点焊工作台 - 图文

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

磁头是伴随着当代科技进步发展起来的一种用于读写的设备，广泛用于硬盘中，有着较好的应用和发展空间。其质量的好坏由磁头的寻道能力决定，寻道能力由飞行稳定性、焊点稳定性等决定。所以研究焊点稳定性的问题能大大提高磁头质量。但由于磁头本身体积较小，且属于精密元件，对高热与过大的力比较敏感，如采用传统的焊接方法，如电阻焊和金球焊等都会大大影响焊接质量，不能生产出满足高速发展的科技的要求。而当代发展起来的激光技术能实现非接触焊接，能大大降低焊接时磁头的受力和受热，使磁头在更加稳定的环境中进行焊接，激光锡球焊接技术便应运而生。本文主要研究激光焊接主要参数的确定和优化以及焊接专用夹具的设计。

第 1 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

1 绪论

1.1 设计研究的目的和意义

随着计算机的飞速发展,计算机外围设备特别是硬盘驱动器(HDD)正趋向小型化、高密度化和高速度化。硬盘驱动器是由承担记录介质的磁盘、进行读写的磁头、信号处理线路系统、磁头和磁盘的机械驱动系统等组成。磁盘是表面形成磁记录材料膜的圆板,用磁头将信息记录在磁性膜上,它们的动作速度由VCM控制。经过十多年的研究,和随着新型材料的不断产生, 硬盘驱动器的尺寸已从开始的14英寸逐渐减小至3.5英寸,2.5英寸甚至1.8英寸。Gb/in2的磁记录密度也已实用化。硬盘驱动器体积的减小、传输效率和记录密度的提高,均与使用新型磁性材料有着密切关系。

因此，这便对磁头与PCB板的焊接工艺提出了较高的技术要求，在磁头的焊接过程中，精度要求在微米级，例如磁头焊盘长度LM为154?m，且焊接处不允许产生焊渣，不允许有大的热变形和焊接应力，焊点的微裂纹和变质层会使磁头特性下降，对磁头的机械强度和性能都影响很大。

为了适应现在磁头越来越精密小巧的要求，对磁头的焊接要求也越来越高。本文就是借鉴国外磁头激光点焊的发展状况，设计一个方便高精度的磁头夹具。 由于国内磁头焊接技术基本处于刚起步阶段，本文可以当作国内激光点焊机的初步谈讨设计，意在在设计中了解设计基本方法以及磁头激光点焊的相关知识。

1.2 激光点焊机的应用与发展

激光焊接是激光材料加工用的机器，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。

激光焊接机又常称为激光焊机、雷射焊接机、镭射焊机、激光冷焊机、激光氩焊机、激光焊接设备等。按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动激光焊接设备）、自动激光焊接机、首饰激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机、振镜

第 2 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

焊接机、手持式焊接机等，专用激光焊接设备有传感器焊机、矽钢片激光焊接设备、键盘激光焊接设备。适用于珠宝首饰、电池镍带、集成电路引线、钟表游丝、显像管、电子枪组装、传感器、钨丝、大功率二极管(三极管)、铝合金、笔记本电脑外壳、手机电池、模具、电器配件、滤清器、油嘴、不锈钢制品、高尔夫球头、锌合金工艺品等焊接。

激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到两部分材料上，使局部受热熔化，然后冷却凝固连成一体。相对传统的焊接工艺，激光焊接具有以下优点： 1、无接触加工，对焊接零件没有外力作用。 2、激光能量高度集中，热影响小，热变形小。

3、可以焊接高熔点，难熔，难焊的金属，如钛合金，铝合金等。可实现某些异种材

料间的焊接。

4、焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，工艺简便。

5、焊点小，焊缝窄，整齐美观，焊后无需处理或只需简单处理工序。焊缝组织均匀，

气孔少，缺陷少，可减少和优化母材质杂，焊缝的机械强度往往高于母材的机械强度。激光焊接的机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 6、激光可精确控制，聚焦光点小，可高精度定位，实现精密加工。

7、易于与计算机数控系统或机械手，机器人配合，实现自动焊接，提高生产效率。

所以，采用激光焊接，具有高精度、高效率、高强度和及时性等优势，确保质量、产量、交货期，目前，激光焊接已成为了精密加工行业中一种极具竞争力的加工手段，广泛用于机械、电子、电池、航空、仪表等行业中有特殊要求的工件的点焊、叠焊和密封焊接。

现在大功率脉冲YAG激光器和CO2激光器广泛应用与激光焊接，各国投入大量资金应用于激光设备的研制开发，如对电源稳定性和寿命的研究，相对CO2气体激光器，其放电稳定性的研究是主要问题，对于YAG固体激光器要发展大容量，长寿

