（机械电子工程专业论文）mdms加胶工序在硬盘磁头锡球焊接工艺中的研究与应用.pdf

堕筌堑三兰銮差三兰堡三耋竺篁耋 摘要 磁头是硬盘驱动器内非常关键的部件，以往磁头与折片的连接采用的是 会球焊接工艺，近年来为了满足市场的需要提出了锡球焊接工艺，它有着金 球焊所不具有的优势。m d m s 加胶是锡球焊接工艺中的一个重要工序，它 对整个工序的优率( 产品合格率) 以及其它相关工序有着至关重要的影响。 本论文通过对m d m 加胶系统的研究，分析了系统的工作原理和特点。 对在磁头生产中存在的问题进行了分析研究，通过试验设计获得数据，并结 合各种数据处理方法进行分析，找出可能的原因，以及提出改善方法，最后 在生产实践中验证改进方案的优越性和可行性，从而提高了m d m 加胶工序 的优率以及减少了对其它工序带来的不利影响。 首先，分析了m d m 加胶的重要性和必要性，对提高硬盘读写性能有很 大作用。研究了系统的工作原理、对来料控制的要求、系统如何实现加胶位 置的寻找以及光源和照明方案选择在系统位置寻找中的作用。 其次，对系统使用的环氧树脂胶剂进行了分析研究，对比几种不同型号 胶的物理特性以及存在的不足。提出了新的物理特性胶7 6 8 1 2 0 1 6 5 k 的研 制要求，分析研究了此种新胶的物理特性，并依据流体理论建立了胶量控制 的数学模型，并且结合生产实际求出了控制胶量的几组理论参数。 接着，针对m d m 加胶工序对磁头俯仰角滚动角( p i t c h r o l l ) 和荷重力 ( l g ) 存在影晌的问题。通过设计试验和对试验结果的研究分析，找出了 系统可能存在的原因，并提出改进方法。 最后，对整个锡球焊接中工序中存在的磁头微变形的问题，通过设计试 验找出了闯题的主要影响因素：是在m d m 加胶工序中。著根据试验分析结 果，提出了新的m d m 加胶工艺，实践证明了新工艺方法能很好地控制了磁 头微变形，避免了微变形对磁头读写性能带来的影响。 改进措臆和新工艺在生产中的应用，提高了m d m 加胶工序的优率乃至 于整个锡球焊接工序的优率，并且很大的提高了优率控制的稳定性。 关键词硬盘磁头；俯仰角；滚动角；荷重力；磁头微变形 ! ：奎鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏圣 a b s t r a c t s l i d e ri sak e yc o m p o n e n ti nh a r d d i s kd r i v e t r a d i t i o n a l l y , i tw a sa t t a c h e d o n t os u s p e n s i o nt h r o u g hat e c h n i q u ec a l l e dg o l db a l lb o n d i n g ( g b b ) r e c e n t l y , a n e wt e c h n i q u ec a l l e ds o l d e rb a l lb o n d i n g ( s b b ) w a sa d o p t e dt o s a t i s f yt h e m a r k e tr e q u i r e m e n t ，w h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rt h ef o r m e r a sam a j o r p r o c e s si ns b b m d m - se p o x ya d d i n gi so fg r e a ti n f l u e n c et ot h ep r o c e s sy i e l d a sw e l la st oo t h e rr e l e v a n tp r o c e s s e s t h i sp a p e ri sd e d i c a t e dt ot h es t u d yo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n df e a t u r e so f m d me p o x ya d d i n gs y s t e m w ed e s i g n e de x p e r i m e n t sr e g a r d i n gp r o b l e m s e n c o u n t e r e di na c t u a lp r o d u c t i o nt oc o l l e c tr e l i a b l ed a t af o ra n a l y s i sw i t hv a r i o u s d a t ap r o c e s s i n gt o o l s ；a n dt h e np u tf o r w a r dm e t h o d sf o ri m p r o v e m e n ta n dt e s tt h e s u p e r i o r i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h e s em e t h o d s ，t h u se n h a n c i