（固体力学专业论文）悬臂式力矩器高频动态特性研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 随着高密度光盘存储系统的发展，高密度存储技术已经变成了相当热门的研究领 域。力矩器光盘的应用在c d d v d 光盘系统中，光学头是复杂精密的光机电集成系 统，未来将有更广泛的应用前景。光学头必须实时精确地调整自身与盘片之间的偏差， 以保证聚焦光斑总是能够精确无偏差地落在光盘的信息轨迹上，但是由于振动及其非线 性限制了力矩器在读取高密度存储介质。本论文对力矩器的高频电磁及其动态特性做了 详细的研究。 大型有限元分析软件a n s y s 和计算机辅助设计软件p r o e n g i n e e r 应用在力矩器的 三维模型建立和分析上。首先，通过理论和a n s y s 分析了跑道形线圈的磁场分布；其 次，通过模态分析，分析了结构的固有频率及其振型，通过对力矩器进行瞬态响应分析 及其谐响应分析，研究了力矩器的动态特性影响参数；最后基于可视化语言v i s u a l b a s i c 开发了悬丝谐分析的a n s y s 二次开发程序，通过_ - - z r 开发，提高了a n s y s 解决 问题的能力，减少了工作量。 关键词：力矩器，高频，振动 北京科技大学硕士学位论文 a na e m a t o rl a s e ro fo p t i c a ld i s kd r i v eh i g h - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n sa n a l y s i s a b s t r a c t d u et ot h er e q u i r e m e n tf o rm o r es t o r a g ec a p a c i t y , h i g h - d e n s i t yo p t i c a lg t o r a g ed e v i c e s h a v ea l r e a d yb e c o m eah o tt o p i c t h ea c t u a t o rh a sw i d e l yu s e di nc da n dd v ds y s t e m , i th a v e m o r ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h ef u t u r e , b u tn o n l i n e a r i t ya n dc 卿e x i s ti nt h e 抛t o r , w h i c h l i m i ta c t u a t o ra p p l i c a t i o ni nh i g l lc a p a c i t y ，h i 曲r e d u n d a n c y , 1 1 i 9 1 lt r a n s f e rr a t ea n ds h o r ta c c e s s t i n l es y s t e m i nt h i sp a p e r , w eg i v ead e t a i li n t r o d u c t i o no nt h ea l ：t l l a t o rl a s e ro fo p t i c a ld i s k h i g h - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c l a r g ef e ma n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f tp r o e n 西n e e ri s a p p l i e dt 0e s t a b l i s ht h e3 dm o d e la n da n a l y s i so ft h ea c t u a t o rl a s e ro fo p t i c a ld i s ks t r u c t u r e f i r s t l yw ea n a l y z et h e r a c e t r a c kc o i l 婶e t i cf i e l db ya n s y sp r o g r m na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s e s ；s e c o n d l y , a n a l y s e st h em o d a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r u c t u r ew i t hf e m , c a l c u l a t e st h e n a t u r a lf i e q u e n c y 、v i b r a t i o nm o d e l sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fs t r i c t