智能手表整体结构设计总结
一主板方案的确定 在智能手表设计基本遵循智能手机设计模式，通常分为市场部（以下简称MKT），外形设计部（以下简称ID），结构设计部（以下简称MD）。 分为两部分：1. 主板外购 2.主板自主研发 1. 主板外购。一个智能手表项目根据市场的需求选择合适的主板，从方案公司那里拿到主板的3D图，再找设计公司设计某种风格的外形和结构。也有客户直接找到设计公司要求设计全新设计主板的，这就需要手表结构工程师与方案公司合作根据客户的要求做新主板的堆叠，然后再做后续工作，这里不做主要介绍。当设计公司的MKT和客户签下协议，拿到客户给的主板的3D图，项目正式启动，MD的工作就开始了。 2.主板自主研发。先ID和MD和HD部门开小组会议讨论，确认MD大致外观，然后需要结构工程师与硬件工程师，RF工程师根据要求重新堆叠主板，大方向确认OK，项目正式启动 二设计指引的制作拿到主板的3D图，ID并不能直接调用，还要MD把主板的3D图转成六视图，并且计算出整机的基本尺寸，这是MD的基本功。 其实答案很简单,以带触摸屏的智能手表为例,例如主板长度43.5,整机的长度尺寸就是在主板的两端各加上2.5,整机长度可做到43.5+2.5+2.5=48.5,例如主板宽度40,整机的宽度尺寸就是在主板的两侧各加上2.5,整机宽度可做到40+2.5+2.5=45,例如主板厚度13.3,整机的厚度尺寸就是在主板的上面加上1.2(包含0.9的上壳厚度和0.3的泡棉厚度),在主板的下面加上1.1(包含1.0的电池盖厚度和0.1的电池装配间隙),整机厚度可做到13.3+1.2+1.1=15.6,答案并不唯一,只要能说明计算的方法就行，还要特别指出ID设计外形时需要注意的问题，这才是一份完整的设计指引。 三ID外形的确定ID拿到设计指引，先会画草图进行构思，接下来集中评选方案，确定下两三款草图，既要满足客户要求的创意，这两三款草图之间又要在风格上有所差异，然后上机进行细化，绘制完整的整机效果图，期间MD要尽可能为ID提供技术上的支持，如工艺上能否实现，结构上可否再做薄一点，ID完成的整机效果图经客户调整和筛选，最终确定的方案就可以开始转给MD做结构建模了。 四结构建模
1. 资料的收集 MD开始建模需要ID提供线框,线框是ID根据工艺图上的轮廓描出的,能够比较真实的反映ID的设计意图,输出的文件可以是DXF和IGS格式,如果是DXF格式,MD要把不同视角的线框在CAD中按六视图的方位摆好,以便调入PROE中描线(直接在PROE中旋转不同视角的线框可是个麻烦事).也有负责任的ID在犀牛中就帮MD把不同视角的线框按六视图的方位摆好了存成IGS格式文件,MD只需要在ROE中描线就可以了。
2. 构思拆件 MD动手之前要先想好手机怎样拆件,做手表有一个重要的思想,就是手表的壳体中一定要有一件主体,主体的强度是最好的,厚度是最厚的,整机的强度全靠他了,其他散件都是贴付在他身上的,这样的手表结构才强壮,主板的固定也是依靠在主体上,如果上壳较厚适合做主体,则通常把主板装在上壳,如果下壳较厚适合做主体,则通常把主板装在下壳,拆件力求简捷,过散过繁都会降低手表强度,装配难度也会增大,必要时和结构同事们商量权衡一番,争取找出最佳拆件方案。 拆件方案定了之后,就要考虑各个壳体之间的拔模了,上下壳顺出模要3度以上,五金装饰片四周的拔模要5度以上。