n gt h ep r o c e s sy i e l da n d m i n i m i z i n gi t sa d v e r s ei m p a c to no t h e rp r o c e s s e s f i r s t l y , t h i sp a p e rw a sc o n s t r u e dw i t ht h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo fm d m e p o x ya d d i n gp r o c e s s ，w h i c hw a so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oh a r d d i s kd r i v e s r e a d i n ga n dw r i t i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf u r t h e rf o c u s e so nt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，c o n t r o l l i n go fi n c o m i n gm a t e r i a l s , h o wt op o s i t i o nt h e e p o x ya d d i n g ，a n dr o l eo fl i g h ts o u r c ea n dl i g h r i n gm e t h o dd e s i g np l a y e di n s y s t e me p o x ya d d i n gp o s i t i o n i n g s e c o n d l y , w er e s e a r c h i n t ot h er e s i ne p o x yu s e db yt h es y s t e m b y c o m p a r i s o no ft h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a le p o x ym o d e l sa n dt h e i r d e f e c t s ，t h i sp a p e rd e f i n e dt h ed e v e l o p i n gr e q u i r e m e n t sf o ran e wt y p eo fe p o x y 7 6 8 - 1 2 0 - 1 6 5 k b yw o r k i n go u tt h em a t hm o d e lf o re p o x y f l u xc o n t r o lb a s e do n l i q u i dt h e o r yi nv i e wo ft h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee p o x y , w ew o r k e d o u ts e v e r a lt h e o r e t i c a lp a r a m e t e r sf o re p o x ya m o u n tc o n t r o lb a s e do nt h ea c t u a l p r o d u c t i o n t h e nt h i sp a p e rm o v e so nt ot h ep r o b l e mo ft h ep r o c e s si m p a c to ns l i d e r p i t c h ，r o l la n dl g b yd e s i g no fe x p e r i m e n ta n dr e s u l t sa n a l y s i s ，p o s s i b l ec a u s e s w e r ea n a l y z e d ；i m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ea d o p t e da n dt e s t e di np r a c t i c e i i 堕玺鋈三些查差三兰竺圭：竺堡兰 f i n a l l yc o m e st h em i c r o - d e f o r m a t i o no fs l i d e ra f t e rt h ep r o c e s s a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t ，t h em a i nf a c t o rc o n t r i b u t e st os u c hap r o b l e mw a sm d m e p o x ya d d i n gp r o c e s s 。