u r ei nt h ea n s y s s t u d yp a r a m e t e ro fi n f l u e n c ed y r l a r n i cc h a r a c t e r i s t i c ；f i l l a l l y ，t h r o u g ha n a l y z et h ev i b m t i o n s c h a r a c t e r i s t i co f w i r e g i v e nt w om e t h o d so f i n v o k i n ga n s y sa n dv i s u a lb a s i cd e v e l o p i n ga n d s o m ee x a m p l ef o ra n s y su s e df i e l d s r e i n f o r c et h ea b i l i t yo fa n s y ss o l v ep r o b l e m c u t m a n - h o u ro f s t u d ys o t t w a r e ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y k 呵w o r d s ：o p t i c a lp i c k u p ，h i g hf r e q u e n c y ，v i b r a t i o n 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：趣坚：! 虱日期：1 21 ：兰： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：型陛睑亘l 导师签名p 班日期：业 北京科技大学硕士学位论文 引言 高密度数字光盘产业是信息基础设施的支柱技术之一，在我国信息产业群中占有十 分重要的地位。光盘产业更与国计民生息息相关，对整个国民经济发展有着巨大的拉动 作用。数字光盘技术不仅是先进信息存储技术，也是国家非常重要的信息基础设施。 目前，全世界光盘产业的规模已达1 0 0 0 亿美元年。随着数字信息社会的蓬勃发 展，光盘产业已经成为一个极重要的持续快速的经济增长点。自1 9 9 9 年以来，d v d - r 、d v d r a m 、d v d - a u d i o 已相继问世。日本松下公司预测，在今后五年时间内，以 d v d 为代表的世界数字光盘产业将迅猛发展，主要的软硬件产品年销售总额已超过4 5 0 亿美元规模。美国i n f o t e c h 咨询公司预测，全世界d v d 盘片的市场销售额已经超过 3 1 0 亿美元。而且，随着蓝光激光技术的应用，盘片容量将达2 0 - - 3 0 g b 。 当前国际光盘产业市场的发展趋势是，初级光盘产品c d 、v c d 的市场已经逐渐 饱和，市场重心开始转移到以d v d 技术为核心的光盘产品上。以高密度蓝光光盘h i ) d v d 技术为核心的新一代数字光盘产业尚处于研发阶段。以日本s o n y 、p i o n e e r 、松 下、东芝、日立、三菱、n e c ，韩国l g 、s a m s u n g ，荷兰p h i l i p s ，美国z e n i t h 公司为 代表的国际光盘产业巨头纷纷投入巨资，正全力进行高密度蓝光光盘系统的开发，并逐 步推入市场。 在光盘系统中，光学头是复杂精密的光机电集成系统，它的功能是精确地读取并输 出存储在光盘中的数字信息。光学头主要由半导体激光器、物镜、力矩器和p d i c 四个 主要元件组成，其中，力矩器是极为重要的核心元件。 北京科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 高密度数字光盘产业是信息基础设施的支柱技术之一，在我国信息产业群中占有十 分重要的地位。光盘产业更与国计民生息息相关，对整个国民经济发展有着巨大的拉动 作用。数字光盘技术不仅是先进信息存储技术，也是国家非常重要的信息基础设施。它 涉及计算机数据存储、网络信息存储以及数字信息家电，对国民经济有着巨大的推动和 促进作用。经过多年的发展，在我国已形成1 0 0 0 亿年的产业规模，各种光盘整机的产 量已超过2 0 0 0 万台( 含出口) ，成为新的经济增长点。在今后的5 - - 1 0 年内，我国光盘 产业预计将以每年2 5 的速度增长，是未来我国经济发展最快的产业之一【i 一。 目前，全世界光盘产业的规模已达1 0 0 0 亿美元年。随着数字信息社会的蓬勃发 展，光盘产业已经成为一个极重要的持续快速的经济增长点。自1 9 9 9 年以来，d v d r 、d v d - r a m 、d v d - a u d i o 已相继问世。日本松下公司预测，在今后五年时间内，以 d v d 为代表的世界数字光盘产业将迅猛发展，主要的软硬件产品年销售总额将超过4 5 0 亿美元规模。美国i n f o t e c h 咨询公司预测，全世界d v d 盘片的市场销售额将达3 1 0 亿 美元。