结构概念设计V121侯浪727.docx
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结构概念设计V121侯浪727
手机自动功检系统
结构概念设计方案
文件编号：
版本号：
V1.2.1
拟制人：
侯浪李攀日期：
2011.07.27
审核人：
日期：
批准人：
日期：
湖北众友科技实业股份有限公司
湖北众友科技实业股份有限公司
文件修订记录
NO
版次变更
修订日期
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修订内容摘要
登录者
1
V1.1
2011.7.1
全文
修改了站点动作分析与规划，补充了结构
方案分析相关内容。
侯浪
2
V1.2
2011.7.15
5-13页
修改了结构方案分析，加入了方案的对比
分析以及结果判断，增加了结构图片说明
侯浪
3
V1.2.1
2011.7.31
全文
侯浪
1产品概述
本产品为手机终端制造商在手机出厂前的功能性检测和验证而设计的自动化装置。
装置集成了计算机技术、系统软件集成技术、PLC控制技术、音频检测技术、图像识别系统等，能取代手机的人手工检测，实现自动化检测，从而降低相应的人力成本、费用成本及管理成本，同时提高检验的效率与质量。
结构是整个产品系统的基础，通过自动传输线可以完成手机的自动送检；结构搭载音频检测完成声音、振动检测；结构搭载图像识别系统完成屏幕画面的检测；可选的多站同时检测模式能提高效率，适合产线化的批量检测。
2设计依据与执行标准
2.1设计依据
2.1.1机械结构可靠性设计规范
机械机构可靠性设计的原则如下：
●冗余准则：
重复设置多个功能相同的元件，当某一个在役元件失效时，其任务可由其它元件代替。
●零流准则：
在外界不断提供能量的时候，构件闲置；而在外界停止供能，即构件处于独立的自然状态时，让构件执行所期望的动作。
其思想是：
在想要构件执行某功能时，让它不依赖或少依赖外部条件，从而减少可能阻碍其执行功能的外在因素。
●可靠的工作原理准则：
用受外部影响最小、最可靠的工作原理完成同一功能。
●裕度准则：
在已知外载的基础上将其适当放大，然后按此载荷计算构件尺寸。
●安全阀准则：
在系统中人为安置一薄弱环节，当有损坏迹象时，薄弱环节首先破坏，消耗破坏能，缓解险情，发出报警。
●简单准则：
组成元件尽可能少，相互关系尽可能简单，尽量相互独立。
2.1.2机械结构环境适应性设计规范
环境适应性设计是系统的基本要求，也是落实前期收集的产品生命周期的环境条件。
环境适应性设计的基本要求就是适宜，过高的环境适应性设计会增加成本，过低的环境适应性设计会导致系统可靠性降低。
具体要求如下：
●空气清洁，不得含有腐蚀性强（酸、盐）及易燃易爆气体
●环境温度上限为+55度，下限为-40度
●在环境温度为40度时，相对湿度不超过50%；在较低温度时，允许有较大的相对湿度（例如环境温度20度时，相对湿度为90%）
2.1.3设备安全设计基本要求
1.安全技术目标：
在按规定安装和使用设备时必须保证安全不得发生任何危险，如果在安全技术和经济利益之间发生矛盾时，应该优先考虑安全技术上的要求，并按下列等级顺序考虑。
（1）直接安全技术措施：
设备本身要设计得没有任何危险和隐患。
（2）间接安全技术措施：
如果不可能或不安全可能实现直接安全技术措施时，应采取特殊安全技术措施。
（3）提示性安全技术措施：
如果直接或间接安全技术措施都不能或不能完全达到目的，必须说明在什么条件下才能安全地使用设备。
2.特殊条件下的安全：
如果在按规定使用设备时，遇有特殊的环境或运行条件，则必须将设备设计得在所要求的特殊条件下也符合本要求。
属于这些特殊条件的有：
（1）有爆炸危险或有易燃危险；
（2）异常高或异常低的温度；
（3）异常的潮湿；
