硬盤彈性臂加載力測量系統(tǒng)研究

1、        硬盤制造中彈性臂加載力測量系統(tǒng)的研究 - 劉慧君1. 引言彈性臂(Suspension)是硬盤驅(qū)動器核心部件(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。硬盤驅(qū)動器工作時,讀寫磁頭(Slider)是在磁記錄盤片上高速飛行,其特殊設(shè)計的表面形狀起到空氣軸承的作用,產(chǎn)生脫離盤片的浮力;彈性臂在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的力加載力(Gram Load)通過萬向節(jié)(Dimple)作用在讀寫頭上,使其保

2、持穩(wěn)定的飛行高度(Fly Height)和飛行姿態(tài)(Attitude),從而保障讀寫頭前端的傳感器對盤片上磁記錄信號的讀寫靈敏度和穩(wěn)定性。彈性臂（suspension）硬盤磁頭堆HSA圖一： 彈性臂在硬盤中的安裝位置隨著硬盤工業(yè)的發(fā)展，硬盤的信息容量越來越高，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，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越低，十年前的飛行高度大概是100nm，而現(xiàn)在已經(jīng)達到了10nm。（圖二所示）那么加載力的穩(wěn)定性要求就越來

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)計的角度要求加載力的穩(wěn)定性提高，而硬盤的加工制造生產(chǎn)中，隨著競爭的日趨激烈，產(chǎn)品利潤的不斷減少，必然要求生產(chǎn)效率的不斷提高。所以，加載力的測量系統(tǒng)不僅要求保證穩(wěn)定性、準確性，也要求迅捷性。2. 加載力測量系統(tǒng)的組建2.1 加載力測量系統(tǒng)的組成加載力測量系統(tǒng)由幾個部分組成：高精度測力傳感器(Load cell)，測量傳感器測量探頭(Load cell tip)，信號放大卡(Signal Amplification Card)，模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(A/D card

4、)，PC電腦。測力傳感器是這個測量系統(tǒng)的核心部件。我們采用了Transducer Techniques 公司的GSO型號的測力感應(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)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過通用的橋式電路（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，從而完成力的測量。圖四： 測力傳感器的橋式電路圖圖三： 測力傳感器 測力傳感器探頭是根據(jù)產(chǎn)品（彈力臂）的實際測量位置和面積，以及自動化生產(chǎn)設(shè)備的位置安排，特殊設(shè)計而成。雖然成本很低，但是

5、它也是保證測量功能的重要零件之一。信號放大卡由國內(nèi)科瑞自動化有限公司設(shè)計，專門針對加載力測量系統(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，把50mV之內(nèi)的信號精確放大到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110K Hz。2.2 加載力測量系統(tǒng)的模型測力感應(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，這個電路的輸出電壓隨之發(fā)生變化。電壓信號經(jīng)過信號放大卡后，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、壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。特殊設(shè)計的電腦程序，把這個數(shù)字信號經(jīng)過相應(yīng)的計算后，輸出到專用軟件的顯示界面。整個測量過程就宣布完成?？蓞⒖枷逻厛D五的模型示意圖。圖五： 加載力測量系統(tǒng)模型示意圖3加載力測量系統(tǒng)的深入研究3.1 測力傳感器型號的選擇Transducer Techniques的測力傳感器是硬盤行業(yè)通用的測量元件，但是對于我們的產(chǎn)品要求（1-5克的測量范圍）而言，有GSO-10 ，GSO-25，GSO-50幾種量程的感應(yīng)器可以選擇。那么是不是測量范圍越小的感應(yīng)器，靈敏度就會越高，越適于我們這種高精度的測量要求呢？這句話顯然不完全正確，測量范圍越小，它的靈敏度確實越高，但是它對周圍環(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、振動環(huán)境等，不一定就能滿足小量程感應(yīng)器對環(huán)境的要求。為此，我們對三種型號的感應(yīng)器，在同樣的環(huán)境中，做了兩組靜態(tài)測試，評估它們的不同。穩(wěn)定期運動過程穩(wěn)定期穩(wěn)定期運動過程運動過程備注：波動曲線是正常曲線的局部放大圖。表一： 測力感應(yīng)器評估圖表對測試數(shù)據(jù)進行分析，可以看到GSO-50感應(yīng)器的波動性最大，而GSO-10由于高度靈敏，導(dǎo)致很多異常跳動點。這兩者都是測量系統(tǒng)不穩(wěn)定的最顯著體現(xiàn)。在從反應(yīng)速度來看，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)備的測量元件。 3.2 測力傳感器探頭的設(shè)計3.2.1 探頭接觸面積的研究

