玩具结构设计2014

常用玩具结构设计指引结构设计本身是机械的概念，而玩具产品中使用得最多的结构件是塑胶件，塑胶制件最常用的成型方法是注塑，所以对于玩具设计工程师来讲，要有深厚的机械基础，对各种机械运动的性能要特别熟悉，同时又要具备一定的基础知识，以及对塑料特性的了解。结合到玩具的实际情况，对多种设计只作指引性介绍。5.1电路，电路板，电线等配件的设计电子设计已进入IC设计阶段，已经很难找到一个玩具里面堆有很多的三极管，二极管，电阻等电子元件了，这样做最大的好处是省钱，不但省了电器的钱，而最重要的是省了很多的装配位，也就省了很多装配成本，同时装配的增加会增加出错的装配位，而IC的开发费用虽然高，但开发出的IC有利于产品的标准化，IC的用量越多，成本就会降得越底。电子部分设计的内容很多，甚至有很多“神奇”的东西无法想象，但对一个产品工程师来讲，最重要的是如何运用，所以，我们只从这个方面进行介绍。（1）对于产品工程师来讲，最主要的是定义出你所要的功能，比如遥控车，我们要给出的内容有：1功能表（遥控器上的两个摇柄，左边一个向前时，车要向前进，左边一个向后时，车要向后退，右边摇柄向左时，前车轮向左转，右边摇柄向右时，前车轮向右转）；2所能提供的电压（即电池的多少，有时是与电子工程师协商和后的结果）；3能够给电子部分的空间（一般电路板焊接面上至少有5MM的间隙，而装电子器件的面上要有12MM，甚至有一张电子板的尺寸图纸，上面标有固定位，固定方式，固定极限等，以便电子工程师部线）；4其他的一些特别要求。（2）DEMO板，就是模拟演示板。IC开发部有很多种形式的万能IC，这样的IC是可以用来编辑的，比如各种语音，声响，程序等，都可以经电脑很快的做出一个模拟的效果，并可演示出来，这就使得电子部分的开发很快，而且很方便，虽然外观难看一点，但他的功能几乎根据你所需要的IC一样，在所有要开发的内容全部实现后，最终只需要简单地测试就可以了。（3）并不是所有的IC都需要从新设计的，事实上每一个IC公司都会有很多现成的开发好的IC，并有很多类型的IC，几乎每一间大的公司都有产品的说明，所以很大一部分是选用现成的IC，这就需要你把功能详细列出来。比如：遥控车，需要四个输出分别给前进，后退，左传，右转，然后去找有四个大功率可以控制马达的输出，不过一般情况下，只需注明某个输出是用来干什么的，如：发光的，启动喇叭发声的，带动马达转动的，电子工程师会帮助你的，但最好你能够了解多一点，这样就可以在设计时尽量就IC的功能来配你的设计功能。因为这样做一方面节省时间，另一方面既省钱又可靠，要知道套用一个成功的案例会避免走很多的弯路。（4）电路板的设计。对于一个产品工程师来说，电路板的设计也就是电路板的形状的设计，电路板有很多种，单面的，双面的，多面的（可以部线的面）；也有树脂的，纤维的（纤维的厚一点，一般1.5~2.0MM左右，纤维的薄一点，0.8~1.2MM左右）。而面积的形状是根据产品的结构来决定的，即能够留给电路板的空间来决定的。但如果考虑到要用普通的电子器件，如：三极管，电阻，电容，要在装电子器件的一面留有最小12MM的空间，以便能够把带有电子器件的线路板放进去，如实在无空间，也可以选用价钱很贵的元器件，不过得与电子工程师协商。（5）电路板的固定。电路板（带IC的或不带IC的）都需要可靠的固定，因为电路板本身的机械强度有限，而玩具产品又要经得起剧烈的冲撞，如落测试等，所以线路板必须固定稳当，可以使用打螺丝（注意避开线路），也可以通过其他的方法把线路板压紧。一般电路板会被安装在相对独立的空间里（就是做个盒子装住）。还应注意：1电路板要远离要带磁场的东西，如马达，线圈，越远越好，以免干扰；2如果玩具可以清洗的，特别是沙滩玩具，浴盆玩具等，要注意防水；3电路板固定好后，在做合理性破坏测试时要不能受到很大的冲击；也就是不能让带线路板的塑胶位（件）直接受到冲击；4线路板不能受压挤；5过大的线路板须加支撑。