机柜结构设计要点

机柜设计

2.1 影响机柜结构设计的因素

机柜是电气控制设备不可缺少的组成部分，是电气控制设备的‘载体’。机柜既要满足各电气单元的组合功能条件(安全的要求，检修性能，形式的统一，组合的标准，功能的分配，外形美观等),还要满足柜体本身要求(如坚固可靠,美观,调整容易,符号规范,制造的适用性以及针对特殊场合的特殊设计等)。

机柜设计应在满足成套电气产品使用功能要求的前提下，同时满足结构工艺性要求，即机柜的总体及其零部件制造的可行性及经济性要求，以及满足电器装配的工艺性和运行中的可维修性要求。

由于长期以来缺乏系统设计,人机工程学设计思想,重电气设计而忽略结构设计,重主机而轻视附件,我国机柜在外观,整体布局,色彩,加工精度及互换性,配套性等方面与发达国家有一定的差距,尤其在专利技术方面,我们仍然受制于工业发达国家,以至于外商企业占有了我国高端机柜市场的较大份额，

机柜结构本身发展形成的各种形式，不同的组件，不同电压等级，不同使用场合，加工设备的发展，不同生产厂家的自身条件等都决定了控制柜的制造受到甚多因素影响。由于机柜结构要求不一，以及各个企业加工手段不同，它们的制造工艺就不能强求完全一致，但制造中也存在带普遍意义的较关键的工艺特点，现将这些特点结合柜体结构选择与设计进行介绍。

2.1.1机柜的结构及基本类型

2.1.1.1机柜的基本结构模式

1.基本结构模式

通过长期的实践，电气控制设备的壳体逐步形成了盒,箱,柜(包括屏)，台四大基本结构模式，定义如下：

1）机柜

用于容纳电气或电子设备的独立式或自支撑的机壳。机柜通常配置有门，可拆或不可拆的侧板。机柜一般安装在地面上或大型设备平台上。

机箱

机箱的体积较小，一般安装在台面，桌面，墙壁上或设备壁龛中，是用于容纳电气或电子设备的小型机壳。

3）控制台

安装在台面或地面上，具有水平面，垂直面或倾斜面，以容纳控制，信息和监控设备的机壳。

4）机盒

用于容纳电气或电子设备的便携式小型机壳，或用于电气单元隔离的小型机壳（电磁屏蔽盒）。机盒也可以作为部件安装在机柜，机箱和控制台内。

2.机柜的典型结构

由于电气控制设备被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需求，电子控制设备的式样极其繁多。为降低费用并进行专业化批量生产，逐步形成了一些典型机柜结构，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系统标准所规定的模式，它是一种插件——插箱——机柜系统，是目前标准化程度最高，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联，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。

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控制设备。

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。通过巧妙地设计，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的成套装置。

上述各种典型结构又常互相兼容与统一，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。

2.1.1.2机柜的典型结构组成

机柜是电气控制设备不可缺少的组成部分，它为成套电器产品提供安装，支撑，连接，转动，连锁，锁紧，防护和装饰等功能，为机械零部件，电气连接和元器件的兼容提供保障，总之，机柜是电气元器件的‘载体’。

1.型材机柜的结构组成

标准机柜的结构比较简单，主要包括基本框架，内部支撑系统，布线系统和通风系统。

机柜一般包括外壳，支架，面板上的各种开关，指示灯等。

1）基本框架

装配式框架结构机箱机柜的构成：机柜由上盖，底座，前后框架，前后门，侧门，横梁，角规等组装成型。连接简单，安全可靠。

主体框架，前后门，左右侧门可以快速拆装。

2）内部支撑系统

（1）立柱：内部支撑系统中的承重构件，立柱的上下两段分别与上盖和底座连接在一起。立柱上冲有符合模数关系的安装孔和定位孔，可用于安装机柜的结构件及电气零部件。

（2)横梁：分为挂接式横梁和扩展横梁两种。挂接式横梁横梁安装及移动方便、灵活、可用于安装机柜的结构件及电气零部件。

扩展横梁用于扩展机柜内的安装空间、安装和拆卸非常方便，同时也可以配合理线架、配电单元的安装，形式灵活多样。

（3）托盘：固定托盘用于安装各种设备，尺寸繁多，用途广泛、有19“标准托盘、非标准固定托盘等。常规配置的固定托盘深度有440mm、480mm、580mm、620mm、等规格，固定托盘的承重不小于50kg，而增强型固定托盘，底部附有加强筋，承重达100kg。

