向澤銳，朱先輝

一種船舶自動識別系統B級船載設備的結構創(chuàng)新設計?

向澤銳1，朱先輝2

（1.成都天奧信息科技有限公司，成都610036；2.中國西南電子技術研究所，成都610036）

介紹了一種采用注射成型的船舶自動識別系統（AIS）B級船載設備在結構方面的創(chuàng)新設計。針對設備自身的結構特點，提出了設計的詳細流程。按照流程分別對結構總體設計、外觀造型設計和詳細結構設計進行了論述：首先給出了結構總體方案，然后結合造型設計的美學原則進一步給出了外觀造型方案，最后通過詳細結構設計將方案轉化成用于生產的數字模型。設計的B級船載設備不但具有穩(wěn)重、美觀、大氣的外觀效果，而且還實現了俯仰90°、水平360°范圍的可調節(jié)功能及多種安裝方式。

自動識別系統；B級船載設備；結構設計；造型設計；創(chuàng)新設計；設計流程

1 引言

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）B級船載設備又稱AIS Class B船臺［1］，是一種安裝于內河和近海小型船舶上的助航設備。船舶通過該設備能夠自動與其它裝有同類設備的船舶進行船位、航速、航向等動態(tài)信息的交換，可有效預防船舶碰撞事故的發(fā)生；通過該設備船舶也能向AIS基站發(fā)送船名、識別碼、目的地、是否裝載危險貨物等靜態(tài)信息，同時還能接收管理當局通過基站發(fā)送來的助航、告警等信息［2－4］。該設備既有利于管理當局對船舶的監(jiān)控，也有利于船舶自身安全、高效地航行。

目前，國內的船舶自動識別系統B級船載設備按結構形式的差異可劃分為分體機和合體機兩種類型，按液晶顯示屏規(guī)格的差異主要劃分為4″屏設備、7″屏設備、8″屏設備、10″屏設備和12″屏設備5種類型。成都天奧信息科技有限公司現已成功研制出了4″屏合體機［5］、7″屏分體機、8″屏合體機和10″屏合體機4種類型的設備。為了滿足市場的多樣化需求，也為了進一步豐富產品系列，增強產品的競爭力，公司又研制了7″屏合體機，本文主要對其結構方面的設計進行介紹。

2 設計流程

船舶自動識別系統B級船載設備在結構方面遵循“由內及外”的設計理念，內容主要涉及結構總體設計、外觀造型設計和詳細結構設計3個方面。三者的關系是：結構總體設計是前提，排在首位，作用是塑造“骨架”，賦予設備合理的結構承載功能；外觀造型設計是補充，排次位，作用是塑造“皮肉”，賦予設備外觀上的審美功能；詳細結構設計是保證，排末位，作用是將具有合理結構承載功能和審美功能的設計方案轉化為可供生產的工程圖紙或數字模型，保證方案能夠有效實施。圖1為船舶自動識別系統B級船載設備在結構方面的設計流程。

3 詳細設計及創(chuàng)新

3.1 結構總體設計

（1）模塊劃分

根據電原理框圖，并按照模塊化設計原則，會同電總體一起將設備的模塊劃分為：主板模塊、顯控模塊、轉接模塊、7″TFT屏、鍵盤A和鍵盤B，共6部分。為方便設備使用，設計了結構獨特的旋轉支架。

（2）模塊的布局

根據模塊間的連線關系，對6個模塊進行了合理的布局安排，制定出了B級船載設備的結構框圖，如圖2所示。

（3）模塊及總體尺寸

會同電路設計人員，綜合考慮結構強度、安裝和拆卸的方便性、接插件位置、元器件高度，以及設備的密封、散熱、電磁屏蔽等要求，初步確定了殼體和各個模塊的外形尺寸。另外，對外接插座的規(guī)格型號、鍵盤的按鍵個數及印字內容也進行了相應的規(guī)定。