an e we p o x ya d d i n gt e c h n i q u ew a sa d o p t e dw h i c hp r o v e s t ob ee f f e c t i v ei nc o n t r o ls l i d e rd e f o r m a t i o n ，t h u st h er e a d i n ga n dw r i t i n g p e r f o r m a n c eo f s l i d e ro nd i s kc a nb ee n s u r e d a d o p to fi m p r o v e m e n tm e a s u r e sa n dn e wt e c h n i q u eh a si m p r o v e dp r o d u c t y i e l df o rm d me p o x ya d d i n gp r o c e s s ，a n df u r t h e ri m p r o v e dy i e l df o r t h ew h o l e s b bp r o c e s sa n dy i e l dc o n t r 0 1s t a b i l i t y k e y w o r d ss l i d e ro fh a r d d i s k ，p i t c h ，r o l l ，l o a d g r a m ，m i c r o d e f o r m a t i o no fs l i d e r 1 1 i 哈尔滨工业大学_ 丁学硕十学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 近几年来，各行业的竞争在变得激烈，现代制造业及相关产业有了飞速的 发展，计算机产业的也有了飞速地发展，计算机已不再是专用于科研的工具， 成本的巨大下降使这一商品进入到民用生产、学习以及生活的各个领域。巨大 的市场需求正在使个人计算机的产量近几年来以平均近1 1 的速度增长。这种 趋势必将给计算机的各方面提出了更多更高的要求【”。 作为电脑重要组成部件之一，硬盘的质量和需求量也在不断的提高。硬盘 驱动器由于其容量大、读写速度快、数据传输速率高、体积小，一直是计算机 主要的外存储器。如表1 1 ，随着计算机的普及、多媒体和网络信息技术的发 展，对它的存储容量( 记录密度) 及传输速率、稳定性、小型化等性能要求越 来越高。h d d 是由承担记录信息的介质磁盘、进行读写的磁头、信号处理系统 以及磁头、磁盘的机械驱动系统等组成。而磁头又是硬盘里最关键的部件，它 的性能直接影响硬盘的性能，它的生产技术也就是最关键的技术之一。 表1 1h d d 用磁头技术的变迁 t a b l e 1 1t h ec h a n g eo f h d ds l i d e rt e c h n o l o g y 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 32 0 0 52 0 l o 面记录密度 ( b i t i n 。) 2 g4 g6 - - 1 0 g2 0 g4 0 5 0 g1 0 0 g1 t a un n n 磁头技术 a m rt m r g m rg m ro m r g m r 2 5 英寸盘容量5 0 0 ( 字节) 2 g3g1 0 g2 0 2 5 g5 0 g g 信息位所占面 积( 道宽x 位 1 5 u m x 00 6 p m x 0 0 3 5 v t m x0 1 7 m 1 u m 0 5 p r oo 0 4 p , m ) 硬盘磁头的磁头组件( h a d ) 是硬盘当中的核心部件，他负责数据的读取 兰耋堡三些尘兰三兰堡圭差堡篁兰 任务，将碟片当中的磁讯号变成二进制数据。如图i - i 所示，磁头部件包括 磁头、主轴驱动机构、磁头驱动机构、浮动磁头组件以及前驱控制电路。 图l - l 硬盘驱动器和磁头 f i g 1 1t h eh a r dd i s hd r i v e ra n dt h eh s a 在硬盘没有通电时，磁头停放在碟片的最内圈的起停区内，当接上电源 后，由硬盘内置的r o m 中的程式控制硬盘进行一系列的初始化动作，完成后 再启动主轴电机高速旋转，磁头驱动机构则将悬浮的磁头置于碟片表面的0 道 处，等接收到电脑的指令后，在进行定位、读取数据、解码等一系列的工作， 最后通过介面线路反馈电脑。当正常开机或遇到突发的事件而断电时，反力矩 弹簧将磁头自动移回起停区内，防止划伤碟片。浮动磁头一旦受到震荡就会和 碟片相撞，产生悲剧性的后果。所以执行中的硬盘非常脆弱，绝对不能受到任 何碰撞。为什么磁头可以读取碟片当中的数据昵? 这是因为将磁粒子的不同极 性转换成相应的电脉冲讯号，再利用数据转换器将这些原始讯号变成电脑可以 使用的二进制数据，而写的操作与此相反。硬盘当中的磁头数量与碟片有关， 每一张碟片都对应一个读取磁头，在一些大容量( 多碟片) 的硬盘中有4 至8 个磁头甚至更多瞄j 。 面对越来越高的质量要求，全球各大硬盘生产商都在努力提高生产效率和 产品质量。要达到这个目的最有效的方法就是提高生产的自动化程度和生产工 艺。而磁头的生产工艺一般要经过多道工序。在这些工序上基本上都要辅以手 工生产方式。手工生产不仅效率比较低、质量不稳定，而且容易造成磁头污染 和产生静电，会使磁头的质量难以得到保证【3 】。 以前的磁头焊接工艺金球焊，它是通过电火花产生热量融化金线产生 金球的原理，这在焊接过程中会产生静电，从而使对电敏感的磁头产生静电损 坏，这样就降低了生产优率。