（机械工程专业论文）磁头动态性能测试设备的改进及测试夹具设计研究.pdf

摘 要 摘要 随着磁存储技术的发展，磁碟单位面积的信息存储容量越来越高，这就意味 着磁轨密度的加大和磁头读写频率的提高，同时对磁头动态测试设备的性能有了 更高的要求。 现有的测试设备在重复性( l o n m ) 和稳定性的性能上己经满足不了单 位面积( 1 平方英寸) 容量高于 8 0 g b的磁碟磁头的动态测试要求。 本文针对这个问 题，开展了对磁头动态测试设备系统的分析研究，着重通过改进测试中磁碟振动 和提高夹具整体设计性能，提高现有测试设备在测试过程中的重复性和稳定性， 达到满足高容量磁碟的磁头的动态性能测试要求。 本论文在简单介绍现有测试设备的结构及其工作原理的基础上， 主要从以下 几个方面进行研究来改进测试性能: 1 . 分析了气流对高速旋转磁碟的影响。通过研究了降低气流振动的方法，减 少气流对测试过程中磁碟振动的影响，保证了磁碟的平稳转动。 2 . 分析了不同定位方式时磁头定位误差的大小，选用误差小的定位方式，减 小测试中磁头的定位误差。 3 . 研究夹具系统在测试过程中的振动机理和抑制振动的方法。 4 . 研究了提高夹具复位性和稳定性的夹紧结构设计。 5 . 通过构造夹具系统模型机，实现了夹具设计过程中的虚拟装配和运动分 析。 本论文实验包括:测试重复性实验、夹具系统频率检测和振动实验、测试过 程中磁碟稳定性试验以及夹具系统转动响应速度实验。 通过模拟磁头测试过程中 的测试条件，检测磁头测试设备经过改进后的整体性能;并针对存在的问题，采 取进一步改进措施，提高了测试设备的整体性能。 经过改进的磁头动态性能测试设备在测试中定位的稳定性和重复性己经有 了很大的提高，1 0 次读写的重复性已达到 8 n m ，使磁头测试设备达到了具有领先 地位的g u i z k 测试机的水平;同时测试效率高于 g u z i k 测试机，完全能满足高容 量磁碟磁头的动态测试要求。 本研究改进的测试设备是采用k m y 公司生产的数字频谱分析仪和经过改进的 c a n n o n 公司制造的测试平台，以及新设计制造的测试夹具的组合， 这一研究成果 目前己应用于实际生产中，测试单位面积容量为90g3的磁碟的磁头。 在实际生产测试中应用本研究成果将节省大量的设备购置费用，同时提高测 试效率，降低生产测试成本 。 关键词: 磁碟、磁头、夹具 、动态测试 华南理工大学一程硕 l 学位论文 a b s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p i n g o f m a g n e t i s m s t o r a g e t e c h n o l o g y , t h e u n i t a r e a o f d i s k w i l l s t o r e m o r e a n d m o r e i n f o r m a t i o n ; w h i c h m e a n s t h a t t h e d e n s i t y o f t r a c k i s b e c o m e b i g g e r a n d t h e w r i t e a n d r e a d f r e q u e n c y o f m a g n e t i c h e a d i s i n c r e a s e d , a t o n e t i m e , i t r e q u i r e s t h a t t h e ma g n e t i c h e a d d y n a m i c t e s t e r h a v e b e t t e r a n d b e t t e r t e s t i n g p e r f o r m a n c e . t h e e x i s t i n g t e s t e r c a n t r e a c h t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t o f r e p e a t i n g a n d s t a b i l i t y i n t e s t i n g t h e m a g n e t i c h e a d u s e d f o r t h e d i s k w h o s e c a p a c i t y i n u n i t a r e a e x c e e d s 8 0 g b . a i m i n g a t t h e a b o v e p r o b l e m , t h i s p a p e r s t u d i e d t h e t e s t e r s y s t e m a n d t r i e d t o s o l v e i t t h r o u g h r e d u c i n g t h e v i b r a t i o n o f d i s k a n d i m p r o v i n g t h e w h o l e p e r f o r m a n c e o f f i x t u r e t o i m p r o v e t h e t