第 3 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

命灯泵YAG激光激发源,直接二极管激光器输出波长在近红外激光功率均匀地区达到LKW近50％，这些激光设备和技术，光电转换效率将在焊接应用中发挥更大的作用。加工激光加工光束质量及加工外围设备的研究，应审查各种激光加工的激光束，激光束和加工的质量控制，光学系统及加工头设计和开发进行的焊接工艺和材料的质量焊接工艺设备要求及焊接工艺参数监测和控制技术，掌握普通钢材，有色金属和特种钢的焊接工艺。

1.3 设计拟解决的关键问题

磁头的加工技术是对硬脆磁性材料进行微细尺寸、高精度加工，锡球分布不对称、锡球过流、锡球断路、焊接头产生气孔、焊接处烧焦或锡溅等是激光点焊的主要技术难题，而磁头与PCB板的装夹定位是产生这些问题，本文借鉴国内外研究经验，初步了解研究点焊过程中的一般焊接工艺，将激光束准确定位于待焊接的位置，是激光微焊接技术能否成功实施的前提之一。激光微焊接中待焊接的部件是精密的微小部件，只有将激光束很准确地定位于待焊接的位置，才能够保证焊接成功，任何细小的定位误差都会导致焊接的失败。另外，磁头焊接需要大批量加工，焊接中一专用夹具的设计来完成磁头焊盘的准确可靠定位也是提高焊接精确性和焊接速度的技术关键，最后，本文还分析了误差产生的过程。

第 4 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

2 焊接工件磁头的简介

2.1 硬盘驱动器结构

2.1.1 硬盘驱动器结构

2.1.2 HDA---磁头盘片组合介绍：

1.磁头(磁头臂组合)

将资料写入磁盘或从磁盘读出资料。 2.音圈马达

通过磁头臂带动磁头沿碟的径向移动，使磁头能在不同的轨道上读写。 3.磁盘

记录(储存)资料。 4.主轴马达

带动磁盘高速旋转。 5.底板/盖子/垫圈

磁头碟片组合的密封部件，防止外部脏污空气的进入。 6.再循环过滤网

保持磁头碟片组合内部空气的洁净度。

与其它磁记录设备相同，硬盘是通过磁头对磁记录介质的读写来存取信息的，而与其它磁记录设备不同的是：硬盘片以每分钟数千及至上万转的速度运动，其带动气流高速运动产生的浮力使磁头在工作时，实际上是悬浮在盘片之上的。磁头工作时，磁头和磁盘之间的距离称为飞行高度，大约为15nm。

第 5 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

的占50％以上。在六十年代末和七十年代初，日本研制成功了韧坡莫合金和硬坡莫合金，使磁头材料向前大大跨进了一步。下面对各类磁头材料分别进行介绍。

1.坡其合金和铁铝合金

坡莫合金的导磁率和饱和磁感应值高，容易加工且有较好的音质铁铝合金的磁性能较坡莫合金差，但硬度高，耐磨性较好。由此看出，国外使用的磁头材料，我国基本上有相应的生产牌号。值得注意的是为适应磁头的特殊需要，欧美国家在坡莫合金中加入Mn、Cr、Cu等元素，以改善耐磨性和应力敏感性。而日本在坡莫合金标准中，对同样成分的材料还另列磁头材料的标准，其性能较普通坡莫合金高，并考核动态磁性能。

2.高硬度耐.磁头合金

为了改善坡莫合金的耐磨性，在六十年代末七十年代初，日本首先研制成功硬度高、耐磨性好的新型高导磁合金。这类合金是在高镍坡莫合金的基础上添加Nb、Ta等元素，以置换Ni原子而形成有限固溶体。这类合金随着Nb含量的增加，导磁

C退火后的起始率、电阻率和硬度都增加，在含Nb8~9％附近出现最大值。经50O°导磁率?0=125000高/奥，最大导磁率?0=580000高/奥，电阻率?=74.8微欧2厘米，维氏硬度Hv=200，作者把它命名为硬坡莫(HardPerm)。增本量等人又在FeNiNb合金的基础上加入Mo、Cr、AI、Ti、Zr等元素的一种或几种，发现对磁性影响不大，井且合金的硬度和电阻率增高，应力敏感性降低。这样就出现了一系列三元以上的高硬度耐磨磁头合金。

