电子设备的模块化结构设计
张忠海
’北京宽广电信高技术发展有限公司!北京$**&I’(
摘要&模块化结构是电子设备结构设计发展的必然趋势"文中概括了模块化结构设计的优点!针对电子设备的机械结
构特点!提出了机械结构模块的划分原则!并给出了电子设备模块化结构设计的具体方法"
关键词&模块化+结构设计+模块划分+层次中图分类号&!"#$
文献标识码&!
’$##’(#%%##&’
%#&文章编号&"##$%$&&&
模块化设计作为现代的设计方法!近年来有了长足的发展!对产品的模块化设计也有一些研究和应用成果$$%"所谓机械结构的模块化设计!是在产品功能模块的基础上!在通用化#系列化的前提下!将产品结构分成若干组合模块"根据产品不同的要求!将不同模块重组!快速组合成完整的产品结构"电子产品的机械结构!有其自身的特点"针对电子设备结构的特点!如何采用模块化设计方法进行结构设计!是本文重点提出和讨论的问题"
部分设计成分开的模块进行隔离"
"电子设备结构模块的划分原则
对于产品系统级的模块划分!可从功能#使用#装配#
接口#用户需求等不同角度进行划分!本文讨论的是从机械结构设计角度出发!如何实现设备结构模块化的划分"电子设备结构模块的划分可遵循以下原则&!以功能划分为基础进行结构模块划分!实现产品的优化设计和满足用户需求""满足通用化#系列化的结构模块化设计"
!结构模块化设计的优点
’!(减轻了设计者的劳动量!提高了设计效率"模块
#有利于抗恶劣环境设计!如屏蔽设计#密封设计#抗振
设计等"$能够实现模块的方便组合!使用#维修#更换便利!提高产品可靠性"%满足电子设备通风散热的结构要求"&模块应有良好的可加工性!能够降低加工成本"’实现设备美观的结构造型"
化设计避免重复性设计工作!使设计者把精力重点用于改进和完善设计方面!缩短了设计周期"
’$(能够降低加工成本!提高产品的竞争力"模块化的结构设计!使零部件具有了通用性!可以系列化批量生产!也便于同一系列产品使用相同的模具!使成本降低"
’%(便于设备维修与调试"对于故障模块!可以实现快速更换"对于设计了冗余模块的产品!各个模块相对独立!更换故障模块不影响设备正常工作!产品的可靠性也大幅提高"
’’(抗恶劣环境能力提高"比如!对于电磁敏感部分设计成单独的模块进行电磁屏蔽!对于产品相互干扰的
#以功能模块为基础的总体结构模块化设计
按照功能和作用不同!设备往往可分成若干功能单
元"这些功能单元也是结构模块划分的基础"图$为某电子设备的功能模块结构组合图"在图$中!采用了以功能模块为基础的结构模块化设计"此电子设备按功能划分为)显示模块*#)激励模块*#)控制模块*#)功放模块*#)电源模块*"激励模块为主备自动切换模块!若一个模块出现故障!可自动切换到备用激励模块!保证设备的正常
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
况下!安全系数始终满足要求!符合可靠度要求!也就是说最稳健的"因此对于同样的制造和安装误差!优化方案的安全系数是最为稳定!由正交实验的结果可以看出!精度波动时!安全系数仍能够得到保证"这就说明可将设计参数的误差范围放宽!从而极大地降低了生产成本!工厂设备条件的少许恶化#工人技术水平的差异以及外界温度#湿度在一定范围内的变化均不能对安全系数造成极大的影响!这就是稳健设计的优势所在"
$参考文献%
$!%$$%$%%
龚桂义!陈式椿!王永洁"渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计$"%"北京#机械工业出版社!$%&’#
陈立周"稳健设计$(%"北京#机械工业出版社!$%%%"
张蕾!卢玉明!石均"高速#中载圆柱齿轮减速器的稳健设计$&%"
$*%$+%$’%$(%
机械设计!$%%&!)$*+#$*,$-#
韩之俊"三次设计$"%"北京#机械工业出版社!$%%-#
./01234536"75894:(;?;42@3A423@B3@23;;023@(5C);>4"D/3"5E:=;6F(B$&%#G5903/>5E(;?;42@3!$%%H!$$I#J&,HJ#
王剑彬"-K,L行星齿轮减速器的优化设计$&%"机械传动!$%%I!
)$+#$,M#
陈建江!钟毅芳!肖人彬"基于正交试验的稳健优化设计方法及$&%"中国机械工程!-**J!)J+&-&M,-&’#其工程应用
’编辑立
明(
!!!!!!!!!!
