的要求,电路性能指标的实现,要通过具体的产品结构体现出来。电子产品是随着电子技术的发展而发展的,其结构和构成形式也随之发生变化。初期的电子产品功能比较简单,设计考虑的主要问题是电路设计。到 20 世纪 40 年代后,随着电子产品功能越来越多,出现了将复杂产品分为若干部件、树立结构级别的先进想法;为防止气候影响,研制出密封外壳;为防止机械过载而研制出减振器,产品结构功能进一步完善,此时,结构设计才正式成为电子产品设计的内容。随后,由于产品向高集成度和小型化方向发展,尤其是出于军用电子技术的发展和野战的需要,散热、抗电磁干扰、防潮、防霉菌、防盐雾开始成为结构设计中必须考虑的内容,结构设计的内容也因此逐步丰富起来。目前,结构设计在电子产品的设计中占有较大的比重,直接关系到电子产品的性能和技术指标(条件)的实现。

电子产品的整机结构是指电子产品中由工程材料按合理的方式进行连接,能够安装电子元器件及机械零部件,使产品成为一个整体的基础结构。这种结构包括机箱机架和机柜结构、分机插箱、底座和积木盒结构、导向定位装置、面板、指示和操控装置等。

电子产品结构设计的目的是解决产品的结构形态如何与产品的功能相统一、与使用要求相统一、与由电子产品组成的工作环境和生活环境相统一,并适合人的生理和心理特性等,以满足用户的要求。

二、电子产品整机结构设计的内容

电子设备结构设计和生产工艺的任务就是以结构设计为手段,保证所设计的电子设备在既定的工作环境条件和使用要求下,达到技术条件所规定的各项指标,并能稳定可靠地完成预期功能,即保证电子设备的可靠性。

根据产品的技术指标和使用条件,整机结构设计应包括以下几方面内容:

(1)总体方案设计

具体包括:

① 分机或单元的划分与总体布局。

② 各分机或单元的技术指标分配。

③ 可靠性分析与设计。

④ 环境条件分析和使用要求分析。

⑤ 可维修性的结构考虑和机电连接考虑。

⑥ 机箱、机柜的统一性设计、造型设计及确定主要尺寸。

(2)分机或单元结构设计

具体包括:

① 元器件、零部件排列和布线,印制电路板设计。

② 电磁兼容设计。

③元器件散热及机械传动系统的布置等。

④ 各分机或单元之间的协调性设计。

(3)整机防护设计

具体包括:

① 散热系统的设计。

② 减振缓冲系统的设计。

③ 三防(防潮、防霉、防盐雾)措施的选择和设计等。

④ 防护设计不仅应在整机设计中考虑,在分机和单元结构设计中也应考虑。

(4)典型机械结构件设计

具体包括:

① 根据技术要求和所选定的结构形式确定整机或分机(插箱)的机架、底座和面板结构。

② 进行刚强度分析或计算,周密地考虑可维修性及其设计,进行造型、色彩设计。

③ 各种附件设计等。

④ 人机工程设计,以便于安装、调试和操作、维护。

(5)机电连接设计

具体包括:

① 分机或单元之间、整机与外部设备及电源之间、分机与天线之间的机电连接形式和安排。

② 连接元器件的选择。由于连接元器件对保证产品正常工作有重要的作用,因此在整机结构设计时,必须做到连接可靠,不引入干扰,装卸方便。

(6)整机布线设计

具体包括:

① 根据不同类型的整机电路结构及其组合设计的特点,从整机接口出发,按单向性布线的原则,合理完成接口、印制板组装件、母板、面板元器件及部件之间的导线布线、走线路径与连接关系设计。

② 确保导线束的绑扎、辐射、弯曲、分支及其焊接及加固所需的空间、面积、距离与间隙。

③ 形成“整机导线走线图”和“导线接点表”,保证整机导线及导线束的走线与安装。

三、电子产品整机结构设计的基本原则

电子产品的整机结构设计是一个复杂的系统工程,需要考虑的要素很多,不仅要考虑单一要素设计的合理性,更要考虑各种设计要素的整体性。有些情况下,不同要素的设计要求甚至是相互矛盾的,这就要求根据产品的总体性能要求采用折中设计方法。

电子产品的整机结构设计一般应遵循以下基本原则:

(1)保证产品技术指标的实现

电子产品的性能体现为产品的技术指标,实现这些技术指标是研制与生产的最终目标。要实现产品性能指标,一方面依赖于电路设计,另一方面则依靠整机结构设计。在有些情况下,某些技术指标(与电路无关的)必须依赖于整机结构设计来解决。技术指标的实现应以电子产品的总体技术指标为主,不应盲目追求个别指标的先进性,给设计、制造工作带来额外困难。