e s t i n g p e r f o r m a n c e i n r e p e a t i n g a n d s t a b i l i t y . g i v i n g a s i m p l e i n t r o d u c t i o n o f t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e t e s t e r s t r u c t u r e a n d i t s w o r k p r i n c i p l e , t h i s p a p e r s t u d i e d m a i n l y t h e f o l l o w i n g i t e m s t o i m p r o v e t e s t i n g p e r f o r m a n c e : a n a l y s e d t h e a f f e c t i o n o f a i r fl o w a c t i n g o n t h e d i s k o f s p i n n i n g w i t h h i g h s p e e d . t h r o u g h s e a r c h i n g f o r t h e m e t h o d s o f l o w i n g t h e v i b r a t i o n r a n g e , r e d u c i n g t h e a c t i o n o f a i r fl o w a c t i n g o n d i s k t o g u a r a n t e e s t a b i l i t y t o d i s k : c a l c u l a t e d t h e e r r o r v a l u e i n d i f f e r e n t l o c a t i n g m e t h o d a n d s e l e c t i n g t h e v a l u a b l e m o d e t o r e d u c e t h e e r r o r v a l u e o f ma g n e t i c h e a d l o c a t e d . s t u d i e d f i x t u r e s y s t e ms v i b r a t i o n m e c h a n i s m i n t e s t i n g p r o c e s s a n d w a y s o f c o n t r o l l i n g v i b r a t i o n . s t u d i e d t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f l o c a t i n g c l a m p e r t o i m p r o v e t h e r e p e a t i n g a n d s t a b i l i t y o f f i x t u r e s y s t e m. t h r o u g h f a b r i c a t i n g p r o t o t y p e o f f i x t u r e s y s t e m , r e a l i z i n g v i r t u a l a s s e m b l y a n d m o v e m e n t a n a l y s i s i n f i x t u r e d e s i g n t h e w h o l e e x p e r i m e n t i n c l u d e d : r e p e a t i n g t e s t , f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n t e s t s o f n e w f i x t u r e s y s t e m , s t a b i l i t y t e s t i n t h e p r o c e s s o f m a g n e t i c h e a d t e s t i n g a n d r e s p o n s e s p e e d t e s t o f f i x t u r e s y s t e m . t h r o u g h s i m u l a t i n g t h e t e s t i n g c o n d i t i o n , c h e c k i n g t h e w h o l e p e r f o r m a n c e o f t h e t e s t e r a n d f i x t u r e a f t e r i m p r o v e m e n t . t h e n , f u r t h e r t a k i n g s o m e a c t i o n t o i m p r o v e t h e t e s t e r f o r s o l v i n g t o t h e e x i