CN109561628B - 一种模块化集成电子箱 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子设备机箱技术领域，具体涉及一种模块化集成电子箱，其主箱体前端面与各个功能模块前端矩形凸缘固连构成密封结构，主箱体后端面与背箱模块固连后也构成密封结构，从而形成完整的整机机械、电磁密封结构。各功能模块、背箱模块与主箱体间通过高精度机械、电气对接，形成耐环境、高可靠的一体化集成电子箱结构，能够满足LRM对快速装拆的要求，可应用于军用设备或其他各类对可靠性、维修性有较高要求的应用场合。

Description

一种模块化集成电子箱

技术领域

本发明属于电子设备机箱技术领域，具体涉及一种模块化集成电子箱。

背景技术

1994年7月，美国航空无线电公司发布ARINC 650《综合模块化航空电子系统的封装和接口》规范，并在其中提出了LRM（Line Replaceable Modular，外场可更换模块）的概念。1999年3月，更新的ARINC 651《综合模块化电子设计指南》规范发布。我国在2001年依据ARINC 650规范颁布了《HB7704-2001民用飞机综合模块化航空电子系统封装与接口》，这是迄今最新一代的航空电子系统架构设计规范，其中LRM是实现综合化、模块化的硬件基础。

现有集成电子箱常见以下三种结构形式：（1）拼接箱体插板式结构，如图1-1及图1-2所示；（2）在图1-1及图1-2结构基础上的变型，如图2所示；（3）焊接/铸造箱体插箱式结构，如图3所示。上述三种结构的共同缺点是模块化程度不高、拆装不便、维修性较差，详述如下。

图1中，机箱是由盖板106、底板102、左侧板103、右侧板107、前面板101、后面板104六块板件搭接而成的封闭箱体结构，面板之间通过螺钉105固连，内部装有母板组件112和多个插板组件110。插板与母板间通过矩形印制电路连接器完成对接，机箱前面板101（或后面板104）上装有输入/输出电连接器，并通过连接电缆111与母板相连。各插板组件通常为独立功能单元，使用锁紧条109固定于机箱左、右侧板的导槽108中。

此种结构缺点在于拆装不便、维修性较差、可靠性和整机装配精度偏低，原因如下：（1）箱体机械、电磁密封均依赖于六个板件的搭接结构，当需要更换插板或母板时，必须打开盖板进行。尤其是母板位于箱体底部，操作极为不便，因此维修性较差；（2）箱体为六个板件搭接，装配尺寸链环节过多导致相关配合要素的装配精度和重复定位精度均偏低，并进而影响到整机电气连接的可靠性。例如：机箱左、右侧板的装配精度与自身和其余四板的加工精度均有关系，加之板材的易变形特性，因此左、右侧板上与同一插板对接的导槽（左、右各一）的平行度也较差，导致插板的定位精度较低，也因此降低了插板与母板间电气连接的可靠性。

图2所示结构，机箱是由盖板208、底板201、左侧板205、右侧板209、前面板210、后面板207六块板件搭接而成的封闭箱体结构，面板之间通过螺钉206固连，可看作是将图1中插板组件204和母板组件202旋转90度至母板与前面板平行位置，相应的对机箱内部操作时需要打开后面板进行。这种方式缩短了输入/输出电连接器与母板间连接线缆203的长度（也有将母板与前面板装配为一体的设计），虽然结构更为紧凑，但并未改善拆装不便、维修性差、可靠性和整机装配精度偏低的问题。

图3为焊接或铸造式的一体式箱体结构，此类箱体多是将原有前、后、左、右四块板件合为一体，但仍需保留独立的上盖板306、下盖板301，下盖板301通过连接电缆302连接母板303，面板之间通过螺钉307固连，以满足加工空间的要求，由于一体式箱体结构具有较高的刚、强度，因此其内部可以配装重量较大的插件盒（插件盒内部封装电路板），其余装配结构则与前述拼接式结构相同。此种结构提高了整机装配精度，但却导致了机加工艺性的变差，同时在更换插板单元305或母板303时，仍需完全打开箱体304进行，拆装不便、维修性较差的问题依然存在。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种模块化集成电子箱。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种模块化集成电子箱，所述模块化集成电子箱包括：主箱体3、背箱模块1和多个功能模块4；