近年来我国对以FeNiNb为代表的高硬度耐磨磁头合金进行了大量的研制，达到了国外报导的水平。钢研院、上钢所和重庆仪表材料所研制的FeNiNb合金的协。达到110000～190000高/奥。在四元以上的多元合金研制中也取得良好成绩。北钢研制的FeNiMoAI合金，其性能为: ?0 =80000～100000高/奥,?m =200000~300000高/奥，

H0=0.005奥，?=90微欧2厘米，Hv= 300。

图2.4比较了FeNiNb合金、IQ40合金和Mumetal合金在频率为80周/秒时，起始导磁率在压应力作用下的变化情况。

第 11 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

图2.4 磁导率与所加压力关系

3. 焊接方式激光点焊

3.1激光锡球焊接过程优化

3.1.1 激光点焊原理

高功率密度(一般为105~107W /cm2或更高)的锡球和激光通常作为激光焊接的焊料和热源,应用于半导体器件的表面封装。本研究应用硬盘磁头引脚如图3.1焊点稳定可靠。焊接过程原理如图3.2所示, PLC控制整个焊接系统。首先锡球被供料系统送到焊料系统,然后进入主管道尾部的缺口,缺口比锡球小8~18?m,能自动夹紧锡料。当激光到达锡球上时,能熔合锡料。熔化后的锡料依靠自身的摩擦力和粘滞力平衡自身重力。然后CCD系统能定位到磁头焊盘和悬挂线位置,当磁头焊盘位置和悬挂线焊盘位置得到系统确认对齐后,喷射气流射出,将熔化的锡料喷射到焊盘上,形成焊点。

第 12 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

图3..1磁头及其焊接部位 图3.2激光锡球焊接原理

3.1.2 激光锡球焊接相对金球焊接焊接的优点：

1. 激光锡球焊接的表面是自由的,焊接时能够释放产生的应力,不会使悬挂线和磁头变形，而金球焊接技术可能导致磁头变形,也就可能改变它的参数 和读写性能，因为金球焊接会将前端悬挂线的力将传到读、写磁头上。

2. 激光锡球焊接是非接触性焊接,与焊料锡球没有接触应力,而金球焊接技术采用的是超声波接触式焊接,存在接触应力,这对焊接头的稳定性和可靠性不利。 3. 磁头静电损坏问题能够得到根除,不出现变形而导致电荷的不均匀分布，这是由于激光焊接是不接触焊接。

3.1.3 激光焊接质量的决定因素：

由生产经验得出, 激光焊接缺陷主要表现为: 锡球不对称分布(即两边焊点锡料不同)、锡球过剩、锡球流断、焊接头产生气孔、焊接处烧焦或锡溅等。生产生产初段的抽样合格率只有89% ~91%,其中缺陷类型包括:锡球形状过大占33.2%;锡球形状过小20.7%;锡球位置不对称18.2%;焊接处烧断或锡料溅出占15.3%,剩余缺陷类型占

第 13 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

13.9%。悬挂线焊盘和磁头焊盘的位置、锡球大小、气压大小和脉冲能量是造成这些缺陷的主要原因。锡球太小会造成焊盘上锡料不均，锡料紧缩形成两个独立的锡团,将使锡球断路;另一方面,锡料太多,反而会使得焊点向上伸出,形成过剩的锡球，容易引起短路。

悬挂线焊盘和硬盘焊盘的位置如图3.3所示。太大的喷射气流会造成锡球周边压力过大,将气体压入锡料中出现气孔,从而焊接处硬度不够,焊接处受到高热时，会影响其稳定性;过小的气体压力又会使锡料位置分布不均,出现锡料不对称分布的问题；锡液温度由吸取的能量决定,当脉冲能量太高,锡料熔化后温度不足,粘性低,引起锡料飞溅,并可能使得焊接处烧毁。脉冲能量的大小由激光焊接机决定, 离焦量、脉冲宽度两个参数影响焊料能量的吸收。喷出气流和脉冲的能量则可根据已确定的锡球大小和焊接处的位置相对性进行适当调整。当悬挂的焊接处到磁头焊接处的长度(DS?M)和磁头焊接处下边到悬挂线焊接处的长度(DM?S)不相同时,会使得焊料在焊后在焊接处的分布不匀,结果是其中一个焊接处锡料不足。当两个长度都过大时,锡液量又太少,造成锡球断路。另一方面, 锡球过流是这两个长度都太小造成的。所以DS?M和DM?S会较大的影响焊接质量。所以要保证焊接质量,提高焊接可靠性就是要确定和优化锡球大小和两焊接处的位置。综上所述,锡球大小、磁头焊盘与悬挂线焊盘的相对位置对硬盘磁头焊接工艺设计至关重要。