3. 外观面的绘制 外观面是指手表的外轮廓面,好的曲线出好的曲面,描线的时候务必贴近ID的线框,尊重ID的创意是结构工程师基本的修养。同时线条还要尽量光顺,曲率变化尽量均匀,拔模角要考虑进去,如果ID的线拔模角与结构要求不一致,可以和ID协商,如果对外观影响不大,可以由结构在描线时直接修正轮廓线的拔模角,如果塑胶壳体保留拔模角对ID的创意破坏较大,不妨考虑塑胶模具做四边行位,毕竟手表是精制品,这点投资值得。 手机的外形多是对称的,外观面只需要做好一半,另一半到后面做拆件时再镜像过去,做完外观面先自己检查一下拔模和光顺情况,然后建立装配图,把大面和主板放在一起,看看基本尺寸是否足够,最后请ID过来看看符不符合设计要求,ID确认完就可以拆件了。
4. 初步拆件 这个时候的拆件是为给客户确认外观和做外观手板用的,可以不做抽壳,但外观可以看到的零件要画成单独的,方便外观手板做不同的表面效果,外观面上有圆角的地方要导上圆角,这个反倒不可以省略.总装配图的零件命名和分布都有要求,例如按键是给按键厂做的,可以集中放在一个组件里,报价和投模可以一个组件的形式发出去,很方便。
5. 建模资料的输出 MD建模完成后,在PROE工程图里制作整机六视图,转存DXF线框文件反馈给ID调整工艺标注,建完模的六视图线框可能与当初ID提供给MD的线框有所修改,ID需要做适当的更新,并进一步完成工艺图,标明各个外观可视部件的材质和表面工艺,有丝印或镭雕的还要出菲林资料,更新后的工艺图菲林资料,再加上MD的建模3D图,就可以发出做外观手板了。 五外观手板的制作和外观调整外观手板的制做有专门的手板厂,制做一款直板手机需要3~4天,外观板为实心.不可拆,主要用来给客户确认外观效果,现在外观手板的按键可以在底部垫窝仔片,配出手感,就象真机一样.客户收到后进行评估,给出修改意见,MD负责改善后,就可以开始做内部结构了. 六 结构设计结构的细化应该先从整体布局入手,我主张先做好结构的整体规划,即先做好上下壳的止口线,螺丝柱和主扣的结构,做完这三步曲,手机的框架就搭建起来了.再遵循由上到下,由顶及地的顺序依此完成细部的结构, 由上到下是指先做完上壳组件,再做下壳组件, 由顶及地是指上壳组件里的顺序又按照从顶部的听筒做到底部的MIC,这是整体的思路, 具体到局部也可以做一些顺序调整,例如屏占的位置比较大,我可以先做屏,其他的按顺序做下来.请注意,每一个细部的结构尽量做完整再做下一个细部,不要给后面的检查和优化增加额外的工作量。
1. 止口线的制作 内部结构开始,先是对上下壳进行抽壳,一般基本壁厚取1.5~1.8mm.上下壳之间间隙为零,前面说过怎样判定主体,主体较厚适宜做母止口,另外一件则做公止口,止口不宜太深,一般0.6mm就够了,为了方便装配,公止口可适当做拔模斜度或导C角。
2. 螺丝柱的结构 螺丝柱是决定整机强度的关键,通常主板上会预留六个螺丝柱的孔位,别浪费,尽可能地都利用起来.螺丝柱还有一个重要的作用就是固定主板,主板装在哪个壳,螺丝柱的做法也相应有些变化,螺丝柱不但要和主板上的孔位相配合管住主板,螺丝柱的侧面还要做加强筋夹住主板,这样的结构才牢靠。
3. 主扣的布局
4. 上壳装饰五金片的固定结构 上壳装饰五金片一般采用不锈钢片或铝片,厚度0.4mm或0.5mm,用热敏胶,双面胶或者扣位固定,表面可以拉丝,电镀和镭雕.其中铝片可以表面氧化成各种不同的颜色,边沿处还可以切削出亮边。
