CN1408065A - 垂直轴线从动测试头机械手配重平衡的对接运动 - Google Patents

Abstract

一个定位器，例如半导体晶片和装置测试机的测试头载体，包括一个垂直支承和一个支承该测试头的主臂。利用诸如配重一类的平衡力，使主臂悬浮，以便进行微调运动。主臂的悬浮是在一定的传动比下达到的，因此，可利用小的平衡力和配重的大运动来进行微调运动。垂直支承可用不顺从的驱动装置，例如滚珠丝杠机构，来调整。还可以利用微调运动来感测碰撞和其他定位错误，并可以控制垂直支承的驱动装置的工作。

Description

垂直轴线从动测试头 机械手配重平衡的对接运动

                        技术领域

本发明涉及电子装置测试头定位器技术领域。

                        背景技术

在自动测试集成电路(IC)和其他电子装置时，可以使用专门的设备将该装置放置在适当的温度下，和将要测试的装置放置在规定位置。电子测试本身则由一个巨大和精巧的、包括一个测试头的自动测试系统来进行。为了精确和高速地测试复杂的装置，该测试头上通常密集地组装着许多电子线路。要求带有测试头的测试系统与装置搬运器或其他支承电子装置的设备结合和对接。在半导体装置自动测试领域中，测试头定位系统是众所周知的。

在这种测试系统中，测试头很重，大约有40～500公斤的数量级。近来，引入了测试头重量在1000kg以上的测试设备。测试头重量要这么重的原因是，测试头使用精确的高频控制和数据信号，这样，电子线路要放在尽可能靠近要测试的装置的地方。

为了进行说明，假设要测试的部件(UUT)为一个装置，例如一个电路或要测试的子配件。要测试的装置(DUT)为要进行测试的本装置(IC)。DUT是要测试的部件(UUT)的一个特殊形式。测试站设备(TSA)总体上是指晶片探测器，装置输送器和手动测试站。测试头是专门设计用于测试的一个工作头。

半导体工业最近的进展具有下列特点：

1.DUT变得更复杂，每个装置上的晶体管数目从几千个稳定地增加至几百万个；

2.DUT变成日益复杂的数字电路、模拟电路和混合信号电路的混合物；

3.每个装置中的输入/输出(I/O)、电源和信号基准管脚的数目从小于100增加至几百个；

4.DUT时钟速率从10几个MHz增至至少1GHz；

5.数据、地址和控制信号相应地至少在100多个Mbps范围内；

6.每根引线的频宽要求至少在10多个GHz范围内。

结果，从下列方面考虑，要改变测试系统的设计：

1.测试头包括更快和更复杂的引线-电子线路；

2.由于切换速率更高，测头中每个引线线路中的功率消耗更大；

3.在测试头中加入循环水的水冷系统，从而增加测试头重量，并需要在测试头缆中包括挠性的管道；

4.在相互结合的测试头缆中，有更重的量仪的更大的电源和接地导体；

5.为了减少信号导线的量和缆中相应的滞后，要将电路从系统控电板上重新放置在测试头中。

下列这些因素使测试头的尺寸和重量大大增加：

1.使测试头靠近DUT日益重要；

2.从测试头至测试器控电板的缆应尽可能短，同时缆要更粗些和刚性更好些。

这样，测试头及其相应的缆变得更大和更重。

测试头定位系统是一个机械装置，它允许操作者将自动测试设备的重达几百磅的测试头带到靠近装置搬运器，晶片探测器或其他测试站设备(TSA)的地方；并允许测试头与TSA对接。因为半导体芯片工作速度要求更快，结构更复杂，因此测试头的尺寸和重量不断地增大。另外，使测试头与自动测试设备控电板结合的缆尺寸和重量也相应地增加。这些因素要求测试头定位系统的承载能力和运动范围都要增大。这就使设计能自由地使大约几百磅和在支承结构上产生大约100000英寸-磅力矩的负载运动的装置，非常具有挑战性。

