CN109917204B - 一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置及方法，该装置包括试验桌，还包括：器件支架，设置在试验桌的第一侧，用于摆放测试器件；测量单元，设置在与器件支架相邻的试验桌第二侧，用于记录和测量测试器件上单个或多个待测芯片的位置信息和高度信息；辐照单元，设置在与器件支架相邻的试验桌第三侧，用于输出离子束流；关节机器人，设置在器件支架、测量单元和辐照单元包围的试验桌上，关节机器人上设有器件夹具，关节机器人通过器件夹具夹取摆放在器件支架上的测试器件，并实现测试器件的空间位置平移和转动操作。本发明能够显著地提高单粒子效应测试的准确性、稳定性和效率，而且可以节省束流时间，大幅度节省用户的试验费用。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇航器件，尤其是关于一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置及方法。
背景技术
当宇宙射线中高能离子与宇航器件相互作用时，会在半导体器件中产生一个电流脉冲。如果收集的电荷大于临界电荷，电路将会翻转。由于一个粒子就有可能引起单粒子翻转，因此把这一现象称为单粒子效应。单粒子效应会对宇航器件造成软件错误或位翻转、闭锁、烧毁等危害，扰乱航天器的正常工作，甚至导致灾难性的后果。目前，利用重离子加速器产生的高能重离子对宇航器件进行单粒子效应测试，可以推测出宇航器件在空间环境中的单粒子效应。
重离子加速器可以通过选择离子的种类、能量和通量，从而进行全面细致的研究，同时也可以通过单粒子效应检测，验证宇航器件是否可以在轨不发生单粒子效应事故。由于重离子加速器的通量高，且在空间几年的累积通量，因此可以在重离子加速器上很短时间达到统计粒子数。目前在全球重离子加速器检验已经成为宇航器件一项重要的考核。国内能够做单粒子检测的单位有只有两家，随着近年来发射的卫星越来越多，单粒子试验的需求越来越多，每年申请的试验机时远远大于实际批准的试验机时，试验机时供应已不能满足航天需求。因此在试验机时有限的条件下，提高单粒子效应测试效率是唯一解决途径。
单粒子效应测试分为真空和大气两种条件：当离子能量低(离子能量不够不足以穿透真空窗)，只能在真空靶室内进行；当离子能量高，就不需要在真空靶室内进行。由于大气条件不需要真空环境，因此试验效率和稳定性更高。
目前大气条件的单粒子效应测试方案是将宇航器件固定在一个四维平台上，四维平台可以实现单个线路板的空间位置移动和旋转操作。大气环境下单粒子效应测试需要检测的试验数据，除去离子种类、能量和通量外，试验过程中需要测量的数据包括辐照芯片的位置和高度、空气层距离(芯片表面到束流窗的距离)和旋转的角度。现有单粒子效应测试方案中辐照芯片的位置是通过激光器来定位，但由于辐照芯片的高度在宇航器件上高度不一致，测试时辐照芯片的位置不一样，空气层也不一样，因此每一次只能测试一个芯片。现有单粒子效应测试方案中辐照芯片的高度是通过卡尺或直尺来测量，但由于辐照芯片经常凸起或凹陷，敏感区高低相差很大，单一个辐照点的高度很难准确测量。此外，由于单粒子效应测试在试验终端是有辐照存在，有束流时人必须不在现场，因此每次需要切断束流，试验人员才能进去试验终端进行测量和调整，再回到远程测试室进行。这样频繁反复，试验效率特别低。因此研发出自动化程度高、测量精准、效率高和稳定性好的试验设备成为了迫切需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置及方法，以提高单粒子效应测试的准确性、稳定性以及效率。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置，包括试验桌，还包括：器件支架，设置在所述试验桌的第一侧，用于摆放测试器件；测量单元，设置在与所述器件支架相邻的所述试验桌第二侧，用于记录和测量所述测试器件上单个或多个待测芯片的位置信息和高度信息；辐照单元，设置在与所述器件支架相邻的所述试验桌第三侧，用于输出离子束流；关节机器人，设置在所述器件支架、测量单元和辐照单元包围的所述试验桌上，所述关节机器人上设有器件夹具，所述关节机器人通过所述器件夹具夹取摆放在所述器件支架上的测试器件，并实现所述测试器件的空间位置平移和转动操作。
所述的单粒子效应测试装置，优选的，所述测量单元包括用于记录所述测试器件上单个或多个待测芯片位置信息的定位摄像头和用于测量所述测试器件上单个或多个待测芯片高度信息的测距仪。
所述的单粒子效应测试装置，优选的，所述辐照单元包括用于保持真空环境的束流管道，以及设置在所述束流管道的出口前方并用于引出离子束流的真空窗。
