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四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 机械工程领域 研究生周丹指导教师王杰战金龙 随着便携式笔记本电脑的日益普及，微硬盘得到了越来越多的应用，但是 由于笔记本的工作场合，决定了微硬盘要向着高容量、高性能、高传输速率、 高稳定性的方向发展，因此对微硬盘读写磁头的定位精度要求也越来越高。 本文通过理论分析和软件仿真相结合的方式对1 8 英寸微硬盘悬臂梁进行 振动模态分析，通过对各阶固有频率下的振型的计算，找出微硬盘悬臂梁中的 具有整体弯曲和大摆动的频率点，在进行结构设计和控制方面要避免这些频率 点，从而提高微硬盘悬臂梁的整体性能。 首先，根据微硬盘的工作原理和结构组成，利用三维制图软件 s o l i d w o r k s 2 0 0 6 ，依据自顶向下的实体特征参数的曲线曲面建模方法，建立1 8 英寸微硬盘悬臂梁的实体模型。 其次，将微硬盘悬臂梁的实体模型通过有限元分析软件a n s y s 所提供的c a d 接口导入a n s y s 中，作为有限元分析模型。并且进行模型优化设计，在保证计 算精度的同时，对模型进行降维和简化细节处理，以达到缩短计算时间，减少 计算能力的作用。 再次，通过对普通悬臂梁的固有频率与振型函数的求解，来进行微硬盘悬 臂梁的模态分析。并且对微硬盘悬臂梁的复杂模型进行多种网格优化处理，减 少了网格数量，减少了畸形网格的存在，大大的降低了计算机的计算时间，有 利于计算结果逼近真实值。在经过分析的微硬盘悬臂梁的振动模态后，为模型 的改进和控制微硬盘的读写精度提供了有利的证据。 通过对微硬盘悬臂梁的固有频率与振型函数的求解，为提高悬臂梁的有害 振型频率点、优化悬臂梁的结构、高精度的控制提供了有力的支持，并且为后 续微硬盘悬臂梁的谐波响应分析、瞬态分析和磁头滑行块的动态特性以及音圈 四川大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 电机的电磁场分析做了充足的准备。 关键词：微硬盘悬臂梁，有限元，固有频率，模态振型，优化设计 i i 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 r e s e a r c ho nd y n a m i c j _ 1 一 一- 一 o c h a r a c t e r i s t i c s0 重m l c r o h a r dd i s kd r i v es u s p e n s i o n m a jo ro fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：z h o ud a n a d v i s e r ：w a n gji e z h a nji n l o n g m o r ea n dm o r em i c r oh a r dd i s kd r i v e sh a v eb e e nu s e db e c a u s eo ft h ep o p u l a ro f t h ep o r t a b l en o t e b o o k t h ew o r k i n go c c a s i o no fn o t e b o o kd e c i d e dt h em i c r oh a r d d i s kd r i v e sm u s th a v eh i g hc a p a c i t y , g o o dp e r f o r m a n c e ，h i g ht r a n s m i t t i n gs p e e da n d h i g hs t a b i l i t y a n dt h ep o s i t i o no fm i c r oh a r dd i s kd r i v e sh e a di sm o r ea n dm o r e a c c u r a c y i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rc o m b i n e dt h et h e o r ya n a l y s i sa n dt h ef i n i t ee l e m e n t s a n a l y s i st os t u d yt h ev i b r a t i o nm o d a la n a l y s i so f t h es u s p e n s i o no ft h e1 8i n c hm i c r o h a r dd i s kd r i v e b a s e do nt h em o d es h a p eo ft h en a t i o n a lf r e q u e n c y , f o rt h es a k eo f e n h a n c i n gt h ew h o l ec a p a b i l i t yo ft h em i c r oh a r dd i s kd r i v e ，t h ea u t h o rf o u n d o u tt h e f r e q u e n c yw h i c hh a v ew h o l eb e n da n dg r e a ts w