硬盤(pán)彈性臂加載力測(cè)量系統(tǒng)研究

1、        硬盤(pán)制造中彈性臂加載力測(cè)量系統(tǒng)的研究 - 劉慧君1. 引言彈性臂(Suspension)是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器核心部件(磁頭堆HSA)的關(guān)鍵零件之一,它是由三或者四個(gè)不銹片和傳導(dǎo)電路由激光焊接組成的懸臂支撐結(jié)構(gòu),對(duì)其預(yù)先成型、彎曲和調(diào)校可以得到它在加載狀態(tài)下所要求的力、靜態(tài)姿態(tài)和頻率響應(yīng)特性。硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器工作時(shí),讀寫(xiě)磁頭(Slider)是在磁記錄盤(pán)片上高速飛行,其特殊設(shè)計(jì)的表面形狀起到空氣軸承的作用,產(chǎn)生脫離盤(pán)片的浮力;彈性臂在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的力加載力(Gram Load)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)(Dimple)作用在讀寫(xiě)頭上,使其保

2、持穩(wěn)定的飛行高度(Fly Height)和飛行姿態(tài)(Attitude),從而保障讀寫(xiě)頭前端的傳感器對(duì)盤(pán)片上磁記錄信號(hào)的讀寫(xiě)靈敏度和穩(wěn)定性。彈性臂（suspension）硬盤(pán)磁頭堆HSA圖一： 彈性臂在硬盤(pán)中的安裝位置隨著硬盤(pán)工業(yè)的發(fā)展，硬盤(pán)的信息容量越來(lái)越高，按照摩爾定理的速度，已經(jīng)由十年前的20Gb 上升到了今天的2000Gb。除了碟片的磁記錄密度越來(lái)越高之外，磁頭的尋址能力也必須跟得上發(fā)展的速度。為了分辨更小更密的磁記錄信號(hào)，磁頭就必須更加近地靠近磁碟，也就是彈性臂的飛行高度就需要越來(lái)越低，十年前的飛行高度大概是100nm，而現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了10nm。（圖二所示）那么加載力的穩(wěn)定性要求就越來(lái)

3、越高，十年前加載力的規(guī)格要求是+/-0.25克，而現(xiàn)在的要求已經(jīng)是+/-0.075克。圖二： 加載力、飛行高度和磁記錄密度相關(guān)示意圖上述文字從設(shè)計(jì)的角度要求加載力的穩(wěn)定性提高，而硬盤(pán)的加工制造生產(chǎn)中，隨著競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品利潤(rùn)的不斷減少，必然要求生產(chǎn)效率的不斷提高。所以，加載力的測(cè)量系統(tǒng)不僅要求保證穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，也要求迅捷性。2. 加載力測(cè)量系統(tǒng)的組建2.1 加載力測(cè)量系統(tǒng)的組成加載力測(cè)量系統(tǒng)由幾個(gè)部分組成：高精度測(cè)力傳感器(Load cell)，測(cè)量傳感器測(cè)量探頭(Load cell tip)，信號(hào)放大卡(Signal Amplification Card)，模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(A/D card

4、)，PC電腦。測(cè)力傳感器是這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心部件。我們采用了Transducer Techniques 公司的GSO型號(hào)的測(cè)力感應(yīng)器（圖三所示）。該感應(yīng)器屬于金屬電阻應(yīng)變式傳感器，傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)通用的橋式電路（圖四所示），電阻的變化引發(fā)電壓隨之變化，電壓信號(hào)被放大后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)化卡，而后電腦即可得到相應(yīng)的電壓變化數(shù)字信號(hào)，從而完成力的測(cè)量。圖四： 測(cè)力傳感器的橋式電路圖圖三： 測(cè)力傳感器 測(cè)力傳感器探頭是根據(jù)產(chǎn)品（彈力臂）的實(shí)際測(cè)量位置和面積，以及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的位置安排，特殊設(shè)計(jì)而成。雖然成本很低，但是

