设计阶段 - 盖子组装机械部分1

欢迎回到开源笔记本电脑项目！在这次更新中，我们将深入探讨笔记本电脑盖的机械设计。之前，我们已经探讨了哪些显示面板可用以及哪种最适合我们的应用。我们的搜索和面板测试都取得了成功！现在，难点开始了：将所有东西装配成一个既坚固又实用，同时外观又好看的系统。

虽然这次更新的标题是盖板组装机械，但正如你将看到的，电气设计和机械设计之间的界限会变得相当模糊。然而，这就是这样一个项目的本质。机械方面的许多决策都直接影响到电气设计，反之亦然。当然，我们必须同时考虑双方。

网络摄像头PCB的1.0版本

材料和制造方法

我们需要回答的第一个问题是使用哪种材料以及如何制造盖板。这将直接影响我们能在盖板上模型化的形状和相关成本。最后一点尤其重要，因为在撰写本文时，我们并不考虑一个非常高产量的产品设计。这限制了制造技术的选择，因为涉及高工具成本的过程目前不是一个选项。因此，片材成型过程和任何类型的铸造技术都被排除在外。这两种制造技术都需要昂贵的模具或冲压模具，对于较低数量是不划算的。

唯一剩下的可行选项，同时也提供现代且坚固的外观和感觉，是从一块实心铝材中机加工盖板。CNC机加工的原型相对便宜，且交货时间短。由于现代CAM程序可以在一定程度上自动化机器的编程，因此机加工零件的相关设置成本相当适中。

既然知道CNC机加工将是首选的制造过程，我们可以继续进行3D建模。

盖板的3D建模

我们将首先集成显示面板。为此，我们可以使用Framework提供的面板和安装支架的3D STEP文件：

https://github.com/FrameworkComputer/Framework-Laptop-13/tree/main/Display

首先，笔记本电脑盖的基本形状就是一个带有圆角的矩形，以及一个用于显示屏的凹槽：

笔记本电脑盖的基本形状

由于整个部件将从一个铝块中加工而成，我们已经可以设计出安装显示屏所需的所有功能。多亏了显示屏上预装的支架，我们只需要提供一个M2内螺纹和一个对齐销来安装面板。

间隔柱的高度被选为使得面板不会平放在铝制托盘上。相反，面板和盖板托盘之间有1mm的间隙。这是一个非常重要的设计特性，确保了面板敏感的背面在盖板打开时不会直接与铝制托盘接触。

笔记本电脑盖的弯曲

为什么笔记本电脑的盖子会弯曲呢，难道设计目标不是创造一个既薄又坚固的盖子，保护显示屏且在使用中不弯曲吗？

虽然这可能是理想情况，但实际上我们必须在重量、厚度和刚度之间找到一个好的折中。我们可以构造一个完全不弯曲的非常坚固的盖子，但这需要很高的材料厚度，这会导致整个笔记本电脑的整体厚度增加，同时也会增加很多重量。我们希望使盖子尽可能地薄和轻，同时控制好变形。

我们可以通过在CAD模型上运行一些弹性模拟来近似理想的材料厚度。由于我们知道打开笔记本电脑需要施加的大致力量，我们可以使用它作为模拟输入来计算盖子的变形。由于我们还不知道覆盖玻璃将如何安装，它将不会被包括在模拟中。

仅从一个角度打开笔记本电脑时盖子的变形示意图

集成网络摄像头板

在显示面板就位且正确的材料厚度已经确定后，我们可以开始考虑如何集成网络摄像头PCB。与大多数笔记本电脑一样，我们系统上的网络摄像头位于屏幕上方的屏幕边框中央。这是网络摄像头最直观的放置位置，但它只在面板和盖子之间留下了一个小缝隙供我们使用。

在开始设计并在CAD模型中放置网络摄像头和周围的功能块之前，我们首先需要仔细查看网络摄像头板上有哪些组件以及在安装它们时需要考虑什么。下图显示了除了网络摄像头之外，我们还有许多其他功能块将放置在网络摄像头板上：

