（机械工程专业论文）硬盘磁头支架不平衡测量与控制研究.pdf

摘要 摘要 随着人们对计算机的广泛应用，计算机技术及其硬件发展迅速。其中，计算 机硬盘伴随着计算机处理、运算技术的发展而不断革新:盘片的转速由原来的每 分钟5 4 0 0转升至目前的 1 0 0 0 0 转，甚至有的高达 1 5 0 0 0转;硬盘容量也有原来 的几兆( m b ) 发展到目前的几百兆兆( g b ) 。同时，计算机的应用业已涉及_ i 一 业、 国防、航空等重要领域，计算机每天都在处理大量的信息与数据。从而使硬盘的 安全性与稳定性显得十分重要。 硬盘由众多零部件组成，每个零部件的不稳定皆可能造成硬盘的失效。本文 选取硬盘的一个基础零件一一磁头的驱动支架 ( 磁头支架)作为研究对象。本文 简要介绍了计算机硬盘的发展与构成，并通过研究转子的平衡理论及转子平衡测 量理论出发，对磁头支架的不平衡测量、不平衡控制进行了详细的研究。其中， 利用了正交试验的方法讨论了影响不平衡的相关因素并得出各因素的影响次序， 同时，在此计算过程中，本文引入了 m i n i t a b统计软件使得数据处理更加快 捷，结果更加明了。然后，根据实际加工的难易程度及尺寸影响提出了调整平衡 孔孔径来改善其不平衡，并利用最小二乘法验证了不平衡与孔径的关系，随后通 过试验验证了所得结论。 本文同时论述了现有的磁头支架的测量方法，并对现有平衡机的重复性、再 生性以及稳定性进行了研究。另外，本文对虚拟仪器技术及 l a b v i e w软件进行 了一定的阐述，并初步探讨了对现有动平衡仪器的虚拟仪器化改造。 关键词: 磁头支架，不平衡，测量，控制 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g y o f c o m p u t e r h a s b e e n u s e d i n m o r e a n d m o r e a r e a s . t h e r e q u i r e m e n t f o r t h e h a r d w a r e o f c o m p u t e r i s h i g h e r a n d h i g h e r . f o r t h e h a r d d i s k , h i g h e r s p e e d o f p r o c e s s i n g i s n e e d e d , l a r g e r v o l u me i s a l s o r e q u i r e d . t h e s p e e d o f t h e d i s k i s g e t t i n g f r o m 5 4 0 0 r p m t o 1 0 0 0 0 r p m, o r e v e n t o 1 5 0 0 0 r p m. mo s t i mp o r t a n t o f a l l , c o mp u t e r i s u s e d i n t h e a r e a s o f i n d u s t r i a l , na t i o n a l d e f e n s e a n d a e r o s a t , e t c 二s o t h e s a f e t y a n d s t a b i l i t y f a r t h e h a r d d i s k i s a mu s t t h i s p a p e r b r i e fl y i n t r o d u c e s t h e h i s t o r y , d e v e l o p m e n t a n d s t r u c t u r e o f t h e h a r d d i s k d r i v e ( f i d d ) . t h e n m a k e t h e d i s c u s s i o n o f o n e o f t h e b a s i c c o m p o n e n t s o f t h e f i d d , a c t u a t o r , a s t h e s u b j e c t o f t h i s p a p e r . ma k e t h e s t u d y o f h o w t o m e a s u r e a n d c o n t r o l t h e i m b a l a n c e o f t h e a c t u a t o r . t h e d e s i g n o f e x p e r i m e n t ( d o e ) i s u s e d t o a n a l y z e t h e f a c t o r s o f t h e i m b a l a n c e . t h e l e a s t s q u a r e i n fl u e n c e c o e f f i c i e n t me t h o d i s u s e d t o g e