3）布线系统

（1）电源线槽：它从机柜底部一直延伸到机柜顶部，其中最上方的插座专门用于为风扇提供电，垂直安装全封闭金属电源线槽的目的是避免对水平双绞线产生电源打扰。

（2）扎线板：在机柜的右后侧，安装两块100mm宽的铁板，板上沿垂直方向每隔10mm开一个5mm×100mm的腰圆孔，铁板的长度为从机柜的顶板到底板。同样，在左后侧安装一块相同的铁板。扎线板上可以安装走线槽。

（3）走线槽：走线槽可以安装在扎线板上，也可以直接安装在机柜的两侧框架上。

（4）接地：在控制柜中部自底到垂直安装一根接地铜带，该铜带上每隔2u等距开一个M6粗牙螺钉孔，以便于电气零部件就近接地，其中最下端的螺钉孔用于机柜引出接地线

（5）进出线孔：后部下方开一个300mm×200mm的长方形进线孔，用橡皮裹边，以免损伤电缆。在孔上方90mm处，可以安装一块隔板，以求机柜内的美观。

4）通风系统

机柜的局部过热可以通过加装散热单元，增加风的流速和流量来解决：也可在机柜内加装制冷设备；还可以增加机柜进口冷风的进风量。机柜冷却器可以解决机柜内部的局部过热问题。

调速风机单元：安装于机柜的顶部；可根据环境温度和设备温度调节风扇的转速，有效地降低机房的噪音。调速方式：手动，无级调速。

机架式风机单元：高度为1U，可安装在19“标准机柜内的任意高度位置上，可根据

机柜内热源酌情配置。风机单元的外壳采用一次成型技术，能有效减小风机的震动，提高风机单元的使用寿命。

2.机柜的结构配件

根据需要机柜还装有机柜附件。其主要附件有固定或可伸缩的导轨，锁紧装置，铰链，走线槽、走线架和屏蔽梳形簧片、专业固定托盘，专业滑动托盘，电源支架、地脚轮、地脚钉、理线环、理线架、L支架、扩展横梁等。可选配件能够满足各种应用的需求。

2.1.1.3机柜的分类

根据柜体结构及其工艺大致可以从结构形式，连接方式、构件取材等方面加以区分。其柜体结构和加工工艺各有特点。常见的机柜可分为以下几种。

1.从结构上分

1）固定式

能将个电气组件可靠地固定于柜体中确定的位置。柜体外形一般为立方形，如屏式、箱式等，也有凌台体如台式等。这种固定柜有单列、也有排列。为了保证柜体型位尺寸，往往采取各构件分步组合方式，一般先是组成两片或左右两侧，然后在组成柜体，即先满足外形要求，在顺次连接柜体内各支件。组成柜体个棱边的零件长度必须正确（公差取负值），才能保证各方面几何尺寸，从而保证整体外形要求，对于柜体两侧面，因考虑排列需求，中间不能有隆起现象，另外从安装角度考虑，底面不能有下陷现象。

