阅读说明：本技术 一种机盘焊接面防护布局方法及结构 (Protection layout method and structure for welding surface of machine disc ) 是由 崔瑜 何丽平 王亚幂 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机盘焊接面防护布局方法及结构,涉及通信设备技术领域,其包括步骤：根据边界约束条件,确定机盘与底板连接点所在边界位置的固化间隔柱的数量和布放位置；边界约束条件为：底板对应边界位置的最大变形量X1′小于或等于变形量阈值,且固化间隔柱数量最少,变形量阈值为固化间隔柱高度与焊接面器件最大限高的差值；根据非边界间隔柱布放约束条件,确定非边界间隔柱的数量和布放位置；非边界间隔柱布放约束条件为：底板上任一点的最大变形量X2小于或等于非边界间隔柱高度与该点对应的焊接面器件高度的差值,且非边界间隔柱数量最少。本发明,通过确定固化间隔柱和非边界间隔柱的数量和布放位置,实现对机盘焊接面的完全防护。(The invention discloses a method and a structure for protecting and arranging a welding surface of a machine disc, which relate to the technical field of communication equipment and comprise the following steps: determining the number and the arrangement positions of curing spacing columns at the boundary position of the connection point of the chassis and the bottom plate according to the boundary constraint condition; the boundary constraint conditions are as follows: the maximum deformation X1' of the boundary position corresponding to the bottom plate is less than or equal to the deformation threshold, the number of the solidified spacing columns is the minimum, and the deformation threshold is the difference between the height of the solidified spacing columns and the maximum height of the welding surface device; determining the number and the arrangement positions of the non-boundary spacing columns according to the arrangement constraint conditions of the non-boundary spacing columns; the non-boundary spacing column arrangement constraint conditions are as follows: the maximum deformation X2 of any point on the bottom plate is less than or equal to the difference between the height of the non-boundary spacing post and the height of the welding surface device corresponding to the point, and the number of the non-boundary spacing posts is the minimum. According to the invention, the complete protection of the welding surface of the machine disc is realized by determining the number and the arrangement positions of the solidified spacing columns and the non-boundary spacing columns.)

一种机盘焊接面防护布局方法及结构

技术领域

本发明涉及通信设备技术领域，具体涉及一种机盘焊接面防护布局方法及结构。

背景技术

机盘是通信系统设备的重要组成部分，且价格昂贵。机盘在插拔、装配中容易与相邻槽位机盘或子框导轨等结构件发生碰撞损坏。在机盘的返修运输过程中，因无合适的包装，常常是多块机盘堆叠在一起，运输中易相互碰撞造成焊接面器件及焊盘损坏，导致机盘报废，造成较大的损失。同时，随着机盘的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)设计及加工逐步向高精度、高密度和高可靠性方向发展，对机盘防护措施不仅要求防护可靠，且需要尽可能少的占用PCB板的布线面积，同时综合兼顾性能与成本，避免成本的大幅增加。

现有的机盘焊接面防护方法主要是将绝缘材料加工而成的防撞条安装于机盘焊接面，或采用底板来整体防护机盘焊接面。如图1所示，将PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)防撞条机械固定于机盘焊接时，防撞条尺寸过大占用器件布局，且其安装方式对PCB板厚有要求，无法完全避免返修运输中造成的损坏。如图2所示，1为十字槽盘头组合螺钉，2为压铆螺母柱，3为装有压铆螺母柱的底板，4为机盘本体。以底板作为防护，在压铆螺母柱足够多的情况下，可以实现对机盘焊接面的防护。但是压铆螺母柱的数量及间距依赖于结构设计工程师的经验，且忽略了较高器件实际布放位置和数量，容易导致局部过防护或局部防护不足，同时过多的压铆螺母柱也会大量占用PCB元件面，影响焊接面器件布局和走线通道；相同尺寸PCB因器件位置不同需要不同的底板防护，底板制造成本大幅增加。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种机盘焊接面防护布局方法及结构，可实现对机盘焊接面的完全防护，避免过防护和防护不足。