图3.3 磁头焊盘与悬挂线焊盘的相对位置

3.1.4 参数设定

磁头焊盘和悬挂线焊盘的立体位置关系如图3.4所示。仿真中锡料张力?为

第 14 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

420dyne/mm；锡球密度?为7.4g/cm3;焊接处和锡料的相对角度?为14°。焊盘参数: 硬盘焊接长度WM为136?m和悬线焊接长度WS为128?m;悬线焊接处底线到硬盘焊接表面的相对长度DS?M取5~75?m；悬线焊接长度LM为128?m;硬盘焊接长度LM为154?m;硬盘焊接下边到悬线焊接上表面的相对长度DM?S取-2.0~7.5?m，。仿真有两个时段,第一步确定两焊处的位置,当DS?M为35?m，DM?S为2.6?m时研究锡料大小和焊接品质的关系,然后用仿真得出的最优锡料直径(120±5)?m来比较两焊接处的空间位置DS?M、DM?S改变如何影响时焊接的质量。

图3.4 焊接部位空间位置关系示意

3.1.5仿真结果

锡球直径大小的改变对焊接处形态的仿真结果见图3.5。焊处中心形状为水平和直线且下凹时使用寿命最久,焊接稳定性最高。从仿真结果中得出结论: 锡料直径分布在160?m上下时,焊接处向上凸起, 其曲率半径从中间位置向两旁增大, 材料相对角度小于实际相对角时,出现锡料过量情况;锡料直径分布在120?m上下时, 焊点的曲率半径由中间向两旁侧递减,焊接处为水平直线型,这可以认为是最理想的一种情况;当锡料直径太大, 焊盘与接头的相对角度近似垂直,这种不正常的角度容易使得锡料过剩过流。锡料直径分布在100?m上下时,焊料严重下凹且不能完全解除焊接处的接头,焊接接头由中央向两旁曲率半径递减,且不饱满，焊料在边线处突然减少,实际的接触角与焊料接触角相似,造成焊接处锡料不对称分布;综上所述，最优的锡料直径在120?m左右,加入误差的因素 ,实际使用(120±5)?m较理想。焊接接头力学性能不均匀，焊接接头工作应力分布不均匀，存在应力集中，由于焊接接头存在几何不连续性，致使其工作应力是不均匀的，存在应力集中。当焊缝中存在工艺缺陷，焊缝外形不合理会接头形式不合理时，将加剧应力集中程度，影响接头强度，特别是疲劳

第 15 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

强度。由于焊接的不均匀加热，引起焊残余应力及变形。

图3.5 不同锡球直径的焊点表面形态

3.1.6 焊盘空间位置的仿真

调整两焊盘在锡料设定为120?m的位置(改变DM?S、DS?M值)，其仿真结果如图3.6所示。仿真结果显示,当 DM?S=5?m, DS?M=40?m时效果较好。当DS?M长度加大时,悬线焊接处上锡料变化趋势有所减小,该值继续减小, 锡球在两焊盘上的分布越来越不对称。由图3.6可知,当DM?S=7.5?m, DM?S=75?m时,焊点连接处锡料太少,其稳定性不够,而增大焊缝的相对长度又会产生锡球短路的问题。当DM?S、DS?M值加大,只有增加锡料的量才能是焊接处焊料充分，但如此也会导致焊接结构的增加,但微电子产品中空间有限，当焊接可靠性能够保证时，焊点大小宜小不宜大。综上所述,锡球大小在120±5?m、DM?S为2.5~5?m、DS?M为20~40?m,既不浪费焊料又能保证焊接的可靠性。

第 16 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

图3.6 调整焊盘位置的焊点表面形态

3.1.7 最终效果

当焊盘位置和理想直径的锡球相配合时, 优化设计了悬线焊接结构(如图3.7所示),限制了熔化的锡球,同时降低过流的锡料,并使磁头的尺寸进一步的缩小。从生产结果来看,总产品中锡球焊点的焊接缺陷问题从之前的2.5%~3.5%减少到0.2%上下, 锡球断路和锡球过流问题大大减少,焊接的合格率达到理想状态。

图3.7 根据优化参数改进的焊盘结构

要想获得理想的焊接效果除了对上述技术难点进行研究外，还需确定激光精密焊接的其它参数。如激光器的选择、焊接中的准确定位、工艺参数的确定等。

3.1.8 选择激光类型

这个课题中的焊接对象为微米级的一小部件，这就需要一个小尺寸的零件或部件的小区域的焊接，激光束作为热源在焊接区域有一个非常小的光斑大小，只有小的激光光斑能确保焊接的精度。为获得较小的激光光斑，首先激光性能是能够获得小的斑点，所以需要选择合适的激光获得合适的光斑;其次，通过镜头或镜头组，激光束传输与改变获得较小的光斑尺寸。事实上，小斑点需要综合考虑上述因素，多种途径，多种方式的共同作用。