5. 屏的固定结构 屏就好象手机的脸,要好好保护起来。就是要利用上壳长一圈围骨上来,一直撑到主板(留0.1mm间隙),把LCD封闭起来,即使受到外力的冲击也是压在上壳的围骨上,因为围骨比屏高嘛.屏的正面也不能与上壳直接接触,硬碰硬会压坏屏,必须在屏的正面贴上一圈0.5mm厚的泡棉,泡棉被压缩后的厚度为0.3mm,所以屏的正面与上壳之间间隙放0.3mm。
6. 听筒的固定结构 听筒是手机的发声装置,一般在屏的顶部,除了需要定位以外,还需要有良好密封音腔,结构上利用上壳起一圈围骨围住听筒外側,和屏的围骨类似,但听筒的围骨不必撑到主板,包住听筒厚度的2/3就足够了.然后上壳再起一圈围骨围住听筒的出音孔,围骨压紧听筒正面自带的泡棉,围成一个相对封闭的音腔,最后在上壳上开出出音孔就行了,上壳出音孔的范围应该是在听筒的出音孔的范围以内。
7. 摄像头的固定结构
8. 省电模式镜片的固定结构
9. MIC的固定结构
10. 主按键的结构设计 主按键按厚度分可以分为超薄按键和常规按键,因为厚度限制,按键厚度空间连2mm都不到,直接采用片材加硅胶的结构,片材可以是薄钢片或PC片,为了保证按键之间不连动,片材上不同的功能键之间会用通孔分隔开来，硅胶的作用是为了得到良好的按键手感。 支架材料则根据按键厚度来定,可以用PC或ABS注塑成型,厚度在0.8-2.0mm;也可以用PC片材直接冲裁, 厚度为0.5,0.6或0.7mm;按键厚度不够时,支架材料用0.15mm厚的不锈钢片,但考虑到ESD(静电测试)时钢片对主板的影响,我们需要在钢片两侧弯折出一段悬臂,和DOME片上的接地网导通,或者和按键PCB上的接地铜箔导通, 硅胶片厚0.3mm,正面长凸台和键帽粘胶水配合.背面伸DOME柱和窝仔片配合。
11. 侧按键的结构设计 侧按键位于手表的左右侧面或者侧面,功能通常为开机键或者锁定键或者返回键等,做侧按键的位置通常会采用穿焊的方式固定几个侧向触压的机械按键,一个机械按键对应一个功能.机械式侧按键优点是结构简单,手感好.也有做FPC按键的,在主板上预留焊盘位置,采用面焊的方式固定一个FPC按键板,FPC按键板弯折后朝着侧面,按键板上的窝仔片可以感应触压.FPC式侧按键优点是主板不变的情况下侧按键的中心位置可以根据需要稍作调整。 侧按键部分的结构设计通常采用P+R形式,和主按键相比较侧按键不用做按键支架,硅胶部分不可少有助于改善手感不至于偏硬,键帽多带有裙边防止掉出,键帽表面处理可以是原色,喷油或者电镀,由于没有LED灯,侧按键不要求透光,也很少做水晶键帽,功能字符一般采用凹刻的方式做在键帽上。 侧按键的固定是在侧按键的侧面伸一个耳朵出来,然后用壳体伸骨夹住,这主要是在整机的装配过程中防止按键松脱,一旦合壳之后,侧按键的夹持部分就基本不起什么作用了,夹持部分的配合间隙为零。
12. USB胶塞的结构设计
13. 螺丝孔胶塞的结构设计
14. 喇叭的固定结构 手表的音量是强有力的卖点,这对喇叭音腔提出了更高的要求.除了要求方案公司把喇叭本身的出音调到最佳状态之外,喇叭的音腔结构还需注意几点: a. 喇叭的前音腔必须做到封闭.喇叭与壳体直接配合的,喇叭与壳体之间必须加贴环状泡棉封闭,喇叭侧面必须用壳体长环状围骨包围起来,单边间隙留0.1mm.如果喇叭与壳体之间有天线支架隔开,那么喇叭与天线支架之间必须加贴环状泡棉封闭,天线支架与壳体之间也必须加贴环状泡棉封闭,总之让喇叭发出的声音之能通过壳体上的出音孔传出去。 b. 喇叭的前音腔高度应大于1.5mm.喇叭的音腔高度是指喇叭的正面到壳体内壁的垂直距离,为了确保足够的喇叭音腔高度,甚至可以把壳体音腔内侧胶厚掏薄至0.6mm。 c. 