于是s a e 于2 0 0 3 年提出锡球焊接技术，并着手 竺尘玺三兰查：二兰堡圭兰堡兰圣 实施。锡球焊包括很多步工序。 m d m s 加胶工序是锡球焊接工艺的组成部分，是其中至关重要的工序， 是一个不可缺少的环节。 采用锡球焊的必要性： ( 1 ) 硬盘飞机仔的回收很有利润价值，因为金球焊接造成的磁头的坏品 率很高。 ( 2 ) 锡球焊对飞机仔的回收可以实现自动化，而金球焊对飞机仔的回收 和自动化效率低，因为它可熔性差，一般采用刀片手工切割金球实现。 ( 3 ) 加工过程中没有静电影响，焊接原理是通过激光加热锡球，不会有 因为产生静电而损坏磁头。 锡球焊是离不开m d m s 加胶工序的，要不就是不完整的。以上是m d m s 加胶工艺的来源，也就是本课题来源。 1 1 2 研究目的和意义 m d m - s 加胶的目的是改进金球焊接的弊端，完善磁头锡球焊接工艺，锡 球焊接为飞机仔回收利用的自动化实现成为可能，能很大的降低生产成本。同 时提高和实现生产的自动化程度。m d m s 胶使磁头和c a t ( 压电陶瓷材料做 的部件) 连接成一体，它使磁头外侧的压电陶瓷材料c a t 真正发挥了作用， 是必不可少的组成部分。 m d m s 加胶对锡球焊接工序来说有重大的意义，因为它在所有的工序中 排在后面，经过前面的坏品淘汰后，这道工序的优率对整个工序的优率影响巨 大，它的优率也就显得非常至关重要。 m d m 。s 胶能实现磁头的读写精度提高，提高硬盘的单碟读写容量。这些 技术创新提高了公司在全球市场上的竞争力，走在磁头生产领域的技术前端。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外硬盘磁头的生产现状 硬盘的核心部件硬盘驱动器主要由三个部分组成，分别是印刷线路板、磁 头盘片组合和软线路板组件。这三部分之中，磁头盘片组合部件最多，结构也 最复杂。盘片组合主要由六个部分组成，分别为：磁头臂组件、主轴马达、盘 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 实施。锡球焊包括很多步工序。 m d m s 加胶工序是锡球焊接工艺的组成部分，是其中至关重要的工序， 是一个不可缺少的环节。 采用锡球焊的必要性： ( 1 ) 硬盘飞机仔的回收很有利润价值，因为金球焊接造成的磁头的坏品 率很高。 ( 2 ) 锡球焊对e 机仔的回收可以实现自动化，而金球焊对飞机仔的回收 和自动化效率低，因为它口j 熔性差，一般采用刀片手工切割金球实现。 ( 3 ) 加工过程中没有静电影响，焊接原理是通过激光加热锡球，不会有 因为产生静电而损坏磁头。 锡球焊是离1 i 开m d m = s 加胶工序的，要不就是不完整的。以上是m d m s 加胶工艺的来源，电就是本课题来源。 1 1 2 研究目的和意义 m d m s 加胶的目的是改进金球焊接的弊端，完善磁头锡球焊接工艺，锡 球焊接为飞机仔回收利用的自动化实现成为可能，能很大的降低生产成本。同 时提高和实现生产的自动化程度。m d m s 胶使磁头和c a t ( 压电陶瓷材料做 的部件) 连接成一体，它使磁头外侧的压电陶瓷材料c a t 真正发挥了作用， 是必不可少的组成部分。 m d m s 加胶对锡球焊接工序来说有重大的意义，因为它在所有的1 序中 排在后面，经过前而的坏品淘汰后，这道工序的优率对整个工序的优率影响巨 大，它的优率也就显得非常至关重要。 m d m s 胶能实现磁头的读写精度提高，提高硬盘的单碟读写容量。这些 技术创新提高了公司在全球市场上的竞争力，走在磁头生产领域的技术前端。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外硬盘磁头的生产现状 硬盘的核心部件硬盘驱动器 要出三个部分组成，分别是印刷线路板、磁 头盘片组合和软线路板组件。这三部分之中，磁头盘片组合部件最多结构也 最复杂。盘片组合主要由六个部分组成，分别为：磁头臂组件、主轴马达、盘 最复杂。盘片组合主要由六个部分组成，分别为：磁头臂组件、主轴马达、盘 堕! ：堡三些奎耋三耋至圭兰堡竺圣 片、音圈马达、壳体组件和再循环过滤网。磁头臂组件又是这里面的关键部件 和核心技术所在的部件，它大体可分为：磁头( s l i d e r ) ，飞机仔 ( s u s p e n s i o n ) ，软线路，c a t 等。 目前，世界上主要有两家磁头生产商，其一是成立于1 9 8 0 年的香港新科 实业有限公司( s a em a g n e t i c sh k l t d ，简称s a e ) ，其生产的产品包括：电 脑硬盘磁头芯片( w a f e r ) 、电脑硬盘磁头折片组合( h g a ) 、磁头臂组合 ( h s a ) 、电脑硬盘驱动器( h d d ) 等，分别供应给i b m 、m a x t o 等著名电脑 生产商。2 0 0 2 年初，公司占所有原件生产读写磁头市场的5 1 ，并成为世界 上第一家推出使单碟储存量达4 0 g b 之多硬盘读写磁头。现在，公司能生产的 单碟存储容量达1 6 0 g b 的超大容量硬盘。 s a e 有将近2 0 年的磁头生产经验，从最初的合成磁头、薄膜感应磁头到 现在大量生产的磁阻磁头。