而且，随着蓝光激光技术的应用，盘片容量将达2 0 3 0 g b ，届时高密度数字光盘 产品大量进入市场，新的市场机遇还将产生。 当前国际光盘产业市场的发展趋势是，初级光盘产品c d 、v c d 的市场已经逐渐 饱和，市场重心开始转移到以d v d 技术为核心的光盘产品上。以高密度蓝光光盘h d d v d 技术为核心的新一代数字光盘产业目前正处于主流产品。以日本s o n y 、 p i o n e e r 、松下、东芝、日立、三菱、n e c ，韩国i x 3 、s a m s u n g 、荷兰p h i l i p s 、美国 z e n i t h 公司为代表的国际光盘产业巨头纷纷投入巨资，正全力进行高密度蓝光光盘系统 的开发，并逐步推入市场。 2 0 0 5 年5 月2 0 日清华大学光盘国家工程研究中心与p h i l i p s 完成合作研究签字仪 式，正式合作研发蓝光光学头，随后蓝光光学头项目研发启动。在光盘系统中，光学头 是复杂精密的光机电集成系统，它的功能是精确地读取并输出存储在光盘中的数字信 息。光学头主要由半导体激光器、物镜、力矩器和p d i c 四个主要元件组成，其中，力 一2 北京科技大学硕士学位论文 矩器是极为重要的核心元件。本论文为力矩器研究的一部分主要研究悬臂式力矩器高频 动态特性。 1 2 相关的测试实验结果 i 2 1 力矩器的频幅以及频率相位测试结果 1 ) 测试方法 力矩器执行机构数学模型是在忽略系统高阶分量及非线性因素影响的前提下，简化 为二阶系统，简化方式在低频段是适用的，但是在高频段系统会呈现高阶特性和非线性 特性，工程上常以二阶系统作为参考，对力矩器频率特性进行实际测试及评价。 图1 - 1 为力矩器频率特性测试试验台组成。其中激光测振仪为p o l y t e c 公司 o f v 5 0 5 5 0 0 0 高性能单点式激光测振仪，其主要性能指标；频率范围0 5 h z - i 5 m h z ， 速度范围+ 1 0 m s ，分辨率o 5 u m s ；频谱分析仪为a g i l e n t 公司3 5 6 7 0 a 动态信号分析 仪。 激光测振仪 图1 - 1 力矩器执行机构频率特性测试实验台 动态信号分析仪依据频率由低到高输出固定幅值的正弦信号，通过功率放大器驱动 聚焦或循迹线圈，由激光测振仪发出的激光照射在光学头的某一点上，只要此点有足够 的反射率，就有足够的光信号返回测振仪，依据多普勒效应翻即可获得光学头振动的速 度，并将振动速度以电信号的方式输出到动态信号分析仪通道2 ，通过与通道l 信号源 进行对比运算即可获得力矩器执行机构的速度电压频率特性。 速度和位移之间的关系为： 一3 一 y 嘶) 一掣= _ 掣1 ，i ， ( i 一1 ) 式中| i 。为激光测振仪的设定输出档，v o ( j t o ) 为激光测振仪输出速度信号，v ( j o ) 为 测试点实际速度信号，则力矩器执行机构位移一电压频率特性为 f 2 0 1 到y ( j c a 】= 2 0 1 d d 缈】+ 2 0 1 9 k , 一2 0 1 d - ，l l z y ( j 彩) = z v o o ) 一9 0 9 ( 1 2 ) 2 ) 精达某型滑转型c d 力矩器的测试结果【4 】 清华大学光盘国家工程研究中心针对不同厂家的力矩器己做了大量的测试工作。实 验方法为直接测试方法，实验平台为p o l y t e c0 f v 5 0 5 5 0 0 0 高性能单点式激光测振仪和 a g i l c n t3 5 6 7 0 a 动态信号分析仪。针对良品测试结果如图l - 2 所示，不良品测试结果如 图1 - 3 所示。 f o c u s i n ga c t 翟 岩f ；：i 、1 l h l 。、确 、翠叮 ，。i 一一一二一一一一一-i 一 、t t 鉴 、并il 1 机弋驴 t 要、 1 0 0 1 0 0 0 5 k1 0 0 0 0 鞭率州4 s x = 0 8 7 8 0 图1 - 2 精达某型良晶的聚焦力矩器频率特性曲线 一4 ! ! 塞型垫盔堂堡主堂堡丝奎 j 0 3 岔- 4 0 已 鎏意 一- 4 5 o 羹一1 3 5 , f o c u s i n ga c t j ，_l= 、型tj岩f ； 、 刮| |i 兰f 岳 1 0 0 1 0 0 0 5 ki o o o o 期率h 萄 s x - o ，8 5 5 4 图1 3 精达某型不良品的聚焦力矩器频率特性曲线 通过良品和不良品光学头在聚焦方向频率特性实测曲线，可以看出不良品光学头的 相位呈现明显的非线性现象。 3 ) 不同阻尼胶量的特性曲线比较 为了提升力矩器的动态特性，特别是提高二阶共振频率和线性截止区频率，针对生 产工艺做了一系列实验，与本论文相关的是阻尼胶相关特性曲线。图1 4 表示不同物镜 胶量( 4 o m g 和5 0 r n g ) 的特性曲线( 各5 条叠加) 比较结果。 