t i n g p r o b l e m a n d ma k i n g t h e t e s t e r r e a c h t h e h i g h l e v e l o f p e r f o r ma n c e . t h e i m p r o v e d m a g n e t i c h e a d d y n a m i c p e r f o r m a n c e t e s t e r h a v e g o t t e n h i g h p e r f o r m a n c e i n s t a b i l i t y a n d r e p e a t i n g , a n d t h e o f f s e t v a l u e o f 1 0 t i m e s w/ r p o s i t i o n ii i s o n l y s n a n o m e t e r w h i c h r e a c h t h e r e q u i r e m e n t o f m a g n e t i c h e a d u s e d f o r h i g h c a p a c i t y d i s k . t h e w h o l e p e r f o r m a n c e o f t h e t e s t e r r e a c h t h e s a m e l e v e l o f g u i z k t e s t e r w h o i s t h e a d v a n c e r i n t h e d y n a m i c p e r f o r ma n c e t e s t e r f i e l d a n d t h e t e s t i n g e f f i c i e n c y i s h i g h e r t h a n g u i z k t e s t e r . t h e i m p r o v e d t e s t e r m e n t i o n e d i n t h i s p a p e r i s m a d e u p o f k m y d i g i t a l s p e c t r u m a n a l y z e r a n d i m p r o v e d c a n n o n s p i n s t a n d a n d n e w g e n e r a t i o n f i x t u r e , w h i c h i s u s e d i n p r o d u c t i o n l i n e a n d t e s t i n g t h e ma g n e t i c h e a d u s e d f o r t h e d i s k h a v i n g 9 0 g b c a p a c i t y i n u n i t a r e a . t h e s t u d y i n g a c h i e v e m e n t a p p l i e d t o p r o d u c t i o n w i l l s a v e m u c h c h a r g e u s e d t o o r d e r n e w t e s t i n g e q u i p m e n t , a n d r a i s e e f f i c i e n c y o f t e s t i n g w h i c h w i l l l o w i n g t h e t e s t i n g c o s t . k e y w o r d s : ma g n e t i c d i s k ; m a g n e t i c h e a d ; f i x t u r e ; d y n a m i c t e s t i n g m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。 除了文中特别加以 标注引用的内容外， 本论文不包含任何其 他个人或集体己 经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果 由 本人承担。 作 者 签 名 : 备 孰日 期 :2 川 什年i a .月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文的作者完全了 解学校有关保留、 使用学位论文的相关规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以 将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口， 在 年 解密后 适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 苗 o ( 请在以上相应方框内打 “ 4 ) 作者签名 导师签名 日 期: i v - 11-p 年风月1 3 日 日 期 : -2 a , 州 年/ z 月1 3 日 第一章绪论 第一章绪论 二十世纪4 0 年代，人类开发了第一台电子计算机。