作者：马宁伟祖景平著
出版社：通信图书编辑部
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手机结构设计试读：
前言
什么是结构？对单一零件来说，结构就是零件的材料和形状，其中材料包含了零件的内在结构，形状则体现了零件的外在特征；对两个和两个以上零件来说，还要包括它们之间的连接方式；对整机来说，还要考虑零部件的布局。所以简单地说：材料、形状、连接布局就是结构。所谓“连接”是指零件之间的装配方法，其中包括螺纹连接、卡扣连接、黏接、铆接、齿轮连接、传动轴连接、焊接、缠绕、包覆等。
什么是设计？设计就是设想和计算，再用工程图纸表达出来，或者用参数化的电子文档表达出来，提交制造，实现产品的生产。任何一门工程专业，没有充分的数学计算，都不会逼近科学的本质，结构设计也是如此。只有经过了必需的数学计算，才能走近科学，做出一个专业化的结构设计。
电子产品结构（mechanical structure of electronic product）与纯机械结构的不同之处，还在于要考虑产品结构的电磁屏蔽、散热和噪声三大问题。
手机结构设计包括手机的产品规划、整机的布局设计、零部件连接设计、零件设计、电磁屏蔽、散热、环境防护设计以及结构材料、标准件和通用件的选择。广义的手机结构设计还包括手机的造型设计。
手机结构设计是手机研发中主要的设计工作。手机作为电子产品中市场产量很大、更新换代极快的消费类电子产品，对设计的进度要求比一般产品更快，对设计的质量要求也更高，所以产品设计不仅要讨论技术，还需要研究设计方法和流程。
踏入一个行业最难的是入门。当下教育方法和教材与企业产品设计的脱节，造成刚出大学校门的工科本科生、研究生在面对实际的设计工作时往往不知如何下手。本书按实际产品设计的流程和内容来论述，对初入行的人来说是很好的入门书，同时对有一定设计年限的工程师来说也有梳理知识、开阔视野、发现不足和总结提高的作用。
本书具体回答了手机结构设计“做什么”和“怎么做”的问题，内容包括概述、设计流程和产品规划、通用件和材料、造型设计、整机结构设计、零部件结构设计、结构有限元分析基础、结构有限元分析实例、电磁兼容性和热设计、制造技术和结构测试，共11章。
作者长期在国企、外企一流企业从事设计和技术管理工作，依据实际经验还特别介绍了一些设计思想和设计诀窍，例如面向用户的设计（DFU，Design for User）和面向制造的设计（DFM，Design for Manufacture）的思想以及如何“一次做对”的方法。
本书第7～8章及第8章附录由祖景平撰写，其余各章由马宁伟撰写，全书由马宁伟统稿。初稿经3位业内资深工程师余勤科、李德新和庄玉娟审读，他们对书稿的内容编排、原稿中的错误提出了很好的改进建议。在此对参考文献作者、本书审稿者和出版社致以诚挚的谢意。
本书可作为手机结构设计、造型设计、结构工艺、项目管理和生产技术管理等中高级技术人员的工作指导书，也可供结构设计、机电一体化、结构工艺、工业设计等本科和硕士的师生作为毕业设计和毕业论文的参考书。本书的很多设计技术和技能并不局限于手机结构，在设计其他电子产品的结构时也有借鉴和参考价值。作者第1章 概述
本章提要 本章主要介绍手机结构设计的工作内容和手机的分类。手机作为市场驱动为主的电子产品，结构设计是产品的主要设计工作之一，清晰地界定结构设计工作内容是手机产品设计的基础。在研究不同类型的用户、产品特性和制造工艺性的基础上做出手机分类，可以指导手机产品的市场定位和设计。1.1 手机结构设计的工作内容
电子产品结构设计（mechanical structure design of electronic product）是指对电子产品的电路板的布局设计、连接设计、自制结构件的设计、产品的电磁屏蔽、散热、环境防护设计以及结构件材料、标准件和通用件的选择。
结构设计的表达是在产品规划阶段，用文字、表格和示意图来表达产品的总体设计思想和产品的规格；用CAD/CAE方法生成两维、三维的机械图纸或数据来表达设计者对产品的设想和计算。
结构设计的实现是用规范的机械图纸或CAD/CAM电子文件开制模具或用其他机械加工方法制成零部件、进行样机试装、检测直至转入产品的批量生产。
结构设计在产品设计过程中的各个阶段和工作内容如下各节所述。这些工作内容有些是结构设计师的主要职责，有些是参与讨论，有些是协作工作，要分清工作的职责、层次和重要程度。
1.1.1 规划阶段的工作
1.参与产品规划讨论
结构设计师应该参与新产品研发初始的用户需求、市场定位的调研工作，包括新的设计技术、材料技术和工艺技术。
结构设计师应该参与新产品的设计方案讨论，清晰了解产品需实现的产品功能、性能和可靠性设计等指标。
一般新产品总是在一定的基础上进行开发，不是从零做起。所以要根据市场定位，选择竞争对手的产品进行深入的结构分析和测试，充分了解对手的情况；同时也要充分地继承公司原有产品的结构优点，取长补短，这样才能事半功倍，开发出好产品。
结构设计师应参与产品的印制板（PCB）材料、液晶显示屏（LCD）、接插件、扬声器等器件的选型，因为这些电路器件的材料、封装形式、安装尺寸与结构设计密不可分。如果结构设计师不事先参加讨论，仅由硬件设计师确定这些器件，会因硬件设计师不了解结构设计的要求，导致所选器件仅满足硬件设计要求，而不满足结构要求，对产品的设计质量产生不良影响。
2.参与产品造型的讨论