’!,-$)(!男!在读硕士!主要研究方向为机械./0作者简介&张荣荣
及自动化"
朱如鹏!男!教授!博导"
收稿日期&-11()1!)1+
!"
机械工程师$##’年第#期
工作!所有功放模块组合后起到整体的功率放大的作用"所有电源模块组合后起到整体的供电作用"但每个功放模块和每个电源模块各自又互相独立"一个模块出现故障不影响其它模块的正常工作!功放和电源模块采用了热插拔结构设计"便于组合#调试#更换维修等!按照不同需求"将不同数量和型号的功放模块#电源模块#激励模块等进行组合"即可形成不同频率#不同功率的产品!功能模块只有通过结构模块才能体现出来"所以机械结构模块的设计直接决定产品设计的优劣!
柜体模块"
箱体模块"$箱体模块""
插件模块"""插件模块""$插件模块""%插件模块"$"插件模块"$$插件模块
"$%插件模块"%"
)
显示模块箱体模块"%插件模块"%$插件模块"%%插件模块$""
激励模块
控制模块
箱体模块图
箱体模块$"插件模块$"$插件模块$"%插件模块$$"
功放模块
电源模块
柜体模块图
插件模块图
电子设备
柜体模块$
箱体模块$$
插件模块$$$插件模块$$%插件模块$%"
图"某电子设备功能模块结构组合图
图!电子设备三个层次的机械结构模块图
)
!模块化机械结构设计方法
按设备的机械结构层次"从高层到低层"可以分为柜
)
箱体模块$,插件模块$%$插件模块$%%插件模块,&&
体模块#箱体模块#插件模块"各层次模块可能有自身的子模块!对于具体的电子设备"可能同时具备柜体#箱体#插件模块"也可能只有部分模块!柜体模块是箱体模块的载体"箱体模块是插件模块的载体"三者的结构形式#尺寸是相互关联的"同时也是各自独立的"只有将各模块协调统一设计"才能达到完美的结构组合!图!为电子设备三个层次的机械结构模块图"图"为电子设备机械结构有为!的情况!另外在图"中可看出"电子设备也可能无柜体模块"而直接由箱体模块构成!
$"%柜体模块
柜体模块作为产品的一个组成模块"最好遵循通用化#系列化的原则!对于电子设备"组合后的柜体高度参考尺寸系列&!’为$单位(##%($%%#&%%%#&!%%#&’%%#&(%%#
插件模块"
箱体模块
插件模块$插件模块,箱体模块,%箱体模块,&
插件模块,&!插件模块,&,插件模块,$"
)
插件模块,$%插件模块,%"插件模块,%$插件模块,%%
&$%%#!%%%#!!%%#!(%%"柜体的深度尺寸系列为$单位(
安装孔距尺寸系列为$单位(##%(’()#)*)!
柜体自身也设计成模块化结构"由若干柜体子模块组成"柜体子模块尺寸系列与柜体尺寸系列保持协调一致!图’给出了柜体模块的组合图"图)是柜体模块的组合形式框图!立柱和横梁可采用铝型材或优质冷轧薄钢板"门板采用&+!#&+)##优质冷轧薄钢板"上盖和底座采用!#"##厚优质冷轧薄钢板"内立柱#托板和托盘等采用&+)#!##优质冷轧薄钢板!也可用覆铝锌板代替优质
冷轧薄钢板"可省去表面处理的工序"但不能焊接!参考上述板厚"还要根据具体承载要求来确定最终板厚尺寸!近年来"铝型材柜体得到广泛应用!铝型材不但可设计成美观的造型"并且其尺寸易保证"便于生产和模块化组装!
$$%箱体模块
图#
)
##%(’%%#’)%#)%%#))%#(%%#()%#$%%"箱体与柜体宽度
电子设备机械结构模块组合形式框图
)
机械工程师
)
模块组合形式框图!在图"中"根据产品的要求"参数!
柜体模块,箱体模块,!插件模块,$$
))))
)))
!""#年第!期
!"