第 17 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

激光是激光微焊接实施的关键，根据不同的激光焊接的场合，选择不同类型的激光。激光焊接中，因小零件或部件的焊接面积小，所以选择输出功率不会太大，尤其是小的激光光斑尺寸。而且，由于是金属材料微焊接，所以选择金属材料容易吸收波长的激光器。半导体激光光束质量差，差异较大，不容易发现，集中到一个小的尺寸，使得半导体激光器是激光焊接的首选激光；激光波长为10.6，对大多数金属，反射率高，所以它是最好的激光激光微焊接；相对于波长的激光级，金属易于吸收，和激光束光斑聚焦到毫米级，可以用激光在激光焊接技术。但普通激光稳定，能量和输出波形的一致性不是很好，可能导致多个焊点性能不稳定的现象，即普通激光虽然可以用于激光微焊接领域，但仍有一些缺陷和不足。能量回馈式激光器和光纤激光器输出激光的光束质量好，能够集中到毫米以下的一个很小的范围内，输出能量稳定的波形，金属材料容易吸收，激光束可用于长途光纤，传输，大大提高了激光微焊接工作的范围和灵活性。因此，可以认为能量反馈型激光和光纤激光器的激光微焊接技术可以用很好的激光。

4?M2f根据公式d=dr=，在物镜（f-?平场聚焦透镜）焦平面上的激光光斑的直

?a径，还与激光束的波长?成正比，与激光束的光束质量因子M2成正比。所以，为了获得精密激光微焊接中可以使用的激光束，我们可以选波长较短、光束质量因子M2较小的激光器。由于Nd：YAG激光器和光纤激光器的波长为 1.064?m，比CO2激光器的波长 10.6?m小一个数量级，从这个意义上讲，相对于CO2激光器，Nd：YAG激光器和光纤激光器能获得更小的激光光斑，更适合于激光微焊接技术中。CO2激光器的M2可以很小，但其波长较长；较好质量Nd：YAG激光器的M2≤2.785，但其波长短；光纤激光器的M2可以接近 1，且其波长短。所以，综合以上各方面的因素，我们认为光纤激光器是激光微焊接技术中性能最佳的激光器。但由于光纤激光器是昂贵的，相对便宜，激光，激光微焊接技术是常用的激光。激光焊接技术的小尺寸，以便获得激光束小，除了选择光束质量因子，较短波长的激光，但也在集中在激光光束扩展器，拥有较大的半径，焦距短焦距的透镜（平场透镜）为重点，实现极细的激光束，满足需要的精密焊接。因此，选择激光器和光纤激光器，具有一定的光学变换系统，可以获得巨大的激光光斑的大小，那么小的激光光斑，可以满足本课题的头激光焊接的需要。光斑能满足本课题中对磁头的激光微焊接的需要。

第 18 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

3.1.9焊接过程中的定位

在激光微焊接技术，将激光束精确定位焊接位置，是成功实施激光微焊接技术的前提。由于激光焊焊接零件精密小零件，所以只有激光束精确定位在焊接位置，可以成功地焊接，甚至一个小的位置偏差会导致焊接失败。因此，通过各种措施，尽可能保证在整个工作范围内的平面，激光束可以准确定位在焊接位置。事实上，影响激光微焊接定位精度的因素很多，这主要是由于振镜在镜头焦平面扫描失真的存在，使激光束在工作平面的方向，特别是在远离工作面中心位置不是很准确，这将直接影响焊接过程及焊接质量。针对这一问题，以及如何通过其他方法来提高定位精度的焊接工艺。

1.振镜系统在扫描中的畸变及校对

根据不同的定位聚焦系统，扫描激光微焊接分不同的扫描模式，一是客观的镜头前扫描，即经过扫描共聚焦；二是客观镜头扫描后，即前扫描共聚焦。物镜前透镜的定义是从激光扫描，激光光束扩束准直，再通过光束偏转偏转，平场透镜集中的光束在扫描领域的观点。目的扫描后，指的是由激光束的激光光束准直，首先，通过聚焦系统聚焦，最后经过双向光束偏转反射至扫描领域的观点。通常，在共焦扫描方式由于使用长焦距透镜和球面像差的因素，光斑直径大，并存在扫描质量不高等问题，这不利于小型精密零件的激光微焊接。后扫描共聚焦，特别是与平场扫描镜头聚焦手段，在焦平面上形成一个直线轨迹，并与工作平面重合，所以焦点模式可以获得更高质量的扫描。因为这个镜头有一个温和的领域和相对孔径，和聚焦后可获得较小的地方，它被广泛地应用在各种激光微加工领域，也包括在激光微焊接。