随着科技进步，计算机 发展越来越快，几十年来硬盘作为存储介质的中坚力量，无论从容量还是性能方 面都有了翻天覆地的变化，现在它在个人计算机中作为必要存储设备的地位依然 是不可动摇。在任何个人电脑系统中，硬盘都是最重要的部件之一。同时它也是 用户存储数据的主要场所，平时所使用的操作系统、应用软件、游戏及其它重要 数据等都是存储在硬盘中。经过几十年的发展，计算机的运行速度已达到了万亿 次每秒，就算大众化的微型机的c p u 运行速度也已达到2 4 g h z 。计算机处理的 信息越多，对存储信息的”仓库”硬盘的容量的要求也就越来越高，硬盘已由原先 的几十兆发展到上百个g b 。据说i b m 正在研究一百八十g b 的硬盘磁碟。而在硬 盘中，磁头的性能对硬盘的存储容量提高起着极其重要的作用。在硬盘使用的新 技术中，硬盘磁头技术对硬盘在性能和容量方面快速发展起着极其关键的作用。 研究磁头测试技术，使其能达到磁头特殊的定位与防震要求，将提高磁头测试过 程中的准确率，改进硬盘的质量。 1 1 硬盘磁头简介 磁头是硬盘读写的工具，其工作状态结构如图1 - 1 所示。好的磁头最明显的 优点就是具有高的读写灵敏度，因此能大幅度提升硬盘的单碟容量，单碟容量上 去了，硬盘的总容量自然会提高。磁头是读写磁盘数据的执行部件，它是利用磁 场和电场的转换在盘片磁介质上记录( 写) 和获取( 读) 数据。磁头的数量和质量是 决定硬盘容量大小的因素之一。 图卜1 磁头工作状态结构 华南理工大学工程硕士学位论文 从原理上讲，磁头静止时在着陆区，在主轴电机启动并执行读写动作时则悬 浮在盘片上并以非常低的高度“相对”飞年亍，在飞行中快速地存取数据。 硬盘存储数据的工作全部都是由磁头来完成的，磁头的性能决定了盘片 二数 据的最大密度。从这一点上来讲，磁头就是整个硬盘体系中最重要的一环。通俗 的讲，磁头就是硬盘进行读写操作的“笔”，通过全封闭式的磁阻感应进行数据流 的存取操作，将信息记录在硬盘内部的特殊介质中。存储业界一直无休止地探索 如何提高面密度( 注：面密度是每英寸磁道上的位数乘以每英寸的磁道数) 和降低 每兆字节的成本，得到的成果就是面密度每年提高5 0 左右。在这个过程中，巨 磁阻( g m r ，g i g a n t i cm a g n e t i cr e s i s t o r ) 磁头起了重要作用。应用于较新 i d e ( i n t e l l e c t i v ed i s ke q u i p m e n t ) 硬盘上的g m r 磁头，能使磁盘面密度超过1 5 g b 平方英寸，这是原来读写磁头技术所能达到的面密度的3 倍以上，为了提高面密 度，在过去1 0 年中。磁头技术经历了3 个重要的发展阶段。它们是： 薄膜感应( t f i ，t h i nf i l mi n d u c t i o n ) 磁头 各向异性磁阻( a m r ，a n i s o t r o p i cm a g n e t i cr e s i s t o r ) 磁头 巨磁阻磁头( 图1 - 2 ) 图卜2 巨磁阻磁头 在1 9 9 0 年至1 9 9 5 年问，硬盘大多采用t f i 读写技术。t f i 磁头实际上是绕 线的磁芯，磁盘在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。t f i 读磁头之 所以会达到它的能力极限，是因为在提高磁头灵敏度的同时，它的读写能力却减 弱了。 上世纪9 0 年代中期，希捷等公司推出了使用a m r 磁头的硬盘。a m r 磁头使用 t f i 技术来完成写操作，但使用薄条的磁性材料作为读元件。在有磁场存在的情 况下，薄条材料的电阻会随磁场变化而变化，迸而产生很强的信号。a m r 磁头进 一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。由于a m r 薄膜的电阻变化量有+ 定 2 第一章绪论 的限度，所以a m r 磁头的灵敏度也存在极限。这导致了g m r 磁头的推出，而g m r 磁头是i b m 公司在m r 磁头技术的基础上更新推出的。 g m r 磁头继承了t f i 磁头和a m r 磁头中采用的读写技术。但它的磁头对于磁盘 上的磁性变化具有更高的灵敏度。g m r 传感器的灵敏度比a m r 磁头的大3 倍，所 以能够提高硬盘的面密度。g m r 磁头的工作原理是依赖于自旋的电子散射。 c p p g m r 磁头，中文全称即垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头，它是日本 计算机制造商富士通公司最新开发出了一种新型读写磁盘磁头技术。使用这一技 术的硬盘驱动器的记录密度可高达每平方英寸3 0 0 g b 。硬盘记录密度的增加将提 高笔记本电脑和桌上型电脑的存储容量，而价格只是略有上升。富士通公司表示， 目前2 5 英寸硬盘的每个磁盘片存储容量为3 0 g b ，如果这一新型磁盘技术在2 到 4 年内实现商业化，那么将使得每个磁盘片的存储容量提高到1 8 0 g b ，即是目前 每个磁盘片容量的6 倍。与现有的g m r 磁头相比，这一突破性的新型磁盘磁头对 信号更为敏感，而且读写数据的紧凑程度是现有g m r 磁头的三倍。