出音孔面积必需达到喇叭出音面积的15%,出音孔面积是出音孔的总面积之和.喇叭出音面积是喇叭正面除去泡棉后的中间部分的面积,喇叭的音腔高度越高,要求出音孔面积占喇叭出音面积的比例越大,当喇叭的音腔高度在20以上时,出音孔面积可以和喇叭出音面积等大即100%. d. 出音孔的结构最简洁的做法是直接在壳体上开孔,可以是圆孔阵列,也可以是一组长条形的孔.为防止灰尘和异物进入音腔,可以在壳体内侧加贴防尘网,为了美观,出音孔的外侧可以加贴镍片,PC片等装饰件, 镍片的网孔直径可以细小到0.3mm,在使用镍片的情况下,壳体内侧可以不用加贴防尘网。 e.喇叭的后声腔主要影响铃声的低频部分，对高频部分影响则较小,可以不做要求。为了得到良好的低音效果,在主板上没有元件干扰的情况下,可以利用天线支架与主板配合,通过加贴泡棉把喇叭的后声腔封闭起来形成后音腔.现在为了得到更震憾的低音效果,喇叭家族里已经出现了震动喇叭,根据声音的大小震动喇叭可以产生不同强弱的震动,这种震动直接通过壳体传到使用者的手上。
15. 下壳摄像头的固定结构
16. 下壳装饰件的结构设计 下壳装饰件可以是塑胶,IML件,五金片等。 塑胶装饰件表面可以做电铸效果,优点是金属感强，档次高，耐磨性好,塑胶装饰件直接烫胶或扣在壳体上,厚度0.9~1.0mm,IML件就是将一个已经有丝印图案的FILM放在塑胶模具里进行注塑，此FILM 一般可分为三层：基材（一般是PET）、INK（油墨）、耐磨材料,当注塑完成后，FILM和塑胶融为一体，耐磨材料在最外层，其中注塑材料多为PC、PMMA，有耐磨和耐刮伤的作用，表面硬度可达到3H。 IML件直接烫胶或扣在壳体上,厚度至少1.2mm.镍片是五金装饰件中最常用的,外观漂亮,超薄镊片厚度0.1~0.15mm,不用开模就能做,网孔直径更可以小到0.3mm.如果有台阶有弯折就要开模制做了,总体厚度不能超过3mm,台阶侧面拔模要大于10度.铝片装饰件厚度0.4~0.5mm，因为质软,表面拉丝做成直纹、乱纹、波纹、螺旋纹等。阳极处理也叫腐蚀处理,是在金属表面借由电流作用而形成的一层氧化物膜，颜色丰富、色泽优美、电绝缘性好并且坚硬耐磨，抗腐蚀性极高。喷砂处理是为了获得膜光装饰或细微反射面的表面，以符合光泽柔和等特殊设计需要。高光加工属于后加工,在铝片边沿铣出一条斜的亮边,形状就象导C角一样。 不锈钢装饰件厚度0.2~0.3mm，硬度较铝片装饰件高，以前的颜色单一，但随着技术的发展现在颜色已逐渐丰富起来。不锈钢装饰件的其它表面处理效果主要有拉丝、高光（机械抛光）、麻面（喷砂）、亚光等。
17. 电池箱的结构设计
18. 马达的结构设计 马达是手机上产生微弱机械震动的电子元件,当用户设置静音时,通过马达的震动可以使用户感应到来电, 马达形状分为柱状和扁平状,连接方式主要有焊线式,弹片式,也有SMT式和插接式。 焊线式,弹片式和插接式的柱状马达通常会在本体外面套一个橡胶套,我们只要在壳体上起围骨包住橡胶套就可以了,围骨和橡胶套之间的间隙为零, 围骨顶部预留导角方便马达装入.注意要为偏心轮预留足够的转动空间,壳体要避空偏心轮的转动范围至少0.5mm。 扁平状马达不带橡胶套,一面压在板上,另一面直接用双面胶粘在壳体上,周围起2/3圈的围骨就可以了,你也许会问,为什么围骨要留1/3的缺口?原来结构设计时不单要考虑装配可靠,还要考虑拆卸也容易.有了1/3的缺口, 拆卸马达时用镊子一撬就可以了,附带说一句,翻盖手机上的感应磁石的定位围骨要留1/3的缺口,也是同一个道理. 扁平状马达还可以固定在天线支架上, 一面用双面胶粘在天线支架上, 天线支架周围起2/3圈的围骨,另外一面用壳体长胶骨压住,注意胶骨压住马达不能是硬碰硬的, 胶骨和马达之间空出0.3的间隙,加贴一层泡棉进行一下缓冲,以保护马达。
