尺寸链公差分配原理在盲插互联结构电子设备中的应用
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摘 要：盲插互联结构电子设备不仅结构较复杂而且装配精度要求相对较高。为了将相互对插的连接器最终位置偏差控制在合理范围内，需要利用尺寸链公差分配原理对设备内部影响连接器最终对插精度的各零部件关键尺寸和形位公差以及装配定位尺寸公差进行规划，以便取得合理的制造和装配精度，从而保证连接器最终顺利可靠对插，最终保证盲插互联电气连接的可靠性。
1 概述
机箱类电子设备，其母板（或结构板）安装在机箱底部，模块沿着机箱内侧的导槽垂直插入机箱，模块底部的连接器与母板（或结构板上）的连接器在不可见（或不可调整）的情况下对插，这种互联结构被称为盲插互联。盲插互联技术是现代电气互连组装所普遍采用的技术，其不但体积小、重量轻、抗振性好；而且还能提高电子设备的互换性、应急保障性，节约结构空间，缩短修复时间。因此盲插技术在军用、民用各平台电子设备上得到了大量运用。
然而，由于结构的复杂性导致的众多精度不确定性严重影响了盲插结构的最终装配精度。主要涉及到机箱、模块、母板（或结构板）、连接器的加工和装配精度，以及整个系统的装配精度等诸多环节。要发挥出盲插技术在电气互联方面的优越性，就必须解决盲插结构装配定位精度控制技术问题。目前盲插互联技术应用中普遍采用的连接器为D形连接器、矩形连接器、BMA连接器、LRM连接器等。在这些连接器中为了保证高频电信号驻波、插损等指标要求，以及低频信号连接可靠，要求盲插精度公差必须保证控制在±0.15mm以内。因此，如果不能有效控制上述影响盲插结构装配精度的因素，最终装配精度将无法满足盲插技术的容许公差。
2 典型盲插结构电子设备
如图1所示的产品为典型的盲插互联结构产品。主要组成部分有机箱、模块、电路板（结构板）、模块上的连接器、电路板（或结构板）上的连接器。结构板安装在机箱底部的安装面上，模块沿着机箱侧面的导槽垂直插入机箱，模块上的连接器与结构板上的连接器对插。连接器对插时的相对位置精度直接影响了连接器对插后的性能，从而影响了产品功能的实现。实际生产实践中，甚至经常出现连接器位置偏差过大而无法对插的情况。
3 典型机箱盲插结构的尺寸链分解
图2是典型盲插设备结构的剖面示意图，文章以此为例进行分析说明。
由图2看出由于装配尺寸链中环节较多，如果各尺寸的公差没有得到控制，装配关系使各环节的误差累积到接插件上，会使其超过了接插件对插允许的误差值，造成插拔困难直至无法对插（在水平X和Y方向造成对插的接插件中心线不重合，偏移量过大；在竖直Z向造成接插件对插深度不够或过插）。
在生产实际中，尺寸链的简化显然比复杂的理论计算更有利于实际问题的解决和改善。以误差累积最为突出的X方向的尺寸关系为例，提取X方向的尺寸装配关系进行分析，有如下的尺寸和公差如表1所示。
根据尺寸链计算方法[1]，按统计法对表1中各公差并结合图3尺寸链进行分析计算。
由于模块上连接器与结构板（或电路母板）上连接器对接偏差是整个制造和装配过程中最后形成的一环，因此将该环确定为尺寸链的封闭环T0，其余为尺寸链的组成环。该封闭环的统计公差为：
其中，K0为封闭环的相对分布系数；Ki为各组成环的相对分布系数；Ti为各组成环的公差；ξi为各组成环的传递系数（增环时ξi =1，减环时ξi=-1）， m为组成环的数量。
在本例中，各参数如下：
根据公差统计原理，当m≥5时，封闭环的公差分布可近似看作正态分布，本例中m=8，因此本例可取K0=1。
对中各组成环公差的相对分布系数进行分析如下：
尺寸A1、A2、A3为零件尺寸，T4、T5为零件自身位置公差，这些尺寸和公差所涉及的零件属性均由数控设备加工形成，因此认为公差T1、T2、T3、T4、T5公差可以按正太分布规律[2]，即本例中取K1=K2=K3= K4=K5=1。
由于装配间隙的存在，连接器在模块上的安装位置的偏差方向和大小，以及连接器在结构板（或电路母板）上的安装位置偏差方向和大小是随机的，结构板（或电路母板）在机箱上的安装位置偏差方向和大小也是随机的。因此，T6、T7、T8也符合正太分布规律，即本例中取K6=K7=K8=1。
因此，式（1）可写为
4 各环节公差值的分配