在磁阻磁头的生产过程中，第一步是集成磁块的切 割，利用高精度数控切割系统将集成磁块切割成条状的磁条( r o wb a r ) ，其 产品误差要求小于士l p m ，对于大容量硬盘要求达到亚微米的高度误差。空气 槽的层叠设计是为了保证磁头工作面的水平度，其处理过程与照相底片处理过 程相似，利用步进方式及照相掩膜技术能使误差保证在士0 2 “m 之内。离子蚀刻 和离子研磨用以形成各种各样复杂的空气槽，以确保正确的飞行高度。这使得 s a e f 毙, 推出今天在市场上出现的稳定的负压式空气槽的磁头 4 5 。大量生产的 h g a 和h s a 大多采用全自动或半自动的方式进行生产并装配，依客户的要求 利用先进的检测设备进行测试，以使最终生产的各种产品符合市场需求。 除了s a e 之外，世界上另外一家电磁设备生产商是日本的阿尔卑斯( a l 口s e l e c t r i cl t d ) ，公司成立与1 9 4 8 年，它以电子器件为主，也生产各种自动设 备、录像机、数字光盘的磁头。与s a e 相比，它的产品覆盖面更广，但在生 产电脑硬盘驱动器及其附属产品方面没有s a e 专业。 1 2 2 磁头工艺的发展过程和目前的主流生产工艺 目前的磁头生产的主要生产工艺如下所示，列出的只是其中一些加工的工 序和一些检测内容，其实在实际中生产一个合格的产品要经历三、四十个工 序，包括很多检测、清洗、烘于硬化等处理。列出的工序是相对来说从头至尾 的一个相对完整的过程，也是其中对产品优率( 成品合格率) 影响最显著的工 序。下面将分别简单的介绍一下各工序的基本原理、作用和目的等。 ( 1 ) c a t 内侧狭缝加胶，c a t 两脚与下面主体连接处两边分别有一道狭 4 塞! ：堡三些奎兰三耋堡圭兰堡丝圣 缝，这是防裂槽，在两个缝里加入一种特殊的胶剂加强它的强度： ( 2 ) c c m p 工序( c a t 外侧加胶) ，将前道工序完成的c a t 连接到飞机 仔上： ( 3 ) c a t 与俐仔片的间隙检测，检测前面做的产品是否合格； ( 4 ) c a t 外两侧焊金球，导通c a t 两脚外侧上的压电陶瓷； ( 5 ) 磁头锡球焊接，通过激光加热熔化锡球； ( 6 ) 加背面胶，在飞机仔后面加胶，为了强化磁头与飞机仔的连接； ( 7 ) 磁头动态性能( d p ) 检测，就是磁头的动态性能测试，检测磁头是 否满足要求。 ( 8 )m d m 加胶，即在磁头和c a t 的前端缝隙内加胶，使磁头和c a t 连接起来。 ( 9 ) 胶量的检测，对上道工序加的胶量检测。 ( 1 0 ) 磁头位置( a b 数) 检测，a b 数是一个表示相对于飞机仔中心轴 横向与轴向偏移大小的参数。 ( 1 1 ) 磁头的俯仰角滚动角( p i t c h r o l l ) 检测，p i t c h r o l l 表示的是一个物 体倾斜度的参数，用来检测磁头相对于飞机仔俐仔片的倾斜度。 ( 1 2 ) 荷重力检测( l g ) 检测，检测磁头读写姿态时的力的大小。 ( 1 3 ) 飞行高度检测( f l y h e i g h t ，f h ) ，飞行高度检测就是通过模拟磁头 的读写姿态来检测磁头悬浮高度。 1 3 主要研究内容 本课题是从公司的实际项目中提炼出来的，本课题的主要研究内容是如何 丌发科学的m d m 加胶工序，来提高加胶工序的优率( 产品生产合格率) ，从 两提高整个锡球焊接工序的优率。 首先，从理论上说明m d m 加胶工序存在的必要性和重要性，对i ：i , ；l l i l 胶和 不加胶两种情况在硬盘磁头读写中的区别，论证了m d m 加胶对比不加胶有明 显的优势。初步制订加胶工序。 从m d m ，s 系统入手，研究系统本身对工序优率可能造成的影响。工序的 优率取决于工序本身的科学合理性，也取决于系统的状态。对系统内一些不能 满足工序要求的结构部件或者程序方面提出具体改良方法和具体要求。同时， 结合系统的特点，规范操作动作减少人影响，将一些可能存在的不确定因素带 来的影响减至最小。 堕查鎏三些奎耋二主塑圭兰堡兰兰 m d m 加胶工序对胶量有很明确的要求，通过分析研究工序中所用到的胶 的物理特性，并通过胶的剪切强度试验，提出了胶固化的几种方案和条件。根 据流体理论建立胶量的数学模型，并分析胶量的控制，计算出确定胶量大小的 各参数值。 对m d m 加胶工序中存在的磁头俯仰角滚动角和荷重力的前后变化问题 以及m d m 加胶工序对磁头微变形产生的影响问题，通过试验设计，找出问题 产生的原因，并提出改进和解决办法。 通过本课题的研究将最终完成m d m s 加胶工序的开发。在课题的最后经 过了实际生产论证。经过长时间收集的数据，验证了m d m s 工序是能够达到 很高的优率，提高了整个工序的优率。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 第2 章m d m s 加胶工序的原理和特点 2 1m d m - s 加胶工序的分析和特点 m d m s 加胶系统，是通过控制加胶压强和时间，在磁头和c a t 的前端间 隙内加入适量的胶，如图2 - 1 b ) 所示阳j 隙a 、b 是所要加胶的位置。 