富士通公司预 计在两年内实现商业化生产基于这种c p p g m r 磁头的驱动器，主要用于p c 和笔 记本电脑中，尤其是用于期待市场繁荣的基于驱动器的消费电子产品中，如游戏 控制台和个人视频录像机等。 1 2 磁头测试设备 1 2 1 磁头测试设备工作过程介绍 磁头测试机是一种模拟硬盘工作过程测试磁头动态性能的专用测试机械。测 试中，测试机主要进行三方面的工作：模拟硬盘工作过程中碟和磁头运动、传送读 写信号和处理和分析读写信号。 1 2 2 国内外对磁头测试设备的研究 由于国际上的硬盘和磁头的开发和制造技术主要由美国和日本公司控制，因 而研究和制造磁头测试设备的也主要是美国与日本的公司。 目前，国外比较专业研究和生产磁头测试设备的公司有佳能( 日本) 、 g u i z k ( 美国) 、d o v e r ( 美国) 、惠普( 美国) 等。但大多数公司开发的测试机能提供 容量小于i o o g b 磁碟的磁头测试。当磁碟容量高于己于i o o g b 时，磁头测试对测 试设备在定位重复性、稳定性等方面有了更高的要求。目前，由于g u z i k 公司率 先开发了一套磁头测试定位伺服系统，在高容量磁碟的磁头测试中具有优势。东 莞新科磁电厂引进的带有伺服系统的新g u z t k 测试机已经用于1 2 0 g b 磁蝶的磁头 测试，其它公司也j f 在改进测试机的性能，以达到用于高容量磁碟的磁头测试要 3 第一章 绪论 的限度，所以a m r 磁头的灵敏度也存在极限。这导致了g m r 磁头的推出，而 g m r 磁头是 i b m公司在 m r 磁头技术的基础上更新推出的。 g m r 磁头继承了t f t 磁头和a m r 磁头中采用的读写技术。 但它的磁头对于磁盘 上的磁性变化具有更高的灵敏度。g m r 传感器的灵敏度比a m r 磁头的大3 倍，所 以能够提高硬盘的面密度。g m r 磁头的工作原理是依赖于自旋的电子散射。 c p p - g m r磁头，中文全称即垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头，它是日 本 计算机制造商富士通公司最新开发出了一种新型读写磁盘磁头技术。 使用这一技 术的硬盘驱动器的记录密度可高达每平方英寸 3 0 o g b 。硬盘记录密度的增加将提 高笔记本电脑和桌上型电脑的存储容量， 而价格只是略有上升。 富士通公司表示， 目前 2 . 5 英寸硬盘的每个磁盘片存储容量为3 0 g b ， 如果这一新型磁盘技术在 2到 4年内实现商业化，那么将使得每个磁盘片的存储容量提高到 1 8 0 g b ，即是目前 每个磁盘片容量的6 倍。与现有的g m r 磁头相比，这一突破性的新型磁盘磁头对 信号更为敏感，而且读写数据的紧凑程度是现有g m r 磁头的三倍。富士通公司预 计在两年内实现商业化生产基于这种 c p p - g m r磁头的驱动器，主要用于 p c和笔 记本电脑中，尤其是用于期待市场繁荣的基于驱动器的消费电子产品中，如游戏 控制台和个人视频录像机等。 1 . 2磁头测试设备 1 . 2 . 1 磁头测试设备工作过程介绍 磁头测试机是一种模拟硬盘工作过程测试磁头动态性能的专用测试机械。测 试中， 测试机主要进行三方面的工作: 模拟硬盘工作过程中碟和磁头运动、传送读 写信号和处理和分析读写信号。 1 . 2 . 2国内外对磁头测试设备的研究 由于国际上的硬盘和磁头的开发和制造技术主要由美国和日本公司控制，因 而研究和制造磁头测试设备的也主要是美国与日本的公司。 目前，国外比较专业研究和生产磁头测试设备的公司有佳能( 日本) 、 g u i z k ( 美国) 、 d o v e r ( 美国) 、惠普( 美国) 等。 但大多数公司开发的测试机能提供 容量小于 i o o g b磁碟的磁头测试。当磁碟容量高于己于 1 0 0 0 b时， 磁头测试对测 试设备在定位重复性、稳定性等方面有了更高的要求。目前，由于g u z i k 公司率 先开发了一套磁头测试定位伺服系统，在高容量磁碟的磁头测试中具有优势。东 莞新科磁电厂引进的带有伺服系统的新g u z i k 测试机已经用于 1 2 0 g b 磁蝶的磁头 测试，其它公司也正在改进测试机的性能，以达到用于高容量磁碟的磁头测试要 第一章 绪论 的限度，所以a m r 磁头的灵敏度也存在极限。这导致了g m r 磁头的推出，而 g m r 磁头是 i b m公司在 m r 磁头技术的基础上更新推出的。 g m r 磁头继承了t f t 磁头和a m r 磁头中采用的读写技术。 但它的磁头对于磁盘 上的磁性变化具有更高的灵敏度。g m r 传感器的灵敏度比a m r 磁头的大3 倍，所 以能够提高硬盘的面密度。g m r 磁头的工作原理是依赖于自旋的电子散射。 c p p - g m r磁头，中文全称即垂直平面电流模式的大型抗磁化磁头，它是日 本 计算机制造商富士通公司最新开发出了一种新型读写磁盘磁头技术。 使用这一技 术的硬盘驱动器的记录密度可高达每平方英寸 3 0 o g b 。硬盘记录密度的增加将提 高笔记本电脑和桌上型电脑的存储容量， 而价格只是略有上升。 富士通公司表示， 目前 2 . 