a4 0 r a g 胶量幅频特性曲线b5 0 r a g 胶量幅频特性曲线 图1 - 4 不同物镜胶量( 4 o m g 和5 o i n 曲的特性曲线( 各5 条叠加) 比较 一5 北京科技大学硕士学位论文 1 2 2 实验结果分析 通过分析良品和不良品的聚焦力矩器频率特性曲线发现，良品在3 5 h z 1 1 3 0 0h z 幅 值和相位变化趋势平缓，而不良品的聚焦力矩器表现出明显的突变及其阶跃趋势，有明 显的非线性变化，因此本论文重点对力矩器的频率特性进行研究。 通过对不同阻尼胶量的特性曲线比较研究，阻尼胶对高频区的特性有所改善，但幅 度较小，相对于每组样品的不一致性来说不是很明显，因此本论文也针对不同阻尼胶量 的特性曲线进行了详细的研究。 1 3 现有的研究方法和研究成果 九十年代初期以来，我国光盘产业开始兴盛，目前已成为世界上最大的光盘生产大 国，但不掌握关键技术，是技术弱国，特别是在核心技术和自主知识产权方面，几乎是 空白。几乎所有的核心技术都掌握在国外几个超大型的企业手里，国内企业从事的仅仅 是来料加工和整机组装，不仅利润率低( 每年1 0 0 0 亿产值中的利润绝大部分流向国 外) ，而且在这一新兴的经济浪潮中始终处于被动地位。最近，更为严重的是，国外公 司要求我国光盘产业各企业都要缴纳每台整机约1 7 美元的知识产权费。这样，我国企 业还将被迫每年向国外缴纳约4 5 亿美元的知识产权费。由于核心技术的缺乏，创新体 系的不完备，将直接导致我国光盘产业的全面被动。 光学头是光盘系统中的核心部件，是实现光盘信息读取的关键部件。光学头技术是 光盘系统的基础技术，光学头产业关系到整个光盘产业的兴衰。我国企业每年所生产的 光学头约占世界产量的7 5 8 0 ，达到3 4 亿只年，工业总产值约为1 5 04 7 - 2 0 0 亿， 其中国内企业生产达到约2 0 0 0 万只年。随着d v d 的日益普及，预计未来5 1 0 年我国 光学头的产值将以2 0 左右的速度增长。 目前我国光学头的生产厂家主要有：广东信华精机公司、苏州精达公司、大连华录 公司、上海索广公司、深圳华强三洋公司、珠海江海公司、苏州银河公司等，生产能力 从每年几十万只到上千万只不等，产值规模为每年数亿元到几十亿。但由于所有的核心 技术与核心器件全部为国外厂商所掌握，因此这些光学头几乎全部为外国公司所垄断。 由此可见，我国光学头产业的现状是：在光盘产业已经发展到d v d 时代的今天， 无论是已经成熟的光学头技术，还是下一代研发中的关键技术，全部掌握在外商手中， 中国的光盘企业无论在产业的发展上，还是技术的更新上，都无法实现主动。在研究领 6 域，有关光学头技术的文献和研究也几乎全部被国外实验室所垄断。而涉及到光学头技 术核心的研究，则由于工业产权和经济利益的限制，从未有任何资料公开，国内的相关 研究相对较少网。 基于这样的状况，我们清醒地认识到，由于缺乏自主知识产权，缺乏技术上的主 动、独立、创新和竞争性，我国整个光盘产业只能是低利润率的来料加工，严重缺乏发 展后劲。我国光盘产业急需开展以自主知识产权创新为核心的国产化工作。另外，随着 商密度存储技术的发展，力矩器研究变成了一个热门的研究领域【6 7 】 由于力矩器的种类较多，同时又涉及到多种学科，力矩器设计属于交叉学科，设计 参数众多，既有电路和磁场方面的，又有流体力学和结构力学方面的，整体的运动又是 运动力学和机械振动力学的范畴。因此其特性参数众多，包括静态、动态、低频、高频 等各方面达十几种。国内外研究主要集中在5 方面，结构设计，材料制备，结构优化， 自动化控制，试验研究。 结构设计主要研究零件不同的结构布局达到不同的性能【o 】，针对不同的用途而设 计出专用于c d 、d v d 的读写系统，这些主要是从结构的角度出发去考虑。同时，也有： 大量的理论研究来指导力矩器的结构设计。随着存储密度不断的增大，对滑移式力矩器 设计方面提出了一个严重的挑战，力矩器在读数据时会产生一定的倾斜是不可避免的 【i l 】，p a u lc - p c h a o a ，c h i e a - y us h c n 1 习设计了三维力矩器对其有一定的改进。国内清华 大学的国家光盘中心【1 3 】，台湾的c h a u - y u a nk c a ， c h i l o n ec h a n g a 等人对滑移式 c d d v d 力矩器采用a n s o f t ，a n s y s 对力矩器的电磁受力进行分析【1 4 】。同时，有相 当部分的研究是通过理论研究建立力学数学模型，求解微分方程【1 鼻阍。 大量的研究主要是从信号控制理论出发研究力矩器的信号控制系统【l 。7 1 c h a i t 【1 8 1 采用 q f t ( q u a n t t a t v ef e e d b a c kt h e o r y ) 理论进行鲁棒性设计提高了c d p 的动态特性。l i ma n d j u n g i 切采用h o o 控制，较好了控制了8 倍速c d - r o m 在寻迹方向的动态特性。 n a g a s a t oa n dh o s h i n 0 1 2 0 提出两轴机械系统改进了力矩器在寻迹方向的特性，该系统通 过补偿力矩控制光学头的倾斜。k a j i w a r a 和n a g a m a t s u 2 1 通过结构分析和优化改进了力 矩器。 