2 1 1 磁头c a t 的增加提高了磁头的读写性能 a 1 无c a t 的磁头b ) 有c a t 的磁头 图2 - 1 两种不同磁头的对比 f i g 2 - 1t h e c o m p a r i s o no f t w o d i f f e r e t l t k i n do f h g a 以前的飞机仔上是没有c a t 的，如图2 1 a ) ，磁头直接连接在飞机仔上。 碟片上存储的数据是通过飞机仔上的磁头来读写的，当碟片高速旋转，磁头在 碟片上寻找磁道，当磁头臂在磁头驱动机构作用下绕着中心轴摆动时，使磁头 在碟片内外圈移动。如图2 2 所示，假设磁头在磁道1 处与之相切，那么随磁 头臂摆动到磁道2 位置时，磁头( s l i d e r ) 就不再与磁道2 相切。而经过理论和实 际验证明，当磁头中心轴与磁道相切时，读写性能最好【”8 1 。另外磁头对磁盘 的读写分辨率，直接与磁头和磁道之间的相对位置有关，它们的相切性越好则 磁头的读写分辨率越高，也就能够读写更多的磁道，磁盘的容量就可以做得更 大 9 , 1 0 】。 有无c a t 直接影响了磁头单碟的读写能力，也决定了单碟硬盘的容量大 小。因为，磁头读写时分辨的磁道间距越小，则碟片的磁道密度可以做的越 堕查鋈三些叁耋三兰要占耋堡篁兰 密，一个盘面上存储的数据也就更多，单碟容量也就更大了。比如以前单碟只 能作1 0 g 、2 0 g 和4 0 g 的，现在随着技术的进步可以做到8 0 g ，甚至更大。这 其中c a t 起着非常关键的作用。 c a t 是如何实现这个功能的呢? 概括来说，当磁头在碟片上内外移动寻找 磁道时，c a t 通过它的两只脚来调整磁头和磁道的相对位置，保持相切。 图2 - 2 无c a t 的磁头在盘片上的不同磁道上的读写姿态图2 - 3c a t 的结构图 f i g 2 - 2t h ep o s i t i o no f t h es l i d e rw i t h o u tc a ta n dt r a c kf i g 2 3t h ec o n f i g u r a t i o no f c a t 具体上是，c a t 上的两脚外侧有一层压电陶瓷材料做的薄片，根据压电效 应，能使两脚产生伸缩，再通过c a t 与磁头( s l i d 啪阿面缝隙间的两点胶的连 接，由c a t 带动磁头摆动。而c a t 两只脚的伸缩量，是由硬盘内部程序控制 的，通过供给c a t 两侧压电陶瓷的不同电量，使左右两脚的伸缩量不同，这 样就能是带动磁头摆动，补偿出于磁头在内外磁头读写时产生的相对磁道偏 移，这样就能使磁头磁道始终保持相切。而磁头与c a t 的连接是通过m d m s 加胶工序来实现的。 2 1 2m d m 系统加胶的实现算法流程图 图2 - 4 是m d m 的加胶的实现算法流程图，以系统的控制流程为参考来制 定生产工序，从而对加胶工序的各方面进行综合考虑。 一 坠玺鋈三些尘兰三兰堡：! ：兰堡篁塞 图2 4m d m 加胶的实现算法 f i g 2 _ 4t h ea r i t h m e t i cr e a l i z a t i o no f m d md i s p e n s a t i o n 9 哈尔滨t 业大学t 学硕士学位论文 2 1 3 加胶工序的来料控制 加胶工序的来料是指那些待加胶的磁头( h g a ) 料，来料坏品是指来料中 不满足加工工序的要求，或者磁头规定指标的磁头料。加胶工序的来料坏品会 增加加胶工序的生产坏品率。因为根据工序的要求在磁头h g a 上所加的胶量 要在一定的范围内，否则会造成磁头坏品。 图2 - 5 胶在h g a 中的控制范阐示意图 f i g 2 - 5t h es k e t c hm a po fg l u ea r e ac o n t r o l l e di nt h eh g a 如图2 - 5 所示，磁头前视角方向上，所加胶量高度日：2 h 3 h h ；磁 头俯视角方向上，所加胶量长度上：厶l 厶。 其中h 是c a t 脚的高度，厶是c a t 内侧凸起块起始点至c a t 前端的距 离，厶是c a t 内侧凸起块缩尾点至c a t 前端的距离。 图2 - 6 正常h g a 中的胶分布 f i g 2 - 6t h en o r m a ld i s t r i b u t i n go f t h eg l u ei nt h eh g a 另外，所加的胶不能完全盖住边上第一个锡球，也不能遮住磁头前端面上 的数字和字母( o c r 区) ，如图2 - 6 所示。 来料的好坏会影响加胶的难易程度，甚至不能加胶，比如来料的磁头与 c a t 间隙太大或太小都不容易控制胶量的分布区域，产生胶多坏品和胶少坏 品。 还有磁头坏品、c a t 坏品和锡球坏品等来料坏品。直接影响加胶工序的优 竺玺堡三些銮：三兰墨i ：兰些鎏兰 率，所以对来料的控制就显得很重要。 一般的生产中存在的来料坏品有：磁头、锡球、c a t 、加胶间隙太大太小 等坏品以及俯仰角、滚动角、荷重力、d p 等检测坏品。 在来料过程中，加强对来料的检测和监督，提高对来料的控制能力，从而 才能提高工序的生产优率。 2 2 加胶系统的主要组成结构及特点 图2 7 是m d m s 自动加胶系统，加胶系统是通过胶剂把c a t 和磁头粘 接起来，它是将某种特定的胶剂( 环氧树脂7 6 8 1 2 0 1 6 5 k ) 加到磁头和c a t 之间的缝隙内，并在紫外光的照射下固化，使磁头能在c a t 两脚连接起来。 