5、它也是保證測(cè)量功能的重要零件之一。信號(hào)放大卡由國(guó)內(nèi)科瑞自動(dòng)化有限公司設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)加載力測(cè)量系統(tǒng)而研發(fā)，采用多極放大的原理，加入多層濾波功能屏蔽其他干擾信號(hào)，把50mV之內(nèi)的信號(hào)精確放大到10V之內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)化卡采用ADLINK 公司的 PCI9111HR 數(shù)據(jù)采集卡。該卡的一些基本特征是：16通道單端模擬量輸入，采樣頻率可達(dá)110K Hz。2.2 加載力測(cè)量系統(tǒng)的模型測(cè)力感應(yīng)器在加載力的作用下，內(nèi)部的店主影片片產(chǎn)生機(jī)械形變，從而其橋式電路中相應(yīng)的電阻值發(fā)生變化，這個(gè)電路的輸出電壓隨之發(fā)生變化。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大卡后，由原先的50mV變成為0-10V。然后輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)化卡，數(shù)模轉(zhuǎn)化卡把模擬的電

6、壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。特殊設(shè)計(jì)的電腦程序，把這個(gè)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算后，輸出到專(zhuān)用軟件的顯示界面。整個(gè)測(cè)量過(guò)程就宣布完成?？蓞⒖枷逻厛D五的模型示意圖。圖五： 加載力測(cè)量系統(tǒng)模型示意圖3加載力測(cè)量系統(tǒng)的深入研究3.1 測(cè)力傳感器型號(hào)的選擇Transducer Techniques的測(cè)力傳感器是硬盤(pán)行業(yè)通用的測(cè)量元件，但是對(duì)于我們的產(chǎn)品要求（1-5克的測(cè)量范圍）而言，有GSO-10 ，GSO-25，GSO-50幾種量程的感應(yīng)器可以選擇。那么是不是測(cè)量范圍越小的感應(yīng)器，靈敏度就會(huì)越高，越適于我們這種高精度的測(cè)量要求呢？這句話(huà)顯然不完全正確，測(cè)量范圍越小，它的靈敏度確實(shí)越高，但是它對(duì)周?chē)h(huán)境的要求也

7、必然更高，在制造彈力臂的工廠內(nèi)，電磁環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境等，不一定就能滿(mǎn)足小量程感應(yīng)器對(duì)環(huán)境的要求。為此，我們對(duì)三種型號(hào)的感應(yīng)器，在同樣的環(huán)境中，做了兩組靜態(tài)測(cè)試，評(píng)估它們的不同。穩(wěn)定期運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定期穩(wěn)定期運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)過(guò)程備注：波動(dòng)曲線是正常曲線的局部放大圖。表一： 測(cè)力感應(yīng)器評(píng)估圖表對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到GSO-50感應(yīng)器的波動(dòng)性最大，而GSO-10由于高度靈敏，導(dǎo)致很多異常跳動(dòng)點(diǎn)。這兩者都是測(cè)量系統(tǒng)不穩(wěn)定的最顯著體現(xiàn)。在從反應(yīng)速度來(lái)看，GSO-50有最迅捷的表現(xiàn)，但是綜合考慮，我們?nèi)匀徊坏貌贿x擇GSO-25作為生產(chǎn)設(shè)備的測(cè)量元件。 3.2 測(cè)力傳感器探頭的設(shè)計(jì)3.2.1 探頭接觸面積的研究

8、從最接近硬盤(pán)工作的狀態(tài)分析，探頭接觸面應(yīng)該是跟磁頭的大小一樣，這樣模擬出來(lái)的效果可能更加準(zhǔn)確?，F(xiàn)在磁頭的表面大小一般為：1.235mm X 0.7mm 和 0.85mm X 0.7mm。但是這個(gè)面積非常的小，如果彈力臂在加工時(shí)，定位稍微有點(diǎn)偏移，那么就很容易造成探頭跟彈性臂前端的導(dǎo)線或者覆蓋層相接觸，從而造成更大的偏差。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾種不同的探頭接觸面進(jìn)行評(píng)估。導(dǎo)線覆蓋層Load cell tip圖六：測(cè)力傳感器探頭表面和磁頭粘貼面示意圖評(píng)估項(xiàng)目有兩條：（1） 測(cè)量穩(wěn)定性。我們用測(cè)試探頭對(duì)10個(gè)彈性臂進(jìn)行加載力測(cè)量，重復(fù)測(cè)量9遍。然后應(yīng)用Mintab軟件提供的Gage Repeatabil

