Giai đoạn Thiết kế - Cơ khí Lắp ráp Nắp Phần 1

Chào mừng trở lại với dự án laptop mã nguồn mở! Trong bản cập nhật này, chúng ta sẽ đi sâu vào thiết kế cơ khí của nắp laptop. Trước đó, chúng ta đã khám phá xem những tấm nền hiển thị nào có sẵn và cái nào sẽ phù hợp nhất với ứng dụng của chúng ta. Việc tìm kiếm đã thành công như là việc thử nghiệm tấm nền! Bây giờ, phần khó khăn bắt đầu: làm sao để phù hợp hóa mọi thứ vào một hệ thống không chỉ bền vững và chức năng, mà còn phải đẹp nữa.

Mặc dù tiêu đề của bản cập nhật này là cơ khí lắp ráp nắp, ranh giới giữa thiết kế điện và cơ khí sẽ bị mờ đi khá nhiều như bạn sắp thấy. Tuy nhiên, đó là bản chất của một dự án như thế này. Nhiều quyết định từ phía cơ khí có ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế điện và ngược lại. Tất nhiên, chúng ta phải xem xét cả hai mặt cùng một lúc.

Phiên bản 1.0 của PCB webcam

Vật liệu và phương pháp sản xuất

Một trong những câu hỏi đầu tiên chúng ta cần trả lời là sử dụng vật liệu nào và làm thế nào để sản xuất nắp. Điều này sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến các hình dạng mà chúng ta có thể mô hình hóa vào nắp và chi phí liên quan. Điểm cuối cùng này đặc biệt quan trọng vì chúng ta không xem xét một thiết kế sản phẩm với số lượng cao vào thời điểm viết bài. Điều này hạn chế sự lựa chọn của các kỹ thuật sản xuất, vì các quy trình liên quan đến chi phí dụng cụ cao hiện không phải là một lựa chọn. Các quy trình tạo hình kim loại tấm và bất kỳ biến thể nào của kỹ thuật đúc do đó đều không được xem xét. Cả hai kỹ thuật sản xuất đều yêu cầu khuôn đắt tiền hoặc dập khuôn không hiệu quả về chi phí cho số lượng thấp.

Lựa chọn khả thi duy nhất còn lại cũng mang lại vẻ ngoài hiện đại và bền vững là gia công nắp từ một khối nhôm rắn. Các mẫu gia công CNC tương đối không đắt và có thời gian dẫn ngắn. Chi phí thiết lập cho các bộ phận gia công khá vừa phải nhờ vào các chương trình CAM hiện đại có thể tự động hóa việc lập trình máy móc đến một mức độ nhất định.

Biết rằng gia công CNC sẽ là quy trình sản xuất được lựa chọn, chúng ta có thể tiếp tục với việc mô hình hóa 3D.

Mô hình hóa 3D của nắp

Chúng ta sẽ bắt đầu với việc tích hợp tấm nền hiển thị đầu tiên. Với mục đích này, chúng ta có thể sử dụng tệp STEP 3D của tấm nền và giá đỡ được cung cấp bởi Framework:

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

Để bắt đầu, hình dạng cơ bản của nắp máy tính xách tay chỉ là một hình chữ nhật với các góc bo tròn và một ngăn cho bảng điều khiển hiển thị:

Hình dạng cơ bản của nắp máy tính xách tay

Vì toàn bộ phần này sẽ được gia công từ một khối nhôm duy nhất, chúng ta có thể thiết kế tất cả các tính năng cần thiết để lắp đặt màn hình. Nhờ có các giá đỡ được lắp đặt sẵn trên màn hình, chúng ta chỉ cần cung cấp một ren nội M2 và một chốt căn chỉnh để lắp đặt bảng điều khiển.

Chiều cao của các giá đỡ được chọn sao cho bảng điều khiển không nằm bằng phẳng trên khay nhôm. Thay vào đó, có một khoảng cách 1mm giữa bảng điều khiển và khay nắp. Đây là một tính năng thiết kế rất quan trọng đảm bảo mặt sau nhạy cảm của bảng điều khiển không bao giờ tiếp xúc trực tiếp với khay nhôm khi nắp được mở.

