电子设备机械结构标准化现状及动1.doc

1、电子设备机械结构标准化现状及动态 曾伟 1 童时中 2 (1.华为技术有限公司，深圳 518057；2. 国电公司电力自动化研究院，江苏 南京 210003) 摘 要：全面概述了电子设备机械结构标准化现状及动态，包括机械结构尺寸（IEC60297 族， IEC60917 族） ，户外机壳（IEC61969 族） ，环境试验（IEC61587 族） ，连接器（IEC60603 ，IEC61076-4 族） ，以及以 IEC60297，IEC60917 为基础的国外先进标准；论述了以国际标准为基础的电子设备的模块化，对大规模定制的意义。 关键词：电子设备；机械结构；标准化；大规模定制 1. 电子机

2、械工程学科的形成及其发展 电子设备机械结构设计的任务是，把电路硬件的各种分离的元器件及其连线构建成为一个具有良好使用性、可靠性和优美外观的产品实体。电子设备机械结构设计经历了几个发展阶段，起初是由电路设计人员与工匠配合制作硬件实体；其次，当电子设备结构较为复杂和商品化时，则出现了结构设计（由机械设计人员承担） ，进行机械结构及装联设计；第三阶段，以“物理设计” （美国贝尔实验室提出）为标志的结构设计，主要是为了提高电子设备的可靠性，适应组装密度的提高及严酷的环境条件而进行的环境防护设计，包括热设计、缓冲设计、三防设计、电磁兼容性设计等；第四阶段，为了满足人们日益增长的审美情趣和市场竞争的需要，

3、强化对电子设备的工业设计（造型，人机工程） 。至此，结构设计形成为一门集多种学科于一体的新的边缘学科电子机械工程，这一新兴学科被列入了我国的百科全书。 电子机械工程，源于电子设备的发展，而更进一步它又涵盖了机电一体化领域，其特点是电子机械设计师需具有广泛而坚实的基础知识，不仅是机械设计知识，还有系统工程、电路、环境防护、工业设计、信息技术和价值工程知识等。随着技术的发展，电路设计日趋简化，小学生就能够组装电视机，但电子机械却日趋复杂化。日本在 80 年代初曾作过一个调查和预测；在 21 世纪将为软件工程师和电子机械工程师提供更多的就业机会。也就是说电子机械将在新产业革命中占据举足轻重的位置。2

4、. 电子设备结构标准的形成和发展 2.1 IEC297 族标准的产生、发展和趋势 2.1.1 IEC297 族标准的产生和完善 1921 年美国面板和机架尺寸系列标准的问世，它不仅对成套电子设备的结构尺寸作了规范，而且为电子设备的主要模式提出了雏型（插箱-机架） ，即把各类大型的柜型装置的整体式内结构，分解为若干标准插箱单元。插箱单元的高度以U=1.75（44.45mm）为单位，宽度有 19、24、30三种规格。 这一模式及尺寸系列逐渐为世界各国所接受，1975 年 IEC/TC48 技术委员会（电子设备用机电元件）的 4 分技术委员会（电子设备用机械结构）发布了 IEC297 标准，它以美国

5、标准为蓝本，但插箱仅选用了 19（与人肩同宽，符合人机工程学对视野和操作的要求）一种尺寸，其意义在于减少插箱的品种规格，提高了通用性，使世界各地不同厂家生产的插箱级产品，可装于同一 19机架而构成系统。随后在 80 年代初又陆续出版了机柜和机架（IEC297-2） 、插箱及其插件（IEC297-3）标准。至此，电子设备机械结构尺寸标准形成为一个完整的体系。这些标准（目前的有效版本）如下： IEC60297-1（1986，第 3 版） 482.6mm（19in ）系列机械结构尺寸第 1 部分：面板和机架。 IEC60297-2（1982，第 1 版） 482.6mm（19in ）系列机械结构尺寸

6、第 2 部分：机柜和机架结构间距。 IEC60297-3（1992，第 2 版）482.6mm（19in）系列机械结构尺寸第 3 部分：插箱及其插件。注：从 1997 年 1 月 1 日起，全部 IEC 按 60000 系列编号发布。2.1.2IEC297 族标准的新发展 IEC297 族标准在国际上得到普遍应用。在沉寂了整整十年之后，于 1995 年随着IEC297-4 标准的出版，掀起了一个新的高潮，陆续出版了 IEC197-5 系列标准，其主要特点是：为了满足电子产品发展的需要，提出了符合 IEC297-3 和 IEC297-4 标准的插箱、插件、印制板的一些扩展功能，并由此形成了一些新