产品造型设计与结构设计是前后道工序的关系，造型设计也是结构设计的工作输入之一。在造型规划的阶段，几乎对每一个造型细节结构设计都要关注。特别是与造型设计师充分沟通制造工艺的可行性是决定后续结构设计和模具制造能否顺利进行的关键。
3.主导结构材料的确定
在产品规划阶段要确定产品的外壳材料，这与产品的造型和尺寸以及产品的成本密切相关。在这一阶段确定外壳材料才能指导后续的结构设计和制造工艺。
4.主导产品装配结构的确定
在产品规划阶段要确定产品的装配结构，首先是确定手机结构类型，如是采用直板还是翻盖的手机。其次是要确定与产品造型和结构有关的接插件、电池、显示屏规格，做好整机的大致结构布局。
5.主导外形尺寸的确定
在造型设计时，结构设计师要根据产品的功能，与造型设计师和硬件设计师一起初步确定印制板、液晶显示屏、接插件、按键、产品的外形尺寸和结构形式。结构设计师要保证电路板和所有元器件的合理布局，要对产品装配和模具制造工艺是否合乎要求负责，所以产品的外形由造型设计师确认，但产品的尺寸大小要由结构设计师来确认。
1.1.2 设计阶段的工作
1.承担装配图设计
装配图是表达整机或部件的工作原理和装配布局关系的图样，可以用三维或者两维图纸来表达。在产品的造型确定的情况下，与硬件设计师共同确定了与结构相关的全部元器件后，才可以开始进行装配图设计。
2.承担结构的EMC设计
产品的电磁兼容性（EMC）需要从硬件设计、PCB布线设计和结构设计三个方面综合考虑。结构设计师应与硬件设计师协商，确定分配给结构设计的EMC指标，作为结构EMC的设计依据。
3.承担热设计
手机的热设计主要是要考虑主芯片的散热。有些手机打电话持续时间十几分钟就会感到外壳发热，就是热设计没有做好。电磁兼容性和热设计都要在装配图设计时统筹考虑。
4.承担零件图设计
依据装配图拆分所有自制件的结构件零件图是结构设计实现和细化的主要工作。此外，对于外购结构件也要给出技术要求。
5.承担包装设计
包装设计分外包装和内包装。手机产品的外包装一般用本色的瓦楞纸箱，每箱可装几十个手机。内包装是单个手机的包装，用硬卡纸做成彩盒。彩盒图案、字形由造型工程师设计，彩盒的所有尺寸图由结构设计师设计。另外，内部包装还含有减振垫，它从材料到尺寸均由结构设计师负责。
6.结构有限元分析
在完成初步的装配结构和零件设计后，可以利用有限元分析软件做结构的薄弱环节仿真分析，例如手机的跌落仿真、冲击仿真等。这样可以尽早发现结构设计的问题，及时改进，减少今后的设计、制造修改。
1.1.3 验证阶段的工作
验证工作的目的是检查设计图纸的正确性和制造工艺的符合度，避免设计的失误，使转产阶段可以顺利地进行。
1.手工样机的制作技术支持
造型设计和装配图和零件图完成后，分别需要先做一次手工样机（造型样机和结构样机），常称为做手板。单个样机多用三维数控机床（CNC）制作。在样机制作时要向外协单位做图纸上的要点交待。
2.正式模具制作的技术支持
在模具制作过程中，结构设计师应向模具制作者充分地传递设计意图，除了图纸之外，最好直接语言交流，中间环节越少越好。这是保证模具制作无误的一个要点。
3.开模零件和其他自制件的样品测量和认定
对于每一个开模零件送来的样品，都要仔细测量尺寸，先看其是否与图纸相符，再看其是否易于装配，再提出修改模具的要求。切记不要仅看实物装配，不对照图纸，这样会将问题混淆，分不出是模具问题还是设计问题，并且实物装配也不易看出公差的超差问题。
4.结构样机装配和测试
模具经过1～2次的试模，在结构问题已解决的条件下，可以先做5～10套样品。结构设计师要亲自动手做装配动作，不要完全依赖别人做装配，传递二手装配信息。自己装配对设计的可装配性更有体会。
另一方面，因为自己在装配时也会有意无意地使用一些装配技巧，不能完全模拟生产线的批量装配状态，从而会掩盖一些问题，因此也要请别人装配和做专业的测试，两者独立装配，之后交流装配结果，才能暴露问题。
结构如无问题，可以装上电路板，组装成功能完整的样机，交给专门的测试部门做此阶段的功能、性能、热测试、EMC测试、振动和跌落试验。
5.改进设计
根据装配和测试的结果，会发现一些设计和制作的问题，此时做装配图和零件图的修改。这种改进，包括做样机，有时不止一次，这取决于设计者和模具制造的水准。一般应在2次更改内达到完善水平，否则就不算是成功的结构设计。
6.结构设计输出
在装配图完成后，结构设计师应提交“整机结构设计报告”，内容包括要达到的技术水平、结构布局的方案比较、主要结构件的材料选取理由、结构设计要点、EMC和热设计的方法和计算或仿真数据、关键装配尺寸的公差带计算、设计和工艺技术风险分析、结构件零件和模具成本估算。
结构设计输出包括装配图、零件图和含所有结构件和外购件的材料明细表（BOM），以及外购件的技术要求。
1.1.4 技术转移的工作
1.试生产结构技术支持
在试生产时要向工程技术部门的技术人员做技术转移工作，除提供设计文件外，还应做文字的和口头的生产技术注意事项的提示性说明。经过试生产，完成技术转移，解决了试生产发现的问题，开完试产总结会，就可以转入量产。
2.可靠性试验
一般试生产50～200台，主要是考察产品的批量一致性、可生产性、可测试性、配套采购的能力、生产测试工具和生产设备的状况。对结构设计来说，要特别关注这时要做的可靠性试验和环境适应试验，这种试验有时会委托第三方做。其中跌落试验、按键的寿命测试都是很考验结构设计水平的测试。
3.生产时的重大问题技术支持