t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i mb a l a n c e a n d s i z e o f b a l a n c e h o l e . a n d i m p r o v e t h e i m b a l a n c e b y a d j u s t i n g t h e h o l e s i z e . c u r r e n t m e a s u r e m e n t o f t h e a c t u a t o r i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . t h e t e c h n o l o g y o f v i r t u a l i n s t r u me n t ( v i ) a n d t h e s o f t o f l a b v i e w a r e i n t r o d u c e d t oo. ke y wo r d s : a c t u a t o r , i mb a l a n c e , me a s u r i n g , c o n t r o l 1 1 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。 储 签 “ : 阶 咧 日 期 : “ 、月 角 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定，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 和汇编本学位论文口 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “ 7 ff ) 作 者 签 “ : 封 必 导 师 签 名 :毛 透 嘎 日 期 : ca 阵l明wi 日 期 : l o p o p i 明佑 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1硬盘及磁头支架的相关知识 自从计算机诞生以来，人们不断追求与探索计算机的开发与使用， 现在计算 机已深入到国防、航空、经济以及生活的各个领域，并且计算机的性能也日新月 异。人们除了要求计算机迅速准确以外， 对其数据安全性也提出了较高的要求， 提 起计算机的数据安全性， 必须考虑计算机硬盘及硬盘中的关键零部件的安全性。 磁头支架 ( 又名:磁头臂，”a r m )是硬盘的一个重要基础组成零件，其 主要功能是带动磁头转动来完成数据的读取与书写，从而实现硬盘的基本功能。 但若要了解磁头支架，需首先了解硬盘。 硬盘，英文名称是 h a r d d i s k d r i v e ，简写为 ， h d d ，由美国 i b m公司 于 1 9 5 0年发明， 最初的名称为 “ f i x e d d i s k # 或者 w i n c h e s t e r ( i b m产品流 行的代码名称)，后来为了区分 f l o p p y d i s k ( 软盘) ，它的名称就演变成了 h a r d d i s k ( 硬盘 ) 。 1 . 1 . 1硬盘的发展历史 从第 一块硬 盘 r a m a c ( r a n d o m a c c e s s m e t h o d o f a c c o u n t i n g a n d c o n t r o l ) 的产生到现在单碟容量高达 4 0 g b多的硬盘，硬盘也经历了几代的发 展，其中美国i b m公司在硬盘的研制、开发等领域做出了杰出的贡献。下面就介 绍一下硬盘的发展历史。 l . 1 9 5 6年 9月，工 b m公司制造了第一台磁盘存储系统 i b m 3 5 0 r a m a c ，其 磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而实现了随机存储，这套系 统的总容量只有5 m b ，共使用了5 0 个直径为2 4 英寸的磁盘，盘片表面涂有一层 磁性物质，所有盘片被重叠后固定在同一个旋转轴上，并绕着该旋转轴同时转 动。 2 . 1 9 6 8年 i b m公司首次提出 “ 温彻斯特/ w i n c h e s t e r ”技术，探讨对硬盘 技术的重大改造。 “ 温彻斯特”技术的精髓是:“ 密封、固定并高速旋转的镀磁 盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接 接触”。 3 . 1 9 7 3 年 工 b ”公司制造出第一台采用 “ 温彻斯特” 技术的硬盘，从此硬盘 技术的发展有了正确的结构基础。 4 . 1 9 7 9年，i b m发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提 高读写速度提供了可能。 辩章绪论 第一牵绪论 1 1 硬盘及磁头支架的相关知识 蠡威诗舞掇诞生疆寒，久粕不叛遥求与搽索诗算疆羚开发与镬鬟，现在诗算 机已深入到国防、航空、经济以及生活的各个领域，并且计算机的性能也同新月 异。