8、從最接近硬盤工作的狀態(tài)分析，探頭接觸面應(yīng)該是跟磁頭的大小一樣，這樣模擬出來的效果可能更加準確?，F(xiàn)在磁頭的表面大小一般為：1.235mm X 0.7mm 和 0.85mm X 0.7mm。但是這個面積非常的小，如果彈力臂在加工時，定位稍微有點偏移，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，我們設(shè)計了幾種不同的探頭接觸面進行評估。導(dǎo)線覆蓋層Load cell tip圖六：測力傳感器探頭表面和磁頭粘貼面示意圖評估項目有兩條：（1） 測量穩(wěn)定性。我們用測試探頭對10個彈性臂進行加載力測量，重復(fù)測量9遍。然后應(yīng)用Mintab軟件提供的Gage Repeatabil

9、ity & Reproducibly 測試工具中的方差分析法對數(shù)據(jù)進行分析。（2） 擬合度測試。用不同的測試探頭測量30個彈性臂，然后分別與這30個彈性臂的標(biāo)準值進行比較，然后應(yīng)用Mintab軟件提供的Fit Line Plot 測試工具對數(shù)據(jù)分析。評估數(shù)據(jù)：探頭種類探頭表面尺寸穩(wěn)定性（%Tolerance）擬合度評估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： 測力感應(yīng)探頭穩(wěn)定性和擬合度評估圖表從數(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)準測量位置相差太遠，導(dǎo)致與標(biāo)準讀書擬合度很低，不能采用。而跟磁頭大小一直的探頭，雖然看似更符合設(shè)計要求，但是由于這個表面太小，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，加載力測量時間已經(jīng)成為加載力調(diào)校工序耗時最多部分之一。由于是接觸式測量，由接觸帶來的慣性、摩擦力，都需要一定的時間來消除。為了得到準確穩(wěn)定的讀書，需要較長時間的延時之后才能夠真正讀數(shù)。測量頭的重量直接關(guān)系到測量過程中產(chǎn)生的慣性，所以，評估測量頭重量與測量時間的關(guān)系就是非常值得研究的一個項目了。下

11、面的實驗是通過模擬生產(chǎn)實況，實時追蹤測量讀數(shù)，評估測量時間。表三： 不同重量測力感應(yīng)探頭測量穩(wěn)定時間評估圖表不同從實驗數(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量穩(wěn)定時間之間有反比關(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)定的時間就短，測量時間也就會變短。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)計的探頭形狀就如圖六右邊圖形所示。3.4 測量軟件的研究 測量算法的研究數(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，每秒就會有110，000個數(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，但它依然跳動性很大任何一個單獨的點都不能準確的反應(yīng)產(chǎn)品的真實讀數(shù)。所以，我們需要對這些原始數(shù)據(jù)進行處理。讓測量系統(tǒng)讀到的每一次讀數(shù)，都能真實準確的反應(yīng)產(chǎn)品狀況，并經(jīng)得起重復(fù)性的考驗。采用一組數(shù)據(jù)的平均值或者中值來作為測量系統(tǒng)的讀數(shù)，能夠解決這一問題。為了防止單個異常值影響整個測量讀數(shù)，我們設(shè)計了中值的統(tǒng)計量來體現(xiàn)產(chǎn)品讀數(shù)。那么，取多大的數(shù)據(jù)量來計算一個中值取值點呢？如何更進一步預(yù)防異常點出現(xiàn)呢？關(guān)于第一個問題，我們知道，越多的數(shù)據(jù)量，能夠計算得到更加準確的讀數(shù)，但是數(shù)據(jù)量的加大，必然導(dǎo)致計算讀數(shù)時間的的