5 英寸硬盘的每个磁盘片存储容量为3 0 g b ， 如果这一新型磁盘技术在 2到 4年内实现商业化，那么将使得每个磁盘片的存储容量提高到 1 8 0 g b ，即是目前 每个磁盘片容量的6 倍。与现有的g m r 磁头相比，这一突破性的新型磁盘磁头对 信号更为敏感，而且读写数据的紧凑程度是现有g m r 磁头的三倍。富士通公司预 计在两年内实现商业化生产基于这种 c p p - g m r磁头的驱动器，主要用于 p c和笔 记本电脑中，尤其是用于期待市场繁荣的基于驱动器的消费电子产品中，如游戏 控制台和个人视频录像机等。 1 . 2磁头测试设备 1 . 2 . 1 磁头测试设备工作过程介绍 磁头测试机是一种模拟硬盘工作过程测试磁头动态性能的专用测试机械。测 试中， 测试机主要进行三方面的工作: 模拟硬盘工作过程中碟和磁头运动、传送读 写信号和处理和分析读写信号。 1 . 2 . 2国内外对磁头测试设备的研究 由于国际上的硬盘和磁头的开发和制造技术主要由美国和日本公司控制，因 而研究和制造磁头测试设备的也主要是美国与日本的公司。 目前，国外比较专业研究和生产磁头测试设备的公司有佳能( 日本) 、 g u i z k ( 美国) 、 d o v e r ( 美国) 、惠普( 美国) 等。 但大多数公司开发的测试机能提供 容量小于 i o o g b磁碟的磁头测试。当磁碟容量高于己于 1 0 0 0 b时， 磁头测试对测 试设备在定位重复性、稳定性等方面有了更高的要求。目前，由于g u z i k 公司率 先开发了一套磁头测试定位伺服系统，在高容量磁碟的磁头测试中具有优势。东 莞新科磁电厂引进的带有伺服系统的新g u z i k 测试机已经用于 1 2 0 g b 磁蝶的磁头 测试，其它公司也正在改进测试机的性能，以达到用于高容量磁碟的磁头测试要 华南理工大学工程硕十学位论文 求 。 国内，以前由于在磁存储领域的研究相对落后，没有专门的磁头研究和生产 机构， 基本上没有这方面的研究。改革开放以后，一些国外著名硬盘和磁头厂家 纷纷在中国设厂，目 前己经有新科、希捷、隆辉、南方汇通等。但这些企业的磁 头测试设备大多是从国外进口。新科磁电厂目前正尝试改进现有的测试设备，以 满足高容量( 1 2 0 g b ) 磁碟磁头测试要求。 1 . 3 1 . 3 本课题的立题背景和研究内容 . 1 本研究课题的来源 东莞新科磁电厂是世界主要的磁头生产供应商，其在硬盘磁头方面市场占有 率超过 5 0 % ，它的磁头开发生产和测试技术在世界上具有领先水平。目前，己经 开发并生产出用于 3 . 5英寸 1 2 0 g b容量磁碟的磁头，并正在研究用于容量 1 6 0 g 磁碟的磁头。在进行 1 2 0 g b 磁碟磁头测试过程中，发现现有的测试设备已经不能 达到测试要求， 后经引进g u i z k 公司开发的带有伺服系统的最新测试机进行磁头 测试实验，但最终只能进行单磁头测试( 每次测试一个磁头) ，影响测试效率;同 时引进每台g u nk 测试机需 1 0 0 万人民币，将使生产成本提高很多。因而，新科 磁电厂在寻求通过改进现有测试设备以达到测试高容量磁碟的磁头的方法，并接 受了测试部提出的方案:升级k m y m y为美国的一家高科技公司，主要生产用 于磁头测试的数字频谱分析仪) d s a 信号处理电路， 改进佳能公司生产旋转测试平 台并开发新一代高性能测试夹具。据此本课题研究主要是寻求改进现有测试设备 和提高新设计夹具的整体性能，使其达到高容量磁碟磁头的动态性能测试要求。 1 . 3 . 2 本课题的立题依据 1 . 3 . 2 . 1 夹具在磁头测试中的重要作用 不论是传统制造，还是现代制造系统，夹具都是非常重要的，夹具对加1 : 测 试质量，生产效率和产品成本都有直接的影响。不论在改进现有产品或开发新产 品中花费在夹具设计和制造的时间，在生产周期中都占有较大的比重。随着制造 业的全球化，竞争空前激烈，新品种上市的速度和成本的降低成为竞争的一个焦 点。因此如何压缩夹具设计所需要的生产准备时间，制作成本及提高夹具的使用 效果，已成为企业研究的一个重要课题。 在磁头测试机中，夹具占有非常重要的位置。由于磁头进出碟，读写信 号传 输都需通过夹具完成，因而夹具的性能对于磁头测试的准确率有很大的作用。在 测试过程中，磁头在碟的读写完全模拟硬盘中磁头与碟之间的读写;因而，随着 华南理工大学工程硕十学位论文 求 。 国内，以前由于在磁存储领域的研究相对落后，没有专门的磁头研究和生产 机构， 基本上没有这方面的研究。改革开放以后，一些国外著名硬盘和磁头厂家 纷纷在中国设厂，目 前己经有新科、希捷、隆辉、南方汇通等。但这些企业的磁 头测试设备大多是从国外进口。新科磁电厂目前正尝试改进现有的测试设备，以 满足高容量( 1 2 0 g b ) 磁碟磁头测试要求。 1 . 3 1 . 3 本课题的立题背景和研究内容 . 1 本研究课题的来源 东莞新科磁电厂是世界主要的磁头生产供应商，其在硬盘磁头方面市场占有 率超过 5 0 % ，它的磁头开发生产和测试技术在世界上具有领先水平。目前，己经 开发并生产出用于 3 . 5英寸 1 2 0 g b容量磁碟的磁头，并正在研究用于容量 1 6 0 g 磁碟的磁头。