人们除了要求计算机迅速准确以外，对其数据安全性也提出了较高的鼹求，提 起计算枧的数据安全性，必须考虑计算桃硬盘及硬盘中的关键零部传的安全性。 磁头支架( 又名：磁头臂，”a r m ”) 是硬盘豹一个鲎器基础维袋零件，萁 主要功能鼹带动磁头转动来完成数据的读取与书写，从而实现硬盘的耩本功能。 但若要了解磁头支架，浠首先了解硬盘。 硬盘，葵文名称怒h a r d 蚤i s kd r i y e ，键霹瓷“h d d ”，壶美国1 8 麓公司 于1 9 5 0 年发明，最初的名称为“f i x e dd i s k ”或者”w i n c h e s t e r ”( 1 8 斟产品流 行的代码名称) ，后来为了区分”f 1 0 p p yd is k ”( 软盘) ，宦的名称就演变成了 ”h a r dd is k ”( 硬盘) 。 1 1 ，1 硬盘的发震历史 从第一块硬盘r a m a c ( r a n d o ma c c e s s m e t h o d0 fa c c o u n t i n g a n d c o n t r 0 1 ) 瓣产生到瑗在攀碟容量巍这4 0 g 8 多瓣硬盘，硬疲也经历了死代酚发 展，其中美国i b m 公司在硬盘鹃研制、开发等领域做出了淼出豹贡献。下薅就介 绍一下硬擞的发展历史。 1 t 9 5 6 年9 月，i b m 公司制造了第一台磁盘存储系统i b m3 5 0r a m a c ，其 磁头可戳慧谈移动妥纛片上熬任褥一块存储嚣域，获瑟实璇了夔较存继，这套系 统的总容照只有5 m b ，拭使用了5 0 个直径为2 4 英寸的磁擞，盘片表面涂有一层 磁性物质，所有盘片被重叠后固定在同一个旋转轴上，并绕着该旋转轴同时转 囊。 2 1 9 6 8 年i b m 公司首次提出“温彻新特w i n c h e s t e r ”技术，搽讨对硬盘 技术的重大改造。“激彻斯特”技术的精髓是：“密封、固定并高速旋转的镀磁 盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头懋浮在高速转动的盘片上方，而不与擞片直接 揍趣”。 3 1 9 7 3 年i b m 公司制造出第一台采用“濑彻斯特”技术的硬盘，从此硬盘 技术的发展有了正确的结构基础。 4 ，1 9 7 9 年，i b m 笈骥了薄膜磁头，瓷进一步减小殛焱侮获、增大褰量、提 高读写速魔提供了可能。 华南理工太学硕士学位论冀 5 8 0 年代末期i 酬发明了m r ( , 、l a g n e tr e s l 8 t i y e ) 磁阻磁头。这种磁头 茬读联数綦对对僖号变化榴当辕感，使褥鑫冀翦存德密度麓够魄阻往2 0 m b 每英 寸提高了数十倍。1 9 9 1 年b m 生产的3 5 英寸黝硬盘使用了m r 磁头，使硬盘 的容量首次达到了l g b 。 6 1 9 9 9 年9 足7 霹， l a x t o r ( 迈拓) 公司宣布了蔫块单碟誊爨高达 t 0 。2 g b 豹a t a a d v a n c e dt e c l m o l o 舒 a a - a h m e n o 硬盘，获器把髓鑫翦骞量g l 入了 一个新罩程碑。 7 2 0 0 0 年2 月2 3 目，s e a g a e ( 希捷) 公司艘碲i 了转速黼达i5 ，0 0 0 r p m 的 c h e e t a hx 1 5 系列硬盘，其乎均寻逆时闯只存3 ，9 m s ，是曩麓世署上最俊的硬盘 了，羼霹它也是蓊甚蘸为i e 转速最离的硬盘；箕性能稿当予阚读一整部莎士诧 且叵只花15 秒。 8 2 0 0 0 年3 月1 6 日。硬盘锁域叉有新突破，第一款“玻璃硬盘”蝴世， 遮藏是t b 琵雅出酶d e s k s t a r7 5 g x p 及d e s k s t a r4 0 g v ， 9 2 0 0 3 年，l f i 0 g b 静硬盘在m a x t o t 诞生。截至目前，硬盘最大容量增至 4 0 0 g b ， 。2 硬盘的绩梅 通常情况下，硬盘由外壳( b a s e p j a t ea n dt o pc o v e r ) 、磁头 4 s h ( h e a d s t 8 c k s s s e m b l y ) 、盘片马达( m o t o r ) 、音圈岛达( v o i c ec o i i b a g n e ta s s e m b l y ) 、盘背( m e d i a ) 、盘片锬片( 雕s kc l a m p s ) 、盘片垫片 ( s p a c e rr i n g ) 、平衡镄( b a l a n c ep l u g ) 、翡捡溢台( l a t c hp a r t ) 及辘承 ( c a r t r id g eb e a r i n g ) 等零部件组成。 以下系列图便是一个典型的硬盘t 从其外凌蕊来看，耀盘一面为冲胍铝片 ( 窝 一1 ) ，蕊舞井韵一蔼鲻为布涟了控割元件的p c b 获( 两i 2 ) 。电子控 制器控制硬箍的凄写及转动盘片的马达。