所述主箱体3设置为并列多槽位式中部贯通的矩形截面框架结构，在将多个功能模块4插装进入主箱体3的并列多槽位后，主箱体3的前端面与各个功能模块4前端的矩形凸缘固连，其后端面与背箱模块1固连，在主箱体3的前端面及后端面的连接处分别设置有弹性密封材料，完成对功能模块4和背箱模块1的整体密封，从而构成完整的整机机械、电磁密封结构。

其中，所述功能模块4侧面设置有侧导向块6；所述主箱体3内部侧面设有与侧导向块6相匹配的导向槽；

在功能模块4插装进入主箱体3的槽位过程中，通过侧导向块6与导向槽之间的匹配关系，实现初步导向定位。

其中，所述功能模块4靠近背箱模块1的一端端面上设有导向孔7，所述背箱模块1上设有与所述导向孔7相匹配的导向柱销12，在功能模块4插装进入主箱体3的槽位后，通过导向孔7与导向柱销12之间的匹配关系，实现精准导向定位。

其中，所述侧导向块6为楔形锁紧装置，基于电子行业军用标准SJ20382-2007制备。

其中，所述导向柱销12和导向孔7通过选用内部自带导向销和导向孔的电连接器插头/插座实现。

其中，所述各个功能模块4具有一致的高度尺寸及外部机械接口，其宽度方向则根据实际需要选择统一的或系列化的外形尺寸，并与主箱体3上的槽位尺寸相适应，以此来满足不同的系统需求。

其中，所述主箱体3根据需要设置适当的槽位数量，对应于相同数量的功能模块4，以此实现系统功能的可定制。

其中，所述背箱模块1两端设有导向槽10，所述主箱体3两端设有与所述导向槽10相匹配的导向板销2，通过导向槽10与导向板销2之间的匹配关系，实现背箱模块1与主箱体3之间的导向与定位。

其中，所述导向板销2通过导向板销安装螺钉9安装在主箱体3上。

其中，所述弹性密封材料分为两件，包括前密封条8和后密封条11；

所述前密封条8设有多个，数量与功能模块4的数量相同，各个所述前密封条8设置于主箱体3前端面与对应功能模块4前端矩形凸缘相结合的部位处；

所述后密封条11设置于主箱体3后端面与背箱模块1的结合部位处。

（三）有益效果

本发明提供一种集成设计的综合化、模块化程度较高的电子设备机箱，各功能模块装、拆方便快捷，能满足LRM外场可更换模块的要求，可应用于对可靠性、维修性有较高要求的各类场合。

本发明由三部分组成：功能模块、主箱体和背箱模块，其中主箱体为结构主体，背箱模块和各功能模块通过螺钉与主箱体连接，并在连接面处设置弹性密封材料（例如密封条或密封垫），在所述的功能模块、背箱模块与所述的主箱体对接装配的同时，完成对整机的机械、电磁密封。整机装配完成后，所述的功能模块与所述的背箱模块通过印制板电连接器完成电气交连。当常规检修或故障原因需要拆卸、更换某个功能模块或背箱模块时,使用常规通用工具即可方便、快速的完成，且再次安装后无需装调即可达到初始装配精度和密封性能，保证整机系统具有较好的维修性和较高的可靠性。

与现有技术相比较，本发明集成设计的综合化、模块化程度较高的电子设备机箱结构，能够满足LRM（外场可更换模块）相关技术规范要求，适用于对可靠性、维修性有较高要求的各类电子设备。

附图说明

图1-1及图1-2是拼接机箱结构示意图。

图2是拼接机箱变型结构示意图。

图3是焊接/铸造机箱结构示意图。

图4-1至图4-4是本发明集成电子箱结构示意图。

图5是本发明集成电子箱尺寸链结构简图。

实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术问题，本发明提供一种模块化集成电子箱，如图4-1至图5所示，所述模块化集成电子箱包括：主箱体3、背箱模块1和多个功能模块4；