（6）导线的走位及固定。1原则上为了方便安装，可以把几乎所有的线，电路板，牙箱，喇叭等全部固定在玩具的一边或某一件上，这种安装时不会以为连线在一起而出现麻烦；2导线需要紧贴在制件上，防止在合理性破坏测试时因导线的振动而使得焊点脱落或断裂；3导线的长度要合理，过长的导线一方面不能省钱，另一方面又会带来不必要的缠绕麻烦，过短的导线易断；4导线的焊接点外最好设计一个打节点，利用线的打节点位来保护焊点断裂。（7）发声装置。发生装置有两种：一种是机械发声，这比较简单，即利用某一弹性体（如：刚片或硬质胶片）与某一转动（移动）体碰撞引起弹性体振动而发声，或者就是几个硬质的小物体相互碰撞而发声；另一方面是利用扬声器（喇叭，蜂鸣片等）来发声，这种最基本的设计是要保证扬声器的两面完全分隔开而把声音传出来，当然最好能够形成一个半密封的空间以起扩大的作用。一般扬声器都是标准件，几乎所有的厂家都有说明书，问题就是如何选用，有时要与电子工程师共同选择，特别是IC的情况。（8）发光装置。在玩具业中用得最多的是发光二极管，三极管，LCD及灯泡等，最多的是LCD，而光的要求一般有发散的和有方向性的（可以经某一透明件传播一段距离的情况）。但共同的要求是把这些发光的元器件固定好而不能直接的受到冲撞而引起碎裂（安全问题），特别是用灯泡的情况。实际工作中经常会设计一个专门的制件来固定他们或设计一块PCB板（线路板）来焊接它们，在把PCB板固定好后，只在制件中专门设计一个孔洞以把光发散出来（PCB板的固定要比灯泡固定要容易的多）。而对于有方向性的光（如汽车的灯）则可以把固定LCD的制件电镀（或加一张反光纸），就象手电筒的设计一样，来加强光的方向性。而对于某一制件传播一段距离的，一定要保证这个制件与LCD灯光源接触的面积是平的，而且越平越好。对于这些发光制件，一般都是标件，不同颜色的LCD的价格不同，可能会相差好几倍，如蓝色光LCD的价格至少是白色光和蓝色光的五倍光以上。（9）开关的固定。玩具中使用的开关绝大部分是标准件。如果是标准件，就直接按厂商提供的尺寸来设计就可以了。但有一些开关是要自己设计的，开关的设计原则是可靠性，不管是标准件开关，还是自己设计的开关，最主要的是在产品中的固定。1开关在玩具中的位置，一般要放在显眼处，除非你有特别的目的，2开关安装在玩具上要尽量避免因开关滑动块（片）的自身重力而滑到工作位，比如在玩具正常使用时，开关的方向垂直于地面的，此时要求开关的下端为关，而把工作位放在上面，这样即使开关出现问题时，也可以保证是关的情况，以减少电池不必要的放电。当然这是相对的。3开关最好不能被直接受到冲击，设计时也就是在开关位设的一个坑，而开关只是高于坑面而低于玩具表面。（10）有电子的产品通常在出现问题时，特别是开发阶段，首先应检查开关是否失效；其次要检查电池是否有电；在其次是检查电路是否断开，如焊点断了，或虚焊；然后检查是否是机械问题；在最后单独检查IC是否被烧坏，或是否受到电流，电压，振荡磁波等方面的干扰；最后在确定IC是否可以工作。5.2马达的设计马达（电机）是玩具业中能够保持持续动力的主要动力源，马达是利用电线圈在稳定的磁场中发生旋转的原理基础上通过保证带电线圈中的电流方向的改变而使得线圈发生持续的转动。在玩具业常用的马达有万宝制（Mabuchi），标准(Standard)等。这些马达厂都会有马达性能的参照表，所以你很少有机会设计一个马达，主要是选用，当然也是可能因为某种原因而专门设计一个马达。而且很多马达厂的工程师都是从Mabuchi出来的，所以Mabuchi的标准基本可以用做玩具业的马达标准。（1）转速。马达厂的标准是空载的转速，而转速比计算时，一般就是用空载转速的计算，如：行走类的转速比在80~150之间。因玩具产品并非是一种精密的机械，而实际上一方面很难清楚地计算出载荷到底多大，而另一方面也没有必须，我们可以通过调节齿轮的传动来实验出所需要的传动比。