2）抽出式

2.从机柜构件连接方式上分

1）焊接方式

2）装配方式

3）焊接与装配混合方式

3.从结构材料分

1）型材结构机柜、

（1）刚型材机柜。

（2）铝合金型材机柜。

2）板材结构机柜

2.1.2标准机柜与非标准机柜

2.1.2.1优先采用标准化设计

1.模块化

2.模数数列

2.1.2.2标准机柜的选择要求

1.机柜品牌的选择

2.机柜尺寸的选择

1）机柜宽度的选择

2）机柜深度的选择

3）机柜高度的选择

3.机柜的外观选择

1）.颜色选择

2）外形的选择

4.机柜走线方式的选择

5.机柜承重力、稳定性的选择

6.机柜散热性的选择

7.设备安装方便性的考虑

2.1.2.3非标准机柜的结构设计

1.在柜体没有指定型号的情况下，应根据机柜本身的国家和行业标准规范来设计

2.应以人为本

3.考虑结构空间

4.考虑自己的加工工艺条件

2.1.3机柜材料对机柜结构设计的影响

2.1.3.1机柜材料的机械性能决定机柜机械强度

2.1.3.2材料的机械性能决定机柜零部件的工艺

1.材料对冲裁加工的影响

2.材料对弯曲加工的影响

2.1.4机械加工工艺水平对柜体结构设计的影响

1.加工设备条件对机柜结构设计的影响

2.设备加工精度对柜体结构设计的影响

3.机柜加工方式对结构设计的影响

4.机柜零件结构加工工艺路线的影响

5.工人技术水平对柜体结构设计的影响

2.1.5电气系统对结构设计的影响

1.主结线方案

2.常用的主母线系统

3.柜内一次电气组成的型号和规格

4.控制柜的小电流、大电流规格

5.控制柜的宽度

6.电缆的进出线

7.并柜的安装布置

8.柜间联锁

2.1.6影响机柜设计的其他因素

2.1.6.1环境条件对柜体结构设计的影响

2.1.6.2维修操作便利性及运输安装对机柜结构设计的影响

1.维护操作的方便性

2.运输安装的安全性

2.1.6.3机械规范对柜体结构工艺的影响

2.1.7柜体结构图的绘制

2.1.7.1机柜结构设计的一般步骤

1.熟悉设备的技术指标和使用条件

2.、机柜结构方案的确定

1)结构形式的确定

2)确定机柜的制作材料

3)确定生产批量

3.确定机柜材料

4.进行板面设计与排列各组合体内部的元器件

5.确定机柜及其零件部件的结构形式，绘制结构草图

2.1.7.2机柜图的内容

1.机柜总装配图

（1）机柜总装配图是绘制机柜非标准零件图的原始依据。

（2）机柜总装配图是指导机柜装配的技术文件。

（3）机柜总装配图是机柜装配完成后进行检验的依据。

2.机柜非标准零件图

（1）机柜的非标准零件图是制作生产工艺装备的依据：

（2）机柜的非标准零件图是在非标准零件加工过程中指导工人进行操作的技术文件：

（3）机柜的非标准零件图是工艺技术人员编制加工工艺文件的依据：

（4）机柜的非标准零件图是对加工完成后的零部件进行检验的依据。

3.机柜零部件明细表

（1）机柜零部件明细表应提供给采购供应部门，作为对外进行采购订货的依据。

（2）机柜零部件明细表应提供给零部件仓库，作为进行零部件入库检验和向生产班组发放的依据。

（3）机柜零部件明细表应提供给财务部门，作为进行产品成本核算的依据。

（4）机柜零部件明细表应提供给机柜装配班组，作为向零部件仓库领取零部件及核对规格、品种、数量的依据。

2.1.7.3机柜图的绘制方法

1.机柜图按照机械制图规则进行绘制

2.机柜图绘制的方法

1）建立机柜参数化模型

2）建立机柜装配骨架模型

3）机柜零部件详细设计

4）机柜工程分析

3.机柜工程图绘制步骤

4.机柜非标准零件图的绘制

5.机柜零部件明细表的编制