由于零部件结构特点不同、制造设备和工艺水平不同，导致T1-T8各个公差所能达到的最小值不同。因此，在确定T0的最大允许值的基础上，根据实际情况对T1-T8各个值进行合理分配，如果使得式（3）成立，则本例中盲插互联结构满足连接器对插精度要求，否则需要对T1-T8中的全部或部分公差进行优化改进。
由于T1-T5本身较小，与其余公差不在相同数量级，在整个尺寸链中影响较小。而且其对应的尺寸为零件自身尺寸，由数控设备加工形成，其水平与设备本身加工精度、装夹精度有关，因此T1-T5提高的空间有限，本例中不作为重点改进项。
T6为模块上连接器安装位置误差。本例中连接器是使用M2.5螺钉装配在模块上的。因此，螺纹连接本身的精度以及螺钉与安装过孔之间的间隙是装配位置误差产生的主要原因。改进模块上连接器的装配方法是减小T6的有效途径。
T7为结构板（或电路母板）上连接器的安装位置误差。安装在结构板上的连接器一般为射频连接器，使用M2.5螺钉装配在结构板上；安装在电路母板上的连接器一般为低频连接器或低、高频混合类型连接器，一般是插装类器件，插装在电路板的焊孔内，然后焊接并用M2.5或M3螺钉锁死。由于插针与焊孔之间存在间隙、锁紧螺钉与过孔之间也存在间隙，使得连接器安装实际位置与理论位置出现偏差。因此，减小T7的有效途径也是改进结构板（或电路母板）上连接器装配方法。
结构板（或电路母板）也是通过M3螺钉安装在机箱上的，螺钉与过孔之间也是存在间隙。在实际生产装配中发现，由于螺钉与过孔之间的间隙存在使得结构板（或电路母板）的位置可以微调，反而可以补偿最终累积在对插连接器之间的误差T0。也就是说，在实际应用中，T8对应的尺寸（理论上是0）已经作为尺寸链中的补偿环存在了（补偿环是尺寸链中预先选定的一环，可以通过改变其大小和位置使封闭环达到要求）。
5 装配方法改进
5.1 装配工装的使用
为了有效提高模块上的连接器和电路板上的连接器装配精度，我们在装配过程中引入装配工装（图4、图5、图6）。装配工装的作用是在装配过程中准确固定连接器与模块，以及连接器与电路板之间的位置关系，并在装配后固定下来。经实际测量，使用工装后，连接器在模块上的位置公差T6可提高到0.2，连接器在电路板上的位置公差T7可提高到0.3。
图4 模块连接器装配定位工装示意图
图5 印制板连接器装配定位工装
图6印制板连接器装配定位示意图
5.2 补偿环的确定
前文已提到，在实际生产装配中，在装配结构板（或电路母板）与机箱时，螺钉与过孔之间的间隙存在使得结构板（或电路母板）的位置可以微调，反而可以补偿最终累积在对插连接器之间的误差T0。因此在产品装配公差设计阶段，就将此误差设计为装配尺寸链中的补偿环。在允许的范围内，结构上使其位置可以适度调整（-0.15～+0.15）。这样不仅避免了误差T8的累积作用，而且还可以部分抵消掉其它尺寸环的误差累积。
6 改进后的装配效果
针对以上的分析，在设计中引入补偿环和在装配中引入工装进行定位。上述盲插互联结构的机箱尺寸链中各环的公差实际值有了明显改善（如表3）。
表3 各公差改进效果
将T1-T7代入式（2）得（T8作为补偿环，其尺寸可以调整，不累积公差）
因此，改进后连接器对插的公差范围为（-0.19～+0.19）。由于设置了补偿环T8，其对应尺寸可以在（-0.15～+0.15）之间调节。因此，调节后的连接器对插的公差范围计算值为（-0.04～+0.04），满足了连接器对插误差±0.15mm的要求。
同时，在实际装配中，使用以上方法改进后的盲插互联结构设备，连接器对插问题显著降低，对插后低频连接器接触全部良好，高频连接器连接指标良好，驻波值都在控制在1.2以下。满足连接器对插的指标要求。
7 结束语
对于复杂盲插互联结构电子设备，由于各环节误差累积而造成的连接器对接困难，可以通过尺寸链公差分配原理，并结合实际制造工艺水平对所能达到的对各环节允许的误差进行合理分配。同时，通过改进制造和装配工艺方法对其中影响作用较大的尺寸精度环节进行精度提高。实践证明，运用尺寸链公差分配原理进行公差分配和改进，可以显著提高复杂盲插互联结构电子设备的装配精度。
参考文献
[1]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 5847-2004尺寸链计算方法[S].
国家标准化管理委员会，2005.
[2]何景熙.复杂尺寸链分析计算理论及应用[D].重庆：重庆大学，2003：5-6.