（4）特殊的化学、物理或生物作用。
3.制造过程中的安全：
在设计设备时，必须考虑在设备制造过程中的安全性。
2.1.4机械结构设计的基本要求
1.实现预期功能的设计准则：
结构应能满足机器整体的功能要求。
多个结构零件承担同一功能可以减轻零件负担，延长使用寿命；一个零件或部件承担多个功能，可降低成本。
设计时应根据具体情况而定。
2.满足强度要求的设计准则：
具体要遵循等强度原则、合理力流原则、减小应力集中原则、载荷平衡原则。
3.满足结构刚度的设计准则：
为保证零件在使用期限内正常地实现其功能，必须使其具有足够的刚度。
4.考虑加工工艺的设计准则：
零部件的结构易于加工，成本低廉，保证质量。
5.考虑装配的设计准则：
装配是产品制造过程中的重要工序，零部件的结构对装配的质量、成本有直接的影响。
有关装配的结构设计准则如下：
合理划分装配单元、使零部件得到正确安装、使零部件便于装配和拆卸。
6.考虑造型设计的准则：
产品的设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力。
考虑造型时，应注意下述三个问题：
（1）尺寸比例协调：
结构设计时，应注意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀协调的比例关系，应有意识地应用"黄金分割法"来确定尺寸，使产品造型更具美感。
（2）形状简单统一：
结构设计时，应使形状配合适当，基本形状应在视觉上平衡，接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量减少形状和位置的变化，避免过分凌乱；改善加工工艺
（3）色彩、图案的支持和点缀：
在机械产品表面涂漆，除具有防止腐蚀的功能外，还可增强视觉效果。
恰当的色彩可使操作者眼睛的疲劳程度降低，并能提高对设备显示信息的辨别能力。
2.1.5设备维护保养工作要求
1.日常维护保养
（1）设备使用人员必须持证操作使用，严格按操作规程操作使用设备。
（2）使用设备前，应进行检查、润滑；使用过程中，随时注意运转情况，发现异常及时停机检查，排除隐患；下班前进行清扫、擦拭和注油，做好交接班记录。
（3）各滑动导轨和接合处，无油污、锈迹无灰尘和切屑，无拉毛碰伤。
（4）各传动系统正常，变速齐全。
操纵系统灵活、可靠。
（5）润滑装置齐全，油路畅通，油标醒目，各油孔位经常保待清洁，润滑正常。
（6）安全防护装置齐全、可靠.内外清洁;控制系统整洁，联接可靠，工作正常，接地良好。
（7）零、部件完整无缺损，附件齐全、清洁，保管妥善。
（8）机床内外清洁无黄袍、油垢和锈蚀。
（9）工具箱内工、量、夹具及加工工件存放整齐、合理，不零乱，不随便放在导轨面上。
（10）机床周围工作地清洁、整齐，地面无油污、无垃圾等杂物。
2.维护保养管理工作要求
（1）坚持先培训学习，经考核合格后才能上机操作使用设备制度。
（2）维护保养设备要实行专责制。
单人操作使用的设备，实行专人专机制;二、三班制作业或几人共同使用的设备或机组，建立机长负责制。
（3）保养计划科学合理，执行认真，凭证齐全。
（4）开展日常维护保养周查、月评，评定结果及时公布维护保养工作评定一般分优、中、差三等级。
维护保养达到优等设备标准方能评为完好设备。
（5）管理认真、严格，无拼设备现象发生。
2.1.6结构可操作性设计规范
●提供操作说明书，说明操作方法和注意事项，以及常见问题的解决方法；
●产品结构设计要考虑操作人员的身高，活动范围、操作习惯等方面的要求，使产品操作方便快捷；
●在更换产品时尽量减少工人的工作量、降低结构调整难度。
2.1.7结构可维护性设计规范
结构可维护性主要指在规定使用条件下，设备保持在或恢复到能执行要求功能状态的能力，可分为日常性维护、适应性维护和纠正性维护。
定义
要求
日常性维护