2.2机柜设计的要求

2.2.1机柜结构设计要求

2.2.1功能要求

1.结构要求

2.强度和刚度要求

3.机柜的安全防护要求

4.通风散热方面的要求

5.配线布线的要求

6.人机工程学的要求

7.电磁兼容方面的要求

1）接地

2）屏蔽

3）电磁场屏蔽

2.2.1.2工艺要求

1.机柜结构件的基础要求

2.尽量减少加工零、部件的数量

3.简化零件结构，考虑加工方便性

4.采用标准尺寸和适宜的公差

5.零件设计时应考虑相应的加工手段

6.原材料的选用应符合加工工艺性的要求

7.机柜结构设计中应注意的问题

2.2.1.3装配要求

1.机柜部件应采用模板化设计

2.装配的可行和方便性

3.提高结构设计一致性和标准件选用准确性

4.机柜附件装配的规范化

5.机柜的维护方便性

2.2.1.4成本要求

2.2.1.5其他要求

1.应符合标准化、规范化、系列化的要求

2.应便于生产、组装、调试和包装运输

2.2.2影响结构尺寸的因素

2.2.2.1结构尺寸的要求

2.2.2.2机柜结构的电气性能要求

1.外壳的绝缘

2.电气间隙和爬电距离

3.电气保护与屏蔽

2.2.3控制设备外壳的防护等级

2.2.3.1电气控制设备的常见故障

2.2.3.2电柜的防护等级

1.表示防护等级的代号由表征字母“IP”和附加在后的两个表征数字及补充字母组成

2.第一位表征数字及数后补充字母表示的防护等级及其含义

3.第二位表征数字的防护等级及其含义

4.补充字母的使用

5.当只需用一位表征数字表示某一防护等级时，被省略的数字应以字母“X”代替

6.如需用第二位表征数字（或加上的补充字母）以表示产品完整的外壳防护等级时

7.代号举例

2.2.3.3污染等级

2.2.3.4机柜的防护等级要求及确定原则

2.2.3.5机柜常用的防护等级

2.2.4机柜的材料

2.2.4.1绿色环保设计

2.2.4.2机柜材料选择的一般要求

2.2.4.3材料耐非正常热和火的要求

2.2.4.4材料的验证试验要求

2.3机柜的结构设计

2.3.1机柜结构的机械设计

2.3.1.1机柜结构的机械强度要求

2.3.1.2机柜活动部件的设计要求

2.3.1.3用柜体做防护的结构设计要求

1.外部异物侵入的防护

2.电击的防护设计

1）直接接触的防护

2）间接接触的防护

3.控制设备内部操作与维修通道

4.对经过允许的人员接近运行中的控制设备的要求

1）对进行检查和类似操作而接近控制设备的要求

2）对进行维修而接近控制设备的要求

3）对带电情况下为扩展设备而接近控制设备的要求

2.3.1.4机柜接地的结构设计要求

2.3.2机柜安全防护设计

2.3.2.1安全稳定性设计

2.3.2.2温升

2.3.2.3电气联锁

2.3.2.4抽出式部件的隔离距离

2.3.2.5隔室

2.3.2.6电柜、门和通孔

2.3.3控制柜的造型设计要求

2.3.3.1控制柜的造型设计

2.3.3.2控制柜的表面涂覆

2.3.3.3特殊要求

2.3.4便利性设计

2.3.4.1检修便利性结构设计要求

1.控制设备中电气组件和电路的布置应便于操作和维修，同时要保证必要地安全等级

2.结构要简单可靠，操作便捷，其优选顺序为

2.3.4.2控制柜的搬运结构设计

2.3.5改善控制柜工作条件的措施

2.3.5.1考虑大气湿度所采取的设计

1.降低温度设计

2.防腐设计

2.3.5.2冷却降温

1.冷却设计原则

2.空气冷却

1）自然冷却

2）强迫冷却

3.液体冷却

4.蒸发冷却

2.4机柜钣金加工的工艺设计

2.4.1机柜制作材料的工艺性