本发明第一方面提供一种机盘焊接面防护布局方法，通过在固定有底板的机盘焊接面布放间隔柱进行防护，其包括步骤：

根据边界约束条件，确定机盘与底板连接点所在边界位置的固化间隔柱的数量和布放位置；边界约束条件为：底板对应边界位置的最大变形量X1′小于或等于变形量阈值，且固化间隔柱数量最少，变形量阈值为固化间隔柱高度与焊接面器件最大限高的差值；

根据非边界间隔柱布放约束条件，确定非边界间隔柱的数量和布放位置；非边界间隔柱布放约束条件为：底板上任一点的最大变形量X2小于或等于非边界间隔柱高度与该点对应的焊接面器件高度的差值，且非边界间隔柱数量最少。

基于第一方面，在可能的实施例中，确定固化间隔柱的数量和布放位置后，还包括：

确定非边界间隔柱对焊接面的最小防护半径；

以任一非边界间隔柱为圆心、以最小防护半径为半径的圆即为该非边界间隔柱的最小防护范围圆；

根据上述非边界间隔柱的最小防护半径，确定非边界间隔柱的布放区域。

基于第一方面，在可能的实施例中，确定非边界间隔柱的最小防护半径，具体包括：

在机盘焊接面的确定布放位置放置固化间隔柱，然后通过仿真找到底板上变形最大的点，为底板刚度最弱的点M；

以机盘焊接面上对应点M的一点为圆心，设立非边界间隔柱，以非边界间隔柱的2倍半径为初始半径做圆，通过仿真计算底板对应该圆的区域内刚度最弱的点N的最大变形量Y；

当最大变形量Y小于变形量阈值时，设置初始半径的迭代步长，对初始半径进行迭代，直至底板对应某一个圆的区域内刚度最弱的点N′处的最大变形量Y′大于变形量阈值；

获取前一次迭代中的半径作为非边界间隔柱的最小防护半径。

基于第一方面，在可能的实施例中，确定非边界间隔柱的数量和布放位置，具体包括：

预布局机盘焊接面器件的布放位置，获取所有器件的高度，并对较高器件进行标识；较高器件的高度大于最小防护高度，且小于或等于器件最大限高；上述最小防护高度的定义是：以机盘焊接面上对应点M的点为圆心设立非边界间隔柱时，仿真计算此时底板上变形最大的点的最大变形量Z，非边界间隔柱的高度与此时最大变形量Z的差值为最小防护高度；

根据非边界间隔柱的最小防护半径，在较高器件最密集区域放置第一个非边界间隔柱；

当有较高器件未处于非边界间隔柱的最小防护范围圆内时，判断是否可以将该较高器件移动至最小防护范围圆内；若是，则直接移动；若否，且底板对应该较高器件处的最大变形量P大于非边界间隔柱高度与该较高器件高度的差值，则增加非边界间隔柱，直至满足非边界间隔柱布放约束条件。

基于第一方面，在可能的实施例中，确定固化间隔柱的数量和布放位置，具体包括：

计算未放置固化间隔柱时，底板与机盘连接点所在边界位置受力时的最大变形量X1；

在该最大变形量X1大于变形量阈值时，在机盘与底板连接点所在的边界位置布放固化间隔柱，直至底板满足边界约束条件，得到固化间隔柱的数量和布放位置。

基于第一方面，在可能的实施例中，采用有限元仿真方法，根据实际工况确定最大载荷，计算底板对应边界位置的最大变形量X1′；

根据机盘的自重确定最大载荷；最大载荷为机盘自重的1-2倍。

基于第一方面，在可能的实施例中，还包括：

如果机盘上确定固化间隔柱的位置设置有器件，则将对应的固化间隔柱设置于邻近器件的位置。

基于第一方面，在可能的实施例中，在底板对应机盘的非输入/输出侧、以及非背板侧的两侧成型加强结构；

在机盘的输入/输出侧、以及背板侧与底板连接点所在边界位置固定固化间隔柱。

本发明第二方面提供一种机盘焊接面防护布局结构，其包括：

机盘，其焊接面固定有底板；

固化间隔柱，其设置于机盘与底板连接点所在边界位置；固化间隔柱满足边界约束条件，边界约束条件为：底板对应边界位置的最大变形量X1′小于或等于变形量阈值，且固化间隔柱数量最少，变形量阈值为固化间隔柱高度与焊接面器件最大限高的差值；