测试头定位系统可以用于相对装置输送器或其他测试站设备(TSA)放置测试头。当测试头精确地相对于TSA定位时，则可以说测试头和TSA对准了。当测试头和TSA对准时，易损坏的测试头和TSA的电气接头接在一起(即对接)，使测试信号可在测试头和TSA之间传递。在对接之前，易损坏的测试头和TSA的电气接头必须精确地对准，以避免损坏易损坏的电气接头。

测试头定位系统也可称为测试头定位器或测试头机械手。这种技术已在例如TEST公司的TEST手册中作了说明。这种技术还在，例如，美国专利6057695号、5900737号、5608334号、5450766号、5030869号、4893074号和4715874号中作了说明。这里，将其中在测试头定位系统领域中的教导，引入本发明参考。

测试头及其相应的定位器通常在清洁的室内环境中使用。清洁的室内环境通常较昂贵，因此，拥有可供使用的空间是很宝贵的。目前有各种可在清洁的室内环境中使用的测试头定位系统。虽然，某些这种测试头定位系统有各种所希望的特点，但是每一个这种测试头定位系统所要求的正确工作的空间大小可能并不是所希望的。因为测试装置要处理日益复杂的任务，因此测试头的尺寸和重量不断地增加。当测试头越来越大时，全手动、全平衡的方法更难在硬件上实现，因此要求进一步改进。

理想的方法是，可以在基本上无重量的条件下，支承重的负载(例如，重的测试头)作相关的运动。“基本上无重量”是指放置重负载所需的力大大小于提升该负载所需的力。

序列号为PCT/US 00/00704的美国专利申请(这里引入供参考)所公布的测试头定位系统的改进方案在许多情况下是有帮助的。这些改进方案提供了一个全平衡的有6个运动自由度的机械手。该系统是用配重平衡的，并且测试头缆布置成使可以很小的力就容易地在所有6个自由度上使测试头运动。这可使操作者容易放置测试头，并使测试头对接机构能容易地将测试头精确地与TSA或晶片探测品测试现场对准。另外，在每一个自由度上也可以独立运动。

当测试头运动时，总的运动质量包括测试头，配重和机械手的所有运动部分。惯性、动量和动能相应地非常大。尽管测试头完全平衡并只需要很小的力，但操作者可能还是害怕手动操纵这样一个庞大的物体和装置。引入带遥控的有动力的轴是一个所希望的方法，然而，当对接时，对接作动机构取代机械手的控制；因此最好是机械手能在所有轴方向上，以很小的力同时自由运动。当测试时，许多使用者喜欢使机械手处在以自由至运动的平衡状态，以便吸收由测试用的自动输送设备产生的振动。

要求运动范围增大结合着要求结构增大，会使机械手变得太大，不能方便地运输。特别是，现有的带拖车的卡车和最大的商用货运飞机(波音747)限制运输集装箱和带滑道的托板的最大高度大约为109英寸(大约9英尺)。总的垂直运动目前要求接近48英寸，当与对基座和立柱的结构要求综合起来考虑时，并假设立柱高度固定，则会导致系统太高，不能方便地运输。

解决高度问题的方法是使用由可以压缩、折叠或伸缩的二部分或多个部分制成的立柱。带有可伸缩的垂直立柱的机械手已经出现几年了。例如，Smith的美国专利5149029号和4705447号公布了一种气动的伸缩立柱，其运动部分是由气动活塞驱动的。在这种结构中，保持固定不变的气动压力可对测试头和缆的重量形成一个平衡力。由于测试头太大，这种方法被证明是不太经济的。直至最近，制造伸缩立柱的额外成本还没有被认可。更近一段时期，Slocum等人的美国专利5931048号和Aldem的美国专利5949002号公开了一种具有由电机驱动的伸缩立柱的机械手。在′048号专利中，利用气动机构为对接提供垂直轴的一定柔顺性。′002号专利发现这种方法有局限性，于是提出在自动控制系统反馈回路中使用测力传感器作为感测器来改善柔顺性。这种主动柔顺技术会增加系统成本和复杂性，特别是在出故障和遇到意外的障碍物情况下，考虑安全工作时更是如此。更理想的方法是用电机驱动的垂直轴，根据系统要求不同，该轴可以是伸缩式或不伸缩的。该方法包括使用配重，使对接和测试的运动操作基本上在无重量的平衡状态下进行。