所述主箱体3设置为并列多槽位式中部贯通的矩形截面框架结构，在将多个功能模块4插装进入主箱体3的并列多槽位后，主箱体3的前端面与各个功能模块4前端的矩形凸缘通过模块安装螺钉5固连，其后端面与背箱模块1通过背箱安装螺钉13固连，在主箱体3的前端面及后端面的连接处分别设置有弹性密封材料，完成对功能模块4和背箱模块1的整体密封，从而构成完整的整机机械、电磁密封结构。

亦即，主箱体3、背箱模块1和多个功能模块4，其中主箱体3为结构主体，背箱模块1和各功能模块4通过螺钉与主箱体3连接，并在连接面处设置弹性密封材料例如密封条或密封垫，在所述的功能模块4、背箱模块1与所述的主箱体3对接装配的同时，完成对整机的机械、电磁密封。

整机装配完成后，所述的功能模块4与所述的背箱模块1通过印制板电连接器完成电气交连。当常规检修或故障原因需要拆卸、更换某个功能模块4或背箱模块1时，使用常规通用工具即可方便、快速的完成，且再次安装后无需装调即可达到初始装配精度和密封性能，保证整机系统具有较好的维修性和较高的可靠性。

其中，所述功能模块4侧面设置有侧导向块6；所述主箱体3内部侧面设有与侧导向块6相匹配的导向槽；

在功能模块4插装进入主箱体3的槽位过程中，通过侧导向块6与导向槽之间的匹配关系，实现初步导向定位。

其中，所述功能模块4靠近背箱模块1的一端端面上设有导向孔7，所述背箱模块1上设有与所述导向孔7相匹配的导向柱销12，在功能模块4插装进入主箱体3的槽位后，通过导向孔7与导向柱销12之间的匹配关系，实现精准导向定位。

其中，所述侧导向块6为楔形锁紧装置，基于电子行业军用标准SJ20382-2007制备。

其中，所述导向柱销12和导向孔7通过选用内部自带导向销和导向孔的电连接器插头/插座实现。

其中，所述各个功能模块4具有一致的高度尺寸及外部机械接口，其宽度方向则根据实际需要选择统一的或系列化的外形尺寸，并与主箱体3上的槽位尺寸相适应，以此来满足不同的系统需求。

其中，所述主箱体3根据需要设置适当的槽位数量，对应于相同数量的功能模块4，以此实现系统功能的可定制。

其中，所述背箱模块1两端设有导向槽10，所述主箱体3两端设有与所述导向槽10相匹配的导向板销2，通过导向槽10与导向板销2之间的匹配关系，实现背箱模块1与主箱体3之间的导向与定位。

其中，所述导向板销2通过导向板销安装螺钉9安装在主箱体3上。

其中，所述弹性密封材料分为两件，包括前密封条8和后密封条11；

所述前密封条8设有多个，数量与功能模块4的数量相同，各个所述前密封条8设置于主箱体3前端面与对应功能模块4前端矩形凸缘相结合的部位处；

所述后密封条11设置于主箱体3后端面与背箱模块1的结合部位处。

实施例

本实施例提供一种模块化设计的集成电子箱，其整机包括主箱体、背箱模块和多个功能模块，其中主箱体为并列多槽位式中部贯通矩形截面框架结构，其前端面与各功能模块前端矩形凸缘固连，其后端面与背箱模块固连，在前述前、后端面连接处分别设置弹性密封材料，可完成对功能模块和背箱模块的整体密封，从而构成完整的整机机械、电磁密封结构。

其中，各功能模块的快速拆装和功能模块与背箱模块间电连接器的准确、顺畅对接，依赖于下述的二次导向定位技术：首先由功能模块侧导向块与主箱体内部导向槽配合完成初次定位，即粗定位，之后由分别安装在功能模块和背箱模块上的导向柱销与导向孔配合完成二次定位，即精确定位；上述的功能模块侧导向块可使用自制件，也可选用楔形锁紧装置电子行业军用标准SJ20382-2007，兼具导向和辅助锁紧两项功能；上述的导向柱销和导向孔可由独立结构实现，也可通过选用内部自带导向销和导向孔的电连接器插头/插座实现。