（4）加工工藝的選擇

為了獲得造型美觀、適合批量生產的經濟產品，設備殼體、支架底座選擇可設計性強的注射成型加工工藝，材料為ABS；密封條和按鍵也選擇注射成型的加工工藝，材料為硅橡膠；殼體內部的安裝板選擇冷沖壓成型加工工藝，材料為鋁合金板。

3.2 外觀造型設計

造型設計的目的是在結構總體方案的基礎上尋求相對最優(yōu)的外觀方案，包括3個階段：第一階段為構形設計，第二階段為色彩設計，第三階段為制作效果圖。

3.2.1 構形設計

構形設計屬于產品概念設計的范疇，是指在不改變原理方案的前提下，構思產品中各類功能載體的多種結構方案，然后通過分析比較，篩選出最合適的構形方案［6］。構形設計階段主要完成了以下工作：

（1）在對國內外同類產品進行深入調研的基礎上，結合“比例與尺度、均衡與穩(wěn)定、統一與變化”等美學原則［7］，按照初步確定的各項尺寸，在充分考慮各功能模塊和插座的安裝情況下，采用手繪方式繪制了若干草圖；

（2）自行對所有草圖進行修改和篩選，最后選出外形美觀、易于加工的3個方案進行完善；

（3）對3個方案進行細化設計，繪制出三視圖，然后用Autodesk 3ds Max 9軟件分別建立三維實體模型。此階段的模型主要用于推敲結構關系和造型，所有尺寸不需要精確確定。

3.2.2 色彩設計

船用設備通常以灰色調為主。鑒于此，將設備設計成為灰色調：前、后殼體為深灰色，鍵盤、安裝支架為黑色，電源開關為具有警示含義的紅色，鍵盤字符為白色。前殼體表面為細磨沙效果，其余零部件表面為亞光效果。7″TFT屏顯示內容與深灰色殼體、深灰色殼體和黑色鍵盤、黑色鍵盤和白色字符間都具有較大的明度對比，有助于使用者準確地讀取信息和操作。細磨沙和亞光表面能減弱鏡面反射的程度及影響，上淺下深的配色也有助于提高設備的視覺穩(wěn)定性。

3.2.3 制作效果圖

制作效果圖是將構形與色彩設計實物化的關鍵階段，目的是獲取外形、色彩、質感接近于實物的效果圖片。效果圖制作階段主要完成了以下工作：

（1）以構形設計階段建立的3個模型為基礎，按照確定的色彩方案，在Autodesk 3ds Max 9軟件中用V－Ray Adv 1.5 RC3渲染插件對模型進行渲染，然后用Adobe Photoshop CS8軟件進行后期處理，獲得了3個方案的效果圖；

（2）組織用戶代表、市場銷售人員、結構工藝專家對方案進行評選，以綜合認可度最高的方案作為最終的設計方案。圖3即為獲選的效果圖方案。

3.3 詳細結構設計［8－9］

船舶自動識別系統B級船載設備的結構共分為前殼體組件、后殼體組件和旋轉支架三部分。前、后殼體為止口配合結構，中間設有2.5 mm×2.5 mm的硅橡膠密封條，通過6套GB818－85 M4×8（mm）不銹鋼螺釘進行螺裝，殼體組件與旋轉支架通過2件M8×10（mm）鎖緊手輪進行緊定。

3.3.1 前殼體組件設計

前殼體組件由鍵盤A、鍵盤B、顯控模塊、安裝板、7″TFT屏、有機玻璃板、三處丙烯酸泡棉膠帶、前殼體和標識牌等組成，如圖4所示。

（1）鍵盤

鍵盤A、鍵盤B結構相同，都由硅橡膠鍵盤和帶元器件印制板組成。經詳細計算，最終將鍵盤A的外形尺寸確定為145 mm×71 mm×10.6 mm，上面設有8處Φ3.2 mm安裝通孔，采用8顆GB／T 5285 ST2.9×6.5－F（mm）自攻螺釘進行螺裝；將鍵盤B的外形尺寸確定為164 mm×26 mm×10.6 mm，上面設有1處Φ3.2 mm安裝通孔，采用3顆GB／T 5285 ST2.9×6.5－F（mm）自攻螺釘進行螺裝。