19. 手写笔的结构设计
20. 电池盖的结构设计 电池, SIM卡和T-FLASH卡要设计成可以更换的,把它们藏在下壳的电池箱里,再设计一个可以方便开合电池盖把它们保护起来, 电池盖的材质可以是塑胶件的,表面可以加贴装饰件如镜片或五金片等,也可以用不锈钢片材折弯成型, 电池盖的结构包括抠手位,插扣,侧扣,拨点, 抠手位是取电池盖时施力的地方, 插扣,侧扣,是电池盖插入下壳时咬合的结构, 拨点则是电池盖插入下壳后防止退出的锁定结构。 七报价图的资料整理做到这里,手表的结构设计暂时告一段落,先做一件重要的事情---给客户提供塑胶模具报价图,塑胶模具的制做需要18天左右的时间,这是整个手表项目的重中之重,在这之前,客户选定模厂需要几天时间,先把初步完成的结构图交给客户去洽供应商,可以为整个项目的进程缩短时间,利用客户洽供应商的几天里,我们可以对产品进行优化,评审和修改,等客户选定供应商,我们的结构设计也完成了,正好和模具供应商进入模具评审阶段。应该说明的是,塑胶模具报价图包括塑胶件的3D图,BOM和ID工艺标注。为了资料的安全,不需要报价的塑胶件一个都不能给,需要报价的塑胶件一个都不能少,而且最好转成STP格式,只方便报价,不方便做其它用途.BOM表也只给塑胶部分的,以免报错价.以上资料都只发给客户,由客户去洽供应商,通常设计公司不介入客户的商务这一块。 八结构设计优化好了,现在我们可以静下心来对自己的结构设计进行优化了,设计方案要变成产品,有很多问题需要我们思考和预防的,如表面五金件是否需要接地;主板与壳体之间怎样配合;壳体怎样增加强度;壳体怎样改善方便模具制做等等。九结构评审每个结构工程师做出来的设计,总有自己发现不了的问题,需要别的工程师再把把关,所处的位置不同,观察的角度不一样,得出的判断也会有差异,有错就改,有疑问就拿出来大家讨论,可以使图纸的水平更上一个台阶. 评审时先由另一个结构设计工程师对图纸进行初审, 初审耗时约半天到一天,需要对图纸依次从外观,方案评估,上壳组件,下壳组件,表面工艺,模具可行性,到生产装配的顺序逐一进行全面检查,并将问题点记录下来。 然后进入第二阶段---集体评审, 集体评审是结构部全员和相关ID设计师共同参与的会议,将初审的问题列出来,大家发表意见,统一认识,既保证了发出的图纸能够代表本公司的最高水准,也为结构设计工程师提供了一个学习提高的机会,在深圳,越是大的设计公司,越重视集体评审的作用。 十结构手板的验证前面的结构做得再好,还只是纸上谈兵,结构设计的需要借助于实物进行验证, 结构手板就起到了验证结构的作用, 做结构手板的资料包括ID工艺标注,BOM和3D图档(当然还是要转成STP格式),结构手板的制做需要约4天,外观和尺寸都要求和图纸一致,这样比较贴近最终的样机,拿到结构手板配上主板和电池,这就是一部真的手机了,别高兴得太早,仔细地检查零件尺寸,看看整机的装配有没问题,还有没有什么改善可以让生产更方便快捷,现在细心点将来模具就顺利点。 十一模具检讨结构手板的制做不是需要4天吗,这段时间我们可以把ID工艺标注,BOM和3D图纸资料发给客户,方案公司和选定的模厂进行评审,这个评审一般需要1`2天,客户如果有自己的技术力量可以再把把关, 方案公司可以对天线信号接受可能发生的问题进行评估, 模厂则会对模具制做可能发生的问题提出一些改善意见,并将改善意见反馈给设计公司。 