13、加長。而太小的數(shù)據(jù)量則會影響測量的重復(fù)性、穩(wěn)定性。表四： 不同數(shù)據(jù)量計算加載力讀數(shù)圖表不同從數(shù)據(jù)和圖表分析，可以看到每組100個以內(nèi)的數(shù)據(jù)量，不影響測量時間，當(dāng)數(shù)據(jù)量上升到每組500個時，則非常明顯地影響到了測量時間。但是每組100個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量之后，讀數(shù)依然呈現(xiàn)有規(guī)律的波動性，經(jīng)過進一步的測試，我們選定了每組200個數(shù)據(jù)量的取數(shù)算法，作為這個測量系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。為了避免異常數(shù)據(jù)影響正常測量，我們在算法中增加了一個預(yù)防措施，那就是每個數(shù)據(jù)點（200個數(shù)據(jù)取得中值），都會與它前邊的數(shù)據(jù)相比較，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)差值超過0.01克的現(xiàn)象，軟件將繼續(xù)往后取數(shù)，直到滿足這一要求，或者循環(huán)時間超過2秒。 測量

14、校準系統(tǒng)的設(shè)計加載力的測量是通過不同的電壓值體現(xiàn)的，那么電壓值與加載力必然有一個擬合非常好的線性關(guān)系。如何確定這個線性關(guān)系，如何非常方便的校準這個線性關(guān)系，就是測量系統(tǒng)校準的關(guān)鍵。從實驗得到的數(shù)據(jù)分析，可以看到這是一個非常好的直線線性關(guān)系，這個關(guān)系通過標(biāo)準砝碼就可以得以確認。但測量系統(tǒng)的校準時日常設(shè)備維護需要頻繁操作的動作，如果每次用10個砝碼來校準設(shè)備，顯然非常繁瑣。由于加載力測量只用到1-5克之間的量程，并且這個直線線性關(guān)系的擬合度如此之高，我們就想到了用一個砝碼來校準設(shè)備的方法。首先，在空載的時候，我們可以得到一個電壓值，為了覆蓋整個加載力所需的測量范圍，可以再選取一個大約5克的砝碼，當(dāng)

15、把砝碼放到測量探頭上的時候，可以取到另一個電壓值。兩點確定一條直線，就可以簡單地計算出這條線性關(guān)系的斜率和截距了。表五中可以看到用一個砝碼校準的方法完全可行。表五： 電壓與加載力關(guān)系圖標(biāo)不同另外，在研究這個測量系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)有輕微的零點漂移的問題。不過，這個漂移非常緩慢，短期而言，它基本不影響測量的穩(wěn)定性。但工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備往往是每天24小時工作，長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量系統(tǒng)的一個方面。我們采用的方法是定期同步清零。就是每生產(chǎn)10或20個產(chǎn)品，機器將自動在空載的時候，將空載時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。這個方法的依據(jù)是我們長期觀察的結(jié)果：如果不對測量系統(tǒng)的硬件做調(diào)整或移動，整個測量系統(tǒng)的斜率是不會發(fā)生改變的，那么也就是零點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 其他注意事項整個測量系統(tǒng)能否準確測量的前提條件之一就是，產(chǎn)品裝夾必須精確，沒有誤差，如下圖所示，彈性臂的萬向節(jié)必須放在測量探頭的中央位置。這需要機械設(shè)計的保證，如果加入視覺測量系統(tǒng)將更加完美。圖七： 彈性臂與測量探頭的位置關(guān)系另外，由于彈性臂生產(chǎn)環(huán)境有很多的震動、電磁干擾，靜電干擾，所以，為了屏蔽這些雜音，我們給這個電路進行屏蔽線