9、ity & Reproducibly 測(cè)試工具中的方差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。（2） 擬合度測(cè)試。用不同的測(cè)試探頭測(cè)量30個(gè)彈性臂，然后分別與這30個(gè)彈性臂的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后應(yīng)用Mintab軟件提供的Fit Line Plot 測(cè)試工具對(duì)數(shù)據(jù)分析。評(píng)估數(shù)據(jù)：探頭種類(lèi)探頭表面尺寸穩(wěn)定性（%Tolerance）擬合度評(píng)估LengthWidth斜率擬合度Tip10.850.712.5%1.01398%Tip21.51.27.4%0.99899.3%Tip31.81.66.6%0.94595.3%表二： 測(cè)力感應(yīng)探頭穩(wěn)定性和擬合度評(píng)估圖表從數(shù)據(jù)分析，可以看到太大的探頭表面尺寸，雖然穩(wěn)定性很好

10、，但由于靈敏度不夠、與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量位置相差太遠(yuǎn)，導(dǎo)致與標(biāo)準(zhǔn)讀書(shū)擬合度很低，不能采用。而跟磁頭大小一直的探頭，雖然看似更符合設(shè)計(jì)要求，但是由于這個(gè)表面太小，導(dǎo)致穩(wěn)定性很差，擬合度也不甚理想，與之前分析相吻合，和不能采用。反而，稍大于磁頭尺寸的探頭有著更良好的表現(xiàn)。3.2.2 探頭重量的研究隨著生產(chǎn)效率的提高，加載力測(cè)量時(shí)間已經(jīng)成為加載力調(diào)校工序耗時(shí)最多部分之一。由于是接觸式測(cè)量，由接觸帶來(lái)的慣性、摩擦力，都需要一定的時(shí)間來(lái)消除。為了得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的讀書(shū)，需要較長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)之后才能夠真正讀數(shù)。測(cè)量頭的重量直接關(guān)系到測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的慣性，所以，評(píng)估測(cè)量頭重量與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系就是非常值得研究的一個(gè)項(xiàng)目了。下

11、面的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)模擬生產(chǎn)實(shí)況，實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量讀數(shù)，評(píng)估測(cè)量時(shí)間。表三： 不同重量測(cè)力感應(yīng)探頭測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間評(píng)估圖表不同從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以非常明顯的看到感應(yīng)器探頭的重量與加載力測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間之間有反比關(guān)系，重量越輕的感應(yīng)探頭，由于其慣性較小，讓感應(yīng)器金屬感應(yīng)式彈片趨于穩(wěn)定的時(shí)間就短，測(cè)量時(shí)間也就會(huì)變短。所以我們采用了POM的材料作為探頭的主要材料，盡量地減少探頭的尺寸，同時(shí)也保證了彈性臂的線路板導(dǎo)線不被刮傷；必須使用金屬螺紋的地方，用了鏤空的鋁件。從而大幅降低探頭的重量。最終設(shè)計(jì)的探頭形狀就如圖六右邊圖形所示。3.4 測(cè)量軟件的研究 測(cè)量算法的研究數(shù)模轉(zhuǎn)化卡的刷新頻率是110KHZ，那么只要電腦軟件刷新足夠

12、快，每秒就會(huì)有110，000個(gè)數(shù)據(jù)可以被電腦采集到。我們所看到的原始雖然只有每秒1200個(gè)，但它依然跳動(dòng)性很大任何一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)都不能準(zhǔn)確的反應(yīng)產(chǎn)品的真實(shí)讀數(shù)。所以，我們需要對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。讓測(cè)量系統(tǒng)讀到的每一次讀數(shù)，都能真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)產(chǎn)品狀況，并經(jīng)得起重復(fù)性的考驗(yàn)。采用一組數(shù)據(jù)的平均值或者中值來(lái)作為測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)，能夠解決這一問(wèn)題。為了防止單個(gè)異常值影響整個(gè)測(cè)量讀數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了中值的統(tǒng)計(jì)量來(lái)體現(xiàn)產(chǎn)品讀數(shù)。那么，取多大的數(shù)據(jù)量來(lái)計(jì)算一個(gè)中值取值點(diǎn)呢？如何更進(jìn)一步預(yù)防異常點(diǎn)出現(xiàn)呢？關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，我們知道，越多的數(shù)據(jù)量，能夠計(jì)算得到更加準(zhǔn)確的讀數(shù)，但是數(shù)據(jù)量的加大，必然導(dǎo)致計(jì)算讀數(shù)時(shí)間的的

