硬盘弹性臂加载力测量系统研究

1、        硬盘制造中弹性臂加载力测量系统的研究 - 刘慧君1. 引言弹性臂(Suspension)是硬盘驱动器核心部件(磁头堆HSA)的关键零件之一,它是由三或者四个不锈片和传导电路由激光焊接组成的悬臂支撑结构,对其预先成型、弯曲和调校可以得到它在加载状态下所要求的力、静态姿态和频率响应特性。硬盘驱动器工作时,读写磁头(Slider)是在磁记录盘片上高速飞行,其特殊设计的表面形状起到空气轴承的作用,产生脱离盘片的浮力;弹性臂在加载状态下产生的力加载力(Gram Load)通过万向节(Dimple)作用在读写头上,使其保

2、持稳定的飞行高度(Fly Height)和飞行姿态(Attitude),从而保障读写头前端的传感器对盘片上磁记录信号的读写灵敏度和稳定性。弹性臂（suspension）硬盘磁头堆HSA图一： 弹性臂在硬盘中的安装位置随着硬盘工业的发展，硬盘的信息容量越来越高，按照摩尔定理的速度，已经由十年前的20Gb 上升到了今天的2000Gb。除了碟片的磁记录密度越来越高之外，磁头的寻址能力也必须跟得上发展的速度。为了分辨更小更密的磁记录信号，磁头就必须更加近地靠近磁碟，也就是弹性臂的飞行高度就需要越来越低，十年前的飞行高度大概是100nm，而现在已经达到了10nm。（图二所示）那么加载力的稳定性要求就越来

3、越高，十年前加载力的规格要求是+/-0.25克，而现在的要求已经是+/-0.075克。图二： 加载力、飞行高度和磁记录密度相关示意图上述文字从设计的角度要求加载力的稳定性提高，而硬盘的加工制造生产中，随着竞争的日趋激烈，产品利润的不断减少，必然要求生产效率的不断提高。所以，加载力的测量系统不仅要求保证稳定性、准确性，也要求迅捷性。2. 加载力测量系统的组建2.1 加载力测量系统的组成加载力测量系统由几个部分组成：高精度测力传感器(Load cell)，测量传感器测量探头(Load cell tip)，信号放大卡(Signal Amplification Card)，模数转换卡(A/D card

4、)，PC电脑。测力传感器是这个测量系统的核心部件。我们采用了Transducer Techniques 公司的GSO型号的测力感应器（图三所示）。该感应器属于金属电阻应变式传感器，传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。通过通用的桥式电路（图四所示），电阻的变化引发电压随之变化，电压信号被放大后输入到模数转化卡，而后电脑即可得到相应的电压变化数字信号，从而完成力的测量。图四： 测力传感器的桥式电路图图三： 测力传感器 测力传感器探头是根据产品（弹力臂）的实际测量位置和面积，以及自动化生产设备的位置安排，特殊设计而成。虽然成本很低，但是

5、它也是保证测量功能的重要零件之一。信号放大卡由国内科瑞自动化有限公司设计，专门针对加载力测量系统而研发，采用多极放大的原理，加入多层滤波功能屏蔽其他干扰信号，把50mV之内的信号精确放大到10V之内。模数转化卡采用ADLINK 公司的 PCI9111HR 数据采集卡。该卡的一些基本特征是：16通道单端模拟量输入，采样频率可达110K Hz。2.2 加载力测量系统的模型测力感应器在加载力的作用下，内部的店主影片片产生机械形变，从而其桥式电路中相应的电阻值发生变化，这个电路的输出电压随之发生变化。电压信号经过信号放大卡后，由原先的50mV变成为0-10V。然后输入到数模转化卡，数模转化卡把模拟的电