立
骨架模块
横
骨架模块
柜体模块
门
围板模块
上底
柱梁板盖座
模块组合图见图"所示!插件模块自身的组合形式框图如图4"插件模块作为箱体模块的下层模块!其组合后的装配尺寸同样应与箱体模块的安装尺寸协调一致"对于屏蔽要求较高的场合最好采用盒试插件模块!但所需的安装空间比印制板插件大"对于印制板插件!连接器适合选用板边封装的连接器!若所选连接器需面板固定!则只能设计成盒式插件模块"
导轨模块
面板模块
盒架模块接插模块盖板模块
围板模块
内立柱
安装模块
托
安装模块
托滑
板盘轨它
印制板模块支撑模块
接插模块
图!柜体模块组合图
图"
其
散热模块
&0’盒式插件模块
&2’印制板插件模块
柜体模块组合形式框图
图&插件模块组合图
侧
盒架模块
把
板手
箱体模块有时直接作为产品模块!但同时也可作为柜体的下层模块!所以箱体模块组合后的尺寸应与柜体模块安装尺寸协调一致"因箱体模块一般通过其面板固定于上层模块"柜体上!所以箱体面板尺寸应满足一定的尺寸系列"电子设备的箱体面板参考尺寸系列为宽度#
面板模块
后面板上盖板
盒式插件模块
盖板模块
下盖板
导轨模块
插件模块
散热模块接插模块支撑模块
印制板插件模块
导
轨
前面板
!"#$%&&$%’(&&!高度为!")!*+,#%%’#!"*!!-!.&&/"
图%)01结构形式为柜体模块的下层模块!而图%)21结构形式不但是柜体模块的下层模块!也是插件模块的载体"将箱体模块按图3框图划分为若干子模块!这样的划分有利于遵循模块化设计原则!作为具体的产品!在图3所列的各子模块组成部分不一定同时具备"按照常规的设计方法!有时将侧板$底盖$后面板等设计成一体的钣金结构!这样不利于形成系列化$通用化的模块组合"塑料装饰面板!能够设计成美观的造型!以提高整个箱体的外观质量"各部分选材可用铝板$铝型材或优质冷轧薄钢板"各部分子模块尺寸形成系列化!组合后形成不同规格尺寸的箱体模块"
侧
盖板模块
机架模块
机架模块
挂把
面板模块
&0’
机架模块
面板模块
盖板模块导向模块
箱体模块
面板模块
前面板后面板装饰面板上盖板
盖板模块
下盖板导向槽
导向模块
安装架加强芯
(#)
&2’
(")
耳手板
印制板模块接插模块
散热器连接器面把
板手
印制板连接器
图#插件模块组合形式框图
!结束语
模块化结构设计为机械结构设计提供了一种全新的
现代设计方法!是实现快速设计制造和大批量定制的主要方法"模块化的结构设计过程!同时也是产品结构拆分与组合的过程!这也适合现代网络协同设计"模块化结构设计能够适应现代的科技进步!必将在未来有着更广阔的发展前景"
(参考文献)
侯亮-产品模块化设计理论$技术与应用研究进展(5)-机械工程学报!#((!!!()+16.%7%+-王健石-电子设备结构设计手册(8)-北京#电子工业出版社!
图$箱体模块组合图
+449-&编辑立明’
图%箱体模块组合形式框图
!!!!!!!!!!
作者简介#张忠海&+43+7’!男!工程师!主要从事电子设备的结构设
计$电磁屏蔽设计$通风散热设计以及模具设计等工作"
收稿日期#!""#$"%$&’
&!’插件模块
插件模块分为盒式插件模块和印制板插件模块!其
!"
机械工程师!""#年第!期
电子设备的模块化结构设计
张忠海
’北京宽广电信高技术发展有限公司!北京$**&I’(
摘要&模块化结构是电子设备结构设计发展的必然趋势"文中概括了模块化结构设计的优点!针对电子设备的机械结
构特点!提出了机械结构模块的划分原则!并给出了电子设备模块化结构设计的具体方法"
关键词&模块化+结构设计+模块划分+层次中图分类号&!"#$
文献标识码&!