原则上，完成试产后批量生产时的技术问题由工程技术部门的技术人员解决，只有在生产现场的工程技术部门的技术人员有困难时，或涉及设计图纸更改时，才会提请设计人员协助解决。
以上所有结构设计的流程和工作内容均来自于作者和一些成功公司运行的实际工作经验，对读者有一定的借鉴意义，当然各个公司的规模、组织架构、人员分工情况不同，工作流程和工作内容也要根据自己所在公司的状况做出适当的调整。1.2 手机的分类
一般电子产品的结构取决于产品功能和性能需要，但是对于手机这样的消费类电子产品，它的结构已经远远地超出了其基本的功能和性能要求。很多用户选择和更换手机，更多的是追求其造型的美观和结构的轻便。手机不仅是移动通信终端产品，还是人们的音乐和上网工具，甚至还是男士的身份象征和女士的时尚饰品。在用户需求和技术发展的双轮驱动下，手机类型丰富多样，更新换代以数月计，这也就有了下面的各种分类方法。
1.2.1 按用户群分类
1.普通手机
这类手机是具有基本通信功能的手机，其结构、造型、色彩均比较一般，以基本功能实用为目标，所用材料价格较低，装饰性成本较低。它的市场占有率在一个稳定的范围，以价格优势取胜，为一般大众所使用。
2.时尚手机
在造型、结构和功能方面有特色的手机，如有 MP3音乐播放、游戏、摄像功能等，以满足年轻消费群，这种手机被称为时尚手机，其价格在手机的价位上位于中等位置。特殊的高级时尚手机在外壳上镶有金、银和钻石等，如图1-1所示。图1-1 两侧镶有钻石的时尚手机
3.商务手机
这类手机是具有大容量存储卡，具有上网功能、或者具备个人数码助理（PDA，Personal Digital Assistant）功能的手机，适应商务人员的需求。这类手机往往都带有嵌入式操作系统，如Symbian 6.0、Windows CE、Palm、Linux等，故也称为智能手机，属于高端手机，价格较高。
1.2.2 按技术类型分类
1.模拟手机
20世纪80年代初期手机刚刚兴起时的模拟手机也称为第一代手机（1G，1rd Generation Mobile）。形状像砖头、俗称“大哥大”的手机就属于模拟手机。它用电流的强弱来模拟声音音调的高低。传输过程使用模拟信号，在长距离传输和多次加工放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失、声音失真或信号中断。因此这样的模拟手机要建设很多的通信基站来接续信号（就像小灵通一样）。
目前模拟网已经关闭。这里提模拟手机只是进行历史的回溯，让读者了解通信技术的飞速进步。
2.数字手机
目前国内主流使用的是数字手机，相对于后面的 3G 手机，也称为 2G（2rd Generation Mobile）手机，其传输过程是用数字0和1不同组合的数字串来代表声音，这样使声音失真小、信号强，需要的通信基站数量大大减少。2G数字手机制式主要是指欧洲的蜂窝式全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile communication）和美国的码分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）。在数字蜂窝式手机里，我国应用最为广泛的是GSM制式。这类手机主要提供语音和短信服务以及一定程度上的数据传输服务。
3.3G手机
第三代数字通信手机，简称3G（3rd Generation Mobile）手机，已逐步成为主流产品。它一般是指应用无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统的手机。第三代手机除有第二代手机的功能外，还有移动电视、浏览网页、电话会议、电子商务等功能。
目前，国际上 3G 手机有 3 种制式标准，即 GSM 演进后的宽带码分多址（WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access）标准；CDMA演进后的cdma2000标准；以及我国自主研发的时分同步码分多址接入（TD-SCDMA，Time Division-Synchronous CDMA）标准。
4G手机也进入技术研发和试验阶段，相对于3G手机，4G手机的频率更高，带宽更宽，更能适应视频应用。
1.2.3 按结构特征分类
1.超薄手机
手机做成轻薄形是为了满足某些用户的需求，主要是便于放入衣袋。超薄手机对结构设计和工艺技术是一种高难度的挑战，也使结构设计师有了发挥技术专长的机会。匈牙利的设计公司（Design House）Egy Studio 设计的概念手机 Auro如图1-2所示。图1-2 一款超薄手机
Auro仅有6mm的厚度，超大的3.9英寸1[1]的触摸屏，控制的操控按键（方向杆、通话断话和确认键）有了崭新的设计，配合着虚拟数字键可将这条“杆”往上或往下调整。Auro 原型机预设规格包括HSDPA、WiFi、蓝牙2.0无线传输等功能，以及外插2GB/4GB Micro SD存储卡，使用Windows Mobile 5（或6）操作系统，是可以媲美iPhone的手机。
2.滑盖手机
滑盖手机的按键上面具有一个保护盖，以防止误触发按键。在使用时，可以用一个手指轻按使其滑下。这类手机经典的一款是铝合金机壳的Nokia 8850，如图1-3所示。图1-3 经典滑盖手机Nokia 8850
