一个完整产品的结构设计过程

通关柱结构和防水结构:

通关柱是连接面壳和底壳的螺丝柱,其结构直接影响到整机的装配效果和可靠性;通关柱可以在结构设计的最后再做,但规划应该在建模的时候就考虑清楚,例如一款产品因为要做防水结构,防水圈是围绕通关柱设置的,所以先把通关柱位置定下来;通关柱的设计先要考虑整机受力情况,一般要求吃牙深度至少在3圈以上,孔内要留容屑空间0.30mm以上;有通关柱的地方外壁较厚,易导致缩水影响外观,通常在螺丝孔底部减薄壁厚至1.00mm;挂墙钟通关柱通常用2.60mm的螺丝,螺丝内径2.20mm,螺丝外径5.00mm,螺丝间距拉得较宽;小电子产品通关柱通常用2.00mm的螺丝,螺丝内径1.60mm,螺丝外径4.00mm,螺丝间距视需要而定,外观上尽量看不到螺丝,必要时可以做到电池门内或藏在易拆件的下面,也可以做扣取代某一侧的螺丝。

电波钟在天线轴线方向上要尽量避免螺丝,手机天线附近也要尽量避免螺丝;例如一款防水钟用1.70mm的螺丝,螺丝内径1.40mm,螺丝外径3.60mm,因为要防水,故采用不锈钢螺丝;曾有一款MP3整机只用一颗1.40mm的螺丝,螺丝内径1.10mm,螺丝外径2.60mm,另一侧做扣,螺丝藏在镜片下面;另外一款翻盖手机的A壳B壳在转轴位置下两颗1.40mm的螺丝,配合铜螺母使用,铜螺母外径2.50mm,加热后压入2.30mm的孔内。另一端做两个深1.00mm的死扣,A壳B壳两侧则用0.50mm的活扣,方便拆卸;空间允许的话,长螺丝周围可以拉些火箭脚,除了改善受力,还能使注塑时走胶顺畅;这款产品要求防水,整机防水可以用防水圈,按键防水怎么办呢?还是用防水圈,做成活塞结构,既可以防水,有可以移动。

用一根金属针,开一圈凹槽单边固定防水圈。金属针一头顶按键帽,另一头顶PCB板上的窝仔片,按下按键窝仔片就被按下,功能实现。为保证防水效果,金属针与针孔间隙0.05-0.10mm,配合防水油使用,针孔要求光滑;一款产品主防水圈横截面为直径1.20mm的正圆,预压量要大于30%,压缩0.40mm,所以防水槽设计宽度为1.20mm,深度为0.80mm,0.80mm大于防水圈横截面直径,配合防水油使用,放入防水槽后翻转也不会掉出来;另外为保证防水效果,通关柱螺丝在防水圈外侧,通关柱之间的距离不要超过20.00mm;有的防水产品电池门一侧做扣,一侧用一颗螺丝压紧,压缩量0.40mm显然不够,至少0.60怎么办?人家有高招,横截面做成速效丸子形状,上下两个半圆,中间一端直升位,这样就可以增加压缩量了;顺便提一下,如果防水要求不高的话,这款机的镜片还可以直接用双面胶粘接,粘接面光滑,粘接时吹干净异物即可;

有的防水产品电池门一侧做扣,一侧用一颗螺丝压紧,压缩量0.40mm显然不够,至少0.60怎么办?人家有高招,横截面做成速效丸子形状,上下两个半圆,中间一端直升位,这样就可以增加压缩量了;增加直升位的目的在于可以增加压缩量,增加压缩量更容易防水;

(附图,压缩量0.60mm比压缩量0.40mm更容易防水,稍微有点离壳变形没关系的)

按键结构:

常用按键有窝仔片,橡胶按键,机械按键,可根据空间大小,行程要求,手感要求来选择;

窝仔片行程短,一般为0.20mm~0.50mm,金属材质,可靠性好,占用空间小,带脚的窝仔片可以配合PCB上的通孔定位安装,这一款产品上用的就是带脚的窝仔片。手机键盘也是用窝仔片,但不带脚,粘接时需精确定位;