比如：：齿轮传动中某一节的齿数比是20：8，实验发现转速太慢则可以试一下为22：6，如果转速太快，又可以换18：10的试一下，非常方便。（2）载荷与扭矩。马达厂有一个最大载荷的数据，还有一个载荷与转矩的关系，因为玩具产品一般不会很大，而且是用电池驱动的较多，所以马达的载荷也不会大，一般来说，载荷与转矩越大，马达的体积也越大，所要的电池也越多，而且玩具的质量也越重，所以尽量选用合适的马达。一般为保险起见，载荷与转速在曲线的上升区的马达就可以保障了。如果要节约成本，在找到一个大功率马达就可以起作用的情况下换一个小功率试一下，如果可以运作就在找少一点的试一下，不行就再大一点。（3）马达的工作原理是不断地通过电刷来改变线圈中的电流，从而保证连续的转动。可以想象，马达里的磁铁越大，线圈越长，则扭矩会越大，而这种电流的改变会形成一个电波。电波的存在会对很多种家用电器干扰，如果一个小孩在等飞机的时候玩的话，还有可能影响飞机的起降，所以一般都需要通过FCC（美国货），EMC及EN50088（欧洲货）等电子产品的要求，特别是EMC很难通过，所以在实际工作中会增加一个抗干扰的垫圈（如DVWASHER，0.5港币左右）。但一般设计时都会在马达的两个电极上并联上一个陶瓷电容或一个电阻（稳定电路的作用），一方面减少电刷与线圈转换时产生的电流影响到整个自身的电路，另一个方面起稳定的作用。实际工作中用一个小调频收音机来做干扰器材，如不影响所有波段的电台就基本上认为是可以了。（4）马达转动轴一般#2.0铁轴，而铁轴一般是直接紧配一个6齿或8齿的0.5模数的齿轮（或一个小带轮或蜗轮），当是齿轮或蜗轮时，特别是蜗轮时，就会因为刚启动的瞬间，齿与齿之间会卡位，这时线圈中的电流会加大，而导致铁轴串动，这一串动就会解卡，所以在固定马达时千万不要把轴在轴的方向上固定死（至少要有0.5MM的余量）。（5）线圈是有电阻的，电流通过电阻是会发热，所以马达的外客最好不要直接的被接触到，同时马达也不可以放在一个密闭的小盒子里，密闭的小盒子会导致热量散发不出，而另一个原因是密闭的小盒子就形成一个音箱，会扩大马达的噪声。（6）马达产品遇到的最大问题是就是噪声。虽然这种躁声也许不会有安全性问题，但是听起来不舒服。躁声的最大问题出于高速齿，一般齿与齿的中间的间隙会有10~20个丝之间（对0.5模的齿轮来说），太小了，高速齿会碰撞发出巨大的噪声，太大了，一方面没力，另一方面还会有噪声，所以有时会用一个皮带轮或一个软的传动齿（如PE轮）来降低噪声。当然还可以加一点马达油（无毒的马达油）。但就是如此，还得注意带马达的牙箱最好不要与制件，特别是大的带有相对密闭空间的制件共件，即在大的制件上做出牙箱夹板，如电池箱，车底座等。这些密闭空间会起到一个扩音器的作用，几十倍的放大噪声。作者曾经经历过很多这方面的设计，如直接把马达固定在电池箱的底边或侧边，那噪声会非常大。举一个真实的例子，某一公司开发过一个1.5IN的大的遥控车（甲壳虫外形），当时就是在车底直接做牙箱，这就是说把马达直接的固定在车底上，因为这样省掉一套模具钱，同时降低装配时间，马达的噪声震动直接传动到车底引起车底共振，结果那噪声可以跟喷气式飞机启动的噪声一样大，而最后不得不新做了一套模具把牙箱给拆出来，并在牙箱与车底安装处垫上海绵以吸振才解决。所以可以看出玩具的噪声很大时可以想办法把牙箱与紧固件之间加上海绵或其他的吸振软材料（如橡胶片等）来减少共振而得以减少噪音。（7）马达的固定。马达的两头专门设计有固定装置，这是用来固定的，只有参照马达的尺寸图，用上下两件的夹板夹住就可以了。一般不会固定马达的壳身，因为这样一方面散热不好，而另一方面也很难做到固定稳当，除非结构上万不得已，马达也可以通过打螺丝固定（马达上有专门的打螺丝的孔）（8）一般马达的正反转都可以使用。