非边界间隔柱，其设置于机盘上的非边界位置，非边界间隔柱满足非边界间隔柱布放约束条件，非边界间隔柱布放约束条件为：底板上任一点的最大变形量X2小于或等于非边界间隔柱高度与该点对应的焊接面器件高度的差值，且非边界间隔柱数量最少。

基于第二方面，在可能的实施例中，底板对应所述机盘的非输入/输出侧、以及非背板侧的两侧一体成型有加强结构；固化间隔柱设置于机盘的输入/输出侧、以及背板侧与底板连接点所在边界位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的机盘焊接面防护布局方法，通过确定机盘焊接面固化间隔柱的数量和布放位置，以及非边界间隔柱的数量和布放位置，实现对机盘焊接面的完全防护，避免过防护和防护不足；同时，保证整个机盘焊接面的间隔柱数量尽可能少，且防护成本较低。

(2)本发明的机盘焊接面防护布局方法，相对于现有的通过装有多个螺母柱的底板进行防护，通过间隔柱进行防护，避免了过多螺母柱对焊接面器件布局和走线通道的影响；每减少一个螺母柱，PCB的内层可增加多对走线通道，且不存在绕线避开原螺母柱的过孔，电源通道也可相应增大。

(3)本发明的机盘焊接面防护布局方法，由于间隔柱的直径较小，可灵活适应机盘焊接面进行布放，减小对预布局和走线的影响；相同尺寸机盘的底板可实现量化生产，以大幅降低底板的制造成本。

附图说明

图1为现有技术中采用防撞条防护机盘的结构示意图；

图2为现有技术中采用底板和螺母柱防护机盘的结构示意图；

图3为本发明实施例中机盘焊接面防护布局方法的流程图；

图4为本发明实施例中机盘焊接面防护的结构示意图；

图5为本发明实施例中机盘焊接面防护的尺寸示意图；

图6为本发明实施例中底板刚度分析的第一示意图；

图7为采用底板和防撞条防护机盘的结构示意图；

图8为本发明实施例中非边界间隔柱的布放区域示意图；

图9为本发明实施例中底板刚度分析的第二示意图；

图10为本发明实施例中的非边界间隔柱的防护范围示意图；

图11为本发明实施例中机盘焊接面间隔柱的布放示意图。

图中：10-固化间隔柱，20-底板，30-焊接面，40-螺母柱，50-非边界间隔柱；11-防护底板，21-粘贴式防撞条，31-机盘；1-十字槽盘头组合螺钉，2-压铆螺母柱，3-装有压铆螺母柱的底板，4-机盘本体。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图3-5所示，本发明提供一种机盘焊接面防护布局方法的实施例，通过在固定有底板20的机盘焊接面30布放间隔柱10进行防护。该方法包括步骤：

S1.根据边界约束条件，确定机盘与底板20连接点所在边界位置的固化间隔柱10的数量和布放位置；上述边界约束条件为：底板20对应边界位置的最大变形量X1′小于或等于变形量阈值，且固化间隔柱10数量最少，上述变形量阈值为固化间隔柱10高度与焊接面器件最大限高的差值。

本实施例中，底板20通过螺母柱40固定在机盘焊接面30上，整个底板20刚度最弱的位置位于边界处螺母柱40的连接线上，即为底板20与机盘连接点所在边界位置。参见图6所示，A1、A2、A3分别为在焊接面固定的间隔柱投影在底板20上的位置，分别对三处间隔柱的防护范围圆进行仿真，使防护范围圆上最弱的点的最大变形量等于变形量阈值时，A1、A2、A3处间隔柱10的防护半径分别15mm、23mm和25mm。因此，当机盘焊接面30固定间隔柱时，靠近边界位置的间隔柱的防护范围最小，因此需要先提高底板20的边界刚度。