8850 手机的经典在于它的外观造型和气质风格，银色泽华丽的铝镁合金外壳，闪闪发亮的镀铬金属边框，下滑式的滑盖设计、纯白雪亮的屏幕背景灯光。虽然它的功能存在着明显的不足和落后，但在当时的市场轰动效应绝不亚于现在的任何一部高档手机，2000年上市时，其价格为8 000元/台，当时能拥有一部8850手机是有经济实力的象征。这一款手机的销售经久不衰，是典型的以造型结构取胜的案例。实际上8850手机内在质量一般，其显示屏的信号线用导电橡胶作为接插件，使用一年后常会出现无显示的状况。
3.翻盖手机
翻盖手机是指手机盖板为折叠式，翻开盖板才可以见到主显示屏或按键。如果手机只有一个屏幕，则这种手机被称为单屏翻盖手机。如果手机在翻盖的外面有一个副显示屏，则这种手机被称为双屏翻盖手机。装于翻盖上的副屏幕通常不大，一般仅能显示时间、信号、电池容量、来电号码等。翻盖手机从功能上说，可以有效防止误触发按键，并且可以保护LCD屏幕不被损伤。
通常翻盖手机比其他手机厚，但摩托罗拉在2004年推出了V3手机（如图1-4所示），其外形尺寸为98mm×53mm×13.9mm，重量95g，最薄之处只有13.9mm。外屏为65536色CSTN彩色屏幕，96×96像素；内屏为26万色TFT彩色屏幕，176×220像素。该手机内置30万像素、4倍变焦VGA摄像头。当年刚推出的时候，风靡全球，其价格是同功能手机的几倍，市场销售总计约5 000万台，可见其产品造型和结构的成功。
4.翻/旋转盖手机
翻转盖手机的带屏盖板可以翻开，然后再旋转180°。这样可以搭配手写笔，实现在屏幕上的功能操作。这种手机一般都带摄像头，在摄像时翻转屏幕也便于观察被摄对象（如图1-5所示）。还有更多的是旋转盖手机，旋转180°后，露出按键，开始使用。图1-4 Moto V3翻盖手机图1-5 两款翻/旋转盖手机
5.直板手机
直板手机（示例见图1-6）的屏幕和按键在敞开面，手机按键、屏幕无遮盖。直板手机的特点主要是可以直接看到屏幕上所显示的内容和直接使用按键，操作简捷。当然为了防止误触发按键，一般会设置启动键，按下几个启动键后，其他按键才可以正常使用。直板手机使用比较方便。它的缺点是按键暴露在表面，放在口袋里，上面的字易磨损。图1-6 一款直板手机
新型的触摸屏手机因为不用防止误触发，也多采用直板结构。
1.2.4 特殊用途手机
1.防水手机
有些用户需要防水手机。防水手机除了具有一般手机拥有的功能之外，还可以用于在水中拍摄照片。如卡西欧的W42CA具备IPX7级防水能力，即便手机在水下1m的地方浸泡半个小时依旧可以正常工作，如图1-7所示。一款夏普防水手机如图1-8所示。图1-7 卡西欧W42CA防水手机图1-8 一款夏普防水手机
2.防爆手机
防爆手机用于粉尘、气体易爆环境，如煤矿、加油站等。防爆手机主要从防止操作时的电触点打火花和防止静电积累两方面去设计。
3.加密手机
在手机具备银行卡的功能时，或者要保密通话内容时，需要加密手机。最高等级的加密手机产自瑞士，它是点对点的通信，1组2个。加密手机的原理，就是将音源编成信号传送时，再加上超过上亿组的“扰码”，使得只有具备解码器的手机才能听到正常的通话信号。
1.2.5 手机的发展趋势
实际上手机分类只是从用户角度、设计角度或功能角度观察分析的结果。一部手机用不同的分类方法可以归入不同的种类，如翻盖手机既可以是低端手机，也可以是中端手机或者高端手机。了解手机的用户需求和技术发展趋势可以把握手机结构设计的方向。手机的结构发展趋势是轻、薄、短、小；功能发展趋势是多样化和个性化。
1.轻和薄
手机的结构会向轻薄方向发展，不仅显得精致，更重要的是有利于放入夏装的上衣口袋，不会因手机的重量将上衣拉歪斜，也不会因太凸出而显得不协调。
2.功能多样化
一些具有新功能的手机，如双卡手机、带摄像头的手机、手写屏手机、触摸屏手机、带存储卡的手机、内置GPS功能等的手机，随着时间的推移，会成为主流机型。
从发展趋势上来说，手机会部分或全部替代电子书、网上银行、身份识别和认证等，这些均为手机的规划提供了空间。
3.直板和滑盖共存
有研究表明：有盖的手机和直板手机，分别契合一些人群的心理需求，它们拥有各自的用户群，仍然会有各自的市场发展空间。
从发展趋势上看，有盖手机中的滑盖手机会成为手机主流结构形式的一种，会逐步取代翻盖手机，原因是其特征既符合翻盖手机使用者的心理特定需求，结构动作又没有翻盖手机那么张扬。
4.触摸屏手机
美国苹果公司（Apple Inc.）的iPhone手机是全屏手触摸按键。用手指在屏幕上轻轻一点，就可进入特定菜单；在手机画面上移动手指，可以滚动图片或点中音乐的多个图标；可以同时用两个手指操作，用来缩放画面；还有软件的Qwerty键盘可供输入。打电话时可以点击菜单调出数字按键，如图1-9所示。从提高手机的按键可靠性和结构简化角度看，触摸屏是革命性的创新。可以预测，随着触摸屏的价格下降，触摸屏将从高端手机普及到普通手机。图1-9 全触摸按键的Apple iPhone手机
5.个性化
由于手机采用的电路方案趋同、电路高度集成和模块化，所以特别需要从手机造型、内部结构和壳体材料选用等各方面设计新的手机，以个性化地设计符合不同用户群体需求的手机。手机的人群覆盖面从小学生到老人，用户如此之广，为细分市场和细分产品提供了可能。列举如下几种。
①情侣手机：通过色彩互补、造型互补配对成情侣手机。
②卡通手机：通过生肖图形、流行卡通人物设计卡通手机。
③学生手机：带计算器、中英文词典、公式，可更新下载这些内容的学生手机。
④老人手机：大屏幕、大字体、简略号拨出、GPS定位的老人手机。
6.微和小