国内外为了改进力矩器的动态特性已经做了大量的实验研究 2 2 - 2 4 ，这些试验主要 针对工艺，材料激光信号处理。在工艺处理方面以j h m o o n a ， y g s h u l a z s 】对力矩 器的工艺处理做了一定的研究。韩国汉城国立大学s e u n g - c h a nc h o i ，j a e - s a n gp a r k ， 7 一 北京科技大学硕士学位论文 j i h w a nk i m 2 6 1 采用改变光盘的基体材料阻尼来减少光盘的振动。cd u r i n g y ，t k o m e d a ，mm a t s u t oa n dhf u n a k u b o 等人对激光信号处理做了一定的研究l + 2 7 1 。 材料制备方面主要研究不同的部件的设计改进，如激光材料、加速度计等。加速度 计在力矩器中起到测量位移的作用嘲，目前关于加速度计的研究主要是有关压电，电 阻，电磁，阻抗，等技术1 2 9 ，3 0 l 。位移的精确测量是力矩器能够合理控制的基础【3 “。 专门针对悬臂式力矩器做的研究不多 3 2 3 4 j ，而高密度读取力矩器关键在于对倾斜 的控制精确度，为了合理的控制倾斜方向的扭转运动，在力矩器设计时增加了附加线 圈，通过冗余设计控制力矩器的倾斜口删。通过有限元商业软件分析目前较少但是目前 有限元软件在工程中已有大量的应用 4 0 l ，并取得了显著的经济效益。本论文通过有限元 的方法对力矩器的动态特性进行研究。 1 4 本论文研究的内容及目标 1 4 1 本论文研究内容 在光盘系统中，光学头是复杂精密的光机电集成系统，它的功能是精确地读取并输 出存储在光盘中的数字信息。光学头主要由半导体激光器、物镜、力矩器和p d i c 四个 主要元件组成，其中，力矩器是极为重要的核心元件。 光学头的这种自我调整的功能由力矩器完成。力矩器的作用在于，根据光学头在光 盘读取过程中获取的误差信号，即聚焦和循迹误差信号，实时地驱动物镜运动，使得聚 焦光斑能够克服光盘的起伏振动带来的光斑在盘片聚焦方向和轨迹方向的偏移，从而精 确地落在光盘的信息轨道上，实现高质量的数据读写。其中，聚焦运动可以使得物镜在 垂直于光盘信息面的方向上移动，以保证聚焦光斑精确地落在盘片的信息表面上；而循 迹运动则是控制物镜在平行于光盘信息面的方向上移动，以保证聚焦光斑精确地落在盘 片的信息轨迹上。只有聚焦光斑能够精确地落在盘片的信息轨迹上，才能保证光盘数据 的精确读取。 值得注意的是，光盘除了在聚焦和循迹方向会有偏移之外，还会发生如径向倾斜、 切向倾斜等偏差。但是在c d 和d v d 光盘光学头中，由于光学头系统具有足够的倾斜 允差，盘片的倾斜状况对数据正确读取的影响可以忽略，因此都采用了二维力矩器作为 执行机构。而在高密度、高传输速率的下一代光盘系统，如蓝光光盘系统中，倾斜允差 一8 一 北京科技大学硕士学位论文 范围大大减小，盘片倾斜必须得到精确控制。因此，具有倾斜控制功能的多维力矩器， 如三维力矩器、四维力矩器的出现也成为必然，4 2 】。 力矩器技术的涉及面极为广泛，包括运动力学、电磁场技术、精密机构、驱动伺服 控制、对光学头系统的串扰影响等等。力矩器所能达到的技术指标，决定了光盘信息读 取的精确性与稳定性【h 5 1 。力矩器的研制是极为重要的课题，它是推进光学头国产化的 一个重要组成部分。力矩器的性能提高和质量控制对光学头的生产和品质保证具有极其 重要的意义。 由于工业产权保密的原因，力矩器的核心技术资料从未被国外厂商公开。目前在国 际和国内都没有任何关于力矩器动态特性的系统分析和设计方法的资料，这是因为其中 的技术环节涉及核心竞争力，高度保密，极少见诸资料报道。在力矩器的公开文献中， 都是针对具体现象和单个问题进行的局部分析。 鉴于力矩器的性能提升对光学头国产化进程的重要意义，本论文选题为“悬臂式力 矩器高频动态特性研究”。 本论文研究的内容主要有：分析现有的实验数据，找出良品与不合格品的动态曲 线的差别；建立线圈模型，分别用解析和有限元的方法求解跑道形线圈的磁场分布， 确定影响磁场分布的参数；用有限元的方法对力矩器进行静态分析，分析线圈受力及 其响应的位移；建立力矩器整体模型，对力矩器整体进行模态分析，分析力矩器的固 有频率和振形，分析影响固有频率的影响因素；对力矩器进行谐响应分析，分析力矩 器在简谐荷载作用下的响应，并与实验数据比对，分析影响因素；对力矩器进行瞬态 分析，分析力矩器在电流激励谱作用下的响应；开发悬丝的动态特性分析专业程序软 件，方便非专业人员对悬丝的动态分析；结合电路、互联、工艺、装配，设计出三维 力矩器结构模型。 1 4 2 本论文研究目标 课题的目标是通过有限元仿真以及理论分析出材料属性对悬臂式力矩器高频动态特 性影响：使用p r o e n g i n e e r 建立d v d 力矩器模型4 q ，通过a n s y s 仿真 【4 蛳】，并进行有限元和理论分析，可以得到力矩器的动态信。g ；针对悬臂式力矩器， 找到影响各个参数的因素，从而对力矩器模型进行改进；通过开发悬丝的动态特性分 析专业程序软件，方便非专业人员对悬丝进行动态分析。