S2.根据焊接面30不同器件的位置和高度、以及非边界间隔柱50布放约束条件，确定非边界间隔柱50的数量和布放位置；上述非边界间隔柱50布放约束条件为：底板20上任一点的最大变形量X2小于或等于上述非边界间隔柱50高度与该点对应的焊接面器件高度的差值，且非边界间隔柱50数量最少。

本实施例中，将底板20通过螺母柱40固定在机盘焊接面30上对焊接面30的器件进行防护，该螺母柱40可选为压铆螺母柱40。然后通过合理布放间隔柱间隔机盘和底板20，起到对机盘焊接面30器件的防护作用。

底板20可根据机盘大小和重量选取一定厚度的钣金板材，并在四周尽可能的设计加强结构，提高整体的刚度和防护能力。然后根据同一尺寸连接器数量最多的机盘，确定螺母柱40的位置和数量。确定螺母柱40数量和位置的底板20即可形成该尺寸机盘的统一底板。

本实施例中，通过确定机盘焊接面30固化间隔柱10的数量和布放位置，以及非边界间隔柱50的数量和布放位置，实现对机盘焊接面30的完全防护，避免过防护和防护不足，满足了高密度PCB的小型化需要；同时，本方法保证整个机盘焊接面30上设置的间隔柱数量尽可能少，且防护成本较低。

如图7所示，在采用底板整体防护机盘焊接面时，也可在机盘焊接面局部的较高器件周围直接粘贴绝缘材料制成的防撞条，其中，11为防护底板，21为粘贴式防撞条，31为机盘。在考虑实际机盘焊接面较高器件的布放位置的同时，也可有效减少压铆螺母柱的数量。但粘贴式防撞条仍尺寸较大，过多占用了焊接面位置，只适用于焊接面器件较少的机盘，不适应高密度机盘小型化和紧凑型的发展需要；另外粘贴工艺主要由人工完成，大批量生产时效率仍然不高。

本实施例中的间隔柱在数量和布放位置确定后，可与焊接面器件同时在贴片机内固定于机盘焊接面30，不仅固定可靠且固定效率高。

在上一个实施例的基础上，本实施例中，上述步骤S1中，在确定固化间隔柱10的数量和布放位置后，还包括：

首先确定单个非边界间隔柱50对焊接面30的最小防护半径。其中，以任一非边界间隔柱50所在位置为圆心、以最小防护半径为半径的圆即为该非边界间隔柱50的最小防护范围圆，该最小防护范围圆内可放置最大限高的器件。

然后根据非边界间隔柱50的最小防护半径，即可确定非边界间隔柱50的布放区域。参见图8所示，机盘与底板20连接点所在的四个连线，均向内缩进一个最小防护半径的距离，得出的区域即为非边界间隔柱50的布放区域。

参见图5所示，a为底板的平面度，b为底板与机盘面板的断差，底板的平面度需小于底板与机盘面板的断差。h为螺母柱高度，d为焊接面器件最大限高，t为间隔柱高度，l为底板板厚。以为间隔柱直径，其中，固化间隔柱10和非边界间隔柱50大小相同，r为非边界间隔柱50的最小防护半径，r与底板的结构形状及自身刚度k、间隔柱的大小、以及间隔柱高度与焊接面器件最大限高的差值大小有关，即，

在第二个实施例的基础上，本实施例中，得到非边界间隔柱50的最小防护半径，具体包括：

确定固化间隔柱10的数量和布放位置后，在机盘焊接面30对应的多个布放位置放置固化间隔柱10，然后通过仿真找到底板20上变形最大的点M，该点即为此时增加边界刚度后的底板20刚度最弱的点M。

然后以机盘焊接面30上对应该点M的一点为圆心设立非边界间隔柱50，以非边界间隔柱50的2倍半径为初始半径做圆，通过仿真计算底板20对应该圆的区域内刚度最弱的点N的最大变形量Y。

当上述最大变形量Y小于变形量阈值时，设置初始半径的迭代步长，对初始半径进行迭代，每次迭代时，底板20对应以迭代半径为半径的圆的区域内刚度最弱的点均不相同，直至底板20对应某一个圆的区域内刚度最弱的点N′处的最大变形量Y′大于变形量阈值。表明底板20上对应该圆的区域内刚度最弱的点N′处不可放置高度最大的器件，即位于这个圆的圆心处的非边界间隔柱50已不能完全防护该圆内的所有点。