在进行 1 2 0 g b 磁碟磁头测试过程中，发现现有的测试设备已经不能 达到测试要求， 后经引进g u i z k 公司开发的带有伺服系统的最新测试机进行磁头 测试实验，但最终只能进行单磁头测试( 每次测试一个磁头) ，影响测试效率;同 时引进每台g u nk 测试机需 1 0 0 万人民币，将使生产成本提高很多。因而，新科 磁电厂在寻求通过改进现有测试设备以达到测试高容量磁碟的磁头的方法，并接 受了测试部提出的方案:升级k m y m y为美国的一家高科技公司，主要生产用 于磁头测试的数字频谱分析仪) d s a 信号处理电路， 改进佳能公司生产旋转测试平 台并开发新一代高性能测试夹具。据此本课题研究主要是寻求改进现有测试设备 和提高新设计夹具的整体性能，使其达到高容量磁碟磁头的动态性能测试要求。 1 . 3 . 2 本课题的立题依据 1 . 3 . 2 . 1 夹具在磁头测试中的重要作用 不论是传统制造，还是现代制造系统，夹具都是非常重要的，夹具对加1 : 测 试质量，生产效率和产品成本都有直接的影响。不论在改进现有产品或开发新产 品中花费在夹具设计和制造的时间，在生产周期中都占有较大的比重。随着制造 业的全球化，竞争空前激烈，新品种上市的速度和成本的降低成为竞争的一个焦 点。因此如何压缩夹具设计所需要的生产准备时间，制作成本及提高夹具的使用 效果，已成为企业研究的一个重要课题。 在磁头测试机中，夹具占有非常重要的位置。由于磁头进出碟，读写信 号传 输都需通过夹具完成，因而夹具的性能对于磁头测试的准确率有很大的作用。在 测试过程中，磁头在碟的读写完全模拟硬盘中磁头与碟之间的读写;因而，随着 华南理工大学工程硕十学位论文 求 。 国内，以前由于在磁存储领域的研究相对落后，没有专门的磁头研究和生产 机构， 基本上没有这方面的研究。改革开放以后，一些国外著名硬盘和磁头厂家 纷纷在中国设厂，目 前己经有新科、希捷、隆辉、南方汇通等。但这些企业的磁 头测试设备大多是从国外进口。新科磁电厂目前正尝试改进现有的测试设备，以 满足高容量( 1 2 0 g b ) 磁碟磁头测试要求。 1 . 3 1 . 3 本课题的立题背景和研究内容 . 1 本研究课题的来源 东莞新科磁电厂是世界主要的磁头生产供应商，其在硬盘磁头方面市场占有 率超过 5 0 % ，它的磁头开发生产和测试技术在世界上具有领先水平。目前，己经 开发并生产出用于 3 . 5英寸 1 2 0 g b容量磁碟的磁头，并正在研究用于容量 1 6 0 g 磁碟的磁头。在进行 1 2 0 g b 磁碟磁头测试过程中，发现现有的测试设备已经不能 达到测试要求， 后经引进g u i z k 公司开发的带有伺服系统的最新测试机进行磁头 测试实验，但最终只能进行单磁头测试( 每次测试一个磁头) ，影响测试效率;同 时引进每台g u nk 测试机需 1 0 0 万人民币，将使生产成本提高很多。因而，新科 磁电厂在寻求通过改进现有测试设备以达到测试高容量磁碟的磁头的方法，并接 受了测试部提出的方案:升级k m y m y为美国的一家高科技公司，主要生产用 于磁头测试的数字频谱分析仪) d s a 信号处理电路， 改进佳能公司生产旋转测试平 台并开发新一代高性能测试夹具。据此本课题研究主要是寻求改进现有测试设备 和提高新设计夹具的整体性能，使其达到高容量磁碟磁头的动态性能测试要求。 1 . 3 . 2 本课题的立题依据 1 . 3 . 2 . 1 夹具在磁头测试中的重要作用 不论是传统制造，还是现代制造系统，夹具都是非常重要的，夹具对加1 : 测 试质量，生产效率和产品成本都有直接的影响。不论在改进现有产品或开发新产 品中花费在夹具设计和制造的时间，在生产周期中都占有较大的比重。随着制造 业的全球化，竞争空前激烈，新品种上市的速度和成本的降低成为竞争的一个焦 点。因此如何压缩夹具设计所需要的生产准备时间，制作成本及提高夹具的使用 效果，已成为企业研究的一个重要课题。 在磁头测试机中，夹具占有非常重要的位置。由于磁头进出碟，读写信 号传 输都需通过夹具完成，因而夹具的性能对于磁头测试的准确率有很大的作用。在 测试过程中，磁头在碟的读写完全模拟硬盘中磁头与碟之间的读写;因而，随着 第一章 绪论 单碟的容量提高，磁轨密度的加大及碟的尺寸的减小，对测试的精度要求也就越 来越高。由于夹具在磁头动态性能测试中起着提供定位，提供夹紧力及防震等作 用，因而占有非常重要的地位。在磁头测试过程中，由于夹具的影响而降低的测 试优率一般达到了1 0 % 。以新科磁电厂为例，每天测试的磁头大约有 3 0 0 0 0 0 个， 一般品种磁头测试优率大约为8 0 % ， 其中有 1 0 % 的优率损失是由于夹具引起的。假 如我们通过改进夹具，使优率提高 5 % ，可以每天多出合格磁头 1 5 0 0 0 个，以每个 磁头 1 美元 ( 大约8 元人民币) ， 每年3 0 0 天计， 则每年提高效益 4 5 0 万美元 ( 约 3 6 0 0万元人民币) 。在实际生产中，我们有过提高 1 5 % 的经验。由此可见，通过 改进夹具，可以极大改进磁头生产企业的经营效益。 另外夹具的设计制造时间一般需要 5 周左右，再加上改进设计所需的时间， 一个新产品从引入到稳定大批量生产测试所需时间就需要 1 0周左右，或更长， 这对于激烈竞争的国际市场来说，很多时候会造成市场机会的丧失，同时由于不 能按时交货，严重影响了企业的经济效益和国际声誉。