屯子元件还把硬盘磁区域静信息汇编 成字节( _ c 编过程称为读过程) ，并把字节转化为磁区域( 转化过程称为写过 理) ，这些电子元件被装酝在与硬盘蠡肆分开的电路扳上。 龋l - 1 硬盘补党 f i gt - i ：c o v e ro f t h eh a r dd i s k 2 蓬i 之：罐蠡哟板 f i g1 - 2 ：p c bo f h a r dd i s k 第一章绪论 在电路板下面是连接盘片的马达，还有采用了高度过滤的通风孑l ，以便维持硬盘 内部窝势部戆空气基力平篱及僳拷疆囊肉罄黪瀵滚。( 鬻l 。3 ) 图i - 3 ：硬盘i 蕊风孔 f i gi - 3 ：a i r w a yo f h d d 图l _ 4 ：硬擞内部结构 f i rl - 4 ：l n n e rs 扫 u c t t a - eo f h d d 打开硬盘静预盏，六家可以着戮简单却精密的内部结构。( 如强卜4 ) i 盘片一一当硬盘猩工作的时候，通常的情况下，马达带动其以5 4 0 0 r p m 、 7 2 0 0 r p m 或者1 0 0 0 0 r p m ，s c s l ( s m a llc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 一小 鍪诗辣辍系统获溜) 硬盘甚至这翻了1 5 ，0 0 0 r p m 豹遴痰毫速旋转。这些盎 片般都具有极简的精确度，并且具有极为光滑的表面。 2 磁头支架及其移动机制一位于右上角，是用来保持磁头的读弼控制机 制。磁头支架霹以挺磁头驮盘片黥孛心移貔巍硬盘的边缘或毒觚边缘移爨中 心位鬻。整个磁头相对较轻，并且移动速度极快。通常情况下，普通的硬盘 每秒可以在盘片中心和边缘之间来会移动5 0 次。 圉1 5 ：磁头岛擞片 f i gl 一5 ：h e 蟊a n dd i s l c 圈1 6 ：磁头与盘片( 放大) f i gl - 6 ：h e a da n dd i s k ( m a g n i f i e d ) 目前，硬盘单片容量一般在4 0 g b ，为了增加硬盘储存的信息量，通常采用 增加盘片数量，或改善盘片容量密度。若增加擞片数量，磁头读写相成增多， 鼓露要袋磁头支蔡翼蠢多罄层。魏强1 5 ，1 - 6 申舞示，该疆夔走三片、六头襞 构。 华南理工大学硕士学诧论文 另外，磁头支架的转动，一般采用高 速缒线性马达来潢足疆纛黠磁关支絮静援 商要求的移动速度和精确度。目前，很多 硬盘使用音网( v o ic ec o i l ) 作为码达。 ( 如图l - 7 ) 1 1 3 硬盘分类 硬盘的分类往往根据分类标准不同而不 阉，铡翔： 1 ) 根据擞片直径分：5 2 5 英寸、3 5 英 图1 7 ：裔匿马达 f i gl - 7 ：v o i c ec o i l 寸、2 5 英寸、1 8 英寸以及1 英寸硬盘。目前最小的硬盘为1 英寸，最常用的硬盘为 3 。5 英寸。 2 ) 根据硬盘与电脑之间的数据按翻，通常可分为两大类：i 阮( i n t e g r a t e dd r i v e e l e c t r o n i c s ) 或a t a 接口及s c s i 接口硕盘两大类。i d e 或a t a 接口硬盘一般使用在普 通酶台式计算机，s c s i 接翻硬盘一般使用在商端的服务器领域。 1 1 。4 数据的储存 数据储存在盘片表面的扇区( s e c t o r ) 和磁道( t r a c k ) 里，磁道是一系列的同 。圆，悉赢送慰是磁道缌成的匿状表藤，如图 分则是痢醒。扇区包括了西定数黧的b y t e ( 字节) ，如2 5 6 b y t e 或者5 1 2 b y t e 。无论 鼹在硬盘还怒在操作系统水平，扇医都通常缝 戒黎集( e l u s t e r ) 。 硬盘的低级格式化过程是在盘片上建立了 扇区和磁道，每个扇区的开始和结策部分都被 写裂了盘片上，这个处攥傻硬盘准备开始以字 节的形式存储数据。高级格式纯弼怒写入文件 储存的结构，例如把文件分配表写入到扇区。 1 。5 硬盘的性麓指橡 1 - 8 ；黄色部分是磁道，髓簸色部 圈1 8 ：盘片 f i gl - 8 ：s t o r a g em e d i a i 硬盘| ；句转速( r o t a t i o n ls p e e d ) ：也就 是硬盘电机主轴的转速，转速是决定硬盘内部传输速率的关键因素之一。它的快 慢在很大稳壤上影响了嫒赣的运行速度，同时转遮蛇大小也怒区分硬盘档次魄重 要棘恚之。硬盘靛兰辘马达带 4 第一章绪论 动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所获存取资料的崩区带 劐磁关下方，转速趣浚，等镣嚣阕纛藏越短。鬣鼗转速在缓大程痘上决定了硬盘 的速度。目前市场上常见的硬盘转逋一般有5 4 0 0 r p m 、7 2 0 0 r p m 、10 0 0 0 r p m 甚 至1 5 0 0 0 r p m 。理论上，转速越快越好，因为较高的转速可缩短硬盘的平均寻道 时闻和实际读霉时闻。霹是转速越快发热量越大，不利于数热。现在的主流硬盘 转速一般为7 2 0 0 r p m 。疆着硬盘窑掇的不断增大，硬盘豹转速也在不断键高。