硅橡膠鍵盤有夜間透光功能，厚度為2 mm，脫模斜度為1°，周邊設有2 mm高的防水凸臺，上面的按鍵布置均勻美觀，大小適宜。硅橡膠鍵盤的背面設有2 mm（寬）×1 mm（深）橫豎交叉的排氣槽，按鍵背面設有6.5 mm深的用于容納微動按鈕和微型LED燈的沉槽。印制板厚度均為1.6 mm，微動按鈕和微型LED燈根據硅橡膠鍵盤上各按鍵的中心位置一一對應地分布在印制板上，最大高度為5 mm，其余元器件均布置在印制板的另一面。

（2）前殼體

按照先前確定的外形尺寸和造型方案，結合鍵盤和7″TFT屏的安裝、密封防水等問題，對前殼體進行了詳細設計：

第一，經計算，最終將前殼體的外形尺寸確定為270 mm×180 mm×13 mm，壁厚設定為2.5 mm，脫模斜度為1°。周邊設有3 mm（寬）×4.4 mm（深）的密封槽和6處安裝柱，安裝柱尺寸為Φ9×10.5（mm），端面鑲嵌有M4mm的銅螺母，專門用于前、后殼體的裝配。前殼體13 mm的厚度有利于設備嵌入安裝于操作臺面之上；

第二，根據7″TFT屏的尺寸確定前殼體顯示窗口的位置，使液晶屏顯示區(qū)域的中心要與前殼體窗口的中心重合。然后計算出安裝液晶屏的限位框尺寸，壁厚設定為1.5 mm，高度6.5 mm；

第三，根據已確定的液晶屏安裝位置進一步推算出安裝板和顯控模塊的位置尺寸，要使液晶屏外接數據線與顯控模塊上對應的插座對正。前殼體上共設有4處安裝柱用于安裝安裝板，其尺寸為Φ7× 9（mm），端面鑲嵌有M3mm的銅螺母；

第四，根據兩鍵盤的尺寸來確定它們在前殼體上的安裝位置、按鍵的開孔位置和具體尺寸。鍵盤的安裝柱尺寸為Φ6×4.5（mm），端部為Φ2×4（mm）盲孔。所有按鍵孔的周邊設有壁厚為1.5 mm、高度為2.5 mm的防水凸臺。

（3）其它零部件

為了降低鏡面反射對讀數時的影響，選用的是磨砂面有機玻璃板。采用5 mm（寬）×1 mm（厚）耐高溫、密封性、抗震性好的雙面丙烯酸泡棉膠帶粘固在前殼體上。

安裝板為2 mm厚鋁合金板，上面設有4處M3× 6（mm）的盲孔壓鉚螺柱和4處Φ3.5 mm安裝通孔。顯控模塊通過4套GB818－85 M3×6（mm）不銹鋼螺釘螺裝在安裝板上，安裝板則通過4套相同規(guī)格的不銹鋼螺釘螺裝在前殼體上。7″TFT屏放置在前殼體上專門設計的限位框內，前、后均貼有用于減震的5 mm（寬）×1 mm（厚）單面丙烯酸泡棉膠帶，由安裝板壓緊固定。

標識牌采用ABS塑料注射成型，黑色，整體厚度0.5 mm，標識字符采用陽文工藝，高度為0.2 mm，表面為金屬拋光效果，具有很強的視覺識別功能。

3.3.2 后殼體組件設計

后殼體組件主要由主板模塊、安裝板、轉接模塊、密封條和后殼體等組成，如圖5所示。

（1）主板模塊和轉接模塊

主板模塊為一帶元器件的印制板，經計算，將印制板尺寸確定為167 mm×110 mm×1.6 mm，上面設有5處Φ3.5 mm通孔，由5套GB818－85 M3×6（mm）不銹鋼螺釘螺裝在安裝板上。轉接模塊也為一帶元器件的印制板，上面裝有3件直式穿墻安裝插座，印制板尺寸確定為130 mm×40 mm×1.6 mm，通過插座自帶的螺母緊固于安裝板上。