6、压信号转化为数字信号。特殊设计的电脑程序，把这个数字信号经过相应的计算后，输出到专用软件的显示界面。整个测量过程就宣布完成。可参考下边图五的模型示意图。图五： 加载力测量系统模型示意图3加载力测量系统的深入研究3.1 测力传感器型号的选择Transducer Techniques的测力传感器是硬盘行业通用的测量元件，但是对于我们的产品要求（1-5克的测量范围）而言，有GSO-10 ，GSO-25，GSO-50几种量程的感应器可以选择。那么是不是测量范围越小的感应器，灵敏度就会越高，越适于我们这种高精度的测量要求呢？这句话显然不完全正确，测量范围越小，它的灵敏度确实越高，但是它对周围环境的要求也

7、必然更高，在制造弹力臂的工厂内，电磁环境、振动环境等，不一定就能满足小量程感应器对环境的要求。为此，我们对三种型号的感应器，在同样的环境中，做了两组静态测试，评估它们的不同。稳定期运动过程稳定期稳定期运动过程运动过程备注：波动曲线是正常曲线的局部放大图。表一： 测力感应器评估图表对测试数据进行分析，可以看到GSO-50感应器的波动性最大，而GSO-10由于高度灵敏，导致很多异常跳动点。这两者都是测量系统不稳定的最显著体现。在从反应速度来看，GSO-50有最迅捷的表现，但是综合考虑，我们仍然不得不选择GSO-25作为生产设备的测量元件。 3.2 测力传感器探头的设计3.2.1 探头接触面积的研究

8、从最接近硬盘工作的状态分析，探头接触面应该是跟磁头的大小一样，这样模拟出来的效果可能更加准确。现在磁头的表面大小一般为：1.235mm X 0.7mm 和 0.85mm X 0.7mm。但是这个面积非常的小，如果弹力臂在加工时，定位稍微有点偏移，那么就很容易造成探头跟弹性臂前端的导线或者覆盖层相接触，从而造成更大的偏差。所以，我们设计了几种不同的探头接触面进行评估。导线覆盖层Load cell tip图六：测力传感器探头表面和磁头粘贴面示意图评估项目有两条：（1） 测量稳定性。我们用测试探头对10个弹性臂进行加载力测量，重复测量9遍。然后应用Mintab软件提供的Gage Repeatabil

9、ity & Reproducibly 测试工具中的方差分析法对数据进行分析。（2） 拟合度测试。用不同的测试探头测量30个弹性臂，然后分别与这30个弹性臂的标准值进行比较，然后应用Mintab软件提供的Fit Line Plot 测试工具对数据分析。评估数据：探头种类探头表面尺寸稳定性（%Tolerance）拟合度评估LengthWidth斜率拟合度Tip10.850.712.5%1.01398%Tip21.51.27.4%0.99899.3%Tip31.81.66.6%0.94595.3%表二： 测力感应探头稳定性和拟合度评估图表从数据分析，可以看到太大的探头表面尺寸，虽然稳定性很好

10、，但由于灵敏度不够、与标准测量位置相差太远，导致与标准读书拟合度很低，不能采用。而跟磁头大小一直的探头，虽然看似更符合设计要求，但是由于这个表面太小，导致稳定性很差，拟合度也不甚理想，与之前分析相吻合，和不能采用。反而，稍大于磁头尺寸的探头有着更良好的表现。3.2.2 探头重量的研究随着生产效率的提高，加载力测量时间已经成为加载力调校工序耗时最多部分之一。由于是接触式测量，由接触带来的惯性、摩擦力，都需要一定的时间来消除。为了得到准确稳定的读书，需要较长时间的延时之后才能够真正读数。测量头的重量直接关系到测量过程中产生的惯性，所以，评估测量头重量与测量时间的关系就是非常值得研究的一个项目了。下

11、面的实验是通过模拟生产实况，实时追踪测量读数，评估测量时间。表三： 不同重量测力感应探头测量稳定时间评估图表不同从实验数据可以非常明显的看到感应器探头的重量与加载力测量稳定时间之间有反比关系，重量越轻的感应探头，由于其惯性较小，让感应器金属感应式弹片趋于稳定的时间就短，测量时间也就会变短。所以我们采用了POM的材料作为探头的主要材料，尽量地减少探头的尺寸，同时也保证了弹性臂的线路板导线不被刮伤；必须使用金属螺纹的地方，用了镂空的铝件。从而大幅降低探头的重量。最终设计的探头形状就如图六右边图形所示。3.4 测量软件的研究 测量算法的研究数模转化卡的刷新频率是110KHZ，那么只要电脑软件刷新足够