7、型的插箱及插件单元。这是对 297 系列标准的发展和深化。这些标准是： IEC60297-4（1999，第 2 版）电子设备机械结构 482.6mm（19in）系列机械结构尺寸第 4 部分：插箱及其插件附加尺寸； IEC60297-5-100（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5100 部分：插箱及其插件设计总则。 IEC60297-5-101（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5101 部分：插箱及其插件插/拔把手。 IEC60297-5-102（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5102 部分：插箱及其插件电磁屏蔽防护。 IEC60297-5-103（2001，第

8、1 版）电子设备机械结构第 5103 部分：插箱及其插件静电放电防护。 IEC60297-5-104（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5104 部分：插箱及其插件插入键。 IEC60297-5-105（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5105 部分：插箱及其插件定位和/或接地销。规定了增加定位和/ 或接地销功能（其功能与 IEC297-5-102 的屏蔽功能有关）的插箱及其插件的互换性尺寸。 IEC60297-5-107（2001，第 1 版）电子设备机械结构第 5107 部分：插箱及其插件后插式插件。规定了增加后插式插件功能的插箱及其插件的互换性尺寸。 2.1.3IEC2

9、97 族标准的趋势 在完成上述工作的同时，IEC4 于 1997 年 8 月采纳由美国提出的对 IEC60297-3 和IEC60297-4 及正在起草的 IEC60297-5 标准的重新组织的建议，待重新组合的标准代号及名称如下： IEC60297-3-101（4/255/CD，2000 ）电子设备机械结构-482.6mm （19in）系列机械结构尺寸第 3 101 部分：插箱及其插件。 IEC60297-3-102(4/255/CD，2000) 电子设备机械结构-482.6mm（19in ）系列机械结构尺寸第 3102 部分：插/拔器把手。 IEC60297-3-103（4/255/CD，

10、2000 ）电子设备机械结构-482.6mm(19in)系列机械结构尺寸第 3-103 部分：锁件和基准点。 2.2IEC917 系列标准的产生及其重组 2.2.1 模数数列的提出 当代，产品多样化及寿命周期缩短的趋势，促使产品制造者采用模块化的产品结构，即把最终产品（系统）分解为模块（通用部件）进行分工设计和制造，通过不同模块的灵活组合，构成多样化的新产品及大型的产品系统。由于模块往往是由专业厂生产，并以商品方式进行流通，要求模块的组合界面的结构、尺寸和精度，具有互换性和置换性，这就对不同行业间相关接口提出了尺寸协调的要求。为此，IEC 在 1980 年发布了 103 导则尺寸协调导则 ，就

11、尺寸协调提出了下列要求： （1）制品及元器件的布置应占有最小的面积和空间，使面积和空间损失最小； （2）元器件、模块以至产品应具有尺寸互换性； （3）相关制品间的尺寸应具有协调性或兼容性。 解决模块化产品结构的互换、兼容和空间损失最小等问题的有效办法是：将元器件、零部件、整机的形状及其间组装关系，置于一个两维或三维的坐标网络系统中来考虑，即各种元器件、零部件定位于坐标网格的固定点上，并且它们的外形尺寸占有整数倍的网格格距。如将格距称之为“模数” ，则元器件、零部件的尺寸及其安装间距应是模数的倍数。 在模数基础上建立的一套尺寸协调数列，称为模数数列。一个良好的模数数列需满足兼容性（置换性）和经济

12、性这两方面的要求，它实际上是几何（倍增）级数（作为框架）和算术级数的结合体。IEC103 导则给出了按严密数学运算而得出的模数数列值。2.2.2 电子设备机械结构模数数列标准的形成 就科学性而言，电子设备的机械结构也需有一个合理的模数数列，在研制一种新的电子设备时，其机械结构需考虑外部和内部的相互关系，电子设备结构的最重要接口是： 1）外接口 房屋建筑与房间设施，如：门、电梯、地面和天花板上的瓷砖等； 包装和运输，如：汽车、船舶和空运的托盘和集装箱； 各类设备的集成，如：开关和传动设备、电源、工业过程设备。 2）内接口 印制电路板，连接器和机电元件； 半导体元件； 电缆和布线； 功能单元，如

13、AC/DC 转换器，测量、控制功能单元和熔断器等。 按上述指导思想，结合电子设备的实际情况，电子设备机械结构模数数列采用 IEC103导则中的数系 I，选用 0.5mm、2.5mm、25mm 三种格距，派生出一个完整的协调尺寸系列，并于 1988 年发布了三项标准： IEC916（术语） ；IEC917（新研制的电子设备机械结构模数数列）和 IEC917-0（IEC917 标准使用导则） 。 2.2.3IEC917 系列标准的重组 为使标准体系结构合理化，IEC917 系列标准在制定过程中不断进行调整和重组，IEC917 的现行标准为： IEC60917-1（2000，第 2 版）新研制的电子