用户在规定使用条件下，设备保持在一定期限内正常工作，当需要整机维护更换零部件时方便易行
1、严格按维护说明书保养维护
2、需要经常性维护维修的部分要设计得方便维护，易于维修
适应性维护
它的主要维护策略是对可能变化的因素进行配置管理，将因环境变化而必须修改的部分局部化，即局限于某些模块等
1、将部分功能设计成可选件，适应不同用户的需求
2、系统功能模块化，减少各功能模块之间的联系和依赖
纠正性维护
对在测试阶段未能发现的，在产品投入使用后才逐渐暴露出来的错误的测试、诊断、定位、纠错以及验证、修改的回归测试过程
系统开放调试接口
2.1.8可测试性设计规范
结构的可测试性特征主要表现在：
设立观察点、设立控制点、设立测量位。
同时注意，进行控制性测试时必须要保证程序和动作的合理性，不能对结构系统造成破坏损伤。
1）可观察性设计
●设立观察窗、观察孔
●尽量不留视觉盲点
2）可控制性设计
●设立控制按钮
●保证各器件的控制开关易于触碰
3）可分解性设计
●结构模块化
●易于分解拆装测量
●各模块尽可能互相独立，避免互相干扰
2.2执行标准
本产品遵守中华人民共和国软件产品质量标准，如下：
《JBT8678-1998电气设备机械结构框架通用技术条件》
《GB16655-1996工业自动化系统集成制造系统安全的基本要求》
《GB_19520.1-2007电子设备机械结构482.6mm（19in）系列机械结构尺寸第1部分：
面板和机架》
《GB_T_18663.1-2008电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第1部分：
机柜、机架、插箱盒机箱的气候》
《GB_50576-2010铝合金结构工程施工质量验收规范》
《SJT31002-1994设备维护保养通则》
3性能及技术指标
手机自动功检系统需要满足功能、产能、环境要求、可靠性需求，可操作需求、可维护性需求等各方面的要求，根据产品需求规格说明书、总体概念设计方案要求规定手机自动功检系统性能及技术指标如下：
（1）产能
海信：
全按键、集成功检程序手机，全部测试要求600部/小时。
联想：
全按键、集成功检程序手机，全部测试要求200部以上。
西可：
全按键、集成功检程序手机，全部测试要求250-300部。
（2）外形尺寸：
＜4*1*2M（长宽高）；
（3）操作人员：
2名；
（4）工作温度：
10~40℃；
（5）工作湿度：
0~70%；
（6）可测对象：
直板系列手机（全按键、触摸屏2类）；
（7）适应对象尺寸：
基板尺寸≤200*200；
（8）单站设备重量≤200kg；
（9）维护间隔≤3年/整机；
4模块细分与定义
4.1模块细分
本产品的结构系统分为：
手机定位装置，机械手、图像识别系统搭载、音频检测设备搭载、暗盒、传输装置、电控柜六个模块，各模块对应的技术定义如表4-1所示：
表4-1模块划分与技术定义
模块划分
技术定义
手机定位装置（治具）
1、手机定位夹紧装置要使手机准确定位，保证一定的重复定位精度（±0.1mm）
2、固定手机的同时要漏出手机正面键盘、屏幕、听筒、话筒，侧面按键，背面摄像头、扬声器等待测区域，方便检测
机械手
1、机械手正面触动按键检测
2、触动侧面按键检测
3、设计缓冲触头保护各个按键、屏幕
图像识别系统搭载
1、搭载图像识别设备于手机屏幕的正上方，保证拍摄的图像清晰稳定
2、设置色板作为比对标准
3、设置运动物供拍摄视频用
音频检测设备搭载
1、搭载仿真嘴，保证一定的发音信号
3、搭载仿真耳，保证一定的收音信号
暗盒
1、设置封闭环境隔音隔振
2、设置封闭环境遮光滤光
传输装置
传输装置完成手机的送检、进出站检测、回流。
电控柜
1、电控柜（带滑轮刹车）支撑整个功检装置
2、设置网孔板搭载控制器件以及其它电子元器件（可扩展）
4.2接口定义