图2 7 自动加胶机系统 f i g 2 - 7t h es y s t e mo fm d m m a c h i n e 它的主要结构可分为：送料机构，加胶工作台，机器视觉机构，胶的紫外 光固化装置，出料机构和针嘴位置与针嘴胶量标定装置等，如图2 - 8 是系统的 加胶流程图。 送料和出料机构是由电机和双皮带传送装置，以及气动传送部件实现。这 些传送机构，对系统的加胶优率影响较小，一般在系统的设计阶段一定程度上 可以保证它们的精度和适应性，当系统条适满足要求后，一帮能长时间稳定运 行。 ! ：尘篓：! ：些銮兰三兰鎏圭兰譬鎏兰 加胶工作台和胶的紫外光固化装置对磁头加胶的质量有一定的影响，但是 这些可以通过一些系统调试方法，保证它们的状态稳定，从而满足系统的要 求。也就是当它们稳定后对系统的影响不大。 经过分析，加胶位置寻找的准确性和胶量控制的稳定性、准确性对工序的 优率影响最大。 加胶工作台 电机皮带传送装置 i 夹具和飞村 汽缸气动传送装置 胶的紫外光阎化装置 l 胶的同* 汽缸气动传送装置 i 夹具和飞 电机皮带传送装置 图2 - 8 自动加胶系统的加胶流程图 f i g 2 - 8t h ef l o wc h a r to f t h ed i s p e n s a t i o ni nm d mm a c h i n e 加胶位置寻找的准确性问题，也就是机器视觉的精确性问题。因为，机器 视觉是为针嘴加胶定位用的。先通过摄像镜头找到磁头前端两角点的坐标和加 胶缝隙的大小，再通过系统内预设的算法计算出针嘴实际的加胶位置。 由于要加胶的缝隙只有几十个微米，所以对针嘴的位鹭精度要求就很高， 在步进电机满足运动精度的前提下，就是对机器视觉的定位精度要求很高。 同时，在这么小的缝隙内控制合适的胶量，对胶的物理性能要求和胶量的 控制的要求就很高。 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 2 2 1 机器视觉实现加胶位置的寻找 一般自动化设备为了获得准确的位置精度，通常采用两种方法，一种是采 用滚珠丝杆加交流伺服电机组成半闭环位置控制系统：另一种是采用位置传感 器，如：光栅尺、磁栅尺，以及高级控制器组成闭环控制系统。这两种方法技 术成熟，但成本较高”“。 m d m s 采用图像处理系统t v p 、镜头、图像捕捉单元c c d 和c c u 、监 视器、加胶控制器d i s p e n s a t i o n 、温控器、p l c 和光源等部件，再加上滚动丝 杆、步进电机和电机驱动器等元器件构成运动和位置反馈控制系统 1 “”。首先 由图像系统标定系统内部一些机构的位置参数，然后找出要加胶的位置和缝隙 大小。图像处理系统把测得的这些信息反馈给p l c ，然后由p l c 控制镜头摄 像、电机运动和加胶控制器控制加胶等动作，并且补偿系统误差【l ”j 。 图2 - 9 自动加胶系统控制图 f i g 2 - 9t h ep r i n c i p l ec h a r to f m d md i s p e n s a t i o ns y s t e m 图2 - 9 为该系统的控制原理框图。这种结构的特点是：设备的精度高、成 本低；由于有图像显示，调节加胶针头的初始位置十分方便，系统的一致性也 很高。 系统通过摄像头、图像处理器采集工件的平面图像，经过图像处理后，得 到工件的当前位置：p l c 通过r s 2 3 2 串行端口，将运动指令发送给电机驱动 器，驱动器控制x y 平台、z 轴平台运动以及加胶控制器的加胶等。 坠查堡二些盔：三茎至圭兰堡兰兰 图2 1 0m d m 加胶机的内部结构图 f i g 2 - 1 0t h ei n n e rc o n f i g u r a t i o nf i go f m d md i s p e n s a t i o ns y s t e m 在系统正常工作之前，要先将镜头、x - y 运动平台、z 运动平台和加胶针 嘴位置建立起对应关系。如果针嘴不发生碰撞，针嘴在机器内的位置相对系统 是已知的。如图2 - 1 1 所示，是对镜头1 和针嘴位置的标定【1 8 】。 镜头1 参考小孔 镜头2 针嘴 幽2 - 1 1 针嘴与镜头1 的位置标定 f i g 2 - 1 1t h ep r i n c i p l ec h a r to f m d md i s p e n s a t i o ns y s t e m 1 4 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 首先，镜头1 、2 以小孔为参照来确定它们的位置关系，其中小孔的直径 是己知的，事先在系统内设定。然后，针嘴移动到镜头2 上方拍照，系统记录 针嘴走过的位移以及针嘴与镜头2 的位置关系，这样通过镜头1 、2 和针嘴的 两两位置关系，就可以计算镜头l 与针嘴的相对位置。 图2 1 2 镜头4 对磁头前角两点的z 方向上的位置检测 f i g ，2 - 1 2h o w t h en o 4c a m e r am e a s u r et h es l i d e rt w op o i n tp o s i t i o ni nzf o r w a r d 如图2 一1 2 ，镜头4 是用来检测磁头在系统坐标系内的z 坐标值，其中 a z = z ，。