使用配重的这个机械手中，配重的总重量大约等于负载。负载包括测试头、测试头的运动支承装置，和缆的一部分。因此，配重可能比测试头本身更庞大。当测度头更重时，这会导致下列不希望的问题出现：

-在机械手内放置配重所需的容积难以控制；

-在安装新的测试头时必须搬运的重块的总量以及存储不使用的重块也难以控制；

-系统惯性和某些约束摩擦力的变化，大约为测试头重量加上机械手运动零件重量的和的二倍；

-在立柱、平台、缆滑轮和其他子配件上的负载大小增加速率，为测试头重量增加速率的二倍。这种负载作用对总的系统摩擦有不利的影响，因而也是对放置和对接测试头所需的力也有不利影响。

-可动的基底部件的运动平板和其他设备的质量也很可观，并随着测试头重量增加而增加，这种质量大大增加总的系统惯性。

重的测试头的定位和广义地说重的物体的定位的一个问题是操纵非常困难。重物体的操纵一般要依靠动力帮助，利用伺服机构和利用负载平衡来完成。这些方法中的每一种方法都有缺点。特别是，如果操纵重物体的设备操作者不能完全控制相关的运动，则会造成严重的身体或设备损坏。

在某些情况下，负载可能有稍微的偏移，因此只有负载总重量一小部分会反映在调整负载位置所需的力中。因此，如果要放置一个300kg的负载，没有机械或动力帮助，要使负载运动是非常困难的。如果移动300kg负载所需的力为5kg，则要操纵负载就容易得多。另外，处在负载和另一个物体之间的机构操作者的危险也大大减小。由于与300kg比较，5kg很小，因此可认为该负载悬浮在“基本上没有重量”的状态中。

能够沿着支承结构运动的定位器将测试头带至所希望的位置，在该位置上，测试头与装置搬运器或其他测试站设备(TSA)结合和对接。测试头装在定位器上，使测试头可具有多达6个运动自由度：X、Y、Z、θX、θY、θZ。

为了与现有技术中的测试头定位系统的说明一致，采用图2和图3中所示的坐标系100。其中：

Y＝垂直的、上下轴线102；

X＝水平的、一边至一边或左-右轴线104；

Z＝水平的、进-出轴线106。

当从操作者前面看时，这个坐标是为笛卡儿坐标系。

围绕轴线的转动表示如下：

θY＝围绕Y轴的转动108(以后称为“摆动”或“偏转”)；

θZ＝围绕进-出轴的转动110(以后称为“滚动”或“扭转”)；

θX＝围绕着X轴的转动112(以后称为“翻转”或“俯仰”)。

本发明的一个优选实施例中所用的测试头，包括在一个表面上的一个测试界面。该测试界面一般带有一块测试界面板，该板除了其他功能外，还提供测试装置与晶片探测器、搬运器、手动测试站或其他测试站设备(TSA)的结合点。以后，将具有测试界面的表面称为“界面表面(IS)”310。IS表示一个平面和一个方向，该方向用一个与IS平面垂直、并从测试头离开的向量表示。图4表示在水平平面内、方向向上的IS310。在使用中，当测试头与不同形式的设备对接时，测试头的指向会改变。因此，IS310的平面和方向也会改变。

在使用中，如同在TSA中一样，测试头可以向上与DUT接触。在这种情况下，界面表面朝上(IS UP)。另一种可供选择的方案是，测试头向下，与装置接触，如同在晶片探测器中一样。在这种情况下，界面表面朝下(ISDOWN)。第三，DUT和IS都可以在一个垂直平面(IS Vertical)内定向。第四，DUT和IS可以在IS UP和IS DOWN之间的任何角度上定向。因为测试头是从一个设备运动到另一个设备的，因此，测试头必须在IS UP，IS DOWN和IS Vertical几个位置之间转动。根据机械手的不同，这点可通过在翻转(俯仰)坐标或滚动(扭转)坐标上转动来达到。