机械结构接受控制系统的指令与信号完成所有的检测动作，同时搭载图像识别系统以及音频检测系统完成相应的检测。
机械结构与控制系统、图像识别系统、音频检测系统的接口主要实现安装固定和布线功能。
接口功能的具体内容如下表：
表4-2机械结构接口功能
固定
布线
普通线槽
屏蔽
控制系统
为伺服驱动器、电磁阀、PLC、开关电源、空气开关等控制器件、电子元件留出孔位
所有控制点线的引出，线槽的规划
特殊信号线设置屏蔽
图像识别系统
摄像机、色板、运动装置的固定与调整
吸盘、扎带固定
音频检测系统
仿真嘴、仿真耳的固定与调整
吸盘、扎带固定
5概念与技术探索
5.1可选概念分析
5.1.1产品规划概念
手机自动功检系统不是定制产品，没有特定的客户，要满足客户的不同需求，则要求手机自动功检系统同时具有通用性和适应性。
另一方面手机的发展日新月异，种类与构型各不相同，这就要求手机自动功检系统具有兼容性的同时具备一定升级换代能力。
扩散思维开来，手机自动功检系统不应该只满足于手机的检测，其它类手持电子数码产品也可以检测，所以手机自动功检系统能检测的产品如下表所示：
直板系列手机
翻盖手机
触摸屏电脑
电视数码家电
车载电子设备
其它电子产品
直板按键
直板触摸屏
滑盖按键
滑盖
触摸屏
旋屏按键
旋屏触摸
翻盖180度
按键
触摸屏
按键+触摸屏
双屏幕
平板电脑
遥控器
GPS导航
游戏机、MP4
针对如此多的被测产品，一款手机自动功检设备难以满足这些要求，只有产品系列化、设备模块化的概念才能同时满足客户需求多样性、手机产品多样性的特点。
之前4.1中已对手机自动功检系统进行了模块划分与定义，下面以直板按键手机自动功检系统为标准配置，对不同被测产品进行检测需要更换的模块描述如下：
手机类型
更换部件
直板系列
直板按键手机
标准配置（平面型治具、三轴机械手、水平图像识别系统搭载、水平音频检测设备搭载、普通通用暗盒、通用传输装置、通用电控柜）
直板触摸屏手机
换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头
滑盖按键手机
换治具
滑盖触摸屏手机
换治具，换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头
旋屏按键手机
换治具
旋屏触摸手机
换治具，换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头
翻盖180度按键手机
换治具
翻盖180度触摸屏手机
换治具，换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头
翻盖180度双屏手机
换治具，增加一套图像识别系统
翻盖90-180度内手机
按键+普通屏翻盖手机
更换立体型治具，换倾斜图像识别系统搭载，换倾斜音频检测设备搭载
按键+触摸屏翻盖手机
更换立体型治具，换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头，换倾斜图像识别系统搭载，换倾斜音频检测设备搭载
按键+触摸双屏翻盖手机
更换立体型治具，换机械手（五轴）加装弹性力反馈触头，换倾斜图像识别系统搭载，换倾斜音频检测设备搭载
触摸屏电脑
平板电脑
换大型号治具，换大行程机械手（四轴）加装弹性力反馈触头，换大检测面积图像识别系统搭载，换大型号暗盒，换专用传输装置
电视数码家电
遥控器
无需图像识别系统搭载，无需音频检测设备搭载
车载电子设备
GPS导航
换大型号治具，换大行程机械手（四轴）加装弹性力反馈触头，换大检测面积图像识别系统搭载，换大型号暗盒，换专用传输装置
其它电子产品
游戏机、MP4（按键+普通屏幕）
无
游戏机、MP4（按键+触摸屏）
换机械手（四轴）加装弹性力反馈触头
从上表需要更换的模块，可以看出被测产品之间的差异，手机自动功检系统可以分为三大系列即直板系列、翻盖90-180度系列、大尺寸系列。