它的拍照原理是通过磁头在它的视场内的相对偏移量来确定z 坐 标值。另外，镜头4 还用来测量磁头与c a t 之间的缝隙大小，测得的缝隙大 小用束确定加胶量的多少。 通过图像处理后，系统计算出加胶位置和加胶量参数。其中，磁头两角位 置a 、b 的x ，y 坐标，由镜头1 实现；磁头两角位置a 、b 的z 坐标，由镜头 4 实现；磁头和c a t 的两侧间隙a 、b 大小，由镜头4 实现。 根据a 、b 的两点的坐标和系统内设定的一个固定偏移量值，再由磁头和 c a t 问隙的大小补偿一个偏移量，就可以计算出针嘴的加胶位置。另外，a 、 b 暗j 隙的大小确定了针嘴在相应缝隙上的加胶时间，来实现胶量随缝隙大小的 动态调节，因为在压强一定时，胶量与时间成正比。 哈尔滨t 业人学工学硕十学位论文 2 2 - 2 系统内光源以及照明方案的匹配 光源是图像采集中重要的一环，在目前的机器视觉应用系统中，好的光源 与照明方案往往是整个系统成败的关键，起着非常重要的作用【1 ”。 光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部 分与那些不重要部份之问应尽可能地产生明显的区别，增加对比度。如图2 1 3 所示，加胶系统所要要找 导的磁头角上的两个点，所以对磁头的前部位要突显 出来。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质 量。 突显特征量 图2 - 1 3 系统光源和照明方案所要突显山的磁头特征量 f i g 2 - 1 3 t h es l i d e r c h a r a c t e r t h a t t h e l i g h ts h o u l d m a k e i t c l e a r 在设计光源时首先要确定需区分的各部分间的不同，从光学的角度讲，这 些不同主要体现在： ( 1 ) 反射系数的不同，是镜面反射还是漫反射； ( 2 ) 颜色的区别，发送光和反射光波长的不同， ( 3 ) 光的传播介质和折射的不同； ( 4 ) 物体表面的材质、高度、朝向等的不同。 根据这些差异，可以采用不同颜色、强度、方向、 部分问的区别在所采集的图像上明显的表现出来。 会显现出不同的颜色 直射或漫射等光源是各 在本系统中共有四个镜头，每个镜头都要有对应的光源以供照明。 起初的光源方案：除了镜头3 在拍摄缝隙大小时的背面光采用红色的l e d 灯，其它光源都选择的是黄光的卤素灯。 结果是镜头1 在寻x ，y 坐标时视觉效果很不理想， 磁头前角的特征不突 出，容易和周围的图像混淆在一起，不能很好的从背景中区分开来，参考表2 1 。 堕尘堡三些查兰。：兰鎏圭兰堡芝兰 采用绿光的l e d 灯代替卤素灯，并让灯光与磁头轴线成4 5 度角照射在磁 头的前端，这时的磁头的两个角点，能很清晰的放映在屏幕上，从背景中脱离 出柬。 表2 - 1 镜头1 的光源方案前后对比 t a b l e 2 1t h ed i f f e r e n c eo f c a m e r a l sl i g h td e s i g n 镜头1 寻x y 坐标 灯源结构 颜色被测特征 时的光源选择 前 卤索灯 光源与镜头一体，同轴黄光模糊 后l e d 灯光源独立同定，位置可调绿光清晰 最后，系统内的光源和照明方案选择如表2 2 所示，由实际生产证明方案 能很好地达到机器视觉寻找位置的要求。 表2 - 2 镜头的光源和照明方案选择 镜头1 ，磁头( x ，y ) 坐标镜头4 磁头z 坐标 镜头4 ，缝隙大小g a p 灯源 l e d 灯卤素= 【_ rl e d 灯 颜色 绿光 黄光 红光 照明方式与磁头轴线成4 5 度角照射 垂直磁头表面照射磁头背面光 2 1 3 本章小结 本章主要分析m d m s 加胶的原理特点。首先，介绍m d m 胶实现了c a t 对磁头读写姿态的控制，c a t 的工作是通过压电陶瓷的压电效应实现的。 从对m d m 加胶的规格入手，介绍加胶工序的来料控制，来料控制直接影 响工序的坏品率等，有重要的意义。分析了m d m 加胶的算法实现。 从系统的理论上对系统的机器视觉和光源匹配等方面，进行了大概的研究 分析，阐明他们实现磁头的加胶位置寻找，缝隙大小判断等。介绍了镜头的工 作原理，光源的方案选择和匹配。 第3 章胶的特性研究和控制 3 1 根据胶的物理性能研究适合的胶型 胶体是一种尺寸在1 1 0 0 n m 以至1 0 0 0 n m 的分散体。它既不是大块固体， 又不是分子分散的液体，而是具有两相的微不均匀分散体系 2 0 1 。胶体的比表面 表示胶体体系的吸附能力，比表面越大吸附能力越强4 4 1 。它的定义指单位体 积物体所具有的表面积，即1 c m 3 物体分散后所具有面积m 2 c m 3 。有时，比表 面指单位质量物体所具有的表面积，即m 2 g 。 环氧树脂( e p ) 是一种优良的电绝缘灌封材料，在航空航天、电子电气等 领域得到广泛应用。环氧树脂具有优异的黏结性、机械强度、电绝缘性及固化 收缩率小等特点，但通用型环氧树脂固化后，质地硬脆、耐丌裂、抗冲击性能 较低，而且耐热和导热性能差 2 5 2