所述的单粒子效应测试装置，优选的，所述关节机器人的最大抓取重量为1公斤-30公斤，定位精度为0.025毫米-0.5毫米；所述关节机器人在沿所述试验桌的两个水平方向以及垂直于桌面的方向的最大行程为0.5米-2米。
所述的单粒子效应测试装置，优选的，所述定位摄像头具有智能视觉传感器，能够采集测试器件的二维平面图，并保存用户选择的待测芯片的位置信息。
所述的单粒子效应测试装置，优选的，所述测距仪通过激光测量待测芯片表面和所述器件支架基准面之差，自动计算出待测芯片的高度，待测芯片的高度范围为0-5厘米。
一种单粒子效应测试方法，采用上述的单粒子效应测试装置，该方法包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架上；
步骤二：关节机器人通过器件夹具将测试器件移动到定位摄像头下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人移动到测距仪下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人移动到束流管道正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗从束流管道引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人送回器件支架。
所述的单粒子效应测试方法，优选的，所述测试器件含有一个或多个待测芯片；所述辐照角度范围为0-90度，所述辐照距离为0-1米。
所述的单粒子效应测试方法，优选的，所述束流种类包括Ar、Kr、Xe、Bi，能量范围为1-2000兆电子伏/核子。
所述的单粒子效应测试方法，优选的，所述单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够提高单粒子效应测试的准确性：采用定位摄像头可以准确定位多个辐照芯片的敏感区位置，用户确认辐照位置准确度更高，且直观方便；并且采用定位摄像头和测距仪，可以方便高效的记录每一个测量点的位置信息和高度信息。2、本发明能够提高单粒子效应测试的稳定性：首先，通过器件夹具和机械臂传递，可以避免人工安装器件的操作不稳定，同时减少身体接触产生静电干扰；其次，由于器件定位全部采用摄像头自动定位，可以准确移动到相应的待测点位置，保持准确的空气层位置，从而避免由于辐照入射位置和空气层距离误差带给测试结果的不确定性。3、本发明能够大幅度提高单粒子效应测试的效率，节省束流时间：首先，从测量定位到移动操作都是由关节机器人完成，自动化程度高，节省测试时间；其次，实现了真正意义的远程操作，不仅一次可以放置多个测试器件，每个测试器件可以测试多个芯片位置，而且试验人员不需要频繁的切断束流，进入试验终端，测量数据，再返回远程测试室，这样试验效率至少提高3-5倍。4、本发明可以大幅度节省用户的试验费用，在相同时间完成更多的航天器件芯片检测任务。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供的单粒子效应测试装置，包括：试验桌1；器件支架3，设置在试验桌1的第一侧，用于摆放测试器件；测量单元10，设置在与器件支架3相邻的试验桌1第二侧，用于记录和测量测试器件上单个或多个待测芯片的位置信息和高度信息；辐照单元20，设置在与器件支架3相邻的试验桌1第三侧，用于输出离子束流；关节机器人2，设置在器件支架3、测量单元10和辐照单元20包围的试验桌1上，关节机器人2上设有器件夹具6，关节机器人2通过器件夹具6夹取摆放在器件支架3上的测试器件，并实现测试器件的空间位置平移和转动操作。
在本实施例中，测量单元10包括用于记录测试器件上单个或多个待测芯片位置信息的定位摄像头4和用于测量测试器件上单个或多个待测芯片高度信息的测距仪5。
在本实施例中，辐照单元20包括用于保持真空环境的束流管道8，以及设置在束流管道8的出口前方并用于引出离子束流的真空窗7。
在本实施例中，定位摄像头4具有智能视觉传感器，能够采集测试器件的二维平面图，并保存用户选择的待测芯片的位置信息。
在本实施例中，测距仪5通过激光测量待测芯片表面和器件支架1基准面之差，自动计算出待测芯片的高度，待测芯片的高度范围为0-5厘米。
在本实施例中，关节机器人2的最大抓取重量为30公斤，定位精度为0.025毫米；关节机器人2在沿试验桌1的两个水平方向以及垂直于桌面的方向的最大行程为2米。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供的单粒子效应测试装置，包括：试验桌1；器件支架3，设置在试验桌1的第一侧，用于摆放测试器件；测量单元10，设置在与器件支架3相邻的试验桌1第二侧，用于记录和测量测试器件上单个或多个待测芯片的位置信息和高度信息；辐照单元20，设置在与器件支架3相邻的试验桌1第三侧，用于输出离子束流；关节机器人2，设置在器件支架3、测量单元10和辐照单元20包围的试验桌1上，关节机器人2上设有器件夹具6，关节机器人2通过器件夹具6夹取摆放在器件支架3上的测试器件，并实现测试器件的空间位置平移和转动操作。