从而对设计流程，设计参数进 一9 一 北京科技大学硕士学位论文 行优化；结合电路、互联、工艺、装配，设计出三维力矩器结构模型，并画出零件 图、装配图。 根据本论文的特点，要掌握力矩器的动态特性，直接从基础理论入手比较困难，通 过软件模拟和实验检验来掌握影响力矩器动态特性的因素的重要程度比较可行，通过对 这些因素的简化来对建立高频特性模型提供帮助。 用a n s y s 模拟仿真，并进行有限元分析，可以得到力矩器模态信息，为力矩器的 设计提供必要的信息。在分析过程中，由于结构复杂，涉及到的材料数据较多，数据主 要依靠实验测定和估计的办法，结构涉及到多种材料和参数。 由于精度的要求，因此大量细节的工作必须完成，其中有阻尼胶和刚体的连接处 理，焊缝的处理，不同体之间的约束关系，接触处理，动态求解的方法选取，残余应力 的模拟，模拟数据的选取等也工作是本论文的重点。 由于设计人员的知识局限性，我们充分利用个人的知识，通过编程设计出一套供设 计人员使用的程序。程序具有w i n d o w s 的友好界面，在w i n d o w s 上直接操作，无 需借助其它程序，例如c ，c - h 等，设计人员只要输入相关结构尺寸和材料参数，就可 以生成a n s y s 命令流，对a n s y s 进行二次开发【5 1 侧，主要是帮助非力学专业人员在 设计时对力矩器的动态参数了解，加快产品研发速度。 1 5 拟解决的关键问题 通过力矩器特性的测试结果比较，发现几个国内企业的力矩器动态性能和国外类似 型号相比差异较大，有中低频部分如灵敏度、共振峰值、曲线平滑程度等的差异，更多 的是二阶共振频率的偏低引起的线性区偏窄、系统带宽不足。如何能够通过a n s y s 精 确的模拟力矩器的动态特性确定其响应过程是本论文的重点，也是难点。怎样建立模型 力求最大限度的与实际倩况吻合，怎样选取单元，怎样划分网格，以及求解方法的选择 都是本论文重点研究内容；另外，考虑到仿真存在一定的误差，通过理论建立相关模 型，推导系统响应方程，结构的非线性等一系列问题。 力矩器的中低频特性是重要的基本参数。由于实际的生产条件和各工艺环节并非理 想状况，如悬臂装配过程中产生的弯曲和扭曲、焊接操作不当使悬丝产生的残余应力、 支承不对称、阻尼胶和物镜胶的用量调整、线圈匝数的不一致性、物镜架和线圈架的质 量偏心、磁铁安装位置不当或者角度倾斜等等实际因素都会对力矩器的性能曲线产生影 一1 0 北京科技大学硕士学位论文 晌，如果能够建立工艺环节及干扰与最终的性能曲线参数之间的特定关系模型，将能直 观迅速的发现并有针对性地改进工艺中存在的问题，获得更好更稳定的产品质量。 力矩器的高频特性主要反映光学头克服各种干扰的能力，带宽越宽抗干扰能力越 强，系统越稳定。随着驱动器倍速的提高，对力矩器高频特性的要求越来越高。如某企 业生产的c d - p l a y e r 在正常单倍速下工作正常，但打开防震功能后系统工作在两倍速下 无法正常读取的概率会急剧增大，这表明其力矩器的高频特性不足。解决办法即为采取 措施将高频的各个共振峰推后并抑制其共振峰值，这需要找出决定力矩器高阶共振的关 键因素。 北京科技大学硕士学位论文 2 力矩器的振动失效因素 2 1 光盘系统概述 光盘系统是一个极为复杂、精密的光机电集成系统。一般而言，它主要由半导体激 光器、光栅、准直镜、物镜、力矩器、柱面镜、会聚透镜、p d i c 等多种元器件组成如 图2 1 所示。 二二 二驴 反射镜 兮柱面镜 铲光电探铡器 图2 - 1 光盘光学头的工作原理 导体激光器 半导体激光器发出的激光经过光栅衍射后，由准直透镜准直为平行光。物镜将这些 平行激光光束进行聚焦，使其焦点精确地落在光盘的信息表面上。光盘的信息表面由一 系列连续的凹凸坑构成。当聚焦光斑入射到凸坑上时，激光将基本上被全部反射回来； 当聚焦光斑入射到凹坑中时，由于凹坑的深度约为入射波长的1 4 ，因此只有极少量的 激光甚至没有激光反射回来。因此，根据光盘中的凹坑和凸坑对光信号反射率的差异， 相同功率的入射激光被凹坑和凸坑反射后的激光强度是不同的。反射回来的这种功率上 有差异的激光信号由柱面镜和会聚透镜聚焦到光电接收器p d i c 中。根据所接受激光的 光强，p d i c 将接受到的光信号转变为相应的电信号( 即0 或1 ) 。 确定电信号是0 或l 的规则是：从凹坑或者凸坑上返回的光信号对应的电信号都是 0 ，p d i c 输出低电平信号；而在凹坑一凸坑和凸坑凹坑之间产生的反射激光强度的跳变 一1 2 北京科技大学硕士学位论文 对应的电信号是1 ，p d i c 输出高电平信号。这些载有光盘信息的电信号，经过后续电 路的处理，如放大、e f m 解调、反纠错等等之后，就可以从中得到各种与光盘有关的 信号，如光盘中储存的实际用户数据、光盘盘片的聚焦和循迹误差信号等等。 因此，在读取光盘数据的过程中，光学头的主要功能是： 1 ) 精确获取光盘中信息轨道对应的电信号； 2 ) 获得控制光学头精确跟踪光盘的各种伺服误差信号。 2 2 力矩器的结构 力矩器是精密的光机电系统，相对于光学头中其他的精密光学元件及光路来说，它 更是整个光盘光学头系统实现高性能的关键。力矩器中包含的元件众多，它是光学头的 核心元件。 