摘要：随着现代制造技术的发展，电子产品设计中手板模型的制作起着十分重要的作用。文中对手板 制作方法和手板无纸化加工以及手板在电子设备设计生产中的必要性进行了探讨和分析,提出要重视 手板模型在电子设备设计生产流程中的作用，提高设计效率,降低研发风险,使电子产品研发与生产规 模得到更大的提高。...

随着现代制造技术的发展，电子产品设计中手板模型的制作起着十分重要的作用。文中对手板 制作方法和手板无纸化加工以及手板在电子设备设计生产中的必要性进行了探讨和分析,提出要重视 手板模型在电子设备设计生产流程中的作用，提高设计效率,降低研发风险,使电子产品研发与生产规 模得到更大的提高。
引言
当今企业的竞争主要表现在产品款式、新产品开 发周期及产品生产规模要实现大规模生产.开模具 是必不可少的环节。但是电子设备的模具生产费用相 当昂贵,普通的一款小家电模具费用少则几十万,多则 上百万。如果做出来的产品不受欢迎,这对厂家会造 成巨大的经济损失,因此很多厂家在开发模具前都会 首先采用做手板的方式，以检验结构设计的合理性以 及调查和反馈市场的需求⑴。生产厂家通过这些反 馈信息及时更改和完善设计,尽可能缩短开发周期,提 高产品市场竞争力。
由于过去模型主要靠手工制作,所以称为手板,亦 称首板,它是根据产品外观图样或结构图样先做出的 一个或几个用来检查外观或结构合理性的功能样板, 是产品的第一个模型。手板还可用于设计验证、产品 评估、生产过程分析、制造工具的制作等。随着社会竞争的日益激烈.手板的制作在新品开发过程中的地位
越来越重要。
1.手板的制作方法
1.1传统手板制作手法
过去由于技术条件的限制，手板模型的制造主要 是用手工完成的,材料多用容易成型的黏土、石膏、木 材、泡沫塑料等,尺寸精度低,主要用于表现实物形态, 对制造人员的手工技艺要求高，目前在产品的创意阶 段和精度要求不高的建筑模型中应用较多。
1.2快速成型手板制作方法
从理论上讲,快速成型手板制造工艺（RPM: rapid prototype manufacturing)应该是最好的手板模型制造 方法。快速成型工艺的类型很多,但基本思想是一致 的，即利用计算机辅助设计（CAD)模型把零件分为很 多层面制造,再结合。这就导致层内加工精度高,层间 精度低,特别是在浅平面处误差大。快速成型手板制造中以立体光刻设备(SLA: stereo lithography appaia-tus)光敏树脂选择性固化应用最广泛。材料（包括支 撑件等附加部分）成本目前约10元/g〜20元/g。SLA 机的加工能力按体积计算,单坐标尺寸小,许多大尺寸 零件无法加工,大型SLA机手板模型生产企业很难承 受。另一方面,光敏树脂与常用材料差异很大,限制了 模型的着色、上金等加工。当然，随着生产规模的扩 大,成本问题至少能得到部分解决。其它快速成型工 艺有溶融沉积成型（FDM: fused deposition modeling)、 选择性激光烧结技术（SLS: selected laser sintering)以 及层合实体制造方法（LOM : laminated objectmanufac- turing)。因生成的材料有空隙,选择性激光烧结技术 多应用在要求不高的手板模型制造中。层合实体制造 方法的分层精度较低。目前,许多科研人员正采取各 种优化方法来提高分层拟合的精度.但尚有一定距 离[2],:,快速成型设备目前尚未成为手板模型企业的 标配.只是在大型手板模型制造企业配置.多以aA 光敏树脂选择性固化为主,:，
1.3数控机床（CNC)手板制造