一个小范围的扫描，使用静态聚焦的手段，和一个大范围的扫描，误差较大，通常使用动态聚焦误差的补偿方法。物镜前透镜的静态共焦扫描主要用于小范围的扫描场。在大范围扫描领域，应用不多，主要原因是为增加扫描范围，使装置成本增加，增加的成本。动态聚焦系统有一个客观的镜头扫描可以获得更高的扫描精度。动态聚焦是指激光光束在透镜的焦平面扫描激光束的焦平面，中心侧重于差异和周围的修复功能。后动态补偿，焦点平面扫描范围扫描点尽可能一致的激光光斑。动态聚焦将远离中心区域的光斑和中心束直径几乎是相同的。这是实现一个更大范围的小斑点，高速激光微焊接。在激光微焊接技术，选用高质量，快速响应，良好的线性扫描振镜，这将增加设备的成本，而且还必须。尽管使用高质量，良好的线性

第 19 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

扫描振镜，振镜扫描会产生失真，它不同于一般意义上的失真误差。首先，从起源上看，通常说的畸变是由于成像系统像差存在于一些光学元件本身和铅，具有一定几何物体成像产生的相似性。振镜扫描失真是一种图形失真的问题，不是真正的对象，但存储在计算机的一些扫描点坐标数据。当计算机通过数模转换器将数字信号转换成模拟信号控制振镜扫描，是依照下列图像点坐标和振镜角线性关系处理，即：

x???2f???1 （3-1）

??y?2f??2其中，f'为透镜焦距，坐标系的选择相对应正负号的选取，?1﹑?2为振镜的偏转角，x'、y'为像点坐标。如图 3-8 所示。

图3.8 振镜偏转角?与激光束偏转角?的关系

其中激光束偏转角?等于振镜偏转角?的2倍。偏转角度较小，这两种近似等价的，但在较大的角度会产生非线性失真，失真的偏转角度更大，更严重，更错误。其次，从扭曲的对称性，一个同轴光学系统像差畸变相对于光轴的对称性，可以通过纯粹的光学方法更正，和振镜扫描光学系统中非共轴光学系统，图形失真一般不具有轴对称性，所以不能用纯粹的光学方法校正。由于扫描错误存在，输出的图形具有明显的几何失真，如图3 - 9。虚线表示理想无失真的图形输出，实际输出模式是一条曲线。

第 20 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

质量轻和便于工件装卸。 3. 安装稳定牢靠。

4. 结构的工艺性好，便于制造、装配和检验 5. 尺寸要稳定且具有一定精度。 6. 清理方便。

夹具体毛坯制造方法的选择 综合考虑结构合理性、工艺性、经济型、标准化以及各种夹具体的优缺点等，选择夹具体毛坯制造方法为铸造夹具体夹具体的外形尺寸，在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置及其辅助机构在总体上的配置，夹具体的外形尺寸便已大体确定。然后进行造型设计，再根据强度和刚度要求选择断面的结构形状和壁厚尺寸。夹具体总高59mm，总长182mm，总宽140mm。根据设计要求，夹具体上设计有螺孔、销孔，并且要求定位定位器和夹紧器的销孔在装配时配作。一个磁头的外形尺寸(长度、宽度、厚度)是规格化的，通常称外形尺寸为4.064mm33.186mm30.871mm的磁头为100%标准磁头，磁头装在磁头罩中，磁头罩下端面有个小孔，可选择圆孔心轴定位方式，选择磁头罩下端面为定位基准面。

4.2.2定位方式及元器件选择

定位器的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。

1.工件的定位原理

自由物体在空间直角坐标系中有六个自由度，即沿 OX,OY,OZ 三个轴向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。要使工件在夹具体中具有准确和确定不变的位置，则必须限制六个自由度。工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可采用不完全定位的方法。在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。本磁头采用工件以圆孔内表面为基准进行定位的销定位方式。长销可限制x、y方向的平动和x、y方向的转动，再在磁头上方加一个杠杆手指，便限制了z方向的平动，于是限制了工件的5个自由度，能顺

第 26 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

利保证焊接的顺利进行。

2.夹紧方式及元器件选择

夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。

对夹紧机构的基本要求如下：

①、夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。 ②、夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件表面质量 ③、夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。 ④、结构力求简单，便于制造和维修。