(2)保证产品可靠性指标的实现

可靠性是电子产品的一项重要指标。电子产品的可靠性包括元器件可靠性和整机(或系统)可靠性两个方面。整机(或系统)可靠性是建立在元器件可靠性基础上的。为了提高产品可靠性,在整机结构设计时,要注意整机电路系统的可靠性和整机机械结构的可靠性。在结构设计时,应进行载荷和应力分析,充分估计工作时的最恶劣情况,精心设计和试验验证,这样可靠性才有保障。

(3)保证产品使用要求的实现

电子产品的最终价值体现是满足使用要求。因此在整机结构设计时,必须保证产品满足使用要求。一般来说,使用要求包括产品的体积、质量、产品的可维修性和产品的操纵控制性能等,具体要求如下:

① 尽量做到体积小、质量轻。对于一些需要在对空间位置和产品质量有严格要求的场合下使用的产品,减小其体积和质量具有重要意义。减小产品的体积和质量还可以节约材料,有利于加工和运输;载荷产品质量轻,结构紧凑,可以减小惯性,降低能耗。军用电子产品的体积和质量越小,其机动性越高,越能充分发挥其作用。因此,在整机结构设计时,必须合理布局,提高其组装密度,选用小型化元器件和轻质材料,并尽量简化结构,最大限度地利用空间,以减少其体积和质量。

② 尽可能提高电子产品的可维修性。提高可维修性可以缩短维修时间,减少维修费用,延长产品无故障工作时间,充分发挥产品的作用,这对于军用产品更为重要。因此在整机结构设计时,要采取各种措施,如采用模块化结构和快速拆卸结构等,以便在发生故障时能迅速处理。

③ 充分考虑人机工程学。设计出符合人的生理、心理特点的结构,使操作者感到方便、灵活、安全,从而更好地发挥人和机器的效能。如在使用电子产品时,一般都要通过控制器(各种旋钮、开关等)和显示器(图像显示、读数、指示等)来进行操纵和控制。对此,在整机结构设计时,要合理安排,使其符合人的生理特点,做到简便、合理、可靠,符合人的操作习惯。

(4)保证产品具有良好的工艺性

设计工艺性是产品设计工作中的一项重要因素,它直接决定了产品的可制造性,是采用经济、合理和可靠的方法制造产品的基础。随着自动化生产设备的应用和智能制造技术的发展,可制造性设计的作用越来越重要。在设计电子产品时,要从实际生产出发,使所设计的零件、组件、部件具有良好的工艺性,整机有良好的装配工艺性。只有对新材料生产情况和新工艺发展情况及加工设备和工艺水平有较全面的了解,才有可能设计出具有良好工艺性的产品。

(5)通用化、系列化、模块化

在整机结构设计中,采用模块化结构可以提高标准化程度。模块化就是把一些通用性、重复性较大的单元,用成熟的电路和结构形式固定下来,使之通用化、系列化。在设计整机产品时,通过使用这些通用化、系列化组件、单元,或稍加修改补充即可构成新产品,可以缩短设计和试制周期,减少重复劳动,使设备结构紧凑、操作维修方便,提高生产效率和产品质量。模块化是一种新的设计方法,模块化设计是按照标准化原理和系统工程原理及方法,采用顶层分析与底层需求相结合的设计方法,是一个自上而下的过程,合理划分模块、建立模块体系是其设计的关键。实践证明,采用模块设计方法能显著缩短研制周期,降低研制成本,提高产品的可靠性和可维修性。

(6)采用先进的设计技术

现代电子产品结构总体设计时需要进行大量的分析计算、数据处理、图形处理、模拟试验与计算机仿真。传统的设计技术不能满足要求,这就需要在设计上采用先进的设计技术,如 CAD(计算机辅助设计)、EDA(电子设计自动化)、MDA(机械设计自动化)等技术,对产品的电路和结构进行优化设计,尽量简化产品结构,最大限度地利用空间,减小产品的体积。

四、电子产品整机结构设计的顺序及要求

整机结构牵涉面广,要解决的矛盾多,很难遵循一套标准的设计流程,一般只能采用边分析边设计、边设计边调整,前后呼应,多方照顾与协调的设计流程(即反复迭代的设计模式)。

根据设计经验,进行整机结构设计时,可按以下顺序进行,如图 1 所示。

电子产品整机结构设计

图 1 整机结构设计流程

(1)分机或单元划分

首先,根据产品的电路原理图和方框图,将产品划分为几个分机,若产品较简单也可划分为几个单元或部分。在划分分机(或单元)时,一般应注意以下要求:

① 各分机(或单元)在电路上应具有一定的独立性,以便于单独装配、调整和检验。

② 高频和低频、高压和低压、输入和输出应尽可能分开,电源系统建议划分成独立分机(或单元)。

③ 需要统调的元器件和统调机构应放在一个分机(或单元)内,同一功能的控制部分和相关的显示部分一般划在同一个分机(或单元)内。

④ 各分机(或单元)所使用(划分)的元器件和零件、组件、部件,其体积、尺寸应能为分机(或单元)所容纳,以便采用统一尺寸的插箱或模块单元。

⑤ 各分机(或单元)轮廓尺寸应大体相近或相同。在划分分机(或单元)时,电路设计人员和结构设计人员应密切配合,并取得一致意见,获得最佳方案。在这一过程中,应结合模块化设计方法,尽量利用现有的成熟单元模块。

(2)总体布局

在划分分机(或单元)的基础上进行总体布局。总体布局时,一般应注意以下要求:

① 质量较大的分机(或单元)应放在产品(设备)的最下部,力求降低产品(设备)重心。发热量较大的分机(或单元)应放在产品(设备)的最上部或便于散热的部位,并远离对热敏感的元器件,分机(或单元)内的元器件的布局应有利于散热。

② 分机(或单元)的布局有利于各部分之间的电连接和布线,特别应避免电连接和布线而引起耦合和反馈,从而形成干扰。

③ 分机(或单元)的布局应有利于产品(设备)安装、调试和维修,有利于操纵运用,并满足安装空间要求及使用人员的工作习惯。

(3)整机各部分主要尺寸确定

在总体布局方案大致确定后,即可确定整机各部分主要尺寸,即确定各分机(或单元)的轮廓尺寸和整机总体尺寸。在确定这些尺寸时,一般要求尽可能做到通用化、系列化,并尽可能选用统一尺寸的插箱或模块单元。

(4)整机防护措施的选择和设计

在整机总体尺寸和各分机(或单元)主要尺寸确定后,总体设计师就可以进行整机防护措施的选择和设计了。整机防护设计包括整机散热设计、隔振缓冲设计、电磁兼容设计和“三防”设计等。具体设计要求如下:

① 整机散热设计:在进行具体的设计前,应首先根据产品的功率、组装密度、工作环境温度和产品所允许的温升(或最高工作温度)等选择适合的散热形式。在保证产品正常升温的条件下,散热系统要求简单可靠,系统本身所消耗的功率要小,工作时不会或很少给产品带来附加的振动和噪声等。

② 隔振缓冲设计:主要是根据机械环境条件确定相应的隔振缓冲措施并布置减振器。

③ 电磁兼容设计:主要是进行屏蔽设计和采取其他防干扰措施,合理布局布线及合理设计馈线和接地。

④ “三防”设计:主要是根据工作环境条件合理选择“三防”材料和防护手段(包括结构防护、工艺防护等),其中主要是进行产品机箱的密封设计。

(5)整机机械结构设计

整机机械结构设计是具有总成性质的设计,它涉及的面很广,要解决的矛盾也很多,其中有电气和机械的矛盾、结构和工艺的矛盾、整体和局部的矛盾,甚至还有经济上的考虑。

整机机械结构设计的具体内容包括:机箱/机柜设计、插箱/模块单元设计、操纵控制和维修结构设计,以及紧固/联接和其他附属结构的设计。在整机机械结构设计时,必须综合考虑各方面因素,综合平衡妥善解决。

(6)整机机电连接设计

多箱式整机产品中,分机与分机、分机与整机的机电连接形式和质量,对于保证产品的可靠工作是很重要的环节。一般说来,在保证使用要求的前提下,应尽量减少连接点,因为连接点过多会使整机的可靠性降低。整机机电连接设计关键在于合理确定连接形式和选择连接件。

在整机结构设计时,首先要选定连接形式,然后考虑整机走线,并确定连接点位置和连接件的型号、尺寸。整机机电连接可分为电气连接和机械连接。

① 电气连接:电气连接包括两种方式:一是电缆连接;二是接插件连接。电缆连接的质量较高,工作可靠,分机抽出后电路仍然接通,便于带电测试检修;接插件连接的结构较简单,机箱(机柜)紧凑,但可靠性较低。

② 机械连接:机械连接包括紧固、导向和定位位置。在整机结构设计时,要选定连接结构的形式和尺寸,做到连接可靠、装卸方便。

(7)试验验证及完善设计

完成上述整个过程后,通常会制作出一台样机产品,样机制成后,必须对整机进行电的和结构的模拟试验或实地使用检验。通常的做法是对样机进行例行试验,按照技术指标的要求进行逐项试验或综合试验,通过试验暴露结构设计中的薄弱环节和问题,分析其原因,并有针对性地进行修改,使设计趋于完善,最后达到设计定型要求。

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