12、快，每秒就会有110，000个数据可以被电脑采集到。我们所看到的原始虽然只有每秒1200个，但它依然跳动性很大任何一个单独的点都不能准确的反应产品的真实读数。所以，我们需要对这些原始数据进行处理。让测量系统读到的每一次读数，都能真实准确的反应产品状况，并经得起重复性的考验。采用一组数据的平均值或者中值来作为测量系统的读数，能够解决这一问题。为了防止单个异常值影响整个测量读数，我们设计了中值的统计量来体现产品读数。那么，取多大的数据量来计算一个中值取值点呢？如何更进一步预防异常点出现呢？关于第一个问题，我们知道，越多的数据量，能够计算得到更加准确的读数，但是数据量的加大，必然导致计算读数时间的的

13、加长。而太小的数据量则会影响测量的重复性、稳定性。表四： 不同数据量计算加载力读数图表不同从数据和图表分析，可以看到每组100个以内的数据量，不影响测量时间，当数据量上升到每组500个时，则非常明显地影响到了测量时间。但是每组100个数据的统计量之后，读数依然呈现有规律的波动性，经过进一步的测试，我们选定了每组200个数据量的取数算法，作为这个测量系统的最优选择。为了避免异常数据影响正常测量，我们在算法中增加了一个预防措施，那就是每个数据点（200个数据取得中值），都会与它前边的数据相比较，如果出现数据差值超过0.01克的现象，软件将继续往后取数，直到满足这一要求，或者循环时间超过2秒。 测量

14、校准系统的设计加载力的测量是通过不同的电压值体现的，那么电压值与加载力必然有一个拟合非常好的线性关系。如何确定这个线性关系，如何非常方便的校准这个线性关系，就是测量系统校准的关键。从实验得到的数据分析，可以看到这是一个非常好的直线线性关系，这个关系通过标准砝码就可以得以确认。但测量系统的校准时日常设备维护需要频繁操作的动作，如果每次用10个砝码来校准设备，显然非常繁琐。由于加载力测量只用到1-5克之间的量程，并且这个直线线性关系的拟合度如此之高，我们就想到了用一个砝码来校准设备的方法。首先，在空载的时候，我们可以得到一个电压值，为了覆盖整个加载力所需的测量范围，可以再选取一个大约5克的砝码，当

15、把砝码放到测量探头上的时候，可以取到另一个电压值。两点确定一条直线，就可以简单地计算出这条线性关系的斜率和截距了。表五中可以看到用一个砝码校准的方法完全可行。表五： 电压与加载力关系图标不同另外，在研究这个测量系统的过程中，发现整个系统有轻微的零点漂移的问题。不过，这个漂移非常缓慢，短期而言，它基本不影响测量的稳定性。但工业生产设备往往是每天24小时工作，长期的累积误差还是非常可观的。如何消除这一误差也是完善这一测量系统的一个方面。我们采用的方法是定期同步清零。就是每生产10或20个产品，机器将自动在空载的时候，将空载时刻的电压值赋值给那条线性关系公式的X，由于是空载，那么Y=0，保持斜率不便，则可以更新截距数值。这个方法的依据是我们长期观察的结果：如果不对测量系统的硬件做调整或移动，整个测量系统的斜率是不会发生改变的，那么也就是零点的漂移仅仅与截距有关系。所以，我们才能够采用上述的方法。3.5 其他注意事项整个测量系统能否准确测量的前提条件之一就是，产品装夹必须精确，没有误差，如下图所示，弹性臂的万向节必须放在测量探头的中央位置。这需要机械设计的保证，如果加入视觉测量系统将更加完美。图七： 弹性臂与测量探头的位置关系另外，由于弹性臂生产环境有很多的震动、电磁干扰，静电干扰，所以，为了屏蔽这些杂音，我们给这个电路进行屏蔽线