3.装焊夹具结构

装焊夹具采用夹具体，再在夹具体上装上定位和夹紧的手指钳挡板、挡销、弹簧夹紧器件，定位的10个插销机构，工件的支撑板，手指钳的转轴和轴承以及操作手柄构成整个焊接夹具。焊接组合图如下：

图4.1 夹具组合图

4.2.3 主要零件设计的说明

1、夹具安装体

第 27 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

综合考虑了结构合理性、工艺性、经济型、标准化以及各种夹具体的优缺点等，选择夹具体毛坯制造方法为铸造夹具体；考虑到定位的精确度，要求定位定位器和夹紧器的销孔在装配时配作；考虑到焊件小，夹具体的强度要求以及夹具体的结构要求，没有在夹具体上设计加强筋。如图4.2

图4.2 夹具安装体

2、压板手指

考虑到焊接元件能平行取出夹具，压板所需抬起角度可以较小，保证夹具结构的紧凑，在压板手指末端有一倾斜的小角度，并在其上开了凹槽起到定位作用；考虑到快速并顺利取出焊件，将压板设计成可退式压板。如图4.2.

。

图4.2 压板手指结构

3、LB定位销主体

第 28 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

LB定位销用于定位磁头罩。如图4.3.

图4.3 LB定位销

4、弹簧夹紧器件

此弹簧夹具由一拉伸弹簧提供工件夹紧所需的夹紧力。弹簧两段的钩环固定在两螺栓上。通过操作手柄的转动，可以使压板手指达到两个极位。两个极位由压板上的两个定位销决定。手柄在最上端时，等待工件的装入，手柄在最下端时，压紧工件。

图4.4 弹簧夹具

第 29 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

4.2.4弹簧-杠杆夹紧机构

弹簧-杠杆夹紧机构是经弹簧扩力后，在经杠杆进一步扩力或缩力来实现夹紧作

用的一种夹紧装置。弹簧-杠杆夹紧机构有以下主要优点：

①限制并稳定夹紧力，在夹紧状态下调整弹簧的变形量，则夹紧力限定在某个范围内。

②在批量生产使用时，夹紧力稳定，大小无变化。 ③弹簧夹紧装置容易实现自动夹紧。

④能在最合适的部位和方向夹紧工件，采用复合夹紧机构可以方便地改变夹紧力的作用点和方向，便于装配和焊接工序的进行。

基于上述优点，在本设计中针对批量设计以及夹紧力不大且要便于控制的特点而使用了弹簧-杠杆夹紧机构。螺旋-杠杆夹紧机构应用较多的是圆柱形螺旋弹簧（拉伸弹簧和压缩弹簧）。图4.1为本设计中的弹簧夹紧机构。通过摇动手柄，可以将手指摇到极限位置1处等待装夹工件，将手指摇到极限位置2处，可以夹紧工件。在两极限位置处如下图4.5所示

图4.5弹簧极限位置

110114??128mm?120mm?8mm 则弹簧的变形量?1?cos30cos181.其受力分析可简化为下图，其中L1代表手指长度，L代表弹簧的右端点到手指心轴长度，于是夹紧力简化表达为下式：

第 30 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

Fq——作用力 ；

L——作用力臂长度； L1——夹紧力臂长度。

式中

受力分析图4.6如下：

Fj=FqL （4-1）

L1

L L1α F Fq Fj 图4.6 受力分析

α在两个极限位置处分别为30o和18o，

由于本焊接中工件（磁头）尺寸较小，且采用激光焊接，无直接接触，经反复实验求得夹紧力在100N就可以保证装夹的稳定性，由于工件为精密元件，故夹紧力不能太大，防止压坏工件，需要在设计中校核夹紧力的最大值。

夹具的夹紧力主要由拉伸弹簧提供，下面根据所需夹紧力设计计算该弹簧。 根据力臂公式可算得Fq=FjL1100?90??500N; L18Fq500N==526N cos18?0.951

而F?及拉伸弹簧需提供526N的拉力，下面据此设计并校核该弹簧。

2.几何参数计算

普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D2﹑中径D、内径D1、节距p、螺旋升角?及弹簧丝直径d。由图可知它们的关系为

?=arctanp （4-2） ?d式中，弹簧的螺旋升角?，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在5?~9?范围内选取。弹簧的旋向可以右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。

第 31 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸计算公式见表。计算出的弹簧丝直径d及中径D等按表的数值圆整 3.特性曲线

弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生永久变形。因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。在这个范围内工作的压缩弹簧，当承受轴向载荷F时，弹簧将产生相应的弹性变形，如图所示。为了表示弹簧的载荷与变形的关系，去纵坐标表示弹簧承受的在和，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系，如图，这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。对拉伸弹簧，如图所示，图b是无预应力的拉伸弹簧的特性曲线；图c为有预应力的拉伸弹簧的特性曲线。

图4.7中的H0是拉伸弹簧在没有承受外力时的自由长度。弹簧在安装时，通常预加一个压力Fmin，使它可靠地稳定地在安装位置上。Fmin称为弹簧的最小载荷（安装载荷）。在它的作用下，弹簧的长度被拉伸到H1，其拉伸变形量为?min。Fmax为弹簧承受的最大工作载荷。在Fmax作用下，弹簧长度增加?max。?max与?min的差即为弹簧的工作行程h，h=?max-?min。Flim为弹簧的极限载荷。在该力的作用下，弹簧丝内的应力达到了材料的弹性极限。与Flim对应的弹簧长度为H3，拉伸变形量为

?lim，产生的极限应力为?lim。

图4.7 圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线

第 32 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

等节距的圆柱拉伸弹簧的特性曲线为一直线，亦即

拉伸弹簧的最小工作载荷通常取为Fmin=(0.1~0.5)Fmax；但对有预应力的拉伸弹簧，Fmin＞F0,F0为使具有预应力的拉伸弹簧开始变形时所需的初拉力。如图ｃ所示，有预应力的拉伸弹簧相当于有预变性x。因而在同样的F作用下，有预应力的拉伸弹簧产生的变形要比没有预应力时小。

弹簧的最大工作载荷Fmax，由弹簧在机构中的工作条件决定，但不应到达他的极限载荷，通常应保持Fmax?0.8Flim。

弹簧的特性曲线应绘在弹簧工作图中，作为检验和试验时的依据之一。刺猬，在设计弹簧时，利用特性曲线分析受载与变形的关系也比较方便。

4.旋弹簧受载时的应力及变形

圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现以图所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷F的情况进行分析。

由图4.8a可知，由于弹簧丝具有升角?，故在通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的截面A?A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩T?FD.因而在弹簧丝的法向截2Fmin?min?Fmax?max???常数 （4-3）

?，弯矩M=Tsin?及扭矩面B?B上则作用有横向力Fcos?，轴向力FsinT?=Tco?s。

in??0，cos??1，由于弹簧的螺旋升角一般取为?=5?～9?，故s则截面B?B上

的应力可近似地取为

DF4F?2D?4F ??=?F+?T=2+2=1??=2?1+2C? （4-4） ?d?d3?d2?d??d?416F式中，C?D称为旋绕比（或弹簧指数）。为了使弹簧本事较为稳定，不致颤抖和过d软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝收到强烈弯曲，C值又不应太小。

第 33 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

C值的范围为4~16，常用值为5~8。

图4.8 圆柱螺旋拉伸弹簧的受力及应力分析

表4-1 常用旋绕比C值

d/mm C 0.2~0.4 0.45~1 7~14 5~12 1.1~2.2 5~10 2.5~6 4~9 7~16 4~8 18~42 4~6 为了简化计算，通常在式中取1?2C?2C(因为当C?4~16时，2C??1，实质上即为了略去?F),由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将入图4.8c中的粗实线所示。有图4.8b可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多有这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引入一个曲率系数K,则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为

?=K?T?K

式中，曲度系数K对于圆截面弹簧丝可按下式计算 K=4C?10.615? （4-6） 4C?4C8CF???? （4-5） ?d2式用于设计时确定弹簧丝的直径d。

圆柱螺旋拉伸弹簧受载后的轴向变形量?，可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得，即

第 34 页 共 51 页

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

8FD3n ?= （4-7）

Gd式中：n——弹簧的有效圈数；

G——弹簧材料的切边模数，如以Fmax代替F,则对于有预应力的拉伸弹簧最大轴向变形量为：

8?Fmax?F0?C3n ?max= （4-8）

Gd拉伸弹簧的初拉力（或初应力）取决于材料﹑弹簧丝直径﹑弹簧旋绕比和加工方法。

用不淬火的弹簧钢丝制成的拉伸 弹簧，均有一定的初拉力。如不需要出来力时，各圈间应用间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当取初拉力时，推荐初拉力??0值在图的阴影区内选取。 初拉力按下式计算： F0??d3??08KD （4-9）

使弹簧产生单位变形所需的载荷kF称为弹簧刚度，即

第 35 页 共 51 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nwid.html