如何成为一个优秀的结构设计工程师
版本： V1.0
日期：2021-09
修正历史
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描述 |
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V1.0 |
2021-09 |
初版发布 |
- 简介
1.1目的和使用范围
本文作者根据自己几十年的结构设计从业经验，从初级入门开始从事结构设计工作到成长为顶级的结构设计专家需要掌握的技能和路程, 为有志于从事结构设计职业的有关人员提供了一种努力的方向以及成长路径,希望对初级的结构设计工程师有所帮助和启发.
- 针对对象
结构设计涵盖的范围很广，本文作者主要针对3C产品，消费电子，仪器仪表的结构设计从业者.
- 基础知识
2.1结构设计者专业背景
从事结构设计职业者最好具备机械类，材料类等工科或理科专业背景或相关知识，作者从事结构设计工作几十年来接触到的同行大多数也是这种背景，当然也不是绝对的，也有少数从业者是化工，财务或其他专业背景，后来从事结构设计工作的.
- 基础知识
结构设计者最好掌握下面基础知识，比如画法几何，机械制图，机械原理，公差与配合，材料力学，机械加工工艺，塑胶和冲压模具设计等。在设计实践中会体会到画法几何对CAD 3D建模有很大的帮助，公差与配合对CAD 3D建模零件之间的装配间隙设计有很大的帮助，塑胶和冲压模具设计对CAD 3D建模的模具可实现性有很大的帮助.
- 实践知识
机械加工工艺，表面处理工艺，新材料，新技术可以在实践中不断地学习和完善,并不是刚开始从事结构设计工作必须掌握的.
- CAD软件
3.1 主流软件种类和适用范围，目前结构设计CAD软件很多，主流的软件有CREO, CATIA, SOLIDWORKS,UG等，通常3C类消费电子行业用CREO的比较多，仪器仪表，非标等行业用SolidWorks的比较多，航天，航空，汽车轮船等行业用CATIA的比较多，模具行业用UG的比较多.作者本人这几款软件都用过，感觉CATIA的设计功能最强大，CREO的次级，SOLIDWORKS又次之，并且偏专一些，UG主要用于模具设计和编程加工.
3.2 CAD软件的选择原则
作者认为3.1所列任何一款软件功能都足够满足结构设计的工作需要，结构设计者关键点并不是掌握的设计软件越多越好，而恰恰是根据个人的职业发展规划和所处行业专注一款软件用熟，用精，用深，这很重要，只有这样才能在实际的设计工作中把更多的精力放在如何设计好产品本身，不会因为软件问题牵涉过多精力，软件用熟的标志就是进行复杂的产品设计，各种类型的产品设计时一般不会遇到问题.
- 研发流程. 不同的公司，不同的产品研发流程会有些不同，不过大都遵循下面流程:
4.1 产品定义或RFQ阶段，公司自己的产品一般会根据市场需求有一个产品定义阶段，包括产品的各种功能和ID. 公司为客户研发的产品（ODM/OEM）一般会有一个RFQ阶段，在这阶段结构工程师需要评估产品功能，ID和CMF的可实现性以及可能存在的风险.
4.2 架构（Architecture）或堆叠（Stack up）阶段，有的公司叫架构，有的公司叫堆叠，叫法不一样，其实实际工作都是一样的，在这个阶段结构工程师要根据产品定义以及ID等输入信息进行总体架构或堆叠设计，与项目内部不同功能（function）部门，供应商等沟通，设计总体结构，实际情况是有可能设计不同的结构方案与相关部门多次交互沟通，最后才能确定最后的方案, 这阶段的重要性在于如果考虑的不充分，有缺陷，会对后面的细节设计造成很大的麻烦，甚至后面很难补救.
4.3 可行性评估阶段（Feasibility study），在这个阶段会对4.3的总体结构进行进一步的细化设计和评估，发现架构和堆叠的问题点进行纠正和更新，这阶段的重要性在于不对4.3的总体设计进行细化，实际很难发现总体架构存在的问题，实际中是有的总体方案通过这阶段的进一步细化会发现存在很大的问题的，有的是整体的问题，有的是局部的问题，比如空间不够，局部的方案的不可行等,有可能反过头来调整总体架构和堆叠，经过这样多次反复调整和优化，这阶段的工作做的细的话，作者认为一般会完成整个3D设计工作量的80%~90%才行.