橡胶按键行程长,一般为1.00mm,也有0.50mm的,橡胶材质,可靠性不如窝仔片好,占用空间大,优点是按键手感好。电话机里常用橡胶按键,而且橡胶按键连成一片,方便安装;

机械按键,其实里面还是金属窝仔片性能和窝仔片差不多,但有辅助机构,按键手感比窝仔片容易调整到最佳状态,MP3,MP4通常采用机械按键,而且还可以作成五位键;

顺便提一下机械推制,可以加推制帽使用,档位感不容易控制,装配间隙不足都有可能影 响档位感。我比较倾向于用塑胶推制,档位感容易控制,一般2.00mm一档,最小可以做到 1.50mm一档;

按键结构有一点要特别注意,按下去不能被卡住,应该可以顺利回弹,这种不良情况多出 现在行程较长的橡胶按键上,对策是加高按键深度,如行程为1.00mm的橡胶按键,上面的 塑胶按键帽要高出面壳表面1.00mm以上,如果塑胶按键帽高出面壳表面不许超过1.00mm的,也可以在面壳表面以下起围骨加深,效果一样;MP3,MP4通常会让按键高出面壳表面0.30mm;数码产品操作时用户会把注意力更多的放在按键表面,所以设计师会在按键表面效果上极尽奢华之能事。常用的按键表面处理工艺有电镀,在模具上做文章可以做成雾面面效果,边缘处做成高亮效果,还可以做刀刻纹效果;

PCB结构:

PCB是电子元件附着的载体,一般小电子产品的推制板厚度选用0.80mm,主控制板(以下简称COB)厚度选用1.00mm;一般大电子产品(如挂墙钟)的推制板厚度选用1.00mm,COB厚度选用1.20~1.60mm;如果PCB面积有限不足以满足布线要求,可以采用增加跳线,单面板改双面板,双面板改多层板(如电脑的主板);PCB上的电子元件按大小可分为普通元件和贴片元件,普通元件如线圈,火牛,大电容等;贴片元件如贴片电阻,贴片电容,贴片IC;小电子产品(如电子钟)的反光片和COB之间的间隙是要留给IC的,因为IC最好靠近LCD的PITCH位置以方便走线。IC经过邦定封胶,至少需要1.50mm的高度,前面说过反光片截面成楔形,也有利于摆放IC;如果LCD和COB之间是用导电胶条连接的,压紧导电胶条的螺丝之间的间距不要超过15.00mm,以免出现缺画;PCB上的按键位置是需要受力的,可以的话应尽量离螺丝柱和卡槽近点,必要时反面加支撑点;

数码产品常用到的电源插座和耳机插座也是要受力的,可以在PCB上插座对应的另一侧加支撑骨;在PCB上布线是需要条件和时间的,我的做法是建模时就提供初步裁板图给电子工程师试LAY,以确定PCB面积离需要不要相差太多;结构设计的中间过程中,大元件,敏感元件的摆放也要和电子工程师进行沟通和协调(如做蓝牙耳机时通常把天线放在靠近嘴的一端);做完所有结构后再出正式的裁板图,电子工程师LAY板的时候,结构这边在做手板,做完手板,PCB打板也差不多回来了,正好装功能样板。把问题解决在前面,这样会节约许多时间;就这一个小电子产品的结构设计过程而言,做完PCB就差完成一半了,接下来是电池结构;(蓝牙耳机采用机械按键,让按键高出面壳表面0.30mm,蓝牙耳机电池直接粘贴在PCB板上,没有问题,但底壳也要尽可能地起骨在锂电池侧边稍微定一下位,有好处的;厚度方向要预留间隙(一般为0.50mm),防止锂电池充电后膨胀;)

电池结构:

电池通常通常摆在PCB的背面或侧边,按照形状可分为纽扣电池,干电池,锂电池等;电池箱体是根据电池形状和在机身内放置的方式而设计的,一般壁厚1.00mm,里面大包围做箱体,箱体内侧底部做电池放置指示的雕字,外面加盖做电池门。电池在PCB的背面,箱体通常做在底壳上。电池在PCB的侧边,箱体可以做在底壳上也可以做在面壳上;接下来放置电池片,纽扣电池和干电池常用的电池片有五金片的,也有弹簧的;电池片通常跟箱体做在一起,在箱体外起螺丝柱固定电池片,在箱体上开缺口,电池片伸进去和电池导通;电池片到PCB的连接可以飞线,也可以直接焊在PCB上,直接焊在PCB上需要在PCB上开孔,电池片插在PCB的孔内定位后再焊接;电池门的一般壁厚1.50mm,装配通常靠扣位,常用主扣的有弹弓扣或按扣(另一侧配合内插扣),倒勾扣(另一侧配合龙门扣);

注意:不管是电池片还是扣位在箱体上开缺口,打开电池门从机身外面能看到PCB,走线和电子元件都不雅,建议起围骨遮一遮,这也是选择电池片位置的参考依据,尽可能的不让内部结构外露;蓝牙耳机的电池为可充电的锂电池,内置,无须做电池箱,电池到PCB的连接直接飞线,但要在锂电池侧边起骨定位,厚度方向要预留间隙(一般为0.50mm),防止锂电池充电后膨胀;手机电池结构先从功能的需要开始进行,先根据功能的需要确定电池容量的规格,再根据容量的规格计算出电池芯合适的厚度长度和宽度,再在电池芯外侧做电池框;

辅助结构:

除了前面提到的常见步骤外,结构设计中还有一些结构也是重要的,种类较多,要靠平时的经验积累,:

a挂勾结构,有的电子产品有挂钩,可以方便的挂在旅行袋上,里面用到转轴和弹簧,转轴为塑料材质直径2.50mm,单边间隙0.10mm,塑料转轴太细强度不够,太粗根部容易缩水;设计时选用的弹簧为0.20mm,找供应商打板时,我同时要了0.15mm,0.20mm和0.25mm三种规格,试装第一次就对比出了合适的规格,搞定;

b翻盖结构,有的产品有一面盖,不用时合上,用时打开,有的电子钟翻盖从机身下翻过后面,还可以当脚仔起支撑作用,因为要受力,建议壁厚取1.50mm,也可以只在面盖边缘起骨加强;手机的翻盖结构的档位感多是靠机械转轴来实现的,有现成的直径5.00mm或5.80mm的机械转轴可供选择;一头套机械转轴,另一头做空芯轴过软性PCB(简称FPC),以翻开角度150度为例,因为翻开角度在0度和150度时,我们要求有一定的预压,不能够刚刚好,否则使用一段时间后可能会出现开合不到位的情况,怎么办?我选用180度的机械转轴,多出的30度,在闭合时多转过20度(相当于预压了20度),在打开时多转过10度(相当于预压了10度),这样问题就解决了。另外,根据回弹力的变化,机械转轴又左右之分,选用时需注意;

c挂墙孔结构,挂墙钟的挂墙孔设计成葫芦形状,螺钉头既可以塞进去又能卡住,但注意螺钉头伸进去太深有可能顶伤PCB,此处的技巧是从底壳起围骨,包住螺钉头,但又不要做行位,做碰穿位,挂墙的电话也是采用这种结构,虽然简单,却是一个很好的思路,这种碰穿的技巧在底壳上做配电池门的扣位时非常有用,倒勾扣,弹弓扣,龙门扣,反插扣都可以用到;

尺寸检查:

结构设计初步完成,要进行一系列检查:

a干涉检查,这是一个看似简单,却又必不可少的步骤,即使是有经验的工程师,即使在拆图过程中用到过截面进行过检查的,也难免出现疏漏。在没有PRO-E之前,大家用2D软件做结构,装配图上所有结构零件都要求能在三个方向上看到,复杂零件进行干涉检查还要求绘制剖视图剖面图,相当烦琐。引入PRO-E之后,干涉检查完全交给电脑进行了,快捷而又准确;

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