PC机箱三维设计

作者：合肥工学院机械系 李玉龙

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 摘要：CAX技术的广泛应用，给诸如电脑机箱等家电产品的设计，带来了绝对性的变革，实体设计已成必然。通过电脑机箱实体设计的内幕介绍，一方面可以达到同行间的最新设计理念共享，并通过同行间的相互讨论，争取使电脑机箱这一产业做得更好；另一方面基于实体设计之共性，文章所涉及的实体设计思路和方法，致力于为其它家电行业的新产品实体设计，提供有益的帮助。 关键词：CAX；电脑机箱；实体设计；电脑主板。 3D Design of the PC Case LI Yulong (Dept of Mech，Hefei College,Hefei 230022, China) Abstract：Along with the extensive application of CAX for domestic appliances, it brings about an absolute change in the design of domestic electric products such as computer case. Today, 3D design is necessary to domestic electric product design. Through the detailed introduction of 3D design of a new computer case, I wish to share my own approach with other designers and discuss it with others to make the computer case better. Of course, basing on the common characteristics of a new product development, the way and method discussed in this artical can be applied to new 3D product design for the community of electric applicance designers. Key words：CAD/CAM/CAE; PC case; 3D design; motherboard 0引言 电脑机箱的生产，在南方沿海企业，尤其台资企业里，是相当典型和普及的，出口量约占全球需求量的30%之多。随着电脑机箱企业普遍重视产品的开发质量，使得各类电脑机箱的性能与质量间的差异逐渐缩小。其市场竞争正逐步走向价格竞争，价格竞争的结果必然促使成本降低。设计成本作为机箱成本的一项主要项目，控制是否得当，直接影响到新产品是否具有成本优势和竞争优势。目前的二维设计，已经很难实现电脑机箱设计的更高要求。基于实体软件的强大设计能力及发展趋势，目前家电类企业正逐步减少二维设计的使用，取而代之的是功能更为强大的三维实体设计。这里，作者提出一些个人的电脑机箱实体设计思路和方法，与同行共享，并通过抛砖引玉，达成相互间的实体设计大讨论，共同将电脑机箱这一行业做得更好。 1总体设计流程 电脑机箱设计，是从所采用的电脑主板型号（例如是Micro ATX还是ATX等）和所需硬盘（HDD）、软盘（FDD）、光盘（CD-ROM）等配置数量开始的，然后排列出机箱的整体设计方案。一个最佳的电脑机箱整体设计方案，是在保证各项设计要求的基础上，机箱体积最小，图1为电脑机箱设计流程简图。 2获取初步设计要求 电脑机箱市场的需求分析，尤其是国外电脑机箱市场的需求分析，能够解决电脑机箱设计的大致形态和结构框架。市场需求分析，一要特别重视企业业务人员的反馈信息。一般情况下，他们的视点往往接近市场的真正需求，基本上能够确定新机箱设计的未来大致方向。二要密切关注电脑系统企业的发展趋势和公告信息。国际性大企业的电脑系统产品，一般能够反映和领导电脑未来的发展趋势。例如，目前电脑显示器市场上，最为流行的两种色彩是Philip蓝色和EMC银色，作为一个机箱企业，其产品的色彩配置，应尽量与这些企业的产品相吻合，对于未来与它们的“捆绑式”销售是极为有利的。