i n g ，a n da v o i d e dt h i sf r e q u e n c yi n c o n s t r u c t i o na n dc o n t r o lo ft h ee n g i n e e r i n gp r o je c t f i r s t l y , b a s e do nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r eo ft h em i c r oh a r dd i s k d r i v e ，a n dt h et o p - d o w ne n t i t y c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r i z e da n dc u r v e s u r f a c e m o d e l i n gm e t h o d ，t h ea u t h o rb u i l tt h ee n t i t ym o d e lo ft h e1 8i n c hm i c r oh a r dd i s k d r i v es u s p e n s i o nb yu s i n gs o l i d w o r k s 2 0 0 6 s e c o n d l y , t h ea u t h o ri m p o r t e dt h ee n t i t ym o d e lo ft h em i c r oh a r dd i s kd r i v e s u s p e n s i o ni n t oa n s y sw h i c hi st h ef i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i ss o f t w a r e a f t e rt h e e n t i t ym o d e lb u i l tb ys o l i d w o r k s 2 0 0 6b e c o m i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，i ti s n e c e s s a r yt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h em o d e l f o rt h es a k eo fr e d u c i n gt h et i m eo f c o u n t ，t h ea u t h o rm u s tr e d u c ed i m e n s i o na n dp r e d i g e s td e t a i l so ft h em o d e l t h e n ，t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n ds h a p eo fn o r m a ls u s p e n s i o nh a db e e nc o u n t e d i i i 四川大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 i no r d e rt ot h em o d ea n a l y s i so f m i c r oh a r dd i s kd r i v e rs u s p e n s i o n f o rt h es a k eo f r e d u c i n gt h et i m eo fc a l c u l a t i o na n db e i n gp r o p i t i o u s t ot h ec a l c u l a t i o n a lr e s u l t a p p r o a c ht h e a c t u a lr e s u l t ，t h ea u t h o ro p t i m i z eg r i do ft h ec o m p l e xm o d e la s t h e m i c r oh a r dd i s kd r i v e rs u s p e n s i o ni no r d e rt or e d u c i n gt h en u m b e ro ft h eg r i d s i ti s e n o u g he v i d e n c et oo p t i m i z em o d e la n dc o n t r o lt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c ya f t e rt h e m o d ea n a l y s i sa b o u tt h em i c r oh a r dd i s kd r i v e rs u s p e n s i o n i ti sf u l l ye v i d e n c et oh e i g h t e nt h ef r e q u e n c yo ft h ed i s a d v a n t a g em o d es h a p e ， o p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h es u s p e n s i o na n dc o n