然 而，转速的提高也带爿乇了磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响。于 是，应用在精密机械工北上的液态轴承马达( f 1 u i dd y n a m i eb e a r in gm o t o r s ) 镬镀弓l 入戮硬蠢按术中。滚态辘承舄这镶嗣豹怒黏貘滚弦霉囊承，鞋酒貘代餐滚珠， 这样可以避免金属面的赢接磨擦，将噪声及温艨减至最低；间时油膜可有效吸收 振动，使抗振能力得到提高，同时可以减少磨损，提高寿命。 2 。平均露道时闻( a v e r a g es e e kt i 噩e ) ：獾硬盘在盘蕊上移蘸读霹哭至指 定磁道寻找相应目标数据所爝的时闽，它籀遮硬盘读取数据的能力，举位为毫 秒。当单碟片容量增大时，磁头的浔道动作和移动距离减少，从而使平均寻道时 间减少，加快硬盘速度。目前市场上主流硬盘的平均寻道时间一般在9 m s 以下， 夫子l o m s 豹疆盎霾予较犟豹产嚣。 3 平均潜伏时间( a v e r a g e1 a t e n c yt i m e ) ：指当磁头移动到数据所在的 磁道后，然后等待所要的数据块继续转动到磁头下的时间一般在2 m s 6 m s 之 闼。 4 。平均访阉时间( a v e r a g ea c c e s st i m e ) ：指磁头找到指定数据豹平均时 间，通常怒平均寻道时间和平均潜伏时间之和。平均访问时间最能够代浚硬盘找 到某一数据所用的时脚，越短的平均访闯时间越好，一般程1 l 趣s t 8 m s 之阍。 5 。突发数据传输攀( b u r s td a t at r a n s f e rr a t e ) ：疆豹跫毫貉逶过数据 总线从硬擞内部缓存区中所读取数据的最高速率。也叫外部数攒传输率 ( e x t e r n a ld a t at r a n s f e rr a t e ) 。目前采用u d m a 6 6 技术的硬搬的外部 接竣率已经达裂了6 6 。6 m b s 。 6 最大内部数据传输率( i n t e r n a ld a t a t r a n s f e rr a t e ) ：捂磁头至硬 盘缓存间的晟大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和擞片数据线密度( 指 同磁遂上的数据间隔度) ，也叫持续数据传输率( s u s t a i n e d t r a n s f e r r a t e 。一般采瘸u d m a 6 6 技术豹疆鑫静内部传输率瞧不过2 5 3 0 m # s ，哭有 极少数产晶超过3 0 m b s ，所以内部数据传输率才是系统真正的瓶颈，不过一般 来讲，硬擞的转速相同时，单碟容嫩大的内部传输率高；在辫碟容量相同时，转 速毫的疆纛魏痰韶赞簸搴毫。 华南理工大学硕十学位论文 1 . 1 . 6 磁头支架的相关知识 通过了解硬盘，可以看到硬盘的磁头支架的部分内容。若要详细了解磁头支 架的功能，需要首先了解磁头组合的结构。通常情况下，一个完整的磁头组合有 以下几部分组成:磁头支架、音圈马达、转动轴承、软线板、读写头组合、梢栓 等 ( 如图 1 - 9 )。每个组成零部件具有一定的功能，通常独自或协同其他零部件 来实现这部分功能。磁头支架作为磁头组合的基础零件，主要功能是承载磁头所 有功能零/ 组件，并围绕轴承进行转动，带动磁头读写头完成数据的读取与存 储。硬盘在闲置时，磁头读写头停在盘片的最内圈:硬盘在工作时，根据 c p u发 出的指令，磁头支架在音圈马达的驱动下，到达既定的轨道位置，并相应完成数 据的读取或存储。 c 翻 七 记 梦1 m 饭 落 脚w 曰 p caay l 峨h pp hs 人t 月笼. 图 卜9 :磁头组合 f i g卜9 : h e a d s t a c k i n g a s s e m b l y 同时，磁头支架的发展一直伴随着硬盘的发展而发展。磁头支架自身的发展 从成型工艺来讲，由最初的铸造成型发展到挤压成型或冲压成型;从加工工艺来 讲，由最初的少数加工发展到很多位置加工;从后续工序来讲，线圈与其组合的 方式由原先的粘胶发展到现在的注塑成型。图 1 - 1 0 便是各种类型的磁头支架。 铸浩十 局部力 口 下 挤f t ; 十 局部加 图 1 - 1 0 :不同 类型的 磁头支架 f i g 1 - 1 0 : d i ff e r e n t k i n d s o f a c t u a t o r 加工+ 注塑成型 第一章 绪论 磁头支架的选材通常采用密度小 ( 重量轻)、强度大、易成型、耐腐蚀的铝 合金材料。现在大多采用 6 0 6 1 - t 6铝合金。该种材料属于热处理可强化合金， 具有良 好的可成型性、可焊接性、可机加工性和同时具有中等强度，在退火后仍 能维持较好的操作性。密度与纯铝接近， 大约为2 . 7 g / m m 。 表 1 - 1 , 1 - 2 分别为 铝合金6 0 6 1 - t 6 ( 6 0 6 卜t 6 : 6 0 6 1 为铝合金牌号，t 6为处理方式:水冷十 人工时 效)的相关化学成分及机械物理特性。 