（2）后殼體

后殼體主要用于容納和承載主板模塊、轉接模塊等功能件。詳細結構設計主要包括以下內容：

第一，經計算，將后殼體外形尺寸確定為270 mm×180 mm×62.5 mm，壁厚設定為2.5 mm，脫模斜度為1°。與前殼體的接觸面上設有寬2 mm、高2.2 mm的凸臺和6處Φ4.5 mm的安裝通孔。后殼體內部設有10處安裝柱，其中8處尺寸為Φ8×10.3（mm），另2處受自身結構所限，需向背面拉伸Φ8× 5（mm）的錐臺，所有安裝柱端面鑲嵌有M3mm的銅螺母，專門用于固定安裝板；

第二，后殼體背部設有一處梯形孔，主要用于鋁合金安裝板的散熱。梯形孔內側的周圍設有3 mm寬、2.3 mm深的密封槽，專門用于安裝2.5 mm× 2.5 mm的硅橡膠密封條；

第三，后殼體兩側分別設有一處用于安裝旋轉支架的齒座，端面鑲嵌有M8mm的銅螺母，端面齒參數為外徑（D）為32 mm，內徑（D1）為22 mm，齒數（z）為48，齒槽底傾角（γ）為1°52′，齒頂距（t）為2.1 mm，齒高（H）為1.05 mm，齒形角（α）為45°；

第四，后殼體的內腔表面熱噴涂處理，噴涂材料為銅，金屬化的殼體內壁有助于設備的電磁屏蔽。

（3）安裝板

安裝板為2 mm厚鋁合金板，上面設有5處M3× 15（mm）的盲孔壓鉚螺柱和10處Φ3.5 mm安裝通孔。主板模塊通過5套GB818－85 M3×6（mm）不銹鋼螺釘螺裝在安裝板上，安裝板則通過10套相同規(guī)格的不銹鋼螺釘螺裝在后殼體上。安裝板安裝到位后會壓迫密封條產生形變，具有很好的密封效果。

3.3.3 旋轉支架設計

殼體的俯仰角和旋轉支架自身的轉角調節(jié)是通過兩組端面齒的離合來實現的，屬端齒盤結構，具有分度定位的作用［10］。旋轉支架由壓蓋、開口齒盤、U形支架、齒盤、帶齒底座、底板和緊固件組成，如圖6所示。

壓蓋、U形支架、齒盤和底板通過4套GB818－85 M4×25（mm）不銹鋼螺釘串聯起來，相當于一根鉸鏈軸；底座中間設有通孔，相當于鉸鏈套；兩者組裝起來就構成了一組鉸鏈。用力轉動U形支架就會帶動齒盤轉動，齒盤的轉動會進一步迫使底座上的三處牙齒受力下沉，當下沉到一定位置時，齒盤上對應的牙齒就能通過，支架也就實現了一次轉動。旋轉支架的設計要點如下：

第一，U形支架采用寬38 mm、厚3 mm的鋁合金材料制作，表面噴塑處理，黑色。支架兩端分別設有一個長孔和開口，長孔用于開口齒盤的固定，開口用于殼體組件的快速安裝。支架的底部設有4處寬度為4.5 mm的長孔和4處直徑為Φ7的圓孔，長孔專門用于設備的懸掛安裝，圓孔則用于整個底座的裝配；

第二，開口齒盤一端設有安裝凸臺，用于自身的固定安裝；另一端設有端面齒，專門和后殼體上的端面齒配合使用，用于調節(jié)殼體的俯仰角度，其參數同前。齒盤的開口大小和方向必須要與U形支架的開口保持一致；