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模块化设计作为现代的设计方法!近年来有了长足的发展!对产品的模块化设计也有一些研究和应用成果$$%"所谓机械结构的模块化设计!是在产品功能模块的基础上!在通用化#系列化的前提下!将产品结构分成若干组合模块"根据产品不同的要求!将不同模块重组!快速组合成完整的产品结构"电子产品的机械结构!有其自身的特点"针对电子设备结构的特点!如何采用模块化设计方法进行结构设计!是本文重点提出和讨论的问题"
部分设计成分开的模块进行隔离"
"电子设备结构模块的划分原则
对于产品系统级的模块划分!可从功能#使用#装配#
接口#用户需求等不同角度进行划分!本文讨论的是从机械结构设计角度出发!如何实现设备结构模块化的划分"电子设备结构模块的划分可遵循以下原则&!以功能划分为基础进行结构模块划分!实现产品的优化设计和满足用户需求""满足通用化#系列化的结构模块化设计"
!结构模块化设计的优点
’!(减轻了设计者的劳动量!提高了设计效率"模块
#有利于抗恶劣环境设计!如屏蔽设计#密封设计#抗振
设计等"$能够实现模块的方便组合!使用#维修#更换便利!提高产品可靠性"%满足电子设备通风散热的结构要求"&模块应有良好的可加工性!能够降低加工成本"’实现设备美观的结构造型"
化设计避免重复性设计工作!使设计者把精力重点用于改进和完善设计方面!缩短了设计周期"
’$(能够降低加工成本!提高产品的竞争力"模块化的结构设计!使零部件具有了通用性!可以系列化批量生产!也便于同一系列产品使用相同的模具!使成本降低"
’%(便于设备维修与调试"对于故障模块!可以实现快速更换"对于设计了冗余模块的产品!各个模块相对独立!更换故障模块不影响设备正常工作!产品的可靠性也大幅提高"
’’(抗恶劣环境能力提高"比如!对于电磁敏感部分设计成单独的模块进行电磁屏蔽!对于产品相互干扰的
#以功能模块为基础的总体结构模块化设计
按照功能和作用不同!设备往往可分成若干功能单
元"这些功能单元也是结构模块划分的基础"图$为某电子设备的功能模块结构组合图"在图$中!采用了以功能模块为基础的结构模块化设计"此电子设备按功能划分为)显示模块*#)激励模块*#)控制模块*#)功放模块*#)电源模块*"激励模块为主备自动切换模块!若一个模块出现故障!可自动切换到备用激励模块!保证设备的正常
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
况下!安全系数始终满足要求!符合可靠度要求!也就是说最稳健的"因此对于同样的制造和安装误差!优化方案的安全系数是最为稳定!由正交实验的结果可以看出!精度波动时!安全系数仍能够得到保证"这就说明可将设计参数的误差范围放宽!从而极大地降低了生产成本!工厂设备条件的少许恶化#工人技术水平的差异以及外界温度#湿度在一定范围内的变化均不能对安全系数造成极大的影响!这就是稳健设计的优势所在"
$参考文献%
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龚桂义!陈式椿!王永洁"渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计$"%"北京#机械工业出版社!$%&’#
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王剑彬"-K,L行星齿轮减速器的优化设计$&%"机械传动!$%%I!
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陈建江!钟毅芳!肖人彬"基于正交试验的稳健优化设计方法及$&%"中国机械工程!-**J!)J+&-&M,-&’#其工程应用
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及自动化"
朱如鹏!男!教授!博导"
收稿日期&-11()1!)1+
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机械工程师$##’年第#期
工作!所有功放模块组合后起到整体的功率放大的作用"所有电源模块组合后起到整体的供电作用"但每个功放模块和每个电源模块各自又互相独立"一个模块出现故障不影响其它模块的正常工作!功放和电源模块采用了热插拔结构设计"便于组合#调试#更换维修等!按照不同需求"将不同数量和型号的功放模块#电源模块#激励模块等进行组合"即可形成不同频率#不同功率的产品!功能模块只有通过结构模块才能体现出来"所以机械结构模块的设计直接决定产品设计的优劣!
柜体模块"
箱体模块"$箱体模块""
插件模块"""插件模块""$插件模块""%插件模块"$"插件模块"$$插件模块
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显示模块箱体模块"%插件模块"%$插件模块"%%插件模块$""
激励模块
控制模块
箱体模块图
箱体模块$"插件模块$"$插件模块$"%插件模块$$"
功放模块
电源模块
柜体模块图
插件模块图
电子设备
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插件模块$$$插件模块$$%插件模块$%"
图"某电子设备功能模块结构组合图
图!电子设备三个层次的机械结构模块图
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!模块化机械结构设计方法
按设备的机械结构层次"从高层到低层"可以分为柜
)
箱体模块$,插件模块$%$插件模块$%%插件模块,&&
体模块#箱体模块#插件模块"各层次模块可能有自身的子模块!对于具体的电子设备"可能同时具备柜体#箱体#插件模块"也可能只有部分模块!柜体模块是箱体模块的载体"箱体模块是插件模块的载体"三者的结构形式#尺寸是相互关联的"同时也是各自独立的"只有将各模块协调统一设计"才能达到完美的结构组合!图!为电子设备三个层次的机械结构模块图"图"为电子设备机械结构有为!的情况!另外在图"中可看出"电子设备也可能无柜体模块"而直接由箱体模块构成!
$"%柜体模块
柜体模块作为产品的一个组成模块"最好遵循通用化#系列化的原则!对于电子设备"组合后的柜体高度参考尺寸系列&!’为$单位(##%($%%#&%%%#&!%%#&’%%#&(%%#
插件模块"
箱体模块
插件模块$插件模块,箱体模块,%箱体模块,&
插件模块,&!插件模块,&,插件模块,$"
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安装孔距尺寸系列为$单位(##%(’()#)*)!