表1 - 1 : 6 0 6 1铝合金化学成分 t a b l e 1 一 1 : c h e m i c a l c o m p o n e n t o f a l l o y a l u m i n u m o f 6 0 6 1 ( %) g 川 甲 ( 组成)s i(1 ) fe0 m ca(4 )kin(w ) ttg ( 镁)c r(,a )zn(k, ) ikk ) o t h e r / e a c h ( 锤种 ) o t h e r / t o t a l 总计)a:。 。 标准 0. 460.800.70mac0.160.400. 15、:- (1，04-0,350 . 25nax0 1 15mar0.05m ax0. 15ba fance 表 1 - 2 : 6 0 6 1 - t 6 铝合金机械特性 t a b l e 1 - 2 - m e c h a ni c al c h a r a c t e r o f a 6 0 6 1 - t 6 t e n s i l e s t r e n g t h 展力强度 ( mp a ) y t o l d s t r e n g t h 0 . 2 % o f f s e t 结果展力 ( mp . ) e l o n g a t i o n i n 2 i n c h l e n g t h 0 , 5 0 i n c h di a me t e r 延伸率 ( % ha r d n e s s 硬度( h r b ) 2 b 0 2 4 5 1 7 4 7 6 5 就磁头支架的结构而言，磁头支架的形状往往会根据其功能有所不同，但 总的而言，每个磁头支架皆由铆接孔、臂、轴承孔、扇尾 ( 音圈粘结位)等组 成。 ( 如图 1 一 1 1 ) 粘结位 图1 - 1 1 -磁头支架结构 f i g 1 - 1 卜s t r u c t u re o f a c t u a t o r 华南理工大学硕十学位论文 1 . 2课题的提出及其工程意义、论文的主要研究内容 从计算机发明以来， 人们不断加深对其理解， 并且应用也日益广泛， 现已遍 布国防和国民经济及社会的各个领域。计算机每天都在处理着大量的信息。 同时，随着计算机软件的不断升级及多媒体技术的渗透，人们对于计算机硬件 的要求也日益提高。人们希望计算机能在准确工作的前提下，运行速度越快越 好。为了实现该项要求，除了 c p u等处理系统更新升级以外，硬盘存储容量、 存读速度、准确度方面，也需较大提升。正如同上一节中提到的硬盘容量已提 高到百兆兆甚至数百兆兆，转速也升至 1 5 0 0 0转/ 分钟。同时，硬盘的应用领 域也不断拓展，由原来仅用于台式计算机发展到移动电脑以及需要数据存储的 设备。例如，目前众多厂家正着力研制与现有娱乐设备 ( 例如:m p 3 、电视机 等)的结合的硬盘。那么，硬盘的存储/ 读写安全性便显得更加至关重要。 硬盘驱动器对外界最敏感的是头盘系统，冲击引起的头盘碰撞是造成磁头 和磁盘介质损坏的主要原因，这就要求硬盘驱动器具有良 好抗冲击性能。在恶 劣的工作环境下，计算机大多采用了加固措施，而其他服务于关键设备和重要 环节的控制系统或信息处理系统，通常采用冗余设计而确保其安全性。但是， 通常情况下，个人用计算机及普通办公室使用的计算机，没有专门的防护减振 措施。 1 9 9 3年 l e g g在 现代技术:小型加固硬盘驱动器面对严厉的指责中指 出 “ 尽管加强了坚固性，硬盘驱动器仍是生性脆弱的装置”。另外，由于硬盘 空间位置的局限性，磁头记录装置不能实施完全的隔振设计。于是，硬盘驱动 器成为计算机系统中抗振安全性一直是一个薄弱的环节。 计算机硬盘在工作时，磁头读/ 写系统一般沿着盘片的径向方向作直线搜 索运动，由于读写头浮动块和盘片之间存在着气流效应，这时的浮动块和盘片 保持一定的间隙，并不直接接触。磁头读写头会在气流的作用下悬浮，一般头 盘间隙为十几个或几个纳米。为了调整磁头到达指定的磁道，音圈马达将迫使 直线驱动机构做位置调整运动。如果此时产生振动或磁头本身不平衡产生振 动，头盘位置误差的调整无法跟上头盘振动响应相对位置错动的节奏，一于是产 生相对的响应位移，如果位移较大时便产生读/ 写错误，从而产生误操作或无 法执行指令。那么，为了避免或减少头盘的位置误差，除了设置减振、隔振装 置外，必须使得直接参与读写的磁头和盘片的动平衡得以保证，通常要求磁头 组合的不平衡控制在 1 0 0 m g . c m以内。 目前，尽管计算机技术发展比较迅速，但针对计算机硬盘或者针对磁头支 架的研究相对较少，尤其是国内的研究更少，且国内大多数研究往往r限于如 何使用以及如何维护硬盘等方面。随着改革开放的深入，国外一些硬盘企业、 第一章 绪论 磁头或磁头支架企业相继在中国大陆设立工厂。截止目前，几乎世界上所有的 硬盘生产厂家，如前文提到的 s e a g a t e( 希捷)、i b m , m a x t o r以及 w e s t d i g i t a l( 西部数据)、s a m s u n g( 三星)等皆在中国建立生产工厂。但是， 硬盘以及相关技术大部分被国外掌握控制，国内仅有如长城、深圳开发等少数 几家企业涉足硬盘或磁头领域，并自主研发诸如 c t 2 1 0硬盘及相关磁头。