根据力矩器控制物镜运动的自由度，力矩器可以分为二维力矩器、三维力矩器以及 四维力矩器。一般而言，二维力矩器中的物镜具有聚焦和循迹两个方向的运动性，三维 力矩器中的物镜在聚焦、循迹、径向偏转三个方向具有运动性，四维力矩器则在聚焦、 循迹、径向偏转和切向偏转四个方向都具有运动性。随着维数的增加，力矩器的结构更 加复杂，控制也更精密。 根据结构差异，力矩器可分为两类，即弹性支承型和滑动旋转型，本论文研究弹性 支承型，如图2 - 2 所示。其中，弹性支承型力矩器还可以根据支承形式的不同，分为悬 臂式、弹性片式等等；滑动旋转型力矩器简称滑转型，在结构上分为定轴式和动轴式两 种。 图2 - 2 悬臂式力矩器结构图 1 3 北京科技大学硕士学位论文 力矩器主要由固定部件、可动部件组成。在弹性支承型力矩器中，可动部件主要由 物镜及物镜架、线圈架、聚焦线圈、循迹线圈等组成，固定部件由p c b 板、底座、缓 冲架、轭铁、聚焦磁铁、循迹磁铁等组成。固定部件和可动部件之间的连接依靠高性能 的弹性支承( 悬臂或弹性片) 实现，这些弹性支承对该类型力矩器比较关键。悬臂式力矩 器因其结构简单性能平滑且易于小型化成为目前光学头中力矩器的主流。 与弹性支承型不同的是，在滑转型力矩器中，固定部件和可动部件之间的连接依赖 一根光滑耐磨的固定轴。这根轴是滑转型力矩器的关键，其材料、膜层等决定了该型力 矩器的工作性能。 在光学头工作过程中，二维力矩器中的可动部件必须实时地驱动物镜进行光斑调整 运动。弹性支承型力矩器的可动部件在弹簧悬臂的支撑下进行二维平移运动，即上下平 移( 聚焦运动) 和左右平移运动( 循迹运动) ；而滑转型的可动部件则围绕固定轴进行 上下平移( 聚焦运动) 和左右转动( 循迹运动) 。其中，聚焦运动可以使得物镜在垂直 于光盘信息面的方向上移动，以保证聚焦光斑精确地落在盘片的信息表面上；而循迹运 动则是控制物镜在平行于光盘信息面的方向上移动，以保证聚焦光斑精确地落在盘片的 信息轨道上。只有聚焦光斑能够精确地落在盘片的信息轨道上，才能保证光盘数据的精 确读取。 在高密度、高传输速率的下一代光盘系统，如蓝光光盘系统中，由于盘片数据密度 的进一步加大，倾斜允差范围大大减小，因此必须精确控制物镜与盘片之间的相对倾 斜。具有倾斜控制功能的多维力矩器，如三维力矩器、四维力矩器的出现也成为必然。 2 3 力矩器的运动失效分析 由工作特性和结构组成所决定，光盘光学头系统的误差主要包括光盘本身的误差、 机械结构引起的误差、外部干扰等等。 光盘本身的误差是指光盘在其制作和使用过程中，由于不规范的操作而导致的光盘 信息轨道的几何偏差，包括信息轨道的自身缺陷( 气泡、涂层保护材料的划伤等) 、盘 片的不规则翘曲、盘片的不圆度以及孔的不同心度等等。 机械结构引起的误差，包括外力( 光盘旋转时产生的不平衡力) 作用在力矩器滑架 的挠性支承上引起的变形、工作过程中光学头系统中各个光学元件的相对偏移、工作过 程中力矩器加减速度引起的反作用力，引起各组成元件高频谐振激发而严重影响光斑位 置。外部干扰指的是由于加速度引起的作用力，它也会在不同程度上影响光斑的位置。 一1 4 北京科技大学硕士学位论文 在光盘系统的工作过程中，只有聚焦光斑能够精确地落在盘片的信息轨道上，盘片 上的数据才能被精确地读出。而由于前面所述各种误差的存在，信息轨道总是会产生一 定的偏差。这种偏差对数据读取往往是致命的，它会导致误码率提高、数据无法正确读 取，甚至光学头停l h _ t z 作。因此，为了确保光学头工作的可靠性，正确地读出光盘上的 信息，光学头必须克服光盘的各种误差，实时地精确调整光斑与盘片信息轨道之间的偏 差，保证聚焦光斑总能精确无偏差地落在光盘的信息轨道上。 光学头对光斑的这种微调功能，由其中的力矩器完成。在光盘光学头系统中，载有 物镜的力矩器是重要的运动机构，它的作用在于实时地驱动物镜运动，使得聚焦光斑能 够克服光盘的起伏振动和轨道偏移，从而精确地落在光盘的信息轨道上。 目前，应用最广泛的光盘系统是使用二维力矩器的c d 及d v d 系统。在这些光盘 系统中，聚焦和循迹误差对数据的读取具有决定性作用，而在更高密度的光盘系统中， 则必须使用精度更高的三维力矩器甚至四维力矩器。 2 4 本节小结 本章从力矩器的基本结构和基本原理出发，定性的分析了力矩器工作过程中运动失 效的的形式。光学头系统的误差主要包括光盘本身的误差、机械结构引起的误差、外部 干扰等，这些工作为更进一步的理论分析和仿真提供了理论基础。 一1 5 北京科技大学硕士学位论文 3 通电线圈周围磁场分布研究 3 1 跑道形线圈磁场分布解析法求解 力矩器的运动主要依靠载流线圈提供驱动力，因此要对整个力矩器系统研究针对电 磁场的磁场分布求解有解析法和数值模拟法，现通过两种方法分别求解线圈的周围磁场 分布，解析法求解有利于验证仿真模型建模和求解器选择合理性。 根据电磁场理论，如图3 1 所示有限的一段直导线a j a 2 在空间产生的磁场为： 庐c 船。鲁c 丝兽坐。鲁e 生号塑2 馐c c o s e t 稍s 如， ( 3 - 1 ) 式中巩，以为口角在a 卜a 2 两端的夹角。 i a2 i l 。 图3 - l 载流壹导线磁场 一1 6 8 r 旦 ! ! 