一，主板方案的确定
在手机设计公司，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）。一个手机项目的是从客户指定的一块主板开始的，客户根据市场的需求选择合适的主板，从方案公司哪里拿到主板的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，这就需要手机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。
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,我把它作为了公司招人面试的考题,有没有独立做过手机一考就知道了,如果答得不对即使简历说得再经验丰富也没用,其实答案很简单,以带触摸屏的手机为例,例如主板长度99,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99+2.5+2.5=104,例如主板宽度37.6,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37.6+2.5+2.5=42.6,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，手机外形的确定
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.有人也许会问,说来说去都是要描线,ID提供的线框直接用来画曲面不是更省事吗?不是,ID提供的线框不是参数化的,不能进行修改和编辑,限制了后续的结构调整,所以不建议MD直接用ID提供的线框.也有ID不描线直接给JPG图片,让MD自己去描线的,那就更乱了,图片缩放之间长宽比例可能会发生变化,MD描的线可能与ID的设计意图有较大出入,所以也不建议ID不描线直接给JPG图片.
如果有ID用犀牛做的手机参考曲面就更好了,其实ID也是可以建模的,而且犀牛的自由度比PROE大,所以ID建模的速度比MD更快,只是ID对拔摸模和拆件的认识不足,可能建出来的曲面与实际有些出入,对后续的结构设计帮助不大,只能拿来参考.
另外,如果是抄版还有客户提供的参考样机,或者网上可以找到现成的图片,这些都能为MD的建模提供方便.主板的3D是MD本来就有的,直接找出来用就可以了,不过,用之前最好和ID再核对一下,看看有没有弄错,还有没有收到更新的版本,否则等结构做完才发现板不对可就痛苦了.
2.构思拆件
MD动手之前要先想好手机怎样拆件,做手机有一个重要的思想,就是手机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,这样的手机结构才强壮,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机强度,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
外观面是指手机的外轮廓面,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,毕竟手机是高档消费品,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,砌围墙?对了,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.前面说过整机厚度的计算方法,这里请大家留意一下屏前面部分的厚度是怎么计算的,见附图.
为了方便屏的装入,我们会在围骨的顶部加上导角,当然屏的周围如果有元件还是要局部减胶避开,间隙至少放0.2mm,如果是避让屏与主板连接的FPC,则围骨与FPC间隙要做到1.0以上.
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.
从外观上看,听筒出音孔位置会做一些简单的装饰,如盖一个网状的镍片(见附图).也可以做一个电镀的塑胶装饰件配合防尘网使用,注意塑胶装饰件通常采用烫胶柱的方式固定,防尘网则贴在听筒音腔的内侧,
7.前摄像头的固定结构
前摄像头位于主板的正面,采用PFC,连接器与主板连接.摄像头的定位也是靠上壳起一圈围骨包住摄像头来定位的.摄像头就象手机的眼睛,为保证良好的拍摄效果,摄像头正面的镜头部分需要有良好的密封结构,防止灰尘或异物进入遮挡了视线,我们借助于泡棉将镜头与机壳的内部分隔开来,外侧则加盖一个透明的镜片,为保证良好的透光性能和耐磨性能,摄像头镜片采用玻璃材质,底部丝印,丝印的目的是为了遮住镜片与壳体之间的双面胶纸,
值得一提的是,摄像头镜片的装配是在整机装配的最后阶段再做的,整机合壳锁完螺丝后,要用吹气枪仔细吹干净镜头,才将镜片通过双面胶粘接在壳体上,盖住镜头.
8.省电模式镜片的固定结构
省电模式镜片用得比较少,有些手机上有省电模式的设置,需要在手机壳上开一个天窗,让里面的感光ID感应到外界的亮度,这就需要在机壳上开孔并加盖镜片,镜片可以用PC片材切割直接贴在机壳外面,也可以做成一注塑成型的导光柱在机壳内侧烫胶固定.
9.MIC的固定结构
MIC位于手机的底部,就想手机的耳朵一样,是把外界声音转换成电信号的元件,因此要让外界的声音毫无阻碍的传递给MIC,同时又要防止机壳内部腔体的声音影响到MIC,结构上起围骨是少不了的了,同时MIC本身要被胶套包裹,只在正前方露一小孔感应声音,正前方还必须与壳体良好的贴合,壳体上的导音孔一般开1.0mm的圆孔.
MIC与主板的连接方式可以是焊线,焊FPC或者穿焊在主板上.
10.主按键的结构设计
手机主按键按厚度分可以分为超薄按键和常规按键,以前做翻盖机,滑盖机的时候因为厚度限制,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(如V3手机的主按键就是这样做的),硅胶的作用是为了得到良好的按键手感.