从挂表、怀表到手表的发展历程，可以看出它们的演变进步是与精密机械制造技术分不开的。手表今天戴在手腕上就是实现了佩戴表的最佳位置。
十多年来，手机的外形尺寸已缩小了很多，也经历了放在随身包里到可以放在衣袋里的过程。可以预测的是：随着电池的高效和缩小、芯片的高集成和低功耗以及结构材料的高强度和轻薄化发展，有些手机会像手表一样大小，并可以戴在手腕上使用。
7.替代其他产品
手机已经有了替代其他电子产品的功能，如替代MP3、收音机功能。随着电子技术的发展还会有更多的替代其他产品的功能，如随着投影显示屏、投影键盘的技术成熟，手机可能替代笔记本电脑。
[1].英寸=2.54cm。第2章 手机设计流程和产品规划
本章提要 手机设计流程的要素包括重点子项目、执行时序、工作输入、工作输出、关键质量控制点和人员职责分工。好的流程应该做到分工协作、并行推进、互不干扰、事半功倍。产品规划的内容包括产品的功能、性能、环境指标和可靠性指标。产品规划最主要的工作输出是产品规格。产品规格的制定应该面向用户，面向制造，做到指标化和可执行。设置设计流程是为了设计管理不出现大的偏差，设置产品规格是为了设计要点不出现大的偏差，这两个步骤可以保证产品设计在可控的轨道中运行。
2.1 设计流程
设计流程（design flow）是将产品的概念——规划——设计——试生产——批量生产的全过程分解为若干个子项目，按一定时序来执行的一种设计管理方法。设计流程通常用设计流程图（design flowchart）来表达。
2.1.1 设计流程的作用
当各种各样的设计流程管理的手段和方法成为常见的资料时，我们需要回顾一下设计流程的基本作用，以免在那些经过包装的所谓的先进研发管理方法面前迷失了方向。任何先进的管理方法都要考虑具体的工作环境和产品的具体需求的差异性。
在一些公司，项目管理者往往很重视设计流程，依靠设计流程进行项目的进度和质量管理；但是设计人员会认为设计流程影响效率而不愿执行，造成流程空置，或者事后补做些纸面文章，这样设计流程就失去了作用。
其实好的设计流程既符合一个产品从概念到产品的客观规律，又是前人成功设计经验的积累，能够帮助把握产品设计进度和质量，避免设计走弯路，从而提高设计效率。
1.时序控制
设计流程最基本的一个作用就是时序控制。在一个产品的设计过程中有很多任务，怎样按照产品设计的客观规律去安排先做什么后做什么，就是时序控制。设计流程图中的工作子项目是按先后的时序排列的。并行作业的子项目安排也是时序控制的重要内容。
2.节点控制
设计流程的另一个基本作用是找出产品设计过程中重要的节点，并设计这些节点上通过和不通过的指标。在这些关键节点上组织设计评审、做出问题决策和设计修正。
3.反馈机制
设计流程还应该设置反馈机制，反馈的内容分两类情况，一类是某些工作条件不具备，需要反馈；另一类是在节点控制点上评审出现重要问题，经过决策，确定需要回溯到某个阶段。
4.输出控制
设计流程的各个子项目的工作输出是设计成果的体现。每一子项目的设计输出都经过相应的审核才能提交，重要的设计输出即是节点控制的内容，需要多人评审才能提交。
2.1.2 设计流程的要素
1.子项目
为了便于工作分工和工作输出，将产品的设计项目按照工作内容的阶段性和工作内容的差异性分解成若干个子项目。每个子项目都有明确的要求（即工作输入）和工作输出。子项目的分解要符合产品设计的客观规律，即在设计到一个阶段的时候，才能设立和划分子项目。要避免将一项连续的工作强行拆分的现象，因为强行拆分子项目会造成工作输出困难和前后工作衔接困难。
2.设置关键节点
在设计流程的众多子项目中，要根据经验选择子项目设置关键节点，进行设计评审和设计问题的决策，确保设计在不出大错的轨道中正常运行。
3.工作输入和输出
设计流程要有明确的工作输入和工作输出。通常，上一环节的工作输出即下一环节的工作输入。明确的工作输入是工作的基础，工作输出则是工作的成果表达。例如，规划阶段的工作输入是用户需求分析报告、可行性分析报告和产品规格等文档；设计阶段的工作输出是造型效果图、结构设计图、有限元分析报告和设计报告等；设计验证阶段的工作输出是样机、样机装配报告、全套的设计图纸和明细表（BOM）。
4.人员职责
很多公司的设计流程是不包括人员职责的，这就可能会造成人与事分离的现象。所以在设计流程中明确规定人员的职责，这是有利于分工协作的好办法。
传统的产品开发项目组通常仅由设计人员构成。实践证明，这种组织架构不利于产品的设计过程协调。先进的产品项目组架构中除了设计人员，还包括所有与产品研发有关的市场策划、营销、测试、采购、成本核算等人员，由项目经理统一管理，形成紧密的研发协同机制。
人员最好集中办公，而不是在各自所属职能部门办公，以方便管理和沟通。人类学家爱德华·霍尔研究发现：人际交往一般是 4～12 英尺[1]，多数交往都发生在这个距离内，超过15英尺，人际间的沟通大幅降低。
2.1.3 设计流程的管理
1.设计流程由谁制定
设计流程在一个公司是属于高端的技术管理，通常一个公司总的产品设计流程由研发管理部门拟制，报经研发总经理审核、公司总经理批准。
2.针对不同产品的设计流程
针对具体产品的设计流程应该在公司总的设计流程基础上做一些适应性的更改。因为有些内容是产品的独特需求，当公司有多类产品在设计时更是如此。
3.设计流程的管理工具
设计流程的管理思想一要体现面向用户的设计（DFU），即在产品设计时要充分体验用户的使用便利性，舒适性。二要体现面向制造的设计（DFM），即将后期的测试、工艺设计等工作尽量提前，以缩短新产品的上市周期，以减少中后期的设计更改，降低开发成本，从而提高产品的设计效率和质量。