最后获取前一次的迭代中的半径作为非边界间隔柱50的最小防护半径。

本实施例适用于自重在4kg左右或4kg以下的机盘，且底板20的长宽比小于或等于2。

对于典型的底板20，其对应机盘的非输入/输出侧、以及非背板侧的两侧对称成型有折弯等加强结构，因此，需要在机盘的输入/输出侧、以及背板侧与底板20连接点所在的边界位置固定固化间隔柱10。此时，底板20上变形最大的点一般位于底板20的中性轴上。在焊接面30对应该点的位置放置非边界间隔柱50后，底板20对应该非边界间隔柱50的最小防护范围圆的区域内刚度最弱的点也在中性轴上。

参见图9所示，在厚度为0.8mm的AL5052系列合金铝材质的底板20上，圆心即为非边界间隔柱50的投影位置，遍历各最小防护范围圆在底板20上的投影与中性轴的交点A、B处的变形。如下表1所示，当A、B点受到外力F＝21N，最小防护半径为30mm时，非边界间隔柱50的投影从y0至ym，通过有限元法FEA工具计算得到从A0、B0到Am、Bm点最大变形均不大于变形量阈值。可见随着非边界间隔柱50下移，A0至Am的最大变形量单调减小，B0至Bm的最大变形量单调增大，非边界间隔柱50可防护范围先逐渐变大而后逐渐减小。因此，以y0为圆心的圆上的A0点为底板20对应最小防护范围圆的区域圆内刚度最弱的点。

表1

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤S2的确定非边界间隔柱50的数量和布放位置，具体包括：

在硬件工程师在完成PCB初步设计后，通过互连设计工具软件预布局机盘焊接面30器件的布放位置，获取所有器件的高度，并对较高器件进行标识；上述较高器件的高度大于最小防护高度，且小于或等于器件最大限高。上述最小防护高度的定义是：以机盘焊接面30上对应点M的点为圆心设立非边界间隔柱50时，仿真计算此时底板20上变形最大的点的最大变形量Z，非边界间隔柱50的高度与此时最大变形量Z的差值为最小防护高度。

然后根据非边界间隔柱50的最小防护半径和布放区域，在较高器件最密集区域放置第一个非边界间隔柱50，使非边界间隔柱50的最小防护范围圆尽可能多的覆盖较高器件。

当有较高器件未处于非边界间隔柱50的最小防护范围圆内时，判断是否可以将该较高器件移动至最小防护范围圆内；若是，则直接移动；若否，且底板20对应该较高器件处的最大变形量P大于非边界间隔柱50高度与该较高器件高度的差值，则增加非边界间隔柱50，直至满足非边界间隔柱50布放约束条件，即所有器件得到保护的同时，非边界间隔柱50的数量最少。

参见图10所示，非边界间隔柱50的最小防护范围圆区域内完全防护最大限高的器件，越往最小防护范围圆的外圈延伸，其可防护的器件高度越小。因此，以非边界间隔柱50所在位置为圆心，半径从最小防护半径逐渐增加时，可得到一系列不同半径的防护范围圆，相邻两个同心圆之间形成可防护不同高度器件的圆环范围，不同圆环范围内可对应布放不同高度的器件。

因此，实际应用中，调整较高器件的布放位置时，可将不同高度的器件放置在不同防护范围的圆环内，使所有器件均处于有效防护区域内，且非边界间隔柱50的数量最少或尽量少的占用焊接面30布线面积。

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤S1的确定机盘与底板20连接点所在边界位置的固化间隔柱10的数量和布放位置，具体包括：

首先采用有限元仿真方法，计算未放置固话间隔柱10时，底板20与机盘连接点所在的边界位置受力时的最大变形量X1。

然后在该最大变形量X1大于变形量阈值时，在机盘与底板20连接点所在的边界位置布放固化间隔柱10，每增加一个固化间隔柱10，底板20对应边界位置的最大变形量均不相同，直至上述底板20满足边界约束条件，得到机盘固化间隔柱10的数量和布放位置，以提高底板20的边界刚度。