网络摄像头板上放置的功能块示意图

在集成网络摄像头PCB时，这里有一点小复杂。我们需要确定网络摄像头PCB上四个主要功能块的放置位置。从机械角度来看，只有其中一个块可以根据我们的需求进行调整，那就是用于激活和停用隐私关键功能的触摸板。其他三个功能块主要由单个组件组成，例如环境光传感器。让我们简要查看单个组件，以突出部件特定的机械设计要求。

环境光传感器

Vishay Semiconductors的环境光传感器是VEML3235。它采用小巧的2.0mm x 2.0mm x 0.87mm塑料封装，顶部透明：https://www.vishay.com/en/product/80131/。

环境光传感器VEML3235的特写图像

光学传感部分的芯片几乎位于封装的中心位置。为了使光传感器在低环境光水平下正确工作，需要尽可能将其靠近盖玻璃的观察窗口放置。VEML3235的应用说明书向我们展示了如何根据部件到观察窗口的距离计算窗口大小。对我们来说最重要的一点是，我们需要尽可能地将传感器靠近盖玻璃的下侧。当我们开始设计盖玻璃印刷时，我们需要回到应用说明书并为正确的观察窗口大小做计划。

VEML3235集成应用说明书的截图

双MEMS麦克风

我们系统中使用的麦克风是Knowles SPK0641HT4H-1。两个麦克风将被放置在相机的左右两侧，以录制立体声。这两个麦克风的安装情况与环境光传感器类似。我们希望将麦克风口尽可能靠近盖玻璃中的相应孔。我们还希望在麦克风周围放置一个泡沫垫圈，以在盖玻璃的口和麦克风之间创建一个“导向”，但这将是麦克风板下一次修订的一部分。

MEMS麦克风Knowles SPK0641HT4H-1

网络摄像头图像传感器

最后，但绝对不是最不重要的，我们有OmniVision OV2740网络摄像头图像传感器。图像传感器本身的厚度仅约0.8mm。对我们现在来说更有趣的是传感器加上将位于传感器顶部的微透镜组件的总高度。有几种透镜类型可供选择，但大多数的总高度约为4mm。这意味着图像传感器必须至少位于距离盖玻璃下侧4mm加上一些余量的位置。

OmniVision OV2740 图像传感器

网络摄像头电路板

我们现在面临的挑战是在单个PCB上容纳多个具有不同高度要求的组件，并且这些组件位于覆盖玻璃下方。在机械和电气上有几种方法可以实现这一点。我们将探讨至少两种方法，通过两次修订相机PCB。一种方法是使用具有多种加固片类型和厚度的柔性PCB。

多种加固片厚度创造出具有多个高度级别的板

我们将在盖子的电气设计部分更仔细地查看PCB本身。现在，让我们关注网络摄像头PCB是如何安装的。电路板的中间部分使用了0.2 mm不锈钢加固片。这个中间部分包含图像传感器和一个板对板连接器，用于将网络摄像头连接到主板。由于加固片的厚度较低，我们可以通过将这个部分放入笔记本电脑盖中加工的一个小口袋里，来满足相机镜头的4 mm高度要求。

在下面的图片中，您可以看到摄像头口袋中加工的两个小定位销。这些将适合不锈钢加固片左右边缘附近的两个小孔。这些销将确保电路板特别是相机镜头与覆盖玻璃中的观察窗口对齐。

带有定位孔的网络摄像头PCB

上图可能已经显示了整个电路板如何在系统中安装。但是，我们仍然需要确保PCB的中间部分能够平整地安装在机加工的凹槽中，并且在遭受重度振动或冲击时不会移位甚至跳过对齐销。

这个问题以及更多问题将在下次更新中回答！我们还需要在可以继续进行电气设计之前，解决盖子的机械设计上的一些挑战。我希望你也会继续关注接下来的更新！