以市场的占有率来看，建议先由直板系列手机入手。
5.1.2整体结构形式概念
根据手机种类型号的不同还有厂家要求的不同，目前手机产线上手机功能检测步数从十几步到三十几步都有，有的检测步简单有的复杂，有的检测步适合做自动功能检测有的则不能。
怎样满足产能需求？
怎样做到让客户易学易用？
怎样满足更换手机设备快速适应的要求，这些都与设计的整体结构形式有关。
首先想到的是传统的流水式检测模式，这种模式的好处是可以提高图像、音频检测设备的利用率，节约成本；然后出于更省人的目的，设计了圆环式模式；最后出于手机自动功检系统的适应性、可靠性、可维护性考虑，设计了一站分布式模式。
三种整体结构形式概念简介如下：
1流水式
检测流程：
被测手机依次通过流水线上各站点。
站点动作分析：
根据海信手机功检工艺1-4步需要人手动操作，5-8步涉及到手、眼，9-14步涉及到手、耳，15-16步涉及到手、眼，17步涉及到手、耳，18步涉及到手、眼，19-20步人手动操作完成。
站点规划：
第一站:
5-8步,包括机械手一套、图像检测设备一套，检测时间2s
第二站:
9-11步,包括机械手一套、音频检测设备一套，检测时间7s
第三站:
12-14步，包括机械手一套、音频检测设备一套，检测时间9s
第四站:
15-18步，包括机械手一套、图像检测设备一套、音频检测设备一套，检测时间6.5s
9-14步音频检测时间较长，所以分第二、第三两个站点检测，如果要进一步提高产能，站点还可以再细分，但成本相应增加。
产能分析：
根据以上站点规划，瓶颈在第三站，检测时间9s，加1s的传动时间，那么10s检测一部手机，1小时产能600部，刚好满足海信500-600部每小时的产能要求。
2圆环式
图2圆环式方案
检测流程：
圆环式方案是流水式方案的变形，被测手机旋转依次通过检测站
站点动作分析：
同上
站点规划：
5工位4检测站，按工艺过程站点划分同上。
产能分析：
产能600部/小时，与流水式一致，区别是，理论上比流水式多省一个人，但实际上一个人在10秒内无法完成插卡、上电池、开机、取卡、取电池、关机等动作。
3一站分布式
图3一站分布式方案
检测流程：
每一检测设备均配置所有硬件（机械手一套、图像检测设备一套、音频检测设备一套），每一手机都在单站点完成所有测试项目。
站点动作分析：
同上
站点规划：
可以采取多台设备检测提高产能，例如1拖4，一套控制系统控制4套设备。
产能分析：
（1）海信
完成5-18步检测工艺耗时24s，单台一小时产能150部，采用1拖4则产能达到600部/小时，满足海信产能要求。
（2）联想
联想手机检测共30步，自动检测步估算出的时间为100s，单台每小时产能为36部，联想产能要求200部以上，采取一站式1拖6方式可以满足产能需求，如果能优化调整检测步（不涉及厂测代码检测步），产能还可以提高很多。
（3）西可
西可检测时间在36s-45s,单台每小时产能80部-100部，西可产能要求200-300部，采用1拖3则产能达到240-300部/小时，满足西可产能要求。
4方案对比
以海信为例，如果前两种方案都为四站，一站分布式采用1拖4的方式，那么三种方案产能一致，在此假设下对三种总体方案从成本、适应性、可靠性、可维护性四个方面进行分析、讨论如下：
方案
成本
适应性
可靠性
可维护性
流水式
机械手4套、图像检测设备2套、音频检测设备3套
测试不同手机需要对各站点的功能、时间分配、硬件布置进行重新规划，规划的难度和工作量较大，不适合手机种类快速变化的生产线
总体可靠性是各站点可靠性的乘积，当一站发生故障时，整个检测线陷入瘫痪，同时，在对手机进行传输时会引起稳定性的下降
需要对各站点的功能、时间分配、硬件布置进行重新规划的时候，对工程人员要求较高，厂家技术人员可能无法胜任此项任务
圆环式