t r o lb yh i g hp r e c i s i o na f t e rt h em o d e a n a l y s i sa b o u tt h em i c r oh a r dd i s kd r i v e rs u s p e n s i o n i ti sf u l l yp r e p a r a t i v ef o rt h e h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n dt r a n s i e n t a n a l y s i s o fm i c r oh a r dd i s kd r i v e r s u s p e n s i o n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h es o l i d e ra n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i s o f t h ev c m k e y w o r d s ：m i c r oh a r dd i s kd r i v e rs u s p e n s i o n ，f e a ，n a t u r a lf r e q u e n c y ，m o d e s h a p e ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i v 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川i 大学所有，特此声明。 研究生：指导教师： 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 科技的发展不仅仅让社会日益进步，而且带动了信息产业革命，诸如计算 机和互联网的普及其应用技术的发展，特别是笔记本所具有的灵活性、简便性、 移动性及高效性等优点，更是让许多商业人士得以摆脱固定的办公场所。随着 笔记本电脑的制造技术的越来越成熟，使其各个部分的性能都已经和台式电脑 不相上下，并且其市场的价格也越来越平民化。因此其使用也不仅仅局限于商 业人士，走近家庭也越来越是一种趋势，从而在普通生活中得以较广泛运用n 1 。 近些年随着移动计算机技术的发展，笔记本电脑也在向着更小体积、更高 速度、更省电、更安全方向发展。特别是诸如多媒体信息技术的发展，每台计 算机需要存储大量的数据、图形、声音、图像、视频文件。因此目前作为笔记 本电脑存储器系统的核心硬盘，它的容量、高性能、高传输速率、更好的 稳定性一直较受人们关注啦3 。笔记本电脑所使用的硬盘一般是2 5 英寸、1 8 英 寸的产品，随着超便携式笔记本电脑的广泛发展，1 8 英寸笔记本硬盘今后将得 到更广泛的应用d 1 。但是在测试中发现笔记本电脑的总体性能还是要比台式电脑 要差一截，其中一个最大瓶颈就是硬盘h 1 ，主要表现在： 1 ) 单碟容量，不能满足日益增长的多媒体信息技术的需要，现在对于硬盘 解决的办法就是增加单位存储密度来提高容量，这就要求硬盘悬臂梁中 的磁头定位精度相当高； 2 ) 在安全性方面，由于硬盘是笔记本电脑中最容易受损的部件，如果不做 些有效的保护措施，其意外的跌落、撞击乃至晃动都有可能造成笔记本 电脑的数据丢失或硬盘损毁，造成的损失无法估计。 3 ) 发热量增大，给笔记本整体性能带来了潜在的不稳定因素； 4 ) 转速的先天不足，如果转速高，意味着需要更多的电能，缩短了电池的 续航时间，而且硬盘的转速高，防震性能差； 在以上影响笔记本硬盘性能的问题中，制约笔记本进一部发展的一个很重 要的问题便是振动，它存在所造成的损失也是最也是无法估计的。在数据的读 写过程中，硬盘上的磁头必须在盘片上的磁道间移动。物理振动有可能让磁头 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 偏离磁道，尽管传动系统会让磁头自动回到正确的位置，但这就造成了硬盘数 据读取的延迟，从而大大降低了数据的传输速率。现在随着硬盘转动速率的提 高，盘片将在硬盘密封腔里激起空气流动，硬盘悬臂梁在空气的外扰下产生振 动，使磁头偏离磁道的轨迹。因此，了解硬盘悬臂梁的动态特性对硬盘的伺服 控制、数据读取速率提升等将起到重要的作用舾3 。 1 2 国内外研究现状及发展 1 2 1 笔记本电脑硬盘 随着迅驰架构的推出，意味着笔记本电脑不再是走和台式电脑平行的发展 路线，而已经走上了一条独立发展的道路。并且随着各项技术的不断进步，笔 记本电脑的性能越来越强大，功能也越来越完善，已经直逼台式机。由于笔记本 电脑内部空间狭小、电池能量有限，再加上移动中的难以避免的磕碰，对其部 件的体积、功耗和坚固性等提出了很高的要求。由此可见作为笔记本电脑信息 存储的核心硬盘，它的品质要求比通常的台式机硬盘更高，生产的厂家不 多。笔记本硬盘的直径一般通用的为2 5 英寸、1 8 英寸，厚度远低于3 5 英寸 硬盘，大多数产品厚度仅有9 5 毫米，重量尚不足百克。 目前笔记本电脑硬盘的发展方向主要是性能和容量的提升。在安全性方面， 由于硬盘是笔记本电脑中最容易受损的部件，意外的跌落、撞击乃至晃动都有 可能造成笔记本电脑硬盘的数据丢失或损毁。针对这一问题，i b m 研发了革命性 的主动硬盘保护技术主动保护系统，使其对硬盘的保护由过去的被动方式 转化为主动方式肺，。