必要时, 客户会同设计公司和模厂一起开会讨论模厂的改善意见,开模需要注意的问题都可以提出来, 设计公司和模厂有争议的问题由客户做出最终决定,讨论结果一式三份交客户,设计公司和模厂分别保存留底, 设计公司根据讨论结果更新图纸,发出正式的开模图, 开模图包括最终的ID工艺标注,BOM和3D图纸。 十二投模期间的项目跟进塑胶件开模需要18天左右,是不是这段时间就没事做了呢?当然不是的,手机的供应商除了塑胶件外,还有按键，五金，镜片，镍片，电池，手写笔，辅料等,只要这款手机上用到的,一样也不能少。 因为这些散件的开发周期比塑胶件短,我们可以利用塑胶件开模的这段时间进行报价,打样和开模. 由于按键,五金的模具时间也要14天左右,有些公司也有把塑胶件,按键,五金的项目进度同步进行的做法. 辅料比较便宜,可以发包给模厂去采购, 模厂出货前把辅料(如泡棉,双面胶纸)贴付在壳体上的指定位置,这样就极大的简化了后面整机装配的工序。
十三试模及改模还是以塑胶件为例进行说明, 试模及改模是供应商完成模具制做后进行的塑胶件试做和模具修整,以满足设计要求.客户在试模前会追齐其他配件的样品, 试模时会同结构设计工程师一起去模厂, 结构设计工程师对所有配件进行单品检查和实装检查, 单品检查包括外观缺陷检查和尺寸检查, 实装检查则是把所有配件按照生产实际的装配顺序进行实装,找出问题.所有问题依次为列出来,和模厂进行协调,确定改善方案,改善时间和改善的责任人,设计公司和模厂有有争议的问题由客户做出最终决定,讨论结果签字复印后一式三份交客户,设计公司和模厂分别保存留底, 设计公司根据讨论结果更新改模图纸,发出正式的改模图, 改模图包括改模部分的详细文字说明,需要改模零件的3D图纸. 3D图纸上要求改模的部分需用红色标识出来。改模问题点事无巨细,不得遗漏。十四试产经过改善后的样品还要重复试模的程序进行检验,不过这次试模上,下壳等外观配件可以做上表面处理(如ID工艺图上有标明表面喷油,过UV,氧化,拉丝,丝印,电镀,镭雕的)再进行实装,如果实装确认无误后,就可以按排试产了。 试产可以发现少量装机时无法发现的问题, 试产数量一般为50~100台,按照生产的实际排布生产流水线进行装配, 试产时客户会同结构设计工程师一起去装配厂,由结构设计工程师讲明装配顺序和注意事项,由装配厂的PE工程师按排生产线的排布,逐一指导作业员正确的作业手法和判定标准,量产前PE工程师需完成每一个装配工位的作业指导书。 在装配厂进行的装配力求简洁,辅料已经由模厂贴到壳体上了,五金片也已经由模厂热融到壳体上了, 装配厂只要在壳体上装入按键,主板,合壳,锁螺丝,装镜片,最后测试,包装就可以了。 试产时发现的问题由结构设计工程师记录下来,如果需要改模的,由结构设计工程师出改模图, 改模图包括改模部分的详细文字说明,需要改模零件的3D图纸。 3D图纸上要求改模的部分需用红色标识出来。通知相关供应商改善,并跟进改模进度和改模结果, 改模完成后即可进入量产阶段。 十五量产经过多次的论证,修改,检验,修改, 结构设计工程师辛劳的成果就快要出来了,所有的问题在量产前都已经解决了,如果没有什么问题, 量产的过程可以不需要结构设计工程师的参与, 按照现在的市场行情,一般售价在800元左的智能手表销量超过3K,客户就可以收回成本,再有更多的订单,客户就有得赚了。 |