尽管 国外对硬盘及其零部件的研究己相对成熟，但是大多数技术对中国仍然进行保 密。因此，对国内而言，在此领域的研究仍存在较大的空间。 作者服务的公司是一家外方投资的计算机硬盘磁头支架的专业生产厂家。 本课题的提出，便是以正在生产的一种磁头支架为研究对象，对其不平衡的存 在原因、如何进行测量以及如何获得理想的不平衡进行研究，从而实现以下: 寻求如何实现磁头支架稳定的、可控制的不平衡，并且寻求快捷获取磁头支架 的不平衡的测量方式及准确的测量方法，希望借此研究促进中国硬盘及其零部 件的民族产业的发展。 本论文的主要研究内容将包括: 1 .通过研究转子的不平衡理论，获取磁头支架不平衡的影响因素及实现磁 头支架不平衡的控制方法 2 . 通过研究转子的不平衡测试，对磁头支架的不平衡测试进行分析，并得到 精确的磁头支架测试系统。 3 . 通过对测试仪器的发展和虚拟仪器技术的的研究，从而提出对虚动平衡仪 的 探 讨。 1 . 3本章小结 本章简要介绍了硬盘的发展历史、硬盘的构造以及硬盘的相关技术指标，引 入并介绍了有关硬盘的基本组成元件- - 一磁头支架的基本知识。通过了解计算机 技术的发展及计算机的广泛应用，强调硬盘的安全性与稳定性十分重要，从而引 出本文研究的实际工程意义，并一一列出本文的主要研究内容。 第一章 绪论 磁头或磁头支架企业相继在中国大陆设立工厂。截止目前，几乎世界上所有的 硬盘生产厂家，如前文提到的 s e a g a t e( 希捷)、i b m , m a x t o r以及 w e s t d i g i t a l( 西部数据)、s a m s u n g( 三星)等皆在中国建立生产工厂。但是， 硬盘以及相关技术大部分被国外掌握控制，国内仅有如长城、深圳开发等少数 几家企业涉足硬盘或磁头领域，并自主研发诸如 c t 2 1 0硬盘及相关磁头。尽管 国外对硬盘及其零部件的研究己相对成熟，但是大多数技术对中国仍然进行保 密。因此，对国内而言，在此领域的研究仍存在较大的空间。 作者服务的公司是一家外方投资的计算机硬盘磁头支架的专业生产厂家。 本课题的提出，便是以正在生产的一种磁头支架为研究对象，对其不平衡的存 在原因、如何进行测量以及如何获得理想的不平衡进行研究，从而实现以下: 寻求如何实现磁头支架稳定的、可控制的不平衡，并且寻求快捷获取磁头支架 的不平衡的测量方式及准确的测量方法，希望借此研究促进中国硬盘及其零部 件的民族产业的发展。 本论文的主要研究内容将包括: 1 .通过研究转子的不平衡理论，获取磁头支架不平衡的影响因素及实现磁 头支架不平衡的控制方法 2 . 通过研究转子的不平衡测试，对磁头支架的不平衡测试进行分析，并得到 精确的磁头支架测试系统。 3 . 通过对测试仪器的发展和虚拟仪器技术的的研究，从而提出对虚动平衡仪 的 探 讨。 1 . 3本章小结 本章简要介绍了硬盘的发展历史、硬盘的构造以及硬盘的相关技术指标，引 入并介绍了有关硬盘的基本组成元件- - 一磁头支架的基本知识。通过了解计算机 技术的发展及计算机的广泛应用，强调硬盘的安全性与稳定性十分重要，从而引 出本文研究的实际工程意义，并一一列出本文的主要研究内容。 华南理工大学硕士学位论文 第二章磁头支架的不平衡研究 2 . 1转子不平衡的基础理论 在众多机械旋转的零部件中，绕着固定轴旋转的零部件一般被称为转子。根 据国际标准化组织 ( i s o )定义，转子为一个可旋转的其轴径由轴承支承的物 体。根据转子的工作状态和力学特性以及从平衡的观点出发，转子通常分成两 类:刚性转子和挠性转子。刚性转子的工作转速低于一阶弯曲临界转速，在旋转 过程中不产生变形，或其变形量可以忽略不计，并且不平衡状态不发生改变;挠 性转子的工作转速往往高于或接近转子的一阶临界转速，并产生较大变形量或不 能忽略的变形量。 ( 注:以 下非 特殊指明，转子皆 为刚性转子) 2 . 1 . 1转子的平衡 2 . 1 . 1 . 1转子的质量偏心 无论是刚性转子还是挠性转子，由于存在着不均匀的质量分布，必然存在 一定的质量偏心。以下的几种原因，在一定程度上将导致转子的质量不均匀，从 而产生偏心质量: 1 . 材料缺陷: 例如:毛坯自身存在气孔、密度不均等缺陷;焊接结构的材料厚度不一致; 滚动轴承的转动误差和间隙。 2 设计与制图误差: 通常情况下，一些需要装配的转子系统，为了保证装配后转子系统的平 衡，单个零件则需要保持一定的不平衡。另外，零件旋转不均匀对称;转子内表 面或外表面有未加工的表面;由于配合粗糙产生径向和轴向振摆;键短于键槽 等，均会产生偏心质量。 3 加工误差: 例如:焊接或铸造的造型缺陷:切削加工的切削误差:由于加工残余应 力，迫使工件产生不可恢复变形。 4 .装配误差: 尽管设计及零件本身是无偏心的，但由于装配工艺、装配工装等原因，使 得装配的成品存在一定的质量偏心或偏离设计质量中心。例如:螺钉长度不一 致;衬垫材料大小不一致;螺母种类不一致;可动零件未对称安装且有间隙，等 等。 华南理工大学硕士学位论文 第二章磁头支架的不平衡研究 2 . 1转子不平衡的基础理论 在众多机械旋转的零部件中，绕着固定轴旋转的零部件一般被称为转子。