三要跟踪电脑主板的技术发展。电脑主板与机箱连接的技术规格稍有更新，电脑机箱有可能必须及时变更设计，以兼容新规格主板。例如，Pentium 4主板的出现，导致所有要与Pentium 4主板兼容的机箱，必须在主板的支承板上增加四个螺丝孔，用以固定Pentium 4 CPU的四个 Head Sinker等。 3归纳设计需求 依照机箱行业的设计特性、企业现有设计经验、未来电脑机箱市场需求趋势，整理出设计前的各项要求。除了有业务人员带来的有关未来产量和市场定位等市场资讯外，电脑机箱设计还必须考虑以下几点： （1）材料质量和厚度要求。不同质量的材料导致机箱牢固强度也不同。必要时须通过额外的加强结构或者增加材料厚度，弥补材料质量带来的强度不足，因此会带来成本的增加； （2）机型兼容要求。例如，对于不同机型或者同机型的电脑机箱，都有可能使用外形尺寸不一致的电源； （3）生产性和可靠性要求。机箱的工艺性要符合企业现有生产能力， 并据此判断机箱的质量上限； （4）抗冲击要求。不同等级的抗冲击试验高度是不同的，因而对机箱的强度要求也不同； （5）电磁兼容要求。电磁兼容的不同等级要求，对机箱结构设计的复杂程度要求不同。对成本影响很大； （6）与企业现有零件兼容性问题。应尽量采用企业现有零件，降低模具制造成本等。 4确定整体设计方案 采用“Top-Bottom”的实体装配设计技术，根据该新机箱的设计要求，先绘制出软盘、硬盘、光驱、电源、主机板等实体部件，然后排列这些部件，以得到新机箱的整体方案。因需要排列的部件较多，所得方案可能有很多种。图2为常见的两种排列方案，并且每一方案均有其优缺点。选择时，可以邀请资深人员参加，采用脑力激荡法，对所有排列好的整体方案进行审核和挑选，直至最佳方案的选出。图2(a)中排列方案，通过伸长机箱的高度（L1）和深度（B1）来降低其宽度（H1）。图2(b)通过加大机箱的宽度（H2）来降低其高度（L2）和深度（B2）。从总体上讲，图2(b)的排列方案较图2(a)的体积要小，但拆装和更换主板零件是不方便的，比如现要更换已损坏的内存条，必须要先将电源供应器拆下后才能更换，给用户造成很大不便。诸如此类的问题必须在整体方案选择时予以重点考虑。 5分解整体设计方案和部件设计 电脑机箱的实体设计，包括以面板为主的塑料部件设计和以机箱框架为主体的板金部件设计。首先，要根据最佳整体方案，逐步用实体软件的 sheet metal片覆盖上述排列，形成一个sheet metal方盒，然后，分解这个sheet metal方盒为图3机箱的前板、后板、底板、主板支承板、左右侧板、大小磁盘固定架等板金部件毛胚体。当然，这些钣金部件毛胚体的分解视设计要求而定，有可能没有左右侧板毛胚体，而仅为一个“U”上盖毛胚体。有了这些毛胚体给出的外形轮廓尺寸，就可以将它们分配给各设计人员，进行各自结构的详细设计。至于具体设计过程上，要确保设计基准轴、基准面尽量始终统一，以便于后续相关尺寸的参数化修改。为使所有参与设计的人员，其实体设计规范尽量一致，可以通过在实体中创立模板文件，让他们在同一模板文件下，进行各自的设计工作。在模板文件中，除按企业习惯或有关标准，进行层、颜色、线形、材料属性、设计精度等系统全局参数的设置外，一般不需建立任何几何对象。当部件的有些结构，在实体设计中比较难于确定时，不妨先在AutoCAD中平面仿真并确定其尺寸，再在实体中进行设计。充分利用2D和3D两种软件的各自强项，可节省很多设计时间。 以机箱框架为主体的钣金部件设计，要采用到实体软件的sheet metal设计模块，设计中要着重考虑这两个因素：第一，料样的繁简程度；第二，钣金部件完全展开后是否符合冲压加工要求。钣金设计常采用图4的“先成形后特征设计”和“先特征设计后成形”。前者能够保证成形的准确性；后者能够保证料样特征的精确性。两种方法各有优势，在机箱的钣金部件设计中，要针对不同部件的具体情况，合理搭配这两种设计方法。 在前板的结构设计完成后，就可以进行以面板为主的塑料部件设计，塑料部件设计是从构造面板外观曲面开始的。设计时首先要分清哪些是面板的基本特征，哪些是构造特征，然后进行合理的特征分解。基本采用两种实现方法，第一，自由外观曲面SWEEP生成。