Uốn cong nắp máy tính xách tay

Tại sao nắp máy tính xách tay lại bị uốn cong, không phải mục tiêu thiết kế là tạo ra một nắp mỏng nhưng chắc chắn bảo vệ bảng điều khiển và không bị cong khi sử dụng sao?

Mặc dù đó có thể là trường hợp lý tưởng, nhưng trên thực tế chúng ta phải tìm một sự thỏa hiệp tốt giữa trọng lượng, độ dày và độ cứng. Chúng ta có thể xây dựng một nắp rất chắc chắn không hề bị cong nhưng điều đó đòi hỏi độ dày vật liệu cao, dẫn đến tăng tổng thể độ dày của cả máy tính xách tay và cũng làm tăng rất nhiều trọng lượng. Chúng ta muốn làm cho nắp càng mỏng và nhẹ càng tốt trong khi vẫn kiểm soát được sự cong vênh.

Chúng ta có thể ước lượng độ dày vật liệu lý tưởng bằng cách chạy một số mô phỏng đàn hồi trên mô hình CAD của mình. Vì chúng ta biết lực cần thiết để mở máy tính xách tay, chúng ta có thể sử dụng đó làm đầu vào mô phỏng để tính toán sự cong vênh của nắp. Vì chúng ta chưa biết kính bảo vệ sẽ được lắp đặt như thế nào, nó sẽ không được bao gồm trong mô phỏng.

Minh họa sự cong vênh của nắp khi chỉ mở máy tính xách tay ở một góc

Tích hợp bảng webcam

Khi đã lắp đặt tấm hiển thị và xác định được độ dày vật liệu phù hợp, chúng ta có thể bắt đầu suy nghĩ về cách tích hợp PCB của webcam. Giống như hầu hết các laptop, webcam trên hệ thống của chúng ta được đặt ở giữa phía trên màn hình, trong viền màn hình. Đây là vị trí đặt webcam trực quan nhất, nhưng nó chỉ để lại một khoảng trống nhỏ giữa tấm nền và nắp máy để chúng ta làm việc.

Trước khi bắt đầu thiết kế và đặt webcam cùng các khối chức năng xung quanh vào mô hình CAD, trước tiên chúng ta cần xem xét kỹ lưỡng các thành phần nào được tìm thấy trên bảng mạch webcam và những gì chúng ta cần xem xét khi lắp đặt chúng. Sơ đồ sau đây cho thấy chúng ta có nhiều khối chức năng hơn ngoài webcam sẽ được đặt trên bảng mạch webcam:

Minh họa các khối chức năng được đặt trên bảng mạch webcam

Đây là nơi mọi thứ trở nên hơi phức tạp khi tích hợp PCB webcam. Chúng ta cần xác định vị trí của bốn khối chức năng chính trên PCB webcam. Chỉ có một trong số các khối này có thể được điều chỉnh theo nhu cầu của chúng ta từ góc độ cơ khí, đó là các bàn phím cảm ứng để kích hoạt và hủy kích hoạt các chức năng quan trọng về quyền riêng tư. Ba khối chức năng còn lại chủ yếu bao gồm các thành phần riêng lẻ, như cảm biến ánh sáng môi trường. Hãy xem qua các thành phần riêng lẻ để nêu bật các yêu cầu thiết kế cơ khí cụ thể cho từng phần.

Cảm biến ánh sáng môi trường

Cảm biến ánh sáng môi trường từ Vishay Semiconductors là VEML3235. Nó có kích thước nhỏ gọn 2.0mm x 2.0mm x 0.87mm, với bao bì nhựa trong suốt ở phía trên: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Hình ảnh cận cảnh cảm biến ánh sáng môi trường VEML3235

Phần cảm biến quang học của vi mạch gần như được đặt ở vị trí trung tâm của gói. Để cảm biến ánh sáng hoạt động chính xác ở mức ánh sáng môi trường thấp, cần phải đặt nó càng gần cửa sổ quan sát trên kính che càng tốt. Ghi chú ứng dụng cho VEML3235 cho chúng ta biết cách tính toán kích thước cửa sổ tùy thuộc vào khoảng cách của linh kiện đến cửa sổ quan sát. Điều quan trọng nhất cần rút ra cho chúng ta là chúng ta cần đặt cảm biến càng gần phía dưới của kính che càng tốt. Khi chúng ta bắt đầu thiết kế in kính che, chúng ta cần quay lại với ghi chú ứng dụng và lên kế hoạch cho kích thước cửa sổ quan sát phù hợp.