13、加長(zhǎng)。而太小的數(shù)據(jù)量則會(huì)影響測(cè)量的重復(fù)性、穩(wěn)定性。表四： 不同數(shù)據(jù)量計(jì)算加載力讀數(shù)圖表不同從數(shù)據(jù)和圖表分析，可以看到每組100個(gè)以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)量，不影響測(cè)量時(shí)間，當(dāng)數(shù)據(jù)量上升到每組500個(gè)時(shí)，則非常明顯地影響到了測(cè)量時(shí)間。但是每組100個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量之后，讀數(shù)依然呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)性，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試，我們選定了每組200個(gè)數(shù)據(jù)量的取數(shù)算法，作為這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。為了避免異常數(shù)據(jù)影響正常測(cè)量，我們?cè)谒惴ㄖ性黾恿艘粋€(gè)預(yù)防措施，那就是每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（200個(gè)數(shù)據(jù)取得中值），都會(huì)與它前邊的數(shù)據(jù)相比較，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)差值超過(guò)0.01克的現(xiàn)象，軟件將繼續(xù)往后取數(shù)，直到滿(mǎn)足這一要求，或者循環(huán)時(shí)間超過(guò)2秒。 測(cè)量

14、校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加載力的測(cè)量是通過(guò)不同的電壓值體現(xiàn)的，那么電壓值與加載力必然有一個(gè)擬合非常好的線性關(guān)系。如何確定這個(gè)線性關(guān)系，如何非常方便的校準(zhǔn)這個(gè)線性關(guān)系，就是測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)的關(guān)鍵。從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析，可以看到這是一個(gè)非常好的直線線性關(guān)系，這個(gè)關(guān)系通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)砝碼就可以得以確認(rèn)。但測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)時(shí)日常設(shè)備維護(hù)需要頻繁操作的動(dòng)作，如果每次用10個(gè)砝碼來(lái)校準(zhǔn)設(shè)備，顯然非常繁瑣。由于加載力測(cè)量只用到1-5克之間的量程，并且這個(gè)直線線性關(guān)系的擬合度如此之高，我們就想到了用一個(gè)砝碼來(lái)校準(zhǔn)設(shè)備的方法。首先，在空載的時(shí)候，我們可以得到一個(gè)電壓值，為了覆蓋整個(gè)加載力所需的測(cè)量范圍，可以再選取一個(gè)大約5克的砝碼，當(dāng)

15、把砝碼放到測(cè)量探頭上的時(shí)候，可以取到另一個(gè)電壓值。兩點(diǎn)確定一條直線，就可以簡(jiǎn)單地計(jì)算出這條線性關(guān)系的斜率和截距了。表五中可以看到用一個(gè)砝碼校準(zhǔn)的方法完全可行。表五： 電壓與加載力關(guān)系圖標(biāo)不同另外，在研究這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)有輕微的零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。不過(guò)，這個(gè)漂移非常緩慢，短期而言，它基本不影響測(cè)量的穩(wěn)定性。但工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備往往是每天24小時(shí)工作，長(zhǎng)期的累積誤差還是非?？捎^的。如何消除這一誤差也是完善這一測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)方面。我們采用的方法是定期同步清零。就是每生產(chǎn)10或20個(gè)產(chǎn)品，機(jī)器將自動(dòng)在空載的時(shí)候，將空載時(shí)刻的電壓值賦值給那條線性關(guān)系公式的X，由于是空載，那么Y=0，保持斜率不便，則可以更新截距數(shù)值。這個(gè)方法的依據(jù)是我們長(zhǎng)期觀察的結(jié)果：如果不對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的硬件做調(diào)整或移動(dòng)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的斜率是不會(huì)發(fā)生改變的，那么也就是零點(diǎn)的漂移僅僅與截距有關(guān)系。所以，我們才能夠采用上述的方法。3.5 其他注意事項(xiàng)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否準(zhǔn)確測(cè)量的前提條件之一就是，產(chǎn)品裝夾必須精確，沒(méi)有誤差，如下圖所示，彈性臂的萬(wàn)向節(jié)必須放在測(cè)量探頭的中央位置。這需要機(jī)械設(shè)計(jì)的保證，如果加入視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)將更加完美。圖七： 彈性臂與測(cè)量探頭的位置關(guān)系另外，由于彈性臂生產(chǎn)環(huán)境有很多的震動(dòng)、電磁干擾，靜電干擾，所以，為了屏蔽這些雜音，我們給這個(gè)電路進(jìn)行屏蔽線