测试头由一又粗又大的一束缆与测试控电板结合。缆的尺寸、重量和抗挠曲与扭转的能力都会干涉和约束测试头的运动。测试头的运动应保护缆不受上述几个因素的影响，例如，在美国专利5608334号中所述的情形。

许多测试头，特别是大的测试头是利用一种缆-支轴设备与机械手结合的。在缆-支轴模式下，缆从测试头的回转中心拉出，并与回转轴线(一般为滚动或扭转轴)平行。这点例如在美国专利5030869号，5480766号和5608334号中有说明。支承缆的机构例如在美国专利4893074号中有说明。

几个机械手在其基座上可作二种运动。由Teradyne公司制造，并在上面提到的美国专利5931048号和3949002号中说明的机械手使用这种运动。Teradyne装置利用在底部的摆动回转机构形成在其基座上的摆动回转和一边至一边的运动；而该机械手的进-出运动则由臂和托架组件提供。由Reid-Ashman MFG公司制造的另一个机械手，利用由臂围绕着固定在立柱上的轴转动形成的旋转，在基座上作一边至一边和进-出运动。Schlumberger公司制造的机械手，利用在一边至一边运动机构顶部的旋转机构，在其基座上作一边至一边运动和摆动回转。进-出和滚动运动由臂组件形成。这个机械手的独特之处是，缆从控电板出来，通过在回转中心上面的立柱中心，终端在测试头上。这个机械手的另一个独特之处是，作为配重的弹簧机构，该机构第一次在转让给Schlumberger的美国专利4943020号和4973015号中作了说明。最后，也是由Reid-Ashman MFG公司制造的另一个机械手，利用在底部的摆动回转机械，在其基底上作三个运动。

根据作用在被驱动物体上的力，使驱动机构运动的趋势，例如电机和其他作动器一类的驱动机构可分为“顺从的”和“不顺从的”。在本说明书中，如果作用在被驱动物体上的力容易使驱动机械运动，则该驱动机构可认为是“顺从的”。如果作用在被驱动物体上的力，一般不能使驱动机构运动，则该驱动机构可认为是“不顺从的”。

按照世俗的概念，如果在驱动电机的输出端对被驱动物体加力，可以容易地驱动该电机向前或向后运动，则该驱动电机是“顺从的”。如果作用在被驱动物体上的力会损坏驱动机构，或如果被驱动物体要迫使驱动电机运动需要很大的力，则该驱动电机为“不顺从的”。带齿轮的驱动电机往往是这种情况。通常，不顺从的驱动机构驱动降速大，例如，电机1000转，被驱动齿轮只有1转。驱动机构的不顺从性质通常是齿轮减速造成的结果，这时小量的摩擦或潜在的磁力将防止机构被反向驱动。也可以利用阀或制动器使驱动装置变成不顺从的。

为了充分发挥全平衡的机械手在所有6个运动自由度上的优点，希望测试头在测试头机械手中对接运动是完全平衡的、基本上无重量的，与移动无关的垂直运动。还希望测试头机械手的主垂直运动由螺杆或其他不顺从的机构驱动。另外，为了减少在垂直立柱和其基座上的负载，配重的总重量应大大小于测试头、缆负载和支承装置结合在一起的重量。本发明可以用于主垂直运动是由伸缩立柱实现的机械手，以及测试头可沿着固定高度的立柱运动的固定立柱式机械手。因为测试头的精确对接需要在所有6个自由度上同时运动，因此希望在其他5个自由度上，与垂直运动同时保持运动自由度。

不论控制运动和运动平衡的具体方法是什么，希望避免意外的碰撞，并且如果发生意外碰撞，则动力机构可作出反应，以减小碰撞的作用。当利用多个驱动机构来实现一个方向的运动时，意外碰撞的感测和作出反应是一个重要的问题。