主动保护系统是由内嵌于主板上的加速度感应芯片和预装在 系统中的振动预测管理软件所组成，通过对笔记本各角度的振动监测( 横纵加 速度变化的监测) ，来决定是否将硬盘磁头从工作状态收回到磁头停靠区，从而 减小撞击对硬盘的损害，保护硬盘及硬盘内的数据。 除了性能提升，笔记本电脑硬盘也采用了很多新技术来提升容量。如日立 采用微米级滑行读写技术、仙尘技术( i b m 发明的一种稀有金属涂层，它能够克 服当磁存储设备的存储密度达到一定限度的时候所出现的超磁效应) ，使读写头 与盘面之间的距离缩短了4 0 ，增加了大约1 0 的纪录区域，使硬盘的可靠性和 2 四川大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 存储密度大幅提升。 目前笔记本电脑硬盘的发展方向除了性能和容量的提升，小型化也是笔记 本硬盘发展的一个主要趋势，随着便携式笔记本电脑的发展，1 8 英寸笔记本硬 盘今后将得到更广泛的应用口3 。 1 2 2 硬盘振动 随着便携式笔记本电脑的发展，越来越多的笔记本电脑已经走进日常生活。 但是笔记本电脑硬盘的抗振性能严重影响着硬盘的小型化、高密度、高存储、 高速度的发展，其中硬盘悬臂梁的振动是关键因素，它会使悬臂梁上的磁头偏 离预定轨道，出现读写错误，严重时会损坏盘片、磁头。因此，研究振动对硬 盘坚固性的影响成为硬盘发展的一个焦点。 由于微硬盘的微小结构部件决定了它的零部件的抗振性能要比台式机高。 先前公认的振动标准( 半正弦加速度为1 0 0 3 0 0 9 振幅( 1 9 = 9 8 m s 2 ) ) 并不能满 足便携式笔记本电脑硬盘各零部件的振动要求。现在通过大量试验总结归纳出 微硬盘的振动标准5 0 0 1 0 0 0 9 的高振幅。 微硬盘悬臂梁的结构振动模态平面内模态和平面外模态。平面内模态 是影响磁头径向定位精度的主要因素，它导致了磁道搜索异常运动。平面外模 态由于其偏道效应小，对于低密度磁盘几乎可以忽略。但是随着磁记录密度的 逐步加大，平面外模态会影响到磁头的侧倾角，从而影响磁通量的切割方向随h 引。 1 2 3 微硬盘振动主动控制 主动控制是指在振动控制过程中，根据检测的振动信号，通过一定的控制 方法，经过实时计算，进而促使驱动作动器对控制目标施加一定的影响，来达到 抑制或消除振动的目的。由于其效果好、适应性强等潜在的优越性，正越来越受 到人们的重视u 叫1 1 1 1 。 随着i b m 研发了革命性的主动硬盘保护技术主动保护系统，使其对硬 盘的保护由过去的被动方式转化为主动方式。但是随着硬盘向着高密度、微型 化、磁头与盘片距离降至亚微米级的方向发展，因此作为具有超精密技术的硬 四川大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 盘，微幅、超微幅振动的影响变得十分突出。特别是悬臂梁的振动将严重影响 着硬盘的总体性能。 振动主动控制主要应用主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态 或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控结构的闭环零、极点配置或 结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。近几十年来控制领域的研究 成果，为柔性智能结构振动主动控制中的控制策略的设计奠定了坚实的基础， 提供了很多可用的有效方法。常用的控制方法有：特征结构配置法、独立模态 空间控制方法、最优控制方法、自适应控制和鲁棒控制方法等。其中独立模态 空间法的基本思想是具有分布参数特征的弹性体离散化为模态序列，通过控制 振动的主动模态对弹性体进行控制，目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。 这种方法直观简便，充分利用模态分析技术的特点，但先决条件是被控系统完全 可控和可观，且必须预先知道应该控制的特定模态n 2 h 1 3 1 。这也是本论文所要作 的工作。 1 2 4 有限元法 随着科技的不断进步，竞争要求企业更快地将产品推向市场。将c a e 融入 产品设计的整个过程，尤其是设计阶段，是提升产品性能、加速产品研发过程 的有效手段。有限元技术经过了几十年的发展，在数值算法、求解器、单元技 术、材料模式方面有了极大的发展，加上硬件的突飞猛进的发展，使得模拟计 算效率更高，处理大规模的问题更为得心应手n 制。 有限元方法用于求解工程中各类问题的数值方法。在许多实际工程问题中， 我们一般不能得到它的精确解，这要归因于微分方程组的复杂性，以及难以确 定的边界条件和初值条件。为了解决这个问题，我们常常需要借助数值方法来 求解近似值，即将待求解对象细分成许多小的区域和节点。数值方法常分为两 大类：有限差分方法和有限元方法。使用有限差分方法，需要针对每一节点写 出微分方程，并且用差分方程代替偏微分方程。有限元差分方法对于简单问题 的求解是易于理解和应用的，但是使用该方法难以解决带有复杂几何条件、复 杂边界条件各向异性特性的物体的问题。相比之下，有限元方法是使用积分方 法而不是微分方法来建立系统的代数方程组。而且，这种方法用一个连续的函 4 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 数来近似描述每一个单元的解。由于内部单元的边界是连续的，整个问题的解 就是可以通过单个的解连接或组装起来n 5 j 。 