其中，各功能模块具有一致的高度尺寸及外部机械接口，其宽度方向则可根据实际需要选择统一的或系列化的外形尺寸，并与主箱体上的槽位尺寸相适应，以此来满足不同的系统需求。

其中，主箱体可根据需要设置适当的槽位数量，对应于相同数量的功能模块，以此实现系统功能的可定制。

其中背箱模块与主箱体之间的精准导向与定位，是通过分置于背箱模块和主箱体两侧的导向板销和导向槽的精密配合来实现，导向板销和导向槽采用多组、对称分布的设置方式。

实施例2

如图4所示，本实施例的主箱体3为结构承力主体，也是其他零、部件的安装基体，采用整体式中部贯通矩形截面框架结构，其内部设有多个（图4-1中为7个，可根据系统需求增加或减少）槽位，各槽位高度尺寸相同，宽度尺寸相同或成系列，每个槽位对应安装一个所述的功能模块4。所述的功能模块4为一端带矩形凸缘的密封盒式结构，每个功能模块4都是独立的结构和功能单元，不同功能模块4具有相同的外部结构型式，尺寸相同或成系列。功能模块4内部封装电路板，电路板上安装有印制板电连接器作为电气接口（与背箱模块1对接）；所述的背箱模块1为内装电路板的半封闭（单面开放）盒式结构，其开口端设有机械安装接口和多个印制板电连接器提供的电气接口（与功能模块4对接），与开放端相对的封闭端安装有I/O电连接器作为整机对外电气接口。

所述的主箱体3前端面与所述的各功能模块4前端矩形凸缘固连，其后端面与所述的背箱模块1开放端安装面固连，并分别在前述前、后端面连接处设置弹性密封材料，如图4-1中前密封条8和后密封条11，完成对功能模块4结构主体和背箱模块1内装电路板的密封，从而构成完整的整机机械、电磁密封结构。装配完成后，所述的功能模块4印制板电连接器（头）与所述的背箱模块1印制板电连接器（座）同时完成电气交连。所述的背箱模块1上安装的I/O电连接器（与其内部电路板相连）提供整机对外电气接口。整机装配具体操作过程如下：将背箱模块1通过侧面导向板销2与导向槽10间的滑动配合完成其相对于主箱体3的精准定位，并使用螺钉连接于主箱体3后部，再将功能模块4从主箱体3前端对应插槽位置处推入，直至功能模块4的印制板电连接器（头）与背箱模块1的印制板电连接器（座）完成对接，同时功能模块4矩形凸缘与主箱体3前端面充分接触，最后使用螺钉将功能模块4固定于主箱体3前端面。在常规检修或出现故障需要拆卸、更换某个功能模块4或背箱模块1时，拆装对应螺钉即可完成。

要达到LRM外场可更换模块的高标准要求，需要采取技术手段保证背箱模块1和功能模块4的拆装方便性和较高的重复安装定位精度。参考图4-2中所示坐标系，下面分别对不同坐标轴方向所采用的导向、定位技术手段进行论述。

（一）X、Z轴方向（侧向、垂直向）

对于功能模块4，综合考虑精度、制造成本等因素，采用二次导向定位技术，详述如下 ：

（1）主箱体3内部对应于每个槽位单独设置1组（两个，Z轴方向上、下各一）较高机加精度（不低于9级精度）的导向槽，在功能模块4的侧面边缘处设置侧导向块6（Z轴方向上、下各一），依靠导向槽与导向块的滑动配合完成对功能模块4的初次定位（粗定位），如图4-4中所示，这是保证功能模块4与背箱模块1之间电连接器头与座准确对接的前提和基础；侧导向块6可采用与功能模块4外壳一体式结构，也可设计为分体式结构。当采用分体式结构时，可以选用楔形锁紧装置作为侧导向块6，在提供导向的同时兼具附加锁紧功能，增强了结构整体刚度和提高锁紧可靠性，适用于抗振性要求较高或过载较大的场合。楔形锁紧装置是已经商品化的标准零件，电子行业军用标准SJ20382-2007是其详细规范。