设计流程的管理手段主要是利用产品数据管理（PDM，Product Data Management）软件和产品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）软件来实现产品数据、过程和资源的管理，并且可以在一个平台上和企业的ERP、CRP等管理系统实现集成整合和无缝连接。
2.1.4 一个设计流程实例
设计流程与公司的大小和公司的类型有关，比如设计公司（design house）的工程师相对比较专业、比较资深，比较清楚设计过程，人员分工没有那么细，其设计品质比较多地依靠个人的能力，因此设计公司的设计流程往往比较简洁。而大公司因部门众多、分工细致，人员水平差异较大，协作和管理的难度加大，故更需要更细致的流程来控制设计品质和进度。
一个集手机研发、制造和销售的大公司手机研发流程如表2-1所示。表中“责任人”只是主要的或者说是第一责任人，实际上还有一些协助工作的责任人。对一般公司而言，这个流程已经够细。实际上对讲究流程的大公司，流程中的“子项目”还有下一阶段更细的任务安排。
对于手机这样的产品，产品设计小组一般由项目管理、硬件、软件、结构、造型、测试和质量等专业设计工程师组成。产品设计组长/项目经理负责召集和协调设计过程中的问题。产品设计组长由上述成员中的一位担任，或由专门的项目经理担任。
不同的公司分工不同，比如结构 EMC 设计、散热设计和包装设计在大公司会由专业的设计师负责。在小公司则是结构设计师自己承担。表2-1 手机结构设计流程续表续表
2.2 产品规划
产品规划是从产品概念（idea）到产品规格（spec）制定完成的这段研发工作。具体内容包括用户需求、可行性分析和产品规格3个环节。
2.2.1 用户需求
1.用户需求的来源
新产品的用户需求有以下几个来源。一是市场需求，它来自于市场第一线用户对已有产品的不满足，提出一些新功能新造型的需求。二是技术更新需求，它来自于新产品主芯片的更新换代，所以整机产品也随之做新的设计。三是来自于制造工艺的改进需求，这类需求是改型设计，通过适应DFM的改进可以降低产品成本或者提高质量。
手机发展到今天，它已属于市场导向的产品，而不是技术导向的产品。手机的设计创新主要是来自于对用户需求的深度挖掘，来自于对用户心理需求的深度研究。
2.用户需求的辨别
各种用户需求最初往往是似是而非、含糊不清的口头描述，来自多渠道的需求还可能会互相矛盾。产品规划工程师需要在这些纷杂的需求中，通过自己的经验、数理统计手段和“头脑风暴”会议去伪存真，找出真正的符合一定人群需求的内容。
3.用户需求的深度挖掘
产品的外观、功能、性能这些表象的需求是容易知道的。实际上对于手机这样的消费类电子产品，用户的需求已远超出了这个层面。
观察可以发现：在青年人的人际交往中，特别是他们之间的初次见面，拥有高端手机的人，往往会自觉或不自觉地拿出手机来把玩。手机不同的色彩对应着不同的人群；还有翻盖手机、滑盖手机和直板手机，都拥有各自的固定用户群，等等。这些现象说明，不同的手机分别契合不同的人群的某种心理需求。
在手机的设计上如何满足深层次的用户心理需求是规划阶段需要研究的问题。手机产品在满足基本的功能、性能之外，还可以承载人的多种需求，比如：
①形态的美感；
②舒适的手感；
③社会成就感；
④个人财富感；
⑤独立和隐蔽。
每一款手机在规划时，要有意识地去实现其中的部分需求，以获得市场定位的特定用户的认可。
4.用户需求的工作输出
通过上述用户需求的辨别可以总结出用户需求报告。报告应包括如下内容：
①市场定位（在哪里销售）；
②用户定位（什么人使用）；
③产品功能；
④产品造型；
⑤产品价格；
⑥产品成本；
⑦上市时间。
2.2.2 可行性分析
可行性分析是评估用户需求的可实现性。主要从市场销售预测、同行竞争力、产销平衡点、技术难点、研发资金和人员、研发周期、风险评估等方面去分析，并得出能令人信服的此产品可否投入设计的结论。
1.市场销售预测
市场销售预测主要是产品生命周期的销售量，对手机这样的产品，如果预测的销售量不能达到50万台以上，则不能投入研发。市场销售预测有一系列的数理统计方法来保证预测的可靠性。
2.同行竞争力
同行竞争力是与同行同档次的产品做性能价格比较。最简单也是最有效的方法是购买市场上的有代表性的同类产品，分析其优缺点，包括外观、功能、性能、价格、可靠性等。
一个产品不可能在各方面都做到有竞争优势，那样成本会很高，只要在某些方面做得比竞争对手好就可以了。在设计时，有针对性的设计、有差异化优势的产品是市场成功的关键之一。在设计时，就应想好这个产品的市场卖点，准备好市场宣传的3～5个关键词。
3.产销平衡点
产销平衡点是指产品销售多少数量可以做到收支平衡，这个数据是产品初始定价和产品销售到一定数量后降价的依据之一。
4.技术难点
要考虑产品采用新芯片、新材料、新工艺的可控程度，例如对在工程样片（engineering sample）阶段的主芯片，要特别注意芯片不成熟所带来的产品设计难点。
在采用结构新材料、新工艺时，也要在设计周期上做成适当的余量安排，预留时间来解决其中必然会碰到的困难。
5.研发资源
要充分评估产品设计所需要的人员能力、仪器设备费用、出差费用、研发费用、人员工资、外部协作条件等资源。要在企业的资金、技术和市场能力范围内做产品的研发。
6.研发周期