柜体自身也设计成模块化结构"由若干柜体子模块组成"柜体子模块尺寸系列与柜体尺寸系列保持协调一致!图’给出了柜体模块的组合图"图)是柜体模块的组合形式框图!立柱和横梁可采用铝型材或优质冷轧薄钢板"门板采用&+!#&+)##优质冷轧薄钢板"上盖和底座采用!#"##厚优质冷轧薄钢板"内立柱#托板和托盘等采用&+)#!##优质冷轧薄钢板!也可用覆铝锌板代替优质
冷轧薄钢板"可省去表面处理的工序"但不能焊接!参考上述板厚"还要根据具体承载要求来确定最终板厚尺寸!近年来"铝型材柜体得到广泛应用!铝型材不但可设计成美观的造型"并且其尺寸易保证"便于生产和模块化组装!
$$%箱体模块
图#
)
##%(’%%#’)%#)%%#))%#(%%#()%#$%%"箱体与柜体宽度
电子设备机械结构模块组合形式框图
)
机械工程师
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模块组合形式框图!在图"中"根据产品的要求"参数!
柜体模块,箱体模块,!插件模块,$$
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!""#年第!期
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立
骨架模块
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骨架模块
柜体模块
门
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上底
柱梁板盖座
模块组合图见图"所示!插件模块自身的组合形式框图如图4"插件模块作为箱体模块的下层模块!其组合后的装配尺寸同样应与箱体模块的安装尺寸协调一致"对于屏蔽要求较高的场合最好采用盒试插件模块!但所需的安装空间比印制板插件大"对于印制板插件!连接器适合选用板边封装的连接器!若所选连接器需面板固定!则只能设计成盒式插件模块"
导轨模块
面板模块
盒架模块接插模块盖板模块
围板模块
内立柱
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托
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托滑
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印制板模块支撑模块
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图!柜体模块组合图
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散热模块
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柜体模块组合形式框图
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侧
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箱体模块有时直接作为产品模块!但同时也可作为柜体的下层模块!所以箱体模块组合后的尺寸应与柜体模块安装尺寸协调一致"因箱体模块一般通过其面板固定于上层模块"柜体上!所以箱体面板尺寸应满足一定的尺寸系列"电子设备的箱体面板参考尺寸系列为宽度#
面板模块
后面板上盖板
盒式插件模块
盖板模块
下盖板
导轨模块
插件模块
散热模块接插模块支撑模块
印制板插件模块
导
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前面板
!"#$%&&$%’(&&!高度为!")!*+,#%%’#!"*!!-!.&&/"
图%)01结构形式为柜体模块的下层模块!而图%)21结构形式不但是柜体模块的下层模块!也是插件模块的载体"将箱体模块按图3框图划分为若干子模块!这样的划分有利于遵循模块化设计原则!作为具体的产品!在图3所列的各子模块组成部分不一定同时具备"按照常规的设计方法!有时将侧板$底盖$后面板等设计成一体的钣金结构!这样不利于形成系列化$通用化的模块组合"塑料装饰面板!能够设计成美观的造型!以提高整个箱体的外观质量"各部分选材可用铝板$铝型材或优质冷轧薄钢板"各部分子模块尺寸形成系列化!组合后形成不同规格尺寸的箱体模块"
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盖板模块
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机架模块
面板模块
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箱体模块
面板模块
前面板后面板装饰面板上盖板
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印制板模块接插模块
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印制板连接器
图#插件模块组合形式框图
!结束语
模块化结构设计为机械结构设计提供了一种全新的
现代设计方法!是实现快速设计制造和大批量定制的主要方法"模块化的结构设计过程!同时也是产品结构拆分与组合的过程!这也适合现代网络协同设计"模块化结构设计能够适应现代的科技进步!必将在未来有着更广阔的发展前景"
(参考文献)
侯亮-产品模块化设计理论$技术与应用研究进展(5)-机械工程学报!#((!!!()+16.%7%+-王健石-电子设备结构设计手册(8)-北京#电子工业出版社!
图$箱体模块组合图
+449-&编辑立明’
图%箱体模块组合形式框图
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作者简介#张忠海&+43+7’!男!工程师!主要从事电子设备的结构设
计$电磁屏蔽设计$通风散热设计以及模具设计等工作"
收稿日期#!""#$"%$&’
&!’插件模块
插件模块分为盒式插件模块和印制板插件模块!其
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机械工程师!""#年第!期