2.4.1.1机柜常用钢板

1.冷轧薄钢板

2.连续电镀锌冷轧薄钢板

3.连续热镀锌薄钢板

4.覆铝锌板

5.不锈钢板

2.4.1.2铝和铝合金板

2.4.1.3常用板材的性能比较

2.4.2下料方法的选择

2.4.2.1常用下料方法

1.锯割

2.砂轮切割

3.剪床

2.4.2.2剪床下料工艺设计

1.下料尺寸不大于板材规格

2.有组焊要求的钣金件沿长下料

3.下料单总对颜色及镀涂有特殊要求的钣金件的标注

2.4.3冲裁加工工艺设计

2.4.3.1工艺比较的方案

1.冲裁加工方式的选择

2.冲压件设计尺寸基准的选择原则

3.工艺计算

2.4.3.2冲裁件的工艺性

1.冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度

2.冲裁件的最小圆角半径

3.冲床冲孔的最小尺寸

4.冲裁件的孔间距与孔边距

5.冲裁件的搭边要求

6.孔与弯边的最小距离

7.冲孔在折弯件及拉深件上的要求

2.4.3.3冲裁件的加工精度

1.金属冲压件的尺寸公差

2.冲裁件孔中心距地公差

3.孔中心与边缘距离的公差

4.冲裁件毛刺的极限值

5.冲切件的断面粗糙度

2.4.3.4提高零件强度的工艺设计

2.4.3.5用数控冲床加工板材的厚度加工范围

2.4.3.6常用的三种落料和冲孔方法的对比选择

2.4.4折弯工艺设计

2.4.4.1折弯件的工艺性要求

1.各种材料最小弯曲半径

1）常用金属材料的最小弯曲半径

2）弯曲角度为90°时的最小弯曲半径

2.材料厚度、弯边圆角与凹模深度关系

1）凸模圆角半径

2）凹模进口圆角半径

3）凹模深度

3.弯曲件一般情况下地最小直边高度要求

1）冷却薄钢板材料折弯内R及最小折弯高度

2）角尺边弯边最小极限尺寸

3）Z形折弯的最小折弯高度

4.折弯件上的孔边距

5.折弯边压平所需最小承压边尺寸

6.上刀口前边内内翘边尺寸

7.复杂折弯形状需验证是否可加工

2.4.4.2弯曲件的精度

1.弯曲件的尺寸精度

2.弯曲件的尺寸公差

3.弯曲件的角度公差

4.但角90°自由弯曲时的回弹角

2.4.4.3弯边圆角展开尺寸

2.5连接与表面处理的工艺设计

2.5.1机柜零部件连接工艺设计

2.5.1.1焊接

1.材料的焊接特性

1)钢与钢的可焊性

2)有色金属的可焊性

3)电容储能焊螺柱的可焊性

2.焊接方法的选择

3.影响焊接的工艺要素

1）焊接电源饿的选择

2）焊缝坡口的基本尺寸

3）焊接结构

4）CO2气体保护焊按操作方法的选择

5）点焊的排列

6）钢板点焊直径以及焊点之间的距离

7）铝合金板材的点焊

8）结构设计中应避免角焊

2.5.1.2螺纹连接

1.螺钉连接

1）钣金件常用自攻螺钉底孔、翻边孔直径及翻边高度

2）钻普通螺纹底孔的钻头直径

3）钻英制螺纹底孔的钻头直径

4）螺钉、螺栓的过孔

5）螺钉沉头孔的尺寸

2.孔翻边

1）常用粗牙螺纹翻孔尺寸

2）翻孔攻丝到折弯边的最小距离

2.5.1.3铆接

1.影响铆接质量的因素

1）基材性能

2）底孔尺寸

3）铆接方式

2.抽孔铆接

3.压铆螺柱、压铆螺母

1）压铆螺柱工艺参数

2）压铆螺母工艺参数

4.铆钉铆接

2.5.2表面处理的工艺设计

2.5.2.1机柜金属表面处理方式选择

1.电镀

2.喷涂

1）表面前处理

2）涂底漆

3）喷面漆（塑）

4）高温烘干

5）表面机械精加工

2.5.2.2喷塑与喷漆工艺的比较

1.喷漆和喷粉层技术指标和其他对比

2.表面效果选择原则

3.喷粉、喷漆设计注意事项