现在市场上以直板机居多,我就以P+R按键为例讲一下主按键的结构设计,把直板机的结构设计工作量分为100份,我认为按键组件的结构设计就占了30%,上壳组件占30%,下壳组件占40%,可见按键的重要性.P+R按键包括键帽组件,支架和硅胶三部分,也有的按键在键帽组件和支架之间加多了一张遮光纸防止按键之间透光.
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
侧按键位于手机的左右侧面或者顶侧面,功能通常为音量键,拍摄键,开机键或者锁定键等,结构较主按键简单,主板上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
USB胶塞是用来保护USB连接器的盖子,为方便开合,通常采用较软的TPE或者TPU材料,USB胶塞的结构分为本体,抠手位,舌头,定位柱四个部分,颜色为黑色或者采用与壳体接近的颜色,USB的功能字符凹刻在本体上,抠手位可以是伸出式或者挖一块做成内凹式.舌头部分是USB胶塞伸入USB连接器防止松脱的胶骨,定位柱是USB胶塞固定在壳体上的倒扣,可以做成外插式或者直压式(直接卡在壳体之间).
手机上类似的结构还有T-FLASH卡或者SD卡的胶塞,长一点的胶塞还可以做成P+R结构,即本体,抠手部分用硬胶材质,而里面的插合,固定部分用软胶材质,硬胶材质和软胶材质之间用胶水粘合在一起.
13.螺丝孔胶塞的结构设计
手机表面外露的螺丝帽会影响外观,必须用螺丝孔胶塞遮住.电池盖内的螺丝帽可以不做遮蔽.螺丝孔胶塞的结构比较简单,模具可以和USB胶塞放在同一套模里,由模厂制做,螺丝孔胶塞近似于圆柱形,为方便易取,可以掏空内部,螺丝孔胶塞外部的曲面需与壳体轮廓面保持一致,直径尽量做小(比螺丝帽直径大1.0mm即可),如果左右两个螺丝孔胶塞外部的曲面不一样,不能互换,则必须在螺丝孔胶塞的圆柱面上做防呆的凹槽加以区分.
螺丝孔胶塞根据结构的需要可以和螺丝不同轴心做成偏心的,只要能够遮盖住螺丝帽就行.
因为整机拆解必须用到螺丝,所以为了验证手机没有被私自拆开过,有些制造商会在电池盖内的螺丝孔顶上挖一块平台出来加贴一张易碎纸,如果要松掉螺丝孔内的螺丝,就必须破坏掉易碎纸.贴易碎纸的平台必须根据易碎纸的尺寸来设计,平台形状比易碎纸略大,位置比壳体低下去一级,防止手指无意中触及到易碎纸.
14.喇叭的固定结构
手机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%.对与大多数手机而言喇叭的音腔在1.5~4mm,出音孔面积占喇叭出音面积的15%~20%,声音效果比较好.
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
下壳摄像头的固定结构和上壳摄像头的固定结构类似,都采用PFC或连接器与主板连接,定位都需要围骨,密封都需要泡棉和镜片,但区别在于下壳摄像头的定位借助于天线支架, 天线支架围住下壳摄像头的四周和底部以固定摄像头. 为了保证下壳摄像头中心与下壳的拍摄孔中心不发生偏位,
下壳定位围骨还是要的. 下壳摄像头镜片也是装完整机后吹干净镜尘,最后才装.
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
电池是手机储藏能量的地方,要求电池易装入,接触良好,翻转不跌出,易取, 电池箱的结构必须满足这些要求,
a. 电池箱的基本料厚为1.0mm, 电池箱底部尽量封闭,有元件避开元件,没有元件尽量用胶壳遮住,避免露出大片的PCB.
b. 间隙,取放方向的单边间隙为0.2mm,拔模3~5度, 非取放方向的单边间隙为0.1mm,拔模1~2度. 电池箱底部与电池间隙为0.1mm. 电池箱底部胶壳掏胶与贴片元件间隙留0.2mm, 电池箱底部胶壳掏胶与SIM卡连接器间隙留0.5mm.
c. 电池取放方向的两头需要做扣与电池配合,防止松脱, 扣合量的多少可以根据模拟电池取放时的转动来评估.抠手位要留出比指甲略宽的凹坑,方便手指抠出电池
d. 电池箱体要保护电池连接器,即电池放入电池箱后只可以接触到电池连接器的弹片,而不许接触到电池连接器的本体,以免跌落测试时冲击到电池连接器造成损坏.
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
手写笔只在带触摸屏的手机上才用到,一般固定在下壳上,使用时拔出, 手写笔分为笔帽,笔管和笔尖, 笔帽上要做笔挂, 笔挂上做带抠手的拨点,方便抽笔出来,笔管为空心不锈钢管或铜管,可以跟据需要做成一段的或多段加长的. 笔尖带一圈凹槽,插入下壳后靠凹槽定位,
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
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