14、设备机械结构模数据数列第 1 部分：总规范； IEC60917-2（2000，第 2 版）新研制的电子设备机械结构模数据数列第 2 部分：分规范25mm 设备结构协调尺寸； IEC60917-2-1（1993，第 1 版）新研制的电子设备机械结构模数据数列第 2 部分：分规范25mm 设备结构协调尺寸第 1 篇：详细规范机柜和机架的尺寸； IEC60917-2-2（1994，第 1 版）新研制的电子设备机械结构模数据数列第 2 部分：分规范25mm 设备结构协调尺寸第 2 篇：详细规范插箱、机箱、背板、面板和插件的尺寸； 其中 IEC60917-1 综合并代替了 IEC916（1988 ） 、

15、IEC917（1988） 、IEC917 修正1（1993）和 IEC917-0（1989） 。IEC917-1 中的术语，对所有电子设备的机械结构都适用。2.3IEC/TC4 的其它机械结构标准 作为一个完整的电子设备机械结构体系，它还应当包括能适应不同环境要求的标准和一系列的试验标准。在这一方面已发布的和正在制定的标准有： IEC61969-1（1999，第 1 版）户外机壳第 1 部分：设计总则； IEC61969-2（2000，第 1 版）户外机壳第 2 部分：箱和柜的协调尺寸； IEC61969-2-1（2000，第 1 版）户外机壳第 2-1 部分：详细规范 机柜； IEC6196

16、9-2-2（2000，第 1 版）户外机壳第 2-2 部分：详细规范 机箱； IEC61969-2-3（2000，CDV）户外机壳第 3 部分：柜和箱的气候、机械试验和安全性能； IEC61969-XX（1999，第 1 版）户外机壳户外机壳热控制系统的标准化的设计程序方案； IEC61587-1（1999，第 1 版）电子设备机械结构IEC60917 和 IEC60297 的试验第 1 部分：机柜、机架、插箱和机箱的气候、机械试验和安全特性； IEC61587-2（2000，第 1 版）电子设备机械结构IEC60917 和 IEC60297 的试验第 2 部分：机柜和机架的地震试验； IEC

17、61587-3（1999，第 1 版）电子设备机械结构IEC60917 和 IEC60297 的试验第 3 部分：机柜、机架和插箱的屏蔽性能试验。 2.4IEC 电子设备机械结构标准体系 2.4.1 标准体系构成 经过世界各国标准化工作者二十余年的努力，逐步形成了一个完整的电子设备机械结构标准体系。如图 1 所示。由图 1 可知，整个标准体系由四大部分组成，即： IEC917 族模数尺寸数列标准； IEC297 族（19in）机械结构尺寸标准； 与设备环境特性有关的标准及其试验标准； 其它与电子设备机械结构有关的标准。 需要特别说明的是，IEC917 族与 IEC297 系族标准是两个平行存在

18、的现行标准， IEC297族比较成熟，在内容上完整，并已广泛流行于世；而 IEC917 族是新开发的公制尺寸系列标准，正在逐步完善之中，并特别声明“建议将本标准用于新研制设备的结构设计，但不是说要改变现有的结构构体” 。 需要特别强调的是：一个企业切忌同时使用二套互不兼容的标准体系，因那样将会派生出二套结构相似、尺寸接近但不能通用互换的印制板、插件、插箱和机柜，使企业的零部件品种成倍增长，从而增加产品的成本。实际上，就产品而言，采用哪一种尺寸系列标准并不重要，重要的是各功能单元应能实现“尺寸互换” 。同时使用二套尺寸系列标准与标准化的统一、简化基本原则是相背的。 2.4.2 相关 IEC 标准

19、举例 IEC60603-2（2000，第 4 版）频率低于 3MHz 的印制电路板用连接器第 2 部分：具有共同安装特征、基本网格为 2.54mm（0.1in）的、具有性能分级的两件式连接器详细规范。 IEC61076-4（1995，第一版）用于直流低频模拟和高速数字电路的，具有性能分级的连接器第四部分：印制板连接器。 IEC61079-4-100 第 100 部分：具有 2.5mm（0.098in）基于格距的印制板和印制背板用两件式连接器模块的详细规范。 IEC61076-4-101 第 101 部分：具有 2.0mm 基本格距的印制板和印制背板用两件式连接器模块的详细规范（基于 IEC91