另外一些目的是保证操作者和测试头安全。从安全的观点来看，希望对测试头提供适当的结构支承，使得在配重机构失效或不平衡时，测试头不会落在地面上或落下的距离不大于大约2英寸。第二个安全目的是要能检测任何原因造成的对垂直运动不适当的阻力，包括与另一个装置或人的碰撞、人不恰当的相互动作引起的干涉，与对接机构的碰撞或干涉等。

与其他重型机械一样，测试头定位器的设计要考虑安全措施。更大、更重的测试头，由于其他地面上的测试装置意外地进入测试头计划的运动范围、人走入运动路程、操作者的错误、控制系统的误动作等，发生意外碰撞的机会更大。使用更庞大、更昂贵的测试头时，由于事故造成对财产、设备或人的伤害可能是巨大的，甚至是致命的。在手动运动的情况下，操作者一般可以感觉到有障碍物，因而会停止或作反向运动，以避免损坏设备。当使用由操作者或自动控制系统遥控的机械手的动力轴时，必须采用特殊的装置检测障碍物或碰撞，以避免造成重大损害。在序列号为PCT/US00/00704的美国专利申请中指出，如果控制轴是平衡的，因而只需要很小的力来造成运动，则可以有效地使用电流受限制的直流电机。因为即使是柔软的障碍物也会使运动所需的力增加，电机会失速，因此，传递至障碍物上的力被限制在安全量的范围内。

如果主垂直运动不平衡，垂直驱动机构必要提升测试头及其支承装置的全部重量。驱动电机不必要感知由障碍物加上的附加力。因此，如果机械手的被驱动的主垂直运动结合有一个辅助的垂直对接运动或微调运动而该主垂直运动没有加配重平衡，则非常希望包括一个在主垂直驱动装置工作时，检测障碍物和碰撞的装置。在本说明书中所用的“微调装置”是指与主要装置一起，用于进行微细调整的一个小的辅助装置。

                       发明内容

负载由进行第一位置调整的驱动机构和进行第二位置调整的结合机构支承。结合机构具有大于1的传动比，于是，由于传动比，作用在结合机构的输入部件上的平衡力增大，以向负载施加更大的合力。

                       附图说明

图1为根据本发明一个实施例的机械手的透视图；

图2为用于描述机械手及其运动所用的坐标系示意图；

图3为用于说明测试头及其运动的坐标系示意图；

图4为表示利用直接固定在一个托架支承组件上的单一一个上臂的水平臂组件的透视图；

图5A～5C为根据本发明的一个实施例制造的定位器的透视图，它表示图1所示的机械手轴的相互作用和6个自由度；

图6为表示根据本发明的一个实施例的主臂垂直运动微调的切开的透视图；

图7A，7B和7C为机械手立柱的上部的正视图，它们分别表示主臂的最上位置，中间位置和最下位置；

图8为根据本发明的一个实施例制造的非伸缩定位系统的前透视图；

图9为说明图8所示的定位系统的非伸缩实施例的后部透视图；

图10A为根据本发明的一个实施例制造的伸缩立柱组件的前部的透视图；

图10B表示图10A所示的伸缩立柱组件前部详细结构；

图11A为图10A和10B所示的伸缩立柱组件的后部的透视图；

图11B表示图11A所示的伸缩立柱组件后部的详细结构；

图12为图10和图11所示的伸缩立柱组件的平面图；

图13为图10～图12所示的伸缩立柱组件的顶部透视图。

                      具体实施方式

测试头由固定在机械手主臂上的设备夹持和支承。主臂利用一个滑动机构-例如直线轨道和轴承的组合装置-与垂直臂支承装置滑动结合。该垂直臂支承装置由一个不顺从的驱动机构-例如电机驱动的或手与曲柄驱动的螺杆-驱动在上下方向运动。主臂相对于垂直臂支承装置的垂直运动量限制在足够使测试头对接的量，一般为+1英寸或-1英寸。这称为垂直微调运动。具有大于1的传动比的结合装置用于将主臂与垂直臂支承装置结合。这个装置具有直接与垂直臂支承装置结合的一个固定部分(例如，在杠杆情况下的支点)，与主臂结合的承载部件，和与配重结合的输出部分。如果上述传动比为MA，则配重的重量为被MA除的负载(测试头，主臂和机械支承，与缆重量中测试头所占的份额)的重量。这可使主臂及其负载，在垂直微调运动中作垂直的、几乎无重量的运动。对所述垂直微调运动的阻力只是在结合机构中的摩擦、在滑动机构中的摩擦和由缆运动产生的力。如果缆放置在基本上是与测试头的重心高度大致相同的水平平面上，则由于缆位置改变产生的力，在测试头的+1英寸或-1英寸的垂直行程上可以忽略不计。序列号为PCT/US 00/00704号美国专利申请中所述的带有调水平的装置的一种缆伸缩式支承臂具有这个能力。