在本实施例中，测量单元10包括用于记录测试器件上单个或多个待测芯片位置信息的定位摄像头4和用于测量测试器件上单个或多个待测芯片高度信息的测距仪5。
在本实施例中，辐照单元20包括用于保持真空环境的束流管道8，以及设置在束流管道8的出口前方并用于引出离子束流的真空窗7。
在本实施例中，定位摄像头4具有智能视觉传感器，能够采集测试器件的二维平面图，并保存用户选择的待测芯片的位置信息。
在本实施例中，测距仪5通过激光测量待测芯片表面和器件支架1基准面之差，自动计算出待测芯片的高度，待测芯片的高度范围为0-5厘米。
在本实施例中，关节机器人2的最大抓取重量为1公斤，定位精度为0.5毫米；关节机器人2在沿试验桌1的两个水平方向以及垂直于桌面的方向的最大行程为0.5米。
实施例3：一种单粒子效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架3上；
步骤二：关节机器人2通过器件夹具6将测试器件移动到定位摄像头4下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人2移动到测距仪5下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人2移动到束流管道7正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人2将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗7从束流管道8引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人2送回器件支架3。
在本实施例中，测试器件含有一个待测芯片。
在本实施例中，辐照角度范围为0-90度，辐照距离为0-1米。
在本实施例中，束流种类为Ar离子，能量范围为20兆电子伏/核子。
在本实施例中，单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
实施例4：一种单粒子效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架3上；
步骤二：关节机器人2通过器件夹具6将测试器件移动到定位摄像头4下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人2移动到测距仪5下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人2移动到束流管道7正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人2将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗7从束流管道8引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人2送回器件支架3。
在本实施例中，测试器件含有多个待测芯片。
在本实施例中，辐照角度范围为0-90度，辐照距离为0-1米。
在本实施例中，束流种类为Kr离子，能量范围为25兆电子伏/核子。
在本实施例中，单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
实施例5：一种单粒子效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架3上；
步骤二：关节机器人2通过器件夹具6将测试器件移动到定位摄像头4下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人2移动到测距仪5下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人2移动到束流管道7正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人2将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗7从束流管道8引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人2送回器件支架3。
在本实施例中，测试器件含有多个待测芯片。
在本实施例中，辐照角度范围为0-90度，辐照距离为0-1米。
在本实施例中，束流种类为Xe离子，能量范围为2000兆电子伏/核子。