通常要对整个产品从制定产品规格开始到产品小批量生产结束的研发周期做出详细的列表，看看是否符合产品上市的需求。这对手机产品尤为重要，往往晚3个月，这个产品可能已无市场竞争力。
7.风险评估
风险评估主要是评估研发人员的流失、资金短缺、新技术不成熟、专利侵权等方面的风险。对可能出现的风险要有防止措施和出现风险时的对策。
2.2.3 产品规格
产品规格（product specifications）是依据产品的用户需求和产品可行性报告对产品特定形式的量化描述，是产品规划的最重要工作输出。
产品规格是产品从设想到设计的第一步。此前的用户需求、可行性报告都是语言性描述。产品规格是将这些需求细化、量化并使之成为可执行指标，其中包括产品形态、功能、性能指标、环境指标和可靠性指标等，以及对这些功能指标的要求说明，其表达和输出方式为表格。
在产品规格形成的过程中，项目组成员可以先采用发散的“头脑风暴”形式，讨论用户需求中对产品各种功能的要求和自己的设想，然后再由项目主要决策者采用收敛的思维分析和比较各种设想，最终确定产品规格。
在美国苹果公司（Apple Inc.），对于任何一项新的设计，设计师们首先要拿出10种完全不同的预想方案。这样让设计师们有足够的空间，在没有限制的情况下放开了想。然后从中挑出3个方案，再花几个月的时间仔细研究这3个方案，最终分析出（不是选出）一个最优秀的设计方案。
1.产品规格作用（1）设计依据
产品规格是产品设计最重要的依据，所有设计内容都是为了实现产品规格的内容。所以产品规格定得越细，就越能够清晰地指引设计的进行。设计工作应该按照设计流程安排工作时序，按照产品规格要求逐一实现产品的功能和性能。（2）验收依据
产品规格也是产品设计完成后产品交付和验收的依据。所以好的产品规格除了要写明实现的功能指标外，还要写明每项功能性能的测试标准或测试方法，这样才能实现可测试性。（3）产品用户手册的基本内容
产品规格还是产品用户使用说明书的内容基础。将产品的外在功能和性能指标提供给用户，去掉与用户无关的设计要求，再逐一加以操作说明，即成为完整的用户使用说明书。
对于手机这样的产品，将按键功能和显示屏的各种显示状态在产品的规格中描述得越清楚，就越有利于产品的设计一次成功。
2.产品规格内容（1）产品造型和形态
产品造型和形态包括产品形状、色彩、标识、外壳材料、外形尺寸和整机重量等。这些参数是结构设计的基本内容。（2）产品功能
与结构有关的产品功能包括各种按键、各种接口规格、振动功能、音频功能、显示屏和电池功能。这些功能是产品的功能组成部分，完整的手机产品功能还有其他典型功能。（3）产品性能
与结构有关的产品性能包括产品力学性能、表面涂覆耐磨度、散热指标和电磁兼容性指标等内容。这些性能指标要符合相应的标准规范。（4）环境适应性
环境适应性包括产品的工作温度、存储温度、阻燃性能和防水性能等。这些性能指标要符合相应的标准规范。（5）可靠性指标
可靠性指标包括按键寿命、振动、冲击和跌落指标、整机平均无故障工作时间（MTBF，Mean Time Between Failure）、电池和产品使用寿命等。这些指标可以按照相应的标准中选取，也可以根据产品的市场定位制定更高的指标。（6）包装要求
包装要求分为单个产品包装和成批运输瓦楞纸箱包装。通常每个公司都有自己的包装风格和标示规定，在设计时要遵循。（7）尺寸精度
尺寸精度包括整机装配尺寸和零件尺寸精度。这些尺寸的选取要充分考虑结构的形式和各种制造工艺所能达到的尺寸精度。
2.2.4 一款手机产品的规格实例
1.产品规格制定责任人
产品规格是产品设计中比较高端的工作内容，通常由有经验的资深工程师或项目经理确定。产品规格中的结构部分可以含在整个产品规格中，也可以专门做一个结构规格书。
结构设计不仅要知道产品的结构需求，还要充分了解产品的全部需求，与硬件和软件设计人员做充分交流，这样才能更好地在结构设计方面实现产品的功能和性能指标。有的功能看起来是结构设计要解决的问题，但实际上别的专业有更好的解决方法。如直板手机为防误触发按键，需要“锁键”功能，实现此功能，用机械结构方法会比较复杂，而用软件方法则比较容易。
2.产品规格的表达
产品规格的表达要尽可能避免用一段话来描述，要将每一个产品的需求指标化和参数化，以方便产品需求的执行。只要将一个需求识别清楚是可以做到参数化的。通常产品规格用表格来表达。
3.一款手机产品的结构规格
一款手机产品的结构规格如表2-2所示。这款手机是超薄滑盖手机，其市场定位为时尚手机的中高档次的产品，所以在功能和性能等方面有比较高的要求，特别是其超薄的要求，对结构设计的能力是一个不小的挑战。表2-2 一款手机产品的结构规格续表续表注 ①具体见造型设计输出的产品配色表。②机械性能、表面涂覆性能和环境适应性的测试方法可参见标准YD 1539——2006。③参见GB/T 22450.1——2008《900/1800MHz TDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性限值和测量方法》。说明：产品的结构规格是产品规格的组成部分，此表中未列入的使用功能由软硬件工程师负责。
[1].英尺=0.3048m。
第3章 手机通用件和结构件材料
本章提要 手机通用件和材料的选择是手机结构设计的基础之一。手机因其具有的巨大市场容量，催生了大量的通用件，设计师需要掌握这些通用件的技术以便进行选择。使用通用件可以减少设计工作量，提升手机的研发速度，降低研发成本。手机产品的充分市场竞争以及材料应用的多样化，对手机的结构材料选择提出了比其他电子产品更高的技术和成本的双重要求。