（2）初次定位中在导向槽与导向块滑动配合的末端，同时也是功能模块4与背箱模块1间电连接器插头与插座进入插接状态之前，通过导向柱销12和导向孔7的配合对功能模块4提供二次定位（精确定位），确保电连接器插头与插座的准确对接。此定位销可选两种设置方案：当功能模块4与背箱模块1之间电连接器内部自带定位销的，直接使用即可；若对接的电连接器内部无定位销时，可在背箱模块1内装电路板和功能模块4后端分别设置导向柱销12和导向孔7，见图4-1中序号12与序号7。当导向柱销12和导向孔7插接到位后，功能模块4在X、Z方向即得到精确定位。一种可行的导向柱销12和导向孔7直径尺寸配合公差选择为：H7/h7，此公差也可根据实际需求进行调整。

对于背箱模块1，通过导向板销2与导向槽10间的配合来保证重复安装精度，详述如下：在主箱体3左、右两侧各安装一个导向板销2，在背箱模块1外壳对应位置加工出导向槽10，见图4-1中序号2与序号10。对每一个导向板销2和导向槽10的高度尺寸（Z轴方向配合尺寸）可选择具备定位功能的间隙配合公差，对两个导向板销2和两侧导向槽10的内侧表面间距尺寸（X轴方向配合尺寸）同样选择具备定位功能的间隙配合公差，通过这样的公差设计能够保证背箱模块1在X、Z向的重复安装定位精度。一种可行的具备定位功能的间隙配合公差选择为：H8/h7，此公差也可根据实际需求进行调整。

（二）Y轴方向（前后向）

功能模块4前端矩形凸缘的后表面既是其Y轴方向的定位面，也是功能模块4实现自体密封的配合面。这种设计的优点是在安装操作的同时也完成了结构密封，但同时带来了前部密封面定位与后部电连接器插头、插座可靠对接相冲突的技术问题，即结构设计既要保证功能模块4与背箱模块1之间电连接器插头与插座对接时的插合长度要求，又要保证功能模块4矩形凸缘与主箱体3前端面的可靠接触与定位。为此，需要按照下述方法和步骤进行结构尺寸链设计计算：

（1）首先确认尺寸链应包括一个封闭环L0和最少三个组成环L1、L2、L3，其中：L0为装配到位后，对应电连接器头与座的插合长度；L1为主箱体3上前端面（功能模块4安装面）与后端面（背箱模块1安装面）之间长度；L2为背箱模块1开口端平面（主箱体3压接面）与印制板电连接器（座）伸出端面之间长度；L3为功能模块4矩形凸缘背面（主箱体3压接面）与印制板电连接器（头）伸出端面之间长度。尺寸链结构简图见图5。

（2）确认设计目标：设所选用的电连接器稳定可靠工作时的规定插合长度为LX（该数据可由电连接器选型手册查得，为电连接器基本参数之一），则L0与LX需满足基本尺寸相等且L0公差为LX公差之子集的设计要求。

（3）根据尺寸链计算理论进行组成环的基本尺寸和公差的设计计算：依据尺寸链计算结果对各组成环进行公差分配，即可保证定位精准性与密封可靠性的综合要求

为了保证可靠的机械、电气密封，在主箱体3前、后端面（与功能模块4、背箱模块1的接触面）均安装有导电密封条，见图4-1中序号8与序号11，并由连接螺钉提供相应的压紧力。

本发明所述的各功能模块4具有统一的高度尺寸及外部机械、电气接口，其宽度方向可根据实际需要选择统一的或系列化的外形尺寸。主箱体3可以根据需要设置槽位数量，对应于相应个数的功能模块4，整机系统具有良好的适应性和可扩展性。

本发明是采用集成设计的综合化、模块化程度较高的电子设备机箱，具有结构紧凑、拆装方便、可扩展性好等突出优点，尤其适合对可靠性、维修性等方面有较高要求的应用场合，具备较高的推广价值。