20、7） 。 IEC61076-4-102 第 102 部分：具有预对准、编码、预配合的，在插件上具有多种用途的，两件式单针连接器详细规范（基于 IEC60917） 。 IEC61076-4-103 第 103 部分：具有屏蔽及 2.5mm 基本格距的印制板用两件式连接器质量评估详细规范。 IEC61076-4-104 第 104 部分：具有屏蔽 2.5mm 基本格距的印制板用两件式连接器质量评估详细规范。 IEC60529-1989 外壳防护等级（IP） 。2.5 以 IEC 标准为基础的国外先进标准 由于 IEC 的机械结构国际标准是由世界各国共同参与而制定的，因而它也为各国及集团所乐于采用。

21、例如： 2.5.1 IEEE（美国电工电子工程师协会）和美国的机械结构标准 IEEE1101 系列标准，是用于微型计算机的机械结构标准，它以 IEC297（19 ）为基础，采用 IEC603-2 连接器，其中 IEEE1101.10 和 IEEE1101.11 则是 IEC297-5 中某些标准制订的蓝本。IEEE 有关结构的主要标准如下： IEEE1101.1-1998 微型计算机机械结构基本规范（基于 IEC60603-2 连接器） IEEE1101.2-1992 欧洲印制板冷却传导机构核心规范； IEEE1101.3-1993 冷却传导和空气冷却的 10SU 模块； IEEE1101.4

22、-1993 采用 E 形模块要素； IEEE1101.7-1995 机载模块标准扩展高度 E 型模块； IEEE1101.10-1996 微型计算机机械结构附加规范（基于 IEEE1101.1） ； IEEE1101.11-1998 微型计算机机械结构后插式插件（基于 IEEE1101.1 和IEEE1101.10） ； IEEEP1386（D.2.2，2000）通用子板族（CMC）规范； IEEE1301-1991 微型计算机公制设备协调文件； IEEE1301.2-1993 公制设备（IEEE1301-1991 ）实施推荐规范； IEEE1301.3-1992 微型计算机公制设备-2.5m

23、m 连接器冷却传导规范； IEEE1301.4-1996 微型计算机子板协调文件； IEEE1156.1-1993 微型计算机模块环境规范； IEEE P1386（D.2.2，2000）通用子板（CMC）规范； IEEE P1386.1（D.2.2，1995 ）PCI 子板（PMC）的物理层和环境层规范； ANSI/VITA36（D.0.1，1999 ）PMC I/O 模块规范； ANSI/VITA30（D.0.8，2000 ）2mm 连接器应用于欧洲印制板系统。2.5.2ETSI（欧洲电信标准协会）机械结构标准 ETS 的机械标准以 IEC917 为基础的，主要标准如下： ETS300 11

24、9-1（1994）欧洲电信设备结构第 1 部分 总则和术语； ETS300 119-2（1994）欧洲电信设备结构第 2 部分 机架和机柜的技术要求； ETS300 119-3（1994）欧洲电信设备结构第 3 部分 嵌套式结构机架和机柜的技术要求； ETS300 119-4（1994）欧洲电信设备结构第 4 部分 嵌套式结构机架和机柜中的插箱的技术要求。 3 电子设备的模块化及其深远的意义 分析电子设备，由于电路决定产品功能上的差异是一种多变因素，使电路模块的形成受到一定的限制。然而作为电路的载体和产品的组装单元的机械结构，随产品变化的因素较少，具备实现具有尺寸互换性的结构模块的有利条件，并

25、且它又是实现工艺、工装通作化的前提，是缩短产品制造周期和降低成本的重要环节。因而在电子设备的模块化中，结构模块有可能独立先行，并以结构模块去制约电路模块，是实现电子设备模块化的基础。事实上，产品的模块化水平已是评价设计水平的主要准则之一。3.1 电子设备典型结构的产生 随着 IEC297 系列标准的颁布，出现了一些以此系列标准为基础的典型结构，最有代表性的是核电子仪器的 CAMAC 系统，它对插箱、插件、印制板的具体尺寸，作出了统一（唯一）的规定，并对连接器（各插针的定义）和总线等都作出了详细规定，实现了世界范围内核电子仪器在结构上的通用互换。 在七十年代由欧洲的西门子、德律风根公司推出了以