现代有限元方法的起源可以追溯到2 0 世纪初，已经有6 0 余年的历史了， 当时有些研究人员利用离散的等价弹性杆来近似连续的弹性体。在2 0 世纪4 0 年代，c o u r a n t 发表了一篇关于使用多边形插值而不是三角剖分方法来研究扭转 问题的论文，而成为有限元方法的奠基人。接着在2 0 世纪5 0 年代，b o e i n g 及 其它研究人员采用了三角形应力单元来建立飞机机翼的模型，作为处理固体力 学问题的出现，极大地推动了有限元方法的发展。然而，直到2 0 世纪6 0 年代 c l o u g h 首先把解决弹性力学平面问题的方法称为有限元法，从而使人们广为接 受“有限元”这一术语，并且开始将有限元方法应用到工程中的其他领域，例 如热传导和地下渗流问题。并且不少有限元研究人员开始编著有限元的专著， 其中主要内容包括如大型线性方程组和特征值问题的数值方法、离散误差分析、 解的收敛性和稳定性等n4 | 。从而为有限元法理论研究成果为其应用奠定了基础。 在理论的沉积直到2 0 世纪7 0 年代，相继出现了一些通用的有限元分析软件，如 s a p 、a n s y s 等分析软件，这些有限元分析软件大量运用在航空航天领域的结构强 度、刚度分析，从而推动了有限元法在工程中的实际应用。到2 0 世纪8 0 年代随 着工作站的广泛应用，原来运行于大中型机上的有限元分析系统得以在其上运 行。2 0 世纪9 0 年代，随着微机性能的显著提高，大批有限元分析系统纷纷向微机 移植，出现了基于w i n d o w s 的微机版有限元分析系统。 由此可见，经过半个多世纪的发展，有限元法已经历了从低级到高级、从简 单到复杂的发展过程。从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题；从 固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从弹性 力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；从线性问题扩展到非线性问题，从 单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算。因此有限元法目前己成为工程计 算最有效方法之一，它已广泛应用于航空、航天、船舶建造、核能核电、地下 建筑等结构工程u 6 。 1 2 5 微硬盘悬臂梁有限元法 硬盘悬臂梁主要是针对3 5 英寸的台式电脑硬盘悬臂梁的模拟模型进行仿 四j i l 大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 真，并且绝大部分集中在控制仿真，对于机械结构动力学仿真的为数不多。其 3 5 英寸硬盘悬臂梁的结构主要由传动臂构成，传动臂占整个悬臂梁的8 0 ，传 动臂前端直接接读写磁头，与微硬盘悬臂梁的组成有很大的区别，其动态特性 也有很大的区别。目前由电子科大机电学院根据南方汇通的1 0 英寸微硬盘悬 臂梁做过悬臂梁的模态分析，对便携式数码产品所用的1 。0 英寸微硬盘悬臂梁 的动态特性的研究起到了很好的作用n 7 】。 由于便携式笔记本的发展，特别是更小体积、高效率、高节能的笔记本的 普及，对1 8 英寸微硬盘的需求比2 5 英寸微硬盘的需求更多。然而1 8 英寸 微硬盘的结构与2 5 英寸、3 5 英寸硬盘的基本结构一致，要在小体积里安放同 样多的零部件，就要求1 8 英寸微硬盘具有良好的结构和结构动态特性，以适 应便携式笔记本的不同工作场合的要求。 对各个型号的硬盘悬臂梁的分析，也多采用全部自由划分网格的形式，来 进行悬臂梁的动态特性仿真，这样不能保证悬臂梁不同部件之间的连接耦合的 精确性，特别是焊点的精确定位，也不能满足各网格节点的物质传递，使其计 算结果不精确，以及耗费计算时间、占用计算机资源。特别是需要一种新的分 析方法的研究与实现。 1 。3 本课题的主要研究内容 本课题来源于某硬盘生产厂商所生产的微硬盘的悬臂梁动力学研究分析， 主要进行结构建模、结构动力学分析和优化设计，其中主要内容包括： ( 1 ) 利用s o l i d w o r k s 2 0 0 6 三维制图软件，采用自顶向下的实体特征参数 化的曲线曲面建模方法，建立l ：l 的1 8 英寸笔记本硬盘悬臂梁的三维实体模 型。 ( 2 ) 通过有限元分析软件a n s y s 所提供的c a d 结构，将s o l i d w o r k s 2 0 0 6 建立的模型导入a n s y s 中，对1 8 英寸笔记本硬盘悬臂梁进行动态特性仿真。 ( 3 ) 在确保计算精度时，对微硬盘悬臂梁这样比较大型的模型进行降维处 理以及细节的简化，并通过对复杂结构优化网格处理，来缩短计算时间以及减 少计算机资源占有率。 ( 4 ) 通过对悬臂梁的振动模态分析理论，来进行微硬盘悬臂梁的固有频率 6 四川大学工程硕士学位论文 微硬盘悬臂梁的动态特性研究 与振动函数的计算，求解出在实际硬盘工作中需要避免的频率段。 本文的研究目标主要是：学习并应用所学的知识对1 8 英寸微硬盘的悬臂 梁进行建模和分析，并通过分析研究，确定影响微硬盘悬臂梁的固有频率与振 动函数，从而为微硬盘悬臂梁的优化设计提供参考，指出优化方向，为后续研 究奠定基础。 7 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 2 微硬盘的工作原理及主要零件的三维造型 2 1 微硬盘的结构组成 微硬盘最大的特点就是体积小巧，可以说是凝聚了磁储技术方面的精髓， 但是对于大多数用户来说，在计算机里的部件中，硬盘结构还是比较神秘的零 部件我们现在都来看看硬盘的组成。 