在本实施例中，单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
实施例6：一种单粒子效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架3上；
步骤二：关节机器人2通过器件夹具6将测试器件移动到定位摄像头4下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人2移动到测距仪5下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人2移动到束流管道7正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人2将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗7从束流管道8引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人2送回器件支架3。
在本实施例中，测试器件含有多个待测芯片。
在本实施例中，辐照角度范围为0-90度，辐照距离为0-1米。
在本实施例中，束流种类为Bi离子，能量范围为1000兆电子伏/核子。
在本实施例中，单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (7)
1.一种基于关节机器人的单粒子效应测试装置，包括试验桌(1)，其特征在于，还包括：
器件支架(3)，设置在所述试验桌(1)的第一侧，用于摆放测试器件；
测量单元(10)，设置在与所述器件支架(3)相邻的所述试验桌(1)第二侧，用于记录和测量所述测试器件上单个或多个待测芯片的位置信息和高度信息；
辐照单元(20)，设置在与所述器件支架(3)相邻的所述试验桌(1)第三侧，用于输出离子束流；
关节机器人(2)，设置在所述器件支架(3)、测量单元(10)和辐照单元(20)包围的所述试验桌(1)上，所述关节机器人(2)上设有器件夹具(6)，所述关节机器人(2)通过所述器件夹具(6)夹取摆放在所述器件支架(3)上的测试器件，并实现所述测试器件的空间位置平移和转动操作；
所述测量单元(10)包括用于记录所述测试器件上单个或多个待测芯片位置信息的定位摄像头(4)和用于测量所述测试器件上单个或多个待测芯片高度信息的测距仪(5)；
所述定位摄像头(4)具有智能视觉传感器，能够采集测试器件的二维平面图，并保存用户选择的待测芯片的位置信息；
所述测距仪(5)通过激光测量待测芯片表面和所述器件支架(3)基准面之差，自动计算出待测芯片的高度，待测芯片的高度范围为0-5厘米。
2.根据权利要求1所述的单粒子效应测试装置，其特征在于，所述辐照单元(20)包括用于保持真空环境的束流管道(8)，以及设置在所述束流管道(8)的出口前方并用于引出离子束流的真空窗(7)。
3.根据权利要求1所述的单粒子效应测试装置，其特征在于，所述关节机器人(2)的最大抓取重量为1公斤-30公斤，定位精度为0.025毫米-0.5毫米；所述关节机器人(2)在沿所述试验桌(1)的两个水平方向以及垂直于桌面的方向的最大行程为0.5米-2米。
4.一种单粒子效应测试方法，采用如权利要求2所述的单粒子效应测试装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将测试器件放置在器件支架(3)上；
步骤二：关节机器人(2)通过器件夹具(6)将测试器件移动到定位摄像头(4)下方拍照，记录测试器件上所选取的待测芯片的位置信息；
步骤三：将测试器件通过关节机器人(2)移动到测距仪(5)下方，测量测试器件上所选取的待测芯片的高度信息；
步骤四：将测试器件通过关节机器人(2)移动到束流管道(8 )正前方位置；
步骤五：选取测试器件上的待测芯片作为测试对象，通过步骤三和步骤四记录待测芯片的位置信息和高度信息，关节机器人(2)将测试器件移动和旋转到设定的辐照距离和辐照角度；
步骤六：束流从经过真空窗(7)从束流管道(8)引出，辐照到待测芯片上，测试单粒子效应；
步骤七：所有待测芯片测试完成后，将测试器件通过关节机器人(2)送回器件支架(3)。
5.根据权利要求4所述的单粒子效应测试方法，其特征在于，所述测试器件含有一个或多个待测芯片；所述辐照角度范围为0-90度，所述辐照距离为0-1米。
6.根据权利要求4所述的单粒子效应测试方法，其特征在于，所述束流种类包括Ar、Kr、Xe、Bi，能量范围为1-2000兆电子伏/核子。
7.根据权利要求4所述的单粒子效应测试方法，其特征在于，所述单粒子效应测试装置的工作环境为大气条件，温度为5℃-40℃，相对湿度为0-75％。
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