通过改进夹具的设计和制 造过程，缩短夹具从设计到投入批量使用的时间，可提高产品的市场竞争力，提 高企业的生产效率和国际声誉。 1 . 3 . 2 . 2 常用测试设备的缺陷 在常用磁头测试设备中，存在以下缺陷: 1 .夹具易损坏， 维修成本高，周期长 现有夹具的使用寿命不长，需安排大量工人进行维修。同时在维修过程中， 测试设备需停下来，严重影响测试效率，增加了生产成本。 2 .夹具稳定和定位性能差，影响测试效果 由于夹具定位和稳定性差，使现有测试设备在测试高容量磁碟磁头时，在稳 定性和重复性方面不能达到高容量磁碟的磁头动态性能测试要求。 3 .磁碟高速转动时，磁碟振动大 在测试过程中，磁碟振动大，影响测试参数结果的准确率。同时，易造成磁 碟和磁头的损坏。 1 . 3 . 2 . 3 立题依据 从现有的磁头测试设备存在问题可看出，夹具在测试中的稳定性、定位重复 性的缺陷和磁碟在测试中的振动己经严重影响到磁头测试的效果，同时使测试设 备不能达到高容量磁碟磁头的动态性能测试要求。 本论文从测试设备存在的问题出发，着重研究定位和稳定的问题，在详细分 析磁头夹具的主要功能和动态测试的总体要求的基础上，通过理论学习研究、计 算机机模拟仿真和实验检验的途径，提高测试设备的总体机械性能， 以解决测试 中存在的问题。 华南理工大学工程硕士学位论文 . 3 . 3 本研究课题的研究内容 3 . 3 . 1 新一代高性能磁头测试夹具研究 根据磁头测试要求，本课题对测试夹具进行系统的研究，力图通过定位精度 设计、振动性能分析等方面的研究使夹具达到高容量磁碟磁头测试的要求。在研 究中提出定位误差计算分析的方法和虚拟模拟设计，实现建立一套完整的磁头夹 具设计方法和理论，使夹具设计过程系统化和标准化的目标。同时以c a d 系列软 件为图形处理平台，对夹具系统进行模拟仿真，达到减少设计错误、提高设计效 率、保障设计质量的目的。 1 . 3 . 3 . 2 碟振动研究 在分析振动产生的原因的基础上，主要通过空气动力学和高速旋转壳体振动 学研究， 采取改进措施，减少气流对高速旋转磁碟的影响。 1 . 3 . 4 本研究课题的重要意义 本论文共分为四章。第一章主要介绍磁头测试设备研究的背景和技术特点; 第二章主要介绍测试设备的改进方法和夹具的设计过程， 包括误差分析，精度设 计和校验等内容。第三章主要介绍实验测试. 包括实验设计、改进措施等内容; 第四章主要介绍本课题研究成果运用于实际生产的情况和测试数据分析。 本课题在研究硬盘磁头夹具的主要设计方法、c a d系统的组成部分和实验检 测等方面进行了研究并取得了较大的成果。在磁头夹具的主要设计方法方面，通 过对磁头动态性能测试要求研究，建立了一个比较系统化，可供夹具设计者参考 的设计模式。在建立 c a d 系统方面，提出了一个比较适合于夹具设计的c a d 组成 系统。在实验检测方面，通过整理以前积累的经验，结合公司的现有设备，设计 出了比较合理的振动检测方法和位移速度检测方法。 通过对夹具设计进行系统的研究，提出定位误差计算分析的方法和虚拟模拟 设计方法，实现建立一套完整的磁头夹具设计方法和理论，使夹具设计过程系统 化和标准化的目标。同时通过改进测试设备，使其在动态测试性能上有了很大的 提高。 第二睾动态测试设备的改进和夹具设计研究 2 1 硬盘和磁头工作过程简介 硬盘( h a r dd is kd r i v e ) 是电脑中的一种记忆装置，电脑狭义地说就是中央 处理单元，包含三个部分：算术及逻辑运算单元、控制单元、及记忆单元。广义 地说，它又包括输入单元( i n p u tu n i t ) 和输出单元( o u t p u tu n i t ) ( 图2 一i ) ： 百f 算控制 l - j 2 1 1 硬盘磁碟介绍 图2 一l 中央处理单元 硬盘的主要结构如图2 2 所示，主要由三部分组成：电路部分( p c b a ) 、机械部 分( h e a dd i s ka s s e m b l y ) 和软性电路系统( f p c ，f l e x i b l ep r i n t e dc i r c u i t s y s t e m ) 图2 - 2 硬盘结构 硬盘的写需要磁头和磁碟，其中磁头如同笔，磁碟如同纸，磁头的材料是一 种特殊的合金，磁碟的材料则是一种特使的氧化铁，当磁头通电时，便会将磁碟 种之材料磁化，而因此创造出无数的小磁铁，这些小磁铁便是所谓的“电脑资 料”。 1 当c 点通入电流时，则b 点( 或b 点) 的磁通( f l u x ) 便跳往b 点( a 点) 。 记忆容量计算式：假如一张磁碟磁轨数为i 0 0 0 0 轨，磁区数为2 0 0 磁区轨， 华南理工大学工程硕士学位论文 磁碟数为1 磁碟( 即2 个碟面) ，则记忆容量为： c a p a c i t y - 1 0 0 0 0 * 4 0 0 0 * 5 1 2 2 ：3 8 1 5 6 b y t e 一张磁碟分为三个区域：l o a d i n gz o n e d a t az o n e d a t er e c o r d i n gz o n e 结 构如图2 图2 - 3 磁碟区域 其中： l o a d i n gz o n e ：较粗糙，是供磁头起飞的区域。 d a t az o n e ：每个磁轨有类