Ảnh chụp màn hình ghi chú ứng dụng tích hợp VEML3235

Microphone MEMS kép

Microphone được sử dụng trong hệ thống của chúng tôi là Knowles SPK0641HT4H-1. Hai microphone sẽ được sử dụng ở hai bên trái và phải của camera để ghi âm stereo. Tình huống lắp đặt cho hai microphone này tương tự như cảm biến ánh sáng môi trường. Chúng tôi muốn đặt cổng microphone càng gần lỗ trên kính che càng tốt. Chúng tôi cũng muốn đặt một ron bọt xung quanh microphone để tạo thành một "hướng dẫn" giữa cổng trên kính che và microphone, nhưng điều đó sẽ là một phần của bản sửa đổi tiếp theo của bảng microphone.

Microphone MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Cảm biến camera webcam

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, chúng tôi có cảm biến hình ảnh webcam OmniVision OV2740. Chính cảm biến hình ảnh chỉ dày khoảng 0.8mm. Điều thú vị hơn đối với chúng tôi bây giờ là tổng chiều cao của cảm biến cộng với bộ lắp ống kính vi mô sẽ được đặt trên cảm biến. Có một số loại ống kính khả dụng nhưng hầu hết chúng có chiều cao tổng cộng khoảng 4mm. Điều này có nghĩa là cảm biến hình ảnh phải được đặt ít nhất cách phía dưới của kính che 4mm cộng thêm một khoảng lề nào đó.

Cảm biến hình ảnh OmniVision OV2740

Bảng mạch webcam

Chúng ta hiện đang đối mặt với thách thức là phải chứa đựng nhiều linh kiện với các yêu cầu về chiều cao khác nhau trên một PCB duy nhất dưới kính che. Có một số cách để thực hiện điều này về mặt cơ khí và điện tử. Chúng tôi sẽ khám phá ít nhất hai phương pháp với hai phiên bản sửa đổi của bảng mạch camera. Một cách để thực hiện điều này là sử dụng PCB linh hoạt với nhiều loại và độ dày của bản cứng.

Nhiều độ dày của bản cứng tạo ra một bảng mạch với nhiều mức độ cao khác nhau

Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn bảng mạch PCB trong phần thiết kế điện của nắp. Bây giờ, hãy tập trung vào cách bảng mạch webcam được lắp đặt. Phần giữa của bảng sử dụng một bản cứng bằng thép không gỉ dày 0.2 mm. Phần giữa này chứa cảm biến hình ảnh và một kết nối bảng mạch với bảng mạch chính để kết nối webcam với mainboard. Do độ dày thấp của bản cứng, chúng tôi có thể đáp ứng yêu cầu về chiều cao 4 mm của ống kính camera bằng cách đặt phần này vào một túi nhỏ được gia công trên nắp laptop.

Trong hình dưới đây, bạn có thể thấy hai đinh ghim nhỏ được gia công vào túi camera. Chúng sẽ vừa vặn vào hai lỗ nhỏ gần cạnh trái và phải của bản cứng thép không gỉ. Những đinh ghim này sẽ đảm bảo rằng bảng mạch và đặc biệt là ống kính camera được căn chỉnh với cửa sổ xem trên kính che.

Bảng mạch webcam với lỗ căn chỉnh

Bức ảnh ở trên có thể đã chỉ ra cách toàn bộ bảng mạch được lắp đặt trong hệ thống. Tuy nhiên, chúng ta vẫn cần đảm bảo phần giữa của PCB phải nằm khít trong túi gia công và không bị dịch chuyển hoặc thậm chí nhảy qua các chốt căn chỉnh khi chịu tác động mạnh hoặc sốc.

Những câu hỏi này và nhiều câu hỏi khác sẽ được trả lời trong bản cập nhật tiếp theo! Chúng ta vẫn cần giải quyết một số thách thức với thiết kế cơ khí của nắp trước khi có thể chuyển sang thiết kế điện. Tôi hy vọng bạn sẽ tiếp tục theo dõi các bản cập nhật tiếp theo!