机械手4套、图像检测设备2套、音频检测设备3套
一站分布式
机械手4套、图像检测设备4套、音频检测设备4套
更换手机类型时不涉及对生产线的重新规划，只涉及对项目工程的规划，规划时间较短，难度较低
某一台设备发生故障，其余设备均能正常作业，可靠性较好。
测试过程中手机固定，稳定性较好
更换手机种类时，只涉及项目工程的规划，与设备布局无关，对厂家技术人员要求相对较低
总结
一站分布式多2套图像检测设备和1套音频检测设备，但是传动结构、控制系统成本比前者低，综合考虑一站分布式成本略高
前两者相当，一站分布式较前两者好
前两者相当，一站分布式较前两者好
前两者相当，一站分布式较前两者好
另外各检测步骤只能按厂测代码执行，不能随意更换，所以检测手机更换后，流水式、圆环式的灵活组合性优势不能体现，反而在硬件的布置、软件的设置上陷入困境，面对被检手机的频繁更换，如果采用流水式、圆环式则可能要投入大量的人力进行硬件布局重新规划、新建软件工程，同时在更换被检手机后设备调整时间过长，难以获得用户的认同。
综合以上分析：
项目组一致倾向于一站分布式结构。
5.2可选方案和技术
从模块化的设计考虑，每个模块针对不同的产品都有不同的方案选择。
5.2.1手机定位装置（治具）
手机体积小，很多比较贵重，它的定位夹紧之前有考虑采用真空吸盘吸取手机（吸取屏幕位置），利用气缸拉动高强度钢条（位置可调）固定手机的方式，如下图所示：
采取这种自动取放手机方式的话，那么要采用高端6自由度机械手（不止一台）实现直接拔插耳机、充电器、USB接头等一系列高难动作，这样成本将大大超出预算，客户难以接受。
如果设计一定的治具，手动放手机到治具，人工插入耳机转接模块、充电接头、USB接头，治具随传送装置下流、检测、回流，这样也能实现自动化的检测，不仅成本可以控制，而且人工插入更有保障。
根据不同类型的手机，治具作不同的规划设计方案如下：
1）平面型治具
平面型治具主要适用于除翻盖90-180度系列手机以外所有产品的定位夹紧，同时由于产品的不同，平面型治具还可以细分为以下三种：
①普通平面型治具普通平面型治具如上图所示，适用于直板按键手机、直板触摸屏、遥控器、游戏机、MP4检测。
②特殊平面型治具特殊平面型治具如下图所示，还是采取4周固定的方式，不过滑出、旋出、翻出的屏幕需要支撑一下，另外治具上的开口位置不同。
特殊平面型治具适用于滑盖手机、旋屏手机、翻盖180度手机检测。
③大尺寸平面型治具大尺寸平面型治具结构与普通平面型治具相同，尺寸更大，适用于平板电脑、GPS导航检测
2）立体型治具
立体型治具适用于翻盖90-180度系列手机检测，固定方式如下图所示：
5.2.2机械手
机械手是触动按键进行检测的重要介质，这里的机械手是是广义的，机械手的方案有以下几种：
1）活塞式
利用阵列式的气缸触动按键进行检测如下图所示：
此种方式的优点是：
成本低、速度快
此种方式的缺点是：
有冲击，不适合触摸屏检测，另外换手机新建工程调整费时。
2）XYZ直角坐标式机械手
利用伺服电机+滚珠丝杠线性模组搭建XYZ直角坐标式机械手，重复定位精度可以达到±0.05mm，最高速度500mm/s，可同时满足按键手机、触摸屏手机检测需求，维护周期3年。
3）水平关节式
水平关节式机械手模仿人的手臂关节动作，以雅马哈YK180XG机械手（JNOVEL所采用）为例：
XY轴重复定位精度±0.005mm，Z轴重复定位精度±0.01mm，XY轴最高速度3300mm/s，Z轴最高速度3300mm/s，性能优异，终身免维护，可作为高端配置。
4）六自由度机械手
六自由度机械手可以完成很多复杂的动作，如直接拔插耳机、充电器、USB接头等一系列高难动作，但是成本太高，不建议采用，但可以作为备选方案。
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