20世纪90年代以后,随着计算机辅助设计/}十算 机辅助制造（CAD /CAM)系统的出现和数控机床的大量 应用.数控加工的成本迅速降低.数控机床的_工领域 和范围不断扩大.人们发现用数控机床加工手板模型不 但尺寸精度高、速度快.成本也有竞争性.使手板模型的 大量制造成为可能许多原来不能加工的细微结构.都 能用数控加工来完成,:，CNC手板模型目前多采用易切 削的ABS塑料、亚克力（HVMA))、尼龙、硅橡胶、铝合 金、锌合金、铜等材料在数控机床上加工完成,:，CNC手 板模型因为采取在整块材料上挖掘生产的方法.不但精 度高、刚度好,而且材质一致,真实感强,圆弧及曲面的 表达也很好,并且表面质量也可以达到很高的水平,在 拋光、电镀、喷塑、喷漆、丝印等后续加工后,制造效果完 全可以同开模具生产的产品相媲美。
综上所述,目前做手板的方法主要有手工手板、快 速成形、CNC手板3种。传统手工手板效率低,不能 胜任较复杂曲面的手板,而且精度、形状很难保证,不 能确保各手板零件间的配合;而目前较先进的快速成 形手板制作方法，由于其精度高、效率高而得到使用， 但因其材料成本较高,设备较贵,难以在中小企业推 广，因而其应用受到限制；CNC手板因其效率较高、成 本适中,而且设备比较普及而得到大部分厂家的采用。
2.手板的CNC无纸化加工
现在很多企业已经实现或正在建设产品数据管理(PDM)系统及产品生命周期管理（PLM)系统。由于 技术的不断进步,设计及管理的不断发展,结构图纸设 计经历了手工绘制图纸、二维CAD无纸化设计和基于 三维图形的二维工程图关联设计3个阶段。现在，随 着三维CAD技术的日益普及以及CAD/CAM —体化 技术的日趋成熟,三维模型可以替代二维图样作为技 术交流和信息传递的主要方式，即二维图样已不再是 设计制造过程中的必要文件,而无图的三维模型的地 位显得越来越重要[3]。现在，CNC手板的生产已实现 了无纸化。用户只要将三维模型数据传输给手板制造 公司,手板制造公司直接根据三维设计模型用自动编 程软件开展数控编程,把CAD和CAM功能有机结合 起来,从图形绘制到编制加工轨迹,再通过后续处理转 化为数控机床能识别的加工程序,输入到数控机床上 完成零件的加工.使设计、绘图、加工更容易,更方便,:，
目前，三维模型设计软件以UG, Pro/E, Solid- Woiks, CATK等为主，而数控加工自动编程软件以 MasteiCAM, Cmatron, PoweM LL 等为主，一■个企业的 编程人员一般只用一种编程软件三维软件虽然都有 文件的转换功能.可以直接读入其他软件的造型.但事 实上由于程序开发先后关系.只能读入其他三维软件 旧版本文件.而不能识别当前应用的主流版本所以 目前手板生产公司和设计单位多通过IGES格式或 STEP格式进行文件交换M a ste CAM最新发行的 MasteiCAM - X对四轴、五轴和多轴功能做了进一步 大幅提升.包括四轴、五轴曲面加工和多轴刀具路径. 可以直接读取其他CAD文档，包含DXF.DWG, IGES, VDA, SA.T, Pa rasa lid, SolidEdge, SolidWoiks 及 STEP 文 件。
3.手板在设计生产中的必要性
3. 1检验外观及结构设计
手板不仅是可视的,而且是可触摸的,它可以很直 观地以实物的形式把设计师的创意反映和体现出来， 避免了 ‘设计出来好看而做出来不好看”的弊端,因此 手板制作在新产品开发及产品外形推敲中是必不可少 的。因为手板是真实的物体,是可装配的,所以它可以 反映出结构的合理性与安装的难易程度,便于及早发 现问题,解决问题。
3.2避免直接开模的风险性
由于模具制造费用很高,如果开模具的过程中发 现结构设计不合理或其它问题,其损失可想而知。一 个花费1 000元的模型制作检验出来的设计缺陷,如 果投入批量生产,投放市场,可能造成1 000万元的巨额损失。所以,在产品设计早期及时发现产品设计过 程中的缺陷并及时修正，以避免后续批量生产的问题 显得十分重要。手板模型制作是我们可以利用的重要 环节。通过手板模型的制作，以较小的成本获得产品 最终的形态或进行人机工程学操作测试,也能够预知 产品体积、质量等重要信息,还能有效控制产品的包装 成本、运输成本以及生产制造消耗的原料成本,并由此 估算出产品的销售价格和销售利润。如果成本超出设 计之初的设想,可以及时进行调整重新设计,直至达到 成本既定的目标范围。