依据面板预期造型，建立图5的剖面特征线和引导曲线，通过实体软件的曲面生成功能，先生成面板的一个合理基体曲面，再采用布尔“并、交、差”运算，最终获得面板的外观形状。第二，自由外观曲面裁剪生成。通过面板外观曲面的化整为零，利用曲面裁剪技术，把单张曲面不需要部分裁剪掉，再实施曲面倒圆和曲面缝合，生成一个完整面板外观曲面。第一种方法比较适合于已知大体外形轮廓下面板的简单建模；第二种方法比较适合于完全不知外形轮廓下面板的复杂建模。 最后，利用钣金设计中的平面展开功能，展开任一实体成形部件，如图6的电脑机箱小磁架的平面展开图样，它可以用于计算材料的变形和延伸，也可用于该部件的冲压工艺性分析。 6设计审查和结果输出 电脑机箱的装配工艺性、配合公差、重点尺寸、塑料部件的拔模斜角等的设计审查，主要采用各种实体剖面检验法和实体干涉检验法，有时也可以采用工程图平面组合检验法。这些项目主要包括： （1）电源按钮和按钮座之间的间隙应有0.3 mm左右的间隙； （2）塑料件变形在结构上的克服或者在装配上的克服； （3）钣金部件的凸台补强和引起的变形、硬盘等配件的可组装性； （4）设计时最为容易疏忽的是装得进，拆不下或者只考虑起始和中止位置而忽视中间过程； （5）在设计较小组装件时要求必须考虑作业人员能够作业的最小空间等。 虽然实体软件也有生成工程图的功能，但基于行业普遍采用AutoCAD工程图现状，仍采用AutoCAD软件作为电脑机箱实体设计的出图平台，也是很有必要的。为此，只要将新机箱的实体工程图文件转成AutoCAD软件能识别的*.dwg/*.dxf文即可。同样，在通过AutoCAD中创立模板文件，让所有设计人员在同一的AutoCAD模板文件下，进行各自的实体工程图文档向AutoCAD文档的转换工作。在模板文件中，除主要进行设计层、线条颜色、线型、线宽、比例等参数的设置外，一般也不需建立任何几何图素。 7设计验证和修改 企业针对机箱新产品设计验证的传统做法是采用样机试验，主要目的是验证机箱结构设计的合理性和达到规定的耐冲击性能。机箱行业目前竞争十分激烈，企业每年推出的新产品很多，并为此都会花上数十万元、甚至上百万的样机费用。机箱新产品的实体设计就能很好的解决这个设计验证问题，并能减少大量的样机试验费用。通过对装配设计的操作序列的正反干涉检验，能够很及时的查找出结构方面的设计局限，并彩色显示共设计人员修改；象PRO/E、UG等3D软件提供的CAE有限元分析模块，能够为机箱的耐冲击性能试验，提供很好的帮助，并及时指出机箱强度方面的薄弱环节（如图7中1和2处结构强度偏弱），供设计人员调整结构布局，改善机箱强度，提高耐冲击性能达到安全规格的要求。在设计阶段，利用实体设计的优势，能够真正改善设计和减少或者取消样机试验，实现机箱的低成本。 8小结 随着机箱企业规模和业务的不断壮大，将使用越来越多的设计人员，在电脑机箱设计中导入具有同步交叉3D实体设计的PDM技术，不仅有助于培养他们的团队作业精神，完成其设计构思，减轻劳动强度，提高效率和精度，改善视觉效果，而且为后续的CAE分析、模具CAX、NC加工等奠定了基础。当然，虽然PRO/E 、UGS等3D 软件所具有的主模型设计特点，已经将实体设计推上了设计领域的最高境界。但一项高质量的电脑机箱实体设计，尚需多次反反复复，不断发现问题，解决问题，在实践中提高。由于3D产品实体设计所具有的共性，电脑机箱的实体设计思路，是完全可以应用到家电行业的其它产品实体设计上的。 参考文献 ［1］王同海. 实用冲压设计技术［M］. 北京：机械工业出版社,1999. ［2］李玉龙. PC机箱塑件设计［J］. 西安工业学院学报，2003,23(2). ［3］李玉龙. PC CASE的变型设计［J］. 机械工程师，2003,(5). ［4］林清安. Pro/ENGINEER 2000i2零件设计基础篇（上）［M］. 清华大学出版社, 2001. ［5］王学军，李玉龙. CAD/CAM 应用软件UG训练教程［M］. 北京： 高等教育出版社，2003(9). ［6］李玉龙. PC机箱塑件设计［J］. 西安：西安工业学院学报，2003,23(2).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/3/2005)