图2 1 反映了微硬盘的结构组成，因此微硬盘从技术角度上讲，继承了硬 盘的传统，其内部结构与普通硬盘几乎完全相同，在有限的体积里包含有相当 多的部件。在市场上存在各种各样的硬盘中，虽然其各零部件的结构及其制造 材料不相同，但是它们都是具有基本相同的物理构成和工作原理n 町1 2 刚。 外 图2 1 典型硬盘组成 f i g2 1t y p i c a lh a r dd i s kd r i v ec o m p o n e n t s 盘片 磁头组件( 读写磁头、悬臂梁、传动轴) 8 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 电机( 主轴电机、音圈电机) 控制电路板( 主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、 控制与接口电路) 软质电线和连接器 空气过滤器、停靠站 外壳组件 其中，盘片、主轴电机、磁头主件、音圈电机、软线、连接器、空气过滤 器、停靠站是密封在硬盘的金属密封腔内。控制电路板、接口、其它的装配零 件都在金属密封腔外，是可以任意拆分的口。下面介绍主要零部件： ( 1 ) 硬盘的存储介质盘片 目前市场上的微硬盘还是单盘片，由两个面组成，为了达到高强度和轻重 量的要求，传统的盘片是由铝合金制成。但是随着硬盘向着高密度、高速度、 小尺寸的方向发展，因此硬盘逐渐采用玻璃、玻璃陶瓷复合材料作盘片，因为 玻璃盘片的刚性更高一些，可以做到只有传统铝合金盘片厚度的二分之一或更 薄，同时，玻璃盘片热稳定性也好，意味着在温度变化时，它的尺寸不会变化 ( 不膨胀和不收缩) 硷2 | 。 每个盘面上覆盖着磁性涂层，硬盘数据就是存储在这些磁性涂层上的。目 前硬盘上常用的介质涂层主要是氧化介质涂层或薄膜介质涂层。其中盘片的最 初涂层是氧化介质，它是由多种成分构成，其中的铁氧体是主要组成成分，主 要是铝合金盘片的涂层，由含有铁氧体微粒的糊状溶液平铺在磁盘上，并且通 过盘片高速旋转的离心力使这些溶液由盘心向四周流出，从而形成一层平滑的 磁介质。随着硬盘存储密度的增加，介质变得越来越薄、工艺越来越好，氧化 介质涂层已经不能满足大容量硬盘的性能的要求。因此出现了薄膜介质涂层， 它是通过一种电镀机构把介质材料覆盖在盘片表面而形成，这种工艺所形成的 涂层要比氧化涂层法所能达到的厚度更薄、更结实。由此可知，薄膜介质是一 种高品质的介质，从而形成了具有更低磁头浮动高度的新一代硬盘，也更大的 提高了硬盘的密度。 微硬盘中的磁道是以盘心为圆点均匀划分盘面所生成若干个半径不等的同 心圆所组成的轨迹。同样以盘心为顶点按逆时针方向将每个磁道沿圆周方向上 划分为若干个夹角相等的弧段称为扇区，它是硬盘存取数据的最基本单位。硬 9 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 盘的扇区定位方式有：物理扇区和逻辑扇区。其中物理扇区是指扇区在盘片上 的绝对位置，它由驱动器号、磁头号、磁号和扇区号这4 个参数值组成。逻辑扇 区是指将硬盘上的所有扇区按统一顺序编号所在的扇区。 ( 2 ) 硬盘的读写组件 硬盘的读写组件主要由读写磁头、悬臂梁、传动轴三部分组成。其中读写 磁头是硬盘技术中最关键的组件，采用了非接触式磁头、盘片结构，工作时飞 行在高速旋转盘片表面的上空，飞行间距只有0 1 - 0 3 微米，可以获得极高的 数据传输率。因此好的磁头可以提高硬盘的整体性能，目前的硬盘一般都采用两 种磁头：m r ( m a g n e t o r e s i s t i v eh e a d s ) 磁阻磁头和g m r ( g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v eh e a d s ) 巨磁阻磁头。它们都是通过阻值的变化去感应信号的幅值来 实现对硬盘中数据的读写功能，这要比电流磁头对信号的感应灵敏度和可靠性 高1 。 2 2 微硬盘的工作原理 硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据，即在每个同心圆 的磁道上有无数任意排列的小磁铁，当这些小磁铁受到来自磁头磁场的影响时， 排列的方向随之改变，利用磁头的磁力改变磁道某区域小磁铁的极性，使该区 域磁场呈现s n 两种极性，如果把s n 两种极性与二进制中的0 和l 对应，就 可以将其表示成二进制数据。由于硬盘盘片上的磁粒子都是永磁体，即便磁头 离开，它依然可以长时间保持极性，以达到储存信息的目的。磁头在读取数据 时，可以感应磁粒子的不同极性，从而将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉 冲信号，再利用解码器将这些原始信号翻译成电脑能使用的数据，写入数据的 操作正好与此相反。另外，硬盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与 主机在数据处理速度上的差异而设的2 h 2 4 】。 台式电脑硬盘在不工作时，磁头是靠在位于盘片中央的起停区，这个位置 不存放数据，属于盘片的一部分。但是微硬盘的磁头是停靠在位于盘片边上的 停靠站，这个位置不属于盘片的一个独立零部件。