综上，本发明公开了一种高精度模块化集成电子箱的总体结构设计方案。该集成电子箱由主箱体、背箱模块和多个独立功能模块构成。主箱体前端面与各个功能模块前端矩形凸缘固连构成密封结构，主箱体后端面与背箱模块固连后也构成密封结构，从而形成完整的整机机械、电磁密封结构。各功能模块具有统一的或成系列的外形尺寸及外部机械、电气接口，具有较好的互换性和扩展性。各功能模块、背箱模块与主箱体间通过高精度机械、电气对接，形成耐环境、高可靠的一体化集成电子箱结构，能够满足LRM（外场可更换模块）对快速装拆的要求，可应用于军用设备或其他各类对可靠性、维修性有较高要求的应用场合。

相较同类产品，该集成电子箱在维修性与可靠性方面具有突出优点,在重量、体积、加工性、经济性等方面也有综合性的改进与提升，其设计理念符合电子设备综合化、模块化、系列化的发展方向,具有较高的推广和应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模块化集成电子箱，其特征在于，所述模块化集成电子箱包括：主箱体（3）、背箱模块（1）和多个功能模块（4）；

所述主箱体（3）设置为并列多槽位式中部贯通的矩形截面框架结构，在将多个功能模块（4）插装进入主箱体（3）的并列多槽位后，主箱体（3）的前端面与各个功能模块（4）前端的矩形凸缘固连，其后端面与背箱模块（1）固连，在主箱体（3）的前端面及后端面的连接处分别设置有弹性密封材料，完成对功能模块（4）和背箱模块（1）的整体密封，从而构成完整的整机机械、电磁密封结构；

所述背箱模块（1）为内装电路板的半封闭盒式结构，其开口端设有机械安装接口和多个印制板电连接器提供的电气接口，与开放端相对的封闭端安装有I/O电连接器作为整机对外电气接口；

所述功能模块（4）侧面设置有侧导向块（6）；所述主箱体（3）内部侧面设有与侧导向块（6）相匹配的导向槽；

在功能模块（4）插装进入主箱体（3）的槽位过程中，通过侧导向块（6）与导向槽之间的匹配关系，实现初步导向定位；

所述功能模块（4）靠近背箱模块（1）的一端端面上设有导向孔（7），所述背箱模块（1）上设有与所述导向孔（7）相匹配的导向柱销（12），在功能模块（4）插装进入主箱体（3）的槽位后，通过导向孔（7）与导向柱销（12）之间的匹配关系，实现精准导向定位；

所述导向柱销（12）和导向孔（7）通过选用内部自带导向销和导向孔的电连接器插头/插座实现；

所述各个功能模块（4）具有一致的高度尺寸及外部机械接口，其宽度方向则根据实际需要选择统一的或系列化的外形尺寸，并与主箱体（3）上的槽位尺寸相适应，以此来满足不同的系统需求；

所述主箱体（3）根据需要设置适当的槽位数量，对应于相同数量的功能模块（4），以此实现系统功能的可定制；

所述背箱模块（1）两端设有导向槽（10），所述主箱体（3）两端设有与所述导向槽（10）相匹配的导向板销（2），通过导向槽（10）与导向板销（2）之间的匹配关系，实现背箱模块（1）与主箱体（3）之间的导向与定位；

所述导向板销（2）通过导向板销安装螺钉（9）安装在主箱体（3）上。

2.如权利要求1所述的模块化集成电子箱，其特征在于，所述侧导向块（6）为楔形锁紧装置，基于电子行业军用标准SJ20382-2007制备。

3.如权利要求1所述的模块化集成电子箱，其特征在于，所述弹性密封材料分为两件，包括前密封条（8）和后密封条（11）；

所述前密封条（8）设有多个，数量与功能模块（4）的数量相同，各个所述前密封条（8）设置于主箱体（3）前端面与对应功能模块（4）前端矩形凸缘相结合的部位处；

所述后密封条（11）设置于主箱体（3）后端面与背箱模块（1）的结合部位处。