3.3调查反馈提高产品市场竞争力
由于手板制作的超前性,企业可以在模具开发出 来之前,利用制作出来的小批量手板产品进行宣传,甚 至前期的销售和生产准备工作，以及早占领市场。向 潜在客户展示平面展板或演示三维动画等都不会有向 他们展示模型实物更具吸引力,仿真模型可以最直观 地表达产品的形态、色彩、大小、结构、功能等信息。通 过展览或者让最终客户进行实际验证的形式,进行市 场调查,反映客户的意见,手板模型技术就能在批量生 产之前,预知产品最终消费者的实际心理效果及使用 效果。
4.应用实例
某项目需要研制款接收机,要求釆用外置应用方 式,具有防雨、抗振等功能,高度不大于GB/T 3047. 2 (痛度进制为44. 45 mm的面板、机架和机柜的基本尺 寸系列》)中1U的高度,设计时应遵循小型化设计原 则,在符合实际应用的前提下,尽可能把设备做小,并且 设备要便于安装和使用。要求外观新颖,设计简洁,突 出人机界面的使用要求,功能分区直接明了 ,在有限的 空间内,强调视觉识别和手动操作的有效性、便利性。
4.1模型设计及讨论
根据设计要求,手绘几种初步草图方案后,通过三 维设计软件根据草图做出符合要求的三维模型,再由 项目小组对几种方案外观及形态进行评审和讨论,最 终确定用以加工手板的模型。在本项目中设计了 3种 模型方案,如图1所示,然后把需要加工手板的模型通 过合理的方式拆分细化为零部件的三维模型。
4. 2 CNC无纸化加工手板
釆用二维图纸加工时,需要将设计模型转化成平 面二维图样,需要标注非常详细的定位尺寸及特征尺 寸,有时候还因为特征不容易表达或者标注错误,使加 工出来的零件模型与原始设计产生偏差。由于现在的 CAD /CAM 一体化技术的逐步成熟,完全可以根据计
图1接收机三种外观及形态模型方案
算机三维模型进行无纸化加工,并且能够更加准确地 表达方案设计意图,使得手板模型加工变得非常方便, 可以不需要再转化为详细的二维图样,只需将简化的 后续图纸加工信息及三维模型直接传给手板制造厂。 这些简化的信息包括拋光、电镀、喷漆颜色、丝印等后 续加工工艺。因为图1所示模型釆用Solidworks软件 设计,为了避免产生设计软件之间不兼容的问题,需要 将零件模型转化为IGES格式后,再传输给手板制造 厂,手板制造厂再利用CAM软件并通过后续处理转化 为数控机床加工中心的加工程序,完成每个零件的加 工。

4.3检验设计及反馈改进
手板模型的所有零件加工完毕后,可以汇总零件 及外购件进行实际装配，以检验结构设计的合理性。 装配完毕后可以验证实际使用效果,是否符合人机工 程学操作。条件具备后可以进行淋雨、振动等实验,查 看是否满足防雨、抗振条件。通过一系列验证后,把改 进意见汇总反馈,修改模型设计,进一步完善手板,使 产品造型及结构更加完美,为后续批量生产确定最终 的造型方案。
4.4模型的小批量生产
由于CNC手板模型成本适中,既适合大型企业开 模具前的设计验证也适合研究所性质的小批量生产。 因为本款接收机生产数量没有达到开模具的必要,所 以釆用CNC小批量生产加工,这样,产品既达到了开 模具所要求的外观及质量,也具有更好的经济性。
本项目通过以上步骤进行开发及生产，明显减少了设计缺陷,增加了其p构设计的合理性,缩短了研制 周期,避免了直接开模具的风险,釆用小批量生产节约 了大量成本,并提高f市场竞争力。
5.结束语
总之,制作手板可以在极短的时间内实现从设计 到实物的转变,让产品在开模具前能够得到全面而正 确的评估,使产品开发更加顺利,大大降低投放市场的 风险,这在新产品开发及产品换代进程中是必不可少 的环节。而且随着现代加工技术的进步,手板模型的 制作技术越来越完善,手板制作的成本也在不断降低。 在此基础上,更应重视手板模型在电子设备整个设计 生产流程中的作用及必要性,充分发挥其积极因素,提 高设计效率,降低研发风险,使电子产品的研发与生产规模得到更大的提高。