当要从硬盘读写数据时，硬盘 主轴电机带动磁盘旋转，磁头就会通过传动装置从停靠站滑向盘片，因为高速 旋转的磁盘在盘面与磁头浮动块间形成一定厚度的空气膜，气膜产生的轴承效 1 0 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 应( 支承力) 将磁头托起，除气膜支承力外，磁头还受到悬臂预置载荷、自身重力 的作用，并在这三个力的综合作用下滑行于磁盘的上方。 一 因为盘片旋转所形成的气流将磁头微微拾起，当接口电路接收到微机系统 传来的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号，促使磁 头传动装置作用磁头，并根据感应阻值变化的磁头以很小的等距离作径向移动 ( 由于磁头固定在悬臂梁上，因此磁头在盘片表面上的移动表现为磁头在磁道 与磁道之间的变动，即磁头的移动只限于盘片的径向方向) ，到数据区开始寻道 和读写数据，并将接收后的数据信息解码，通过前置放大控制电路传回到接口 电路，反馈给主机系统完成指令操作。 磁头在盘片上读写数据时，始终与高速旋转的盘片保持很小的间隙，以避免 擦伤盘面。磁头读写硬盘上的数据是按柱面的顺序进行的，也就是说，磁头在读 写完一个磁道的数据后，并不是移向下一个磁道，而是用另一个磁头读写另一个 盘面的同一磁道旧引。 当今，硬盘的读写驱动系统采用回旋驱动方式，即伺服机构( s e r v os y s t e m ) 驱动磁头沿磁盘的径向寻道和定位，并等待主轴电机将需要读写的磁盘扇区带 至磁头下方，实现磁头对该扇区的数据读写。为了保证磁头对盘面数据信号的敏 感性，磁头与盘面的间隙很小，现在头盘间隙已经达到5 - 1 0 n m ( 纳米) 。当硬盘处 于稳定工作状态时，头盘间隙保持在一个相对稳定的范围内；而当硬盘受到振 动或冲击时，磁盘、浮动块、悬臂、传动臂等机械部件都会发生不同程度的振 颤，引起气膜性能的改变，造成磁头与磁盘的碰撞和损坏。硬盘是一个精密的 微机电系统，其独特的机械工作方式和部件结构的复杂性就决定了其对冲击振 动非常敏感。 在了解微硬盘的结构组成和工作原理，将采用三维制图软件 s o lid w o r k s 2 0 0 6 进行微硬盘悬臂梁的建模。 2 3s o i d w o r k s 软件简介 经过多年的推广，c a d 技术已经广泛的应用在机械、电子、航天、化工、建 筑等行业。应用c a d 技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技 术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 s o l i d w o r k s 公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件 开发和营销的跨国公司，s o l i d w o r k s 是旗下开发的基于w i n d o w s 平台的三维c a d 产品，s o l i d w o r k s 软件自1 9 9 5 年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新 性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已 经确立了它的市场地位，成为三维机械设计软件的标准，在全球拥有近3 0 万用 户o s o li d w o r k s 是基于三维造型的c a d 软件，具有强大的功能、易学易用、高 效等特点，其中崭新的属性管理员界面用来高效的管理整个设计过程和步骤， 其中包含所有的设计数据和参数，界面直观、操作更方便，其主要优点表现在： ( 1 ) s o l i d w o r k s 对于产品设计分为零件、装配体和工程图3 个基本模块， 并且提供了关于模具、钣金和焊接的功能环境以及标准件库和模具库。 ( 2 ) 采用“搭积木”组合特征的方法生成模型，设计人员不必考虑模型 的三维视图关系，而可以直接考虑产品的空间形态。 ( 3 ) 提供参数化支持，即可以用尺寸来驱动模型变化：还可以通过方程式 描述产品模型尺寸之间的关联性，从而更好地反映设计目的；并且参数化为产 品系列化、产品配置管理等技术打下了更坚实的基础。 ( 4 ) s o l i d w o r k s 提供了目前三维软件的高级设计技术自项向下的设计 方法，它允许设计者从产品全局和零部件协调关系的角度出发进行产品设计， 统筹规划产品布局和设计任务，其中包括布局草图、模型分割和关联设计等。 ( 5 ) 具有开放的系统，添加各种插件后，可以实现产品的三维建模、装备 校验、干涉检查、逆向工程、运动仿真、加工仿真、有限元分析、数控加工及 其工艺的制定。从而保证产品从设计到产品制造过程中的数据具有一致性，因 此真正的实现了产品的数字化设计和制造，并且大幅度的提高产品的设计效率 和质量。 因此，基于s o l i d w o r k s 诸多优点，很多公司以其为中心，开发出包括逆向 工程、分析与仿真、加工等第三方工程应用模块，从而逐步发展出一个面向企 业全方位应用的设计软件体系瞳印锄1 。 1 2 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 2 4 微硬盘悬臂梁实体模型的组成 如图2 2 所示，微硬盘磁头悬臂梁主要由包括滑行磁头在内的4 个零件组 装而成。这些零部件包括：加载梁、传动臂、磁头、软线盖板。图2 2 中给出 了1 8 英寸微硬盘悬臂梁实体模型的上下两个面，厚度方向上未给出( 此实体 模型为合作单位应用于1 8 英寸微硬盘上的悬臂梁) 。 