4.4 细节设计阶段（Detail design），在这个阶段顾名思义对细节部分进行设计，没有确定的细节方案进一步细化，同时与其它功能部门和供应商的技术沟通，主要技术问题也基本确认，比如硬件部门，.EMN, .EMP, .DXF的沟通和确认，模具厂，天线厂，组装工厂的DFM的沟通和确认, 在这些沟通和确认的基础上进一步完善细节设计.
4.5 外观或结构手板（Mock up）的加工和验证阶段，在这个阶段发出文件（3D, CMF）加工制作手板的同时，可以进一步的与其他部门和供应商沟通完善和优化设计，等到手板加工完成，最好是整机产品需要的其他部件，比如PCBA, 天线等其他所有器件样品都已到位，可以组装样机，进一步的验证结构方案是否可行？项目组同事也会验证电路功能，天线性能，声学性能等产品PD定义的能够初步验证的所有功能，在验证结果的基础上进一步优化和完善3D设计,最终达到能够开模和外发加工的要求.
4.6 模具DFM评估外发3D加工阶段，在前面对主要的零件一般已经与模具厂等供应商进行了几轮DFM评估，在这阶段，需要对几乎所有的Unique Parts都要进行DFM和细化，根据产品的复杂程度，特别复杂的开模零件会与供应商进行很多轮的DFM和3D优化，最终目的是达到开模和外发加工的要求. 4.1到4.6阶段总的来说根据项目的节点（Milestone）阶段是这样分解的，实际上3D设计一直都是连续的，并没有特别严格的界线，能够开模和外发加工是最终目的.其实在这期间根据不同的公司和不同的客户要求，项目会进行定期或不定期的会议，包括结构评审（Review），还要进行关键器件Checklist和供应商的选择，公差分析（Tolerance analysis），DFMEA, 仿真分析（Simulation），Moldflow等，3D设计的好不好的判定标准是从T0到量产模具设计变更的多少.
4.7 2D图纸设计阶段，一般外发开模后就开始进行2D图纸的设计，当然有些零件在制作手板时就开始进行2D设计了，一般对开模的零件在T0试模前一周完成2D图纸设计外发模具厂，对模具件来说2D图纸主要是用来测量的(当然有特殊要求的，比如单向公差等需要开模前与模厂沟通确认好). 2D图纸设计的好不好的判定标准，简单说就是设计尺寸和公差要求与加工制造和测量的基准和要求能够很好地对应和统一起来.
5. 试产阶段，一般从T0开始，根据不同的公司和不同的客户会有2~3次试产，每次试产前结构工程师会跟进试模和所负责的结构件的样品打样确认，模具试模，改模，FAI, 样机组装确认可以后准备试产的物料等工作，结构工程师还要跟进组装厂（OEM）的试产组装以及后续的测试failure分析，设计变更等工作，第一次试产和第二次试产流程基本相同，不同的是设计问题越来越少，产品越来越成熟，一般经过两次试产大部分或主要结构问题都已经解决了，如果经过两次试产还不能导入爬坡（ramp up）来验证生产能力，就需要增加试产次数.
6. 爬坡阶段，这阶段设计问题基本解决的差不多了，主要验证加工生产能力，生产的成熟度，模具的CP,CPK,产品的封样书，生产SOP, 生产良率的提升等工作.
7. 量产阶段，这阶段结构工程师会对量产反馈的问题进行必要的支持（Support），实际上项目已经从研发移交到生产部门了.
8. 售后以及项目总结
结构工程师会对售后出现的问题进行必要的支持（Support）以及项目成功和不足的地方进行总结（Lesson learnt）,不断的积累经验，项目的数量做的越来越多，项目的难度越来越大，开发成功上市的项目越来越大，结构工程师的水平就会越来越高,研发新的项目时心中也会越来越有数.
9. 上面仅是流程式的基本介绍，结构工程师在每个阶段承担的角色都是非常重要的，在每个阶段针对具体的技术问题需要具体的解决方案和技术能力，以后会逐渐地介绍给大家自己的经验和实际体会，由于作者写这些的目的是偏重于实用和提高结构工程师的设计水平，没有面面俱到，不妥之处敬请谅解，希望会对大家有所帮助和启发.