使用同一尺寸、材质和结构的底板20进行防护的机盘，在其焊接面30器件最大限高相同时，机盘固化间隔柱10的数量和布放位置相同。

本实施例中，采用有限元仿真方法，根据实际工况确定最大载荷，计算得到底板对应边界位置的最大变形量X1′。固化间隔柱10的数量和布放位置不同时，得到的最大变形量均不相同。

其中，根据上述机盘的自重确定最大载荷；最大载荷可选为机盘自重的1-2倍，即运输或装配中底板20某点可能受到的最大点载荷为机盘自重的1-2倍。最大载荷还可综合考虑成本、可靠性与合理的载荷系数，根据实际装配运输或测试需要进行设置。

在上述实施例的基础上，本实施例的防护布局方法还包括：

如果机盘上确定固化间隔柱10的位置设置有器件，则将对应的固化间隔柱10设置于邻近该器件的位置。即固化间隔柱10可根据实际器件布局在一定范围内进行调整。

本发明还提供一种机盘焊接面防护布局结构的实施例，该防护布局结构包括机盘、固化间隔柱10和非边界间隔柱50。

机盘的焊接面30通过螺母柱40固定有底板20。

上述固化间隔柱10设置于机盘与底板20连接点所在边界位置；固化间隔柱10满足边界约束条件。其中，边界约束条件为：底板20对应边界位置的最大变形量X1′小于或等于变形量阈值，且固化间隔柱10数量最少。变形量阈值为固化间隔柱10高度与焊接面器件最大限高的差值。

上述非边界间隔柱50根据焊接面30不同器件的位置和高度设置于机盘上的非边界位置，且非边界间隔柱满足非边界间隔柱50布放约束条件，非边界间隔柱50布放约束条件为：底板20上任一点的最大变形量X2小于或等于非边界间隔柱50高度与该点对应的焊接面器件高度的差值，且非边界间隔柱50数量最少。

本实施例中，上述底板20对应机盘的非输入/输出侧、以及非背板侧的两侧一体成型有加强结构。固化间隔柱10设置于机盘的输入/输出侧、以及背板侧与底板20连接点所在边界位置。

参见图11所示，机盘的印刷电路板组件PCBA(Printed Circuit Board+Assembly)的焊接面上，高度在1.5mm-2mm的较高器件分布如图中IC1-IC11所示，其中，最小防护高度为1.5mm，器件最大限高为2mm。底板板厚为1mm，底板与机盘面板的断差为0.2mm。经过结构工程师经验设计，当底板通过12个压铆螺母柱进行防护机盘焊接面器件时，仍然无法对2mm高的器件IC5-IC7进行完全防护。

使用本方法进行防护时，利用直径2.5mm、高2.5mm的圆柱体间隔柱和上述底板20进行防护。根据边界约束条件和非边界间隔柱50布放约束条件，实现焊接面器件的整体防护时，需要在边界位置布放3个固化间隔柱10，并结合器件实际分布及高度情况，在非边界位置布放3个非边界间隔柱50，非边界间隔柱50的最小防护半径为50mm，即，底板20的任一位置均可防护1.5mm高的器件，在非边界间隔柱50的最小防护范围圆内可放置不超过2mm高的器件，越往最小防护范围圆的外圈延伸，其可防护的器件高度越小，但仍足以防护高度为1.6mm的器件IC3。

相比较于采用12个压铆螺母柱的设计，采用本方法可减少4个压铆螺母柱的数量，增加6个间隔柱。

每去掉1个螺母柱，PCB的内层可增加7对走线通道，且不存在绕线避开原螺母柱的过孔，电源通道可增大8.5mm。另外，直径为2.5m的间隔柱焊接在电路板上时，间隔柱焊盘的直径为3mm，间隔柱所占位置较小，可灵活适应机盘焊接面进行布放，减小对预布局和走线的影响；防护相同尺寸机盘的底板可实现量化生产，以大幅降低底板的制造成本。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。