对于微硬盘磁头弹性臂加载梁、弯曲梁和柔性电线安装板三个零件，由于 它们在微硬盘磁头弹性臂结构中的作用比较重要，其特性也主要由他们决定， 因此，在附录1 中给出了这三个零件的详细视图、主要尺寸以及焊点的精确位 置，作为建立微硬盘磁头弹性臂简化实体模型的根据和参考。 传动臀 加载粱 图2 2 微硬盘悬臂梁的结构 f i g 2 2b a s i cs t r u c t u r eo fm i c r oh a r dd i s cs u s p e n s i o n 2 5 微硬盘悬臂梁的设计方法 2 5 1 自顶向下的建模方法 回顾产品设计的发展历史，在2 0 世纪7 0 年到至9 0 年代中期，采用c a d 软 件进行产品设计主要是先构思出产品的整体框架，然后将其分解成为各个部件， 分派到不同的设计小组，因此自底向上的设计方法逐渐成为c a d 设计的主要设 1 3 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 计方法，它主要强调单个部件的结构和尺寸，适合已有结构的改型以及简单的 产品结构设计，充分发挥了群体工作的优势。但是自底向上的设计方法往往是 靠工程设计人员的经验来进行设计的，随着c a d 技术日益发展的今天，经常会 曲线部件之间的约束关系和参数之间的冲突，尤其是某些复杂结构产品中的过 渡件，很难利用独立的零部件设计方法的完成。因此自底向下的设计方法越来 越不能满足现代化的高效率、高复杂结构的设计理念。 从1 9 9 8 年前后开始，一些主流c a d 软件都开始逐步提供系统的自顶向下的 设计功能，它主要强调各部件之间的约束关系以及设计活动的集中性，但是这 也使设计任务集中在少数设计管理人员手中，分散性差，从而不能发挥群体优 势。但是随着特征技术和参数化技术的逐步发展，自顶向下的高的关联性、分 解性，可以更好的推行并行工程的实现，因此，自项向下的设计方法代表着现 代高层次性、高效率、高复杂性产品的设计方法1 。 其自顶向下的设计方法主要体现在关联设计、基于布局草图的装配体设计、 零部件组合、分割设计四点，分别如下： ( 1 ) 在装配体环境参考已经安装到位的零部件设计新零部件的过程称为关 联设计。它首先设计出零部件的结构以及尺寸，然后分别把这些零部件调入到 装配体环境中，设置其相应的配合约束关系，新零部件的设计就可以借助这些 零部件在装配体环境中形成的空间结构参考系，从而能够设计出在独立零部件 环境下结构较为复杂的零部件。尤其是框架零部件和过渡零部件。 ( 2 ) 布局草图( 在装配体环境中控制零部件空间位置关系的草图) 驱动的 装配体是除配合约束装配之外的另一种零部件装配方式，它是通过在装配体环 境中采用布局草图来完成各零部件的装配，从而使布局草图和零部件的空间位 置之间形成了参考关系，因此，调整布局草图就能很快地调整装配体中各零部 件之间的关系。 ( 3 ) 在装配体环境中，零部件之间可以进行合并、减等布尔运算。合并运 算又为连接重组，即在装配体环境中两个相连或相交的零部件可以组合为一个 零件。减运算即为两个相交的零件之间进行修剪的操作。 ( 4 ) 分割设计是指在零件环境中采用曲面分割零件来实现的，它会同时产 生多个零件，并同时实现装配关系。 1 4 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 2 5 2 特征实体和参数化建模 2 0 世纪8 0 年代，一些主流c a d 软件开始出现一种来源于工程应用的模型组 织技术特征技术。图2 3 反映出了实体特征建模的层次关系，由此可见特 征技术采用具有工程性单元特征进行造型，减少了设计人员的主观意向，实现 了设计与制造的共享，因此有助于消除设计结果与制造实现的冲突。 图2 3 实体特征建模层次关系 f i g2 3t h er e l a t i o no fe n t i t yc h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n g 特征是构成产品模型的基本单元，实体则是特征与零件之间的新层次，每 个实体可以包括一道多个特征，再由多个实体构成零件。因此实体与特征之间 的关系主要呈现为层次关系，零件中的第一个实体特征为基本特征，如果继续 在基本特征上添加新的特征，只需要合并新特性与已有实体，就构成新的实体。 特征组合已不再由传统的加减并差等布尔运算而成，延伸到了由特征类型、参 数和建立时序、参考关系等共同决定产品形态的高级组合方式。因此，特征技 术可以方便的将设计意图融合进产品模型中，并可以随时进行调整瞳町咖3 。其主 要内容包括时序关系、父子关系、特征状态、特征编辑，其主要内容如下： ( 1 ) 特征时序关系就是特征建立的时间次序。在特征造型过程中，更改时 序靠前的特征的切除操作不会影响到后续特征，但是后续特征操作将会使时序 靠前的特征产生相应改变。可以通过调整特征时序来实现切除操作。 ( 2 ) 如果一个特征的建立参照了其他特征元素，则被参照特征成为此特征 四川大学工程硕士学位论文微硬盘悬臂梁的动态特性研究 的父特征，此特征就为子特征，子特征将受到父特征的变化影响。其关系如下 图2 4 所示： 图2 4 特征父子关系 f i g2 4t h e f i l i a t i o no fc h a r a c t e r i s t i c ( 3 ) 特征状态即为求解压缩状态，即将操作对象以及该对象特征暂时消除， 从而降低模型的复杂程度，