第三，壓蓋、齒盤、帶齒底座和底板的厚度均為2.5 mm，脫模斜度為1°。壓蓋和齒盤專門用于夾裝U形支架。壓蓋的底部、齒盤的頂部均設有39 mm（寬）×1.5 mm（深）的槽；壓蓋上還設有4處外徑為Φ6.5 mm、通孔內徑為Φ4.5mm的安裝柱，齒盤上則設有4處Φ7 mm的通孔用于安裝柱的通過。齒盤與帶齒底座專門用于控制支架的水平旋轉，齒盤的底部、帶齒底座的上部均設有端面齒，其參數為D＝75 mm，D1＝55 mm，z＝96，γ＝0°57′，t＝2.16 mm，H＝1.23 mm，α＝45°。為了使支架水平轉動更加輕松容易，底座上最終只留下成120°分布的3個牙齒，長度為7.5 mm，前、后都有部分被截取。牙齒所在的前、后位置均開有32 mm（長）×1.5 mm（寬）的矩形通孔，背面設有凹槽，牙齒所在位置的板厚為1 mm。此外，帶齒底座上還另設有4處Φ4.5 mm的安裝通孔，專門用于整個設備的水平安裝。底板上設有4處外徑為Φ9 mm、通孔內徑大端為Φ7 mm，小端為Φ3.5 mm的安裝柱，通過和壓蓋配合使用，可將中間的U形支架、齒盤和帶齒底座夾緊固定。

4 結束語

本文按照所提出的設計流程，經過3個階段的設計，成功獲得了一種船舶自動識別系統B級船載設備的設計方案。該方案重視結構創(chuàng)新，不但實現了俯仰角在90°范圍內的自由調節(jié)，水平轉角在360°范圍內的自由調節(jié)，而且實現了設備水平安裝、懸掛安裝和嵌入式安裝等多種安裝方式。該方案重視外觀創(chuàng)新，賦予設備一種統一的線形風格和色調；通過線、面的過渡與穿插，對鍵盤操作區(qū)域與顯示區(qū)域進行視覺劃分，在統一中獲得了變化；整個設備能夠體現出一種協調、穩(wěn)定、美觀、大氣的外觀效果。

5 致謝

成都天奧信息科技有限公司的江濤、鄧科和張翼周3位同事在結構總體設計階段提供了許多幫助，在此表示感謝。

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XIANG Ze－rui was born in Guanghan，Sichuan Province，in 1980.He is now an assistant engineer with the M.S.degree.His research interests include structural design and styling design of electronic equipment.

Email：xiangzerui＠163.com

朱先輝（1973－），男，四川成都人，碩士，工程師，主要從事電子產品結構設計研究。

ZHU Xian－h(huán)ui was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1973.He is now an engineer with the M.S.degree.His research direction is structural design of electronicequipment.

Innovative Structural Design of a Class B Ship-borne Equipment for Automatic Identification System

XIANG Ze-rui1，ZHU Xian-hui2
（1.Chengdu Spaceon Information Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610036，China；2.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chendu 610036，China）

This paper introduces the innovative structural design of a class B ship-borne equipment for AIS（Automatic Identification System）.A detailed design flow is proposed according to the structural features of the equipment.And then the overall structural design，styling design，and detailed structural design are discussed based on the design flow.After giving a program of the overall structural design and a program of the styling design associated with the principles of styling design，the programs are converted into digital models which are used in the production.It not only successfully achieves a variety of installation methods and an adjustable function in the range of pitch 90°and horizontal 360°，but also enables the class B ship-borne equipment to be stable，beautiful，and splendid.

automatic identification system（AIS）；Class B ship-borne equipment；structural design；styling design；innovative design；design flow

TN03

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.024

向澤銳（1980－），男，四川廣漢人，碩士，助理工程師，主要從事電子產品結構及造型設計研究；

1001－893X（2011）02－0116－06

2010－10－26；

2010－12－26