3.1 通用件
手机的通用件是指在不同产品中可以互换使用的零部件和电子元器件。它们由专门的厂商设计和生产，整机设计时主要是根据产品需求做辨别和选择，不必自行设计。通用件可以大幅度地降低设计成本、设计周期和生产成本。
通用件是标准件的初级形式，当其通用化达到一定的广度并为行业所接受时，就可以制定标准，上升为标准件。
手机作为最大的电子产品，为通用件的出现和发展提供了良好的市场空间和技术空间。在中国有数以万计的手机零部件配套厂商为手机整机厂商提供各种零部件。与手机结构相关的通用件主要有接插件、专用器件、专用结构件和紧固件。
此外，一些普通结构件也逐渐成为通用件，例如按键和转轴等零部件也有专业的厂商在生产，可以选择使用。如果因产品的形状独特，也可以找专业厂商定做，结构设计只要提一个大致的技术要求，由专业厂商设计细节，即可完成这些零部件的设计。
3.1.1 接插件
接插件（connector）是无源器件。低频接插件的核心技术是机械结构、材料技术、电镀技术和精密模具制造技术。对于这些技术，结构工程师比硬件工程师更了解，所以接插件的确定是结构设计的重要工作之一。
高速接插件中还涵盖很多的电路技术，例如传输线技术，信号传输要采用差分信号。此时，高速连接器在结构上都完全屏蔽而且像对称电缆那样运行。这时要考虑的参数包括阻抗、传播延迟、时滞和串扰等。这些问题是结构工程师需要了解、硬件工程师需要负责的问题。
结构设计要从接插件的可靠性、防误插、焊接方式、安装位置、管脚间距、外形尺寸、材料、触点镀层、插拔力、屏蔽特性、耐温特性和成本等方面选择接插件。硬件设计从接线逻辑、管脚排列、接触电阻、阻抗匹配、击穿电压、耐电流、屏蔽特性和成本等方面考虑选择接插件。在选接插件时，双方人员应各自发挥专业所长共同协商，达成共识。
在产品设计之前一定要与硬件设计工程师确定所有接插件的参数和规格型号。同时具备接插件的图纸和实物样品这两个条件，才可以开始设计。
特别是接插件的图纸和实物样品有不一致时，要将问题了解清楚后再进行后续的设计。结构工程师选择接插件的结构方面要点如下。
1.焊接方式
接插件的封装主要分为表面贴装（SMT，Surface-Mout Technology）焊接和双列直插（DIP，Dual In-line Package）焊接两种，它们分别需要采用回流焊（SMT）和波峰焊（DIP）的生产工艺。为了避免焊接时需要两种生产工艺，手机接插件以全部采用SMT为好。
通常在接插件的规格书中会规定焊接的温度和焊接时间，常见的接插件焊接参数是波峰焊250～265℃，10～14s；回流焊250～265℃，20～40s。这是焊接工艺的依据。
特别说明，在接插件由于某种原因需要手工焊接时，由于手工焊接的电烙铁温度较高，焊接时间要大大缩短，例如可采用 350℃、3.5s 的焊接工艺。不合适的焊接温度和时间主要会破坏接插件的塑料外壳，造成接插件的损伤。
2.材料
接插件的封装材料为热塑性塑料，需要采用耐高温的塑料，以适应当前的无铅焊接要求。普通接插件常用的塑料为聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSU）、聚苯醚（PPO）等。
高速接插件常用的塑料为PSU、液晶聚合物（LCP）和聚对苯二酰对苯二胺（PPA）。接插件的外壳，如Micro USB插座，通常采用锡青铜和不锈钢制成。
接插件的管脚采用铍青铜和锡青铜制成，对于弹性触点，如Micro USB插座和电池触点需要采用铍青铜，其弹性和可靠性远比锡青铜要好；非弹性触点可以采用锡青铜。更多的接插件材料方面的资料可以参见《电子产品结构材料特性及其选择方法》（人民邮电出版社，2010年4月）。
3.触点镀金
接插件的管脚需要表面镀金，以利于焊接和防止氧化。通常有几种镀金厚度：0.38m、0.76m、1.50m。越厚的镀层接触可靠性越好，可靠性也越好，当然价格也越贵。对于需要反复插装的弹性触点，要取1.50m厚的镀金层，对于焊接的管脚可取0.38m或0.76m厚的镀金层。
接插件的镀金标准可参见GJB 1941——1994《金电镀层规范》，接插件的镀金层检验方法可参见SJ/T 20515——1995《金电镀层薄层电阻测试方法》和SJ/T 12305.6《金属覆盖层金和金合金电镀层的试验方法》。
4.插拔力
接插件的插拔力是装配可靠与否和舒适与否的重要参数。通常接插件的插入力和拔出力是不一样的，插入力往往比较大，拔出力比较小，这与接插件的弹性触点导入导出角有关，也与接插件的内部结构细节有关。
在手机接插件中由于接插件的Pin数较少，通常插入力是不大的，不是要关注的重点，反而是拔出力太小的话可能会导致使用时接插件意外脱出，这是要关注的重点。
5.接插件的结构
接插件的结构组成也是需要仔细观察和分析的内容，比如结构是否连接可靠，触点有无晃动，是否会因为间距过小而导致连焊。
6.接插件的屏蔽性能
用于产品外部接口的接插件，如USB插座等，均需要具备电磁屏蔽性能。以防止电磁干扰和静电击穿。
7.接插件的测试
接插件在开始使用时往往不容易看出质量差异，问题大都出在长期可靠性上，比如USB插座使用一段时间后的接触不良，所以在选择时要特别注意接插件规格中的上述要素的状况。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]