26、IEC297 为基础的称之为“欧洲系统”的电子设备典型结构产品。它选用 3U、6U 二种印制板，并做出了商品化的标准插箱结构，接着标准电源插件也配套上市，在市场上随时可买到这些典型结构配件，影响深远，以至美国的 Intle 公司的 12 的 OEM 系列印制板模块，也不得不另外派生了一系列在功能上是平行的、适用于“欧洲系统”的印制板功能模块。并有逐步取代 12印制板的趋势。 3.2 各类不同的模块化典型结构模式的出现 通过长期的实践，电子设备的壳体逐步形成了盒、箱、柜（包括屏） 、台四大类型基本结构模式，但由于电子设备广泛应用于多个技术领域，并且由于其功能的差异、使用场合的差异及人们对多样化的

27、需求，使电子设备的式样极其繁多，为降低费用及进行专业化批量生产，逐步形成了一些典型结构，其中具有普遍意义的结构模式有： 1）嵌套式层次结构（内插式结构）：主要是指由 IEC297 和 IEC917 系列标准所规定的模式，它是一种插件插箱机柜系统。是目前标准化程度最高、也是应用最广的一种模块化结构模式。 2）外插式结构；其基本单元是盒式插件模块，将具有独立功能的模块，并列地直接从外部进行机械和电气互连，从而构成一套新的装置。 3）层叠式结构：由具有相对独立功能的机箱模块逐层叠装而成，加上电气互连就可构成一套功能齐全的整机。 4）套装式结构：几种模块套装于机箱模块内构成整机，主要用于箱式的仪器。

28、5）装架（屏）式结构：将各种具有规定尺寸的功能模块集装于标准的安装架上构成电子设备。 6）拼装式结构：将若干种不同结构形式的模块，按规定的模式组装成一台整机。通过巧妙的设计，几种有限的模块可组装出多种形态各异的装置，如各种形式的控制台。 7）单元组合式结构：由若干风格统一、但结构各异、有独立功能的单元组合成成套装置。 上述各种典型结构又常相互兼容与统一。如：屏柜的统一；仪器的插箱、插件化；台型结构引入插箱、插件；机箱结构的台式、上架两用；固定式与移动式的统一（换用多种底脚结构）等。3.3 一系列专业厂的出现 随着尺寸系列标准的出台和详细技术规范的制定，以及典型结构模式的形成，为专业化、规模化生

29、产提供了有利条件，一大批专业厂应运而生，并出现了一批大型的专业化的跨国公司。 成立于 1961 年的德国的威图公司（Ritta）是世界规模最大的专业制造机箱、机柜类产品的跨国公司。在德国有 7 个分厂，在美国、英国、印度等地共有 38 个分厂，有 70 多家代理商，产品覆盖面宽、品种多、模块化水平高。可生产具有多种功能、多种外观风格的机柜、插箱、插件。如插箱级产品分为：具有屏蔽功能和非屏蔽，上架式与台式等。美国的霍夫曼（Hoffman）公司是北美电子装置的领导者，其在德国的子公司（Schroff）在欧洲电子装置市场排名前列：英国的 VERO 被美国的 APW 公司收购；德国的 Knurr In

30、c 以及瑞士的 EMLA 等，均是著名的专业性跨国公司。 这些大型公司，不仅生产电子设备的机械结构，并可为客户定制系统产品。也就是说电路设计师可直接与这些厂家合作完成电子产品的设计制造工作，而瑞士的 EMLA 公司则是专业的机箱厂。它的 Elmal9机箱可提供各种 VME、ME64x、Compact PCI、PC/ISA 总线背板（一个分厂专业制造背板） ，还做 SUN 的加固机箱和附件。 4 结束语 4.1 没有标准化、模块化就没有大规模定制 20 世纪的大部分时间中，是以标准化为基础的大规模生产的天下，但自进入 80 年代以来，面对以多样化为特征的市场竞争和个性化的用户需求，促使企业生产结

31、构向适应多品种、小批量、甚至“定制”的方式转化，但这往往意味着高成本和低速度。能否在满足定制需要的同时，保持生产的快速和低成本，成为企业界的新课题。研究和结果表明，出路在于产品结构的模块化。即以大规模生产的成本和速度制造的模块，通过灵活的组合来满足用户的定制需要。 在电子产品的模块化中，应以“电路为先导，结构为先行” ，所谓“电路为先导”是因为电路功能模块决定产品系列的功能；所谓“结构为先行” ，是以作为电路载体的结构模块去制约电路模块的设计，以便按一定的模式组装出定制的产品。所以结构设计师应具有强烈的标准化观念和明晰的模块化意识。 在目前世界经济渐趋一体化和我国已加入 WTO 的形势下，结构设计师应密切关注和跟踪国内外标准化的发展及趋势，充分运用标准这一巨大财富，并通过自己的设计实践，在企业实现大规模定制21 世纪企业竞争的新前沿中，发挥先行官的作用。