根 据国际标准化组织 ( i s o )定义，转子为一个可旋转的其轴径由轴承支承的物 体。根据转子的工作状态和力学特性以及从平衡的观点出发，转子通常分成两 类:刚性转子和挠性转子。刚性转子的工作转速低于一阶弯曲临界转速，在旋转 过程中不产生变形，或其变形量可以忽略不计，并且不平衡状态不发生改变;挠 性转子的工作转速往往高于或接近转子的一阶临界转速，并产生较大变形量或不 能忽略的变形量。 ( 注:以 下非 特殊指明，转子皆 为刚性转子) 2 . 1 . 1转子的平衡 2 . 1 . 1 . 1转子的质量偏心 无论是刚性转子还是挠性转子，由于存在着不均匀的质量分布，必然存在 一定的质量偏心。以下的几种原因，在一定程度上将导致转子的质量不均匀，从 而产生偏心质量: 1 . 材料缺陷: 例如:毛坯自身存在气孔、密度不均等缺陷;焊接结构的材料厚度不一致; 滚动轴承的转动误差和间隙。 2 设计与制图误差: 通常情况下，一些需要装配的转子系统，为了保证装配后转子系统的平 衡，单个零件则需要保持一定的不平衡。另外，零件旋转不均匀对称;转子内表 面或外表面有未加工的表面;由于配合粗糙产生径向和轴向振摆;键短于键槽 等，均会产生偏心质量。 3 加工误差: 例如:焊接或铸造的造型缺陷:切削加工的切削误差:由于加工残余应 力，迫使工件产生不可恢复变形。 4 .装配误差: 尽管设计及零件本身是无偏心的，但由于装配工艺、装配工装等原因，使 得装配的成品存在一定的质量偏心或偏离设计质量中心。例如:螺钉长度不一 致;衬垫材料大小不一致;螺母种类不一致;可动零件未对称安装且有间隙，等 等。 第二章磁头支架的不平衡研究 2 . 1 . 1 . 2转子的力学特性 带有偏心质量的转子在转动时， 偏心的质量便会产生无法抵消的不平 衡的惯性力，即产生将要讨论的不平 衡。如图 2 - 1所示，一转子绕定轴 ( y轴)以等角速度。 旋转，如果取 固定于转子上以角速度。 旋转的直角 坐标系为 0 - x y z ，则转子上任意一点 q的位置矢量可写为 f i g 2 - 1 : r o t o r . 尸 艺x 俘 =r/ +y j+z k 十y j ( 2 - 1 ) 式中， x . y . z 是r 的坐标分量， i , j , k 是各坐标轴方向上的单位矢量， r = x i 十 z k则是r 在垂直于y 轴的面 ( x z 面)上投影后的分矢量。 以时间 t 对公式 ( 2 - 1 )进行微分求出r的速度 v及加速度 。 ，r的坐标分 量 x 、y .2 对于时间是常数，故有 d i v二d r / d t =x- d t +y + d t d k z _ _ _ _ d t( 2 一 2 ) 速度用矢量表示并写成。 ，则由单位矢量的性质可以得出 d i _ 。 x ， ， dj- = aa x i , - 一 。 x j竺 一 。 x k d t d t d t 式中，符号 x 表示矢量积。代入( 2 - 2 )的表达后得出 v二d r / d i = c v x ( x i + y j + z k ) 二t o x ，( 2 - 3 ) 由于刚性转子只考虑绕y 轴的旋转运动，。 = 可 c o x j = 可x j = o ，故有 v = 。x ( x i + z k ) = c o x r = d r / d t ( 2 一 4 ) 加速度 日 则可表示为从时间 t 对 v 的再次微分，则 a，d v / d t =d ( o ) x r ) / d t =( d a ) / d t ) x r =( d w / d t vx r f =( d u ) / d t )j x r / +。x ( d r / / d t ) +。x 。x r ) 伯 z 护 / ( z - 5 ) 华南理工大学硕十学位论文 ( d c ) / d t )j x ， 决定于角加速度。的 切线加速度， (0 2 r /决定于0 ) 的 沿半径方 向的向心加速度。 设在以加速度a 运动的点二处有微小质量 d m ， 则该质量产生的惯性力d p 为 d p 二 a d m= 一 ( d ( o / d t ) i x r d m+ m g r d m 二 - ( d cu / d t )j x + til t r d m( 2 - 6 ) 则该惯性力为在垂直于旋转轴的平面上的矢量。另外，惯性力 d p对原点 。的力 矩 d n为 d n= y x d p 二 y j x 一 ( d o / d t )j x ; d m + tu 2 r d m 一 ( d r) / d t ) y r d m+ 。 今 x y r d m = ( d c w / d t ) + ( d a ) / d t ) j x y r / d m ( 2 - 7 ) 对于整个转子而言，则有 p 一f d p 一 - (d c )/d t)j x + w 2 f ， ， d m n 一f d n 一 ( d (u / d t ) + ( d o) / d t )j x f y r d m ( 2 - 8 ) 在式 ( 2 - 8 )中，如果考虑到r = x i 十x k， 则有 了 ， d m一 ( 丁 x