室燮盔堂堡主堂堡鲨苎 力矩器线圈为跑道线圈，目前对圆形线圈的磁场分布研究较多，对于跑道形线圈， 可将跑道线圈看作四段直导线，分段积分叠加。如图3 - 2 所示，取跑道线圈的中心为坐 标原点建立坐标系，设a b = 2 a ，b c = a b = 2 b ，空间点p ( x ，y ，z ) ，先计算各个边电 流在p 点产生的磁感应强度的分量，将得到的各个方向上的磁场叠加，得到点p 处的磁 场分布： 图3 - 2 载流跑道线圈磁场 b c = b 屯眭+ b 峨+ b c 融+ 8 口舡 。石而一z o 功l z z + 栩、后i 万b + 丽y 丽+ 丽b + - ( 6 y y ) 。+ z 。) 一鱼兰k ( 1 皇三兰 + 皇兰 ) 4 石 + 力2 + z 2 、拓i 孑i f 历写f 。托i 矛i 瓦历7 7 b p = b t 时+ b 恸+ b 。脚+ b 脚 ( 1 竺三兰 + 一； 竺兰兰 ) 、( 4 石) 2 + ( 6 一y ) 2 + z 2( 口+ 石) 2 + ( 6 一y ) 2 十z 2 7 ( 1 竺兰兰 + 1 竺三兰 ) ( 口+ 工) 2 + ( 6 + j ，) 2 + z 2( 口一工) 2 + ( 占+ y ) 2 + z 2 一1 7 北京科技大学硕士学位论文 b z = b m z + b b c z + bc d z + b d n ：j 兰生鱼兰! 生( 1 竺兰兰 + 1 竺三兰 ) 4 n - ( b 十y ) 2 + z 2 】、托再万石万f 万。托i 万了石丐f 万 + 鱼三垡生( - 竺三三 + 一 竺兰兰 ) 。4 n - ( b - y ) 2 + z 2 】、托二虿万j 弼x ( a + x ) 2 + ( b - y ) 2 + z 2 + 鱼! 垒生( 1 皇兰兰 + 皇三兰 ) 4 z r ( a 力2 - i - z , 2 】( 口一功2 + ( 6 + 力2 + z 2( 口一力2 + ( 6 一y ) 2 - t - z 2 。 + 鱼! 垒生( 1 皇三兰 + ； 皇三兰 ) 4 n ( a + 力2 + z 2 】、( 口+ 工) 2 + ( 6 一y ) 2 + z 2( 口+ x ) 2 + ( 6 + 力2 + z 2 ( 3 - 2 ) 3 2a n s y s 磁力耦合分析概述 对于有限元分析，建模过程要定义分析相关的材料参数和单元类型，对于 a n s y s ，磁场分析所涉及到的材料参数如表3 1 。 表3 - 1a n s y s 电磁分析材料特性表 物质材料特性 d o f ：a z 空气 材料特性：( m u r x ) d o f ：a z 铁 材料特性：* ( m u r x ) 或b - h 曲线( t b 命令) d o f ：a z 材料特性：( m u r x ) 或b - h 曲线( t b 命令) ；h c ( 矫顽力矢 永磁铁 量m g x x ，m g y y ) 注：永磁铁的极化方向由矫顽力矢量和单元坐标系共同控制。 d o f ：a z 载流绞线型 材料特性：m ( m u r x ) 线圈 特殊特性：加源电流密度j s ( 用b f e ，j s 命令) 1 8 北京科技大学硕士学位论文 a n s y s 程序可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、磁通量密度、涡流 电场分布、磁力线、运动效应电路和能量损失等。可用于有效地分析下面所列的各类设 备：电力发电机、变压器、螺线管传动器、电动机、磁成像系统、图像显示设备传感 器、回旋加速器、磁悬浮装置、磁带及磁盘驱动器、波导、谐振控、开关、天线辐射、 滤波器、等离子体装置、电解槽等。 使用通用a n s y s 程序进行电磁场有限元分析的主要优点之一是耦合场分析功能。 磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体及热单元上。此外在对电路耦合器件 的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也可计及运动的影响。 三维静态磁场分析有两种方法：标量势法( s c a l a rm e t h o d ) 和单元边法( e d g e - b a s e dm e t h o d ) 。由标量势方程，可以衍生出三种不同的标量势分析方法：简化标量 势法( r s p ) 、微风标量势法( d s p ) 和广义标量势法( g s p ) 。可依据以下两点选择合 适的分析方法： 1 ) 分析的问题中不含铁心区域或虽然含有铁心区域但不含电流源，这时采用r s p 法。相反，含有铁心和电流源的模型分析时通常不使用r s p 法，因为这件因为计算中 截断误差而造成较大的误差。 2 ) 对于单连通铁心区域模型，使用d s p ，而对于多连通铁心区域使用g s p 法。单 连通区域指的是带有空气的隙磁路不封闭的铁心系统，没有空气隙的则为磁路封闭多连 通铁心区域系统。 节点标量势使用的单元自由度，所以对于非线性介质将带来较大的误差。这是就要 考虑使用