一种优选的结合装置是螺距大、摩擦小、可以反向驱动的滚珠丝杠。这种装置是一种结构紧凑的和非常有效的回转运动转换为直线运动的转换器，它也可以提供合适的传动比。下面将说明基于这种装置的一个实施例。滚珠丝杠通过驱动主臂，使主臂运动，但应注意，滚珠丝杠在下面的意义上是一个被驱动机构，即：配重驱动滚珠丝杠，而主臂又反向驱动滚动丝杠。因此，当用在滚珠丝杠上时，使用术语“驱动”是指，力通过滚珠丝杠传递，并且可利用滚珠丝杠作为一个具有传动比的装置。一般，通过滚珠丝杠传递的驱动力是从扭矩限制电机、由手加的力，外力或配重产生的。

固定主臂的垂直臂支承装置可以是伸缩立柱的远端可动部分；或者可以是沿着固定在固定高度的立柱上的一根或多根轴，或者是沿着固定在固定高度立柱上的一条或多条直线轨道滑动的结构。这样，垂直立柱可以是伸缩式的或是固定高度式的。

利用一个或多个直线运动作动器来驱动垂直臂支承装置及其负载(以后称为“系统负载”)作垂直运动。该负载包括：主臂，测试头支承设备，测试头，缆和缆支承重量中测试头所占的份额和配重。作动器一般为电机驱动的丝杠机构，其螺距和内摩擦足以防止在全负载下被反向驱动。这样，丝杠可以在系统范围内，在任意高度上支承全部系统负载。另外，选择丝杆机构，使其总承载额定值比系统负载大约大3.5倍而不会被破坏。垂直臂支承装置的下挡块设计成能承受全部系统负载，其安全系数至少大约为5。这些方面综合起来就可以保证达到第一个安全目的，即：为测试头提供足够的结构支承，使测试头在平衡机构失灵或不平衡时，不会落在地下，或者落下距离不大于大约2英寸。

当负载被适当地用配重平衡时，除了在对接和脱离对接过程中由对接作动器驱动以外，主臂一般不会相对于垂直臂支承装置作大的运动。如果产生这种运动，则表示出现了事故。

垂直微调轴还带有运动检测装置，位置检测装置和通过如在上述的序列号为PCT/US 00/00704美国专利申请中所述的离合器结合的一个扭矩限制的驱动电机。应该明白，在一些实施例中，可以将位置和运动检测装置综合起来，其中，位置和运动二个量数学上是相关的。运动检测装置的目的是要检测主臂何时相对于垂直臂支承装置运动；除非对接作动器工作，否则这种运动表示已经碰到障碍物或其他不安全的条件。位置传感器指示主臂何时大致在其垂直微调运动范围内定中心。总的控制方法的各个方面包括：

-在主垂直运动丝杠工作以前，使主臂大致在其垂直微调运动范围内定中心。这可保证将检测到碰到障碍物或其他不安全的状态。

-运动传感器用于检测这种相对运动，并提供可被总系统利用来停止运动，或采取其他与安全有关的动作的警告信号。当检测到这种情况时，所采取的行动是切断垂直作动器和同时处在动力运动下的其他轴的电能供应。

-垂直微调轴驱动电机用于在主垂直运动装置通电之前，使主臂相对于垂直臂支承装置定中心。只要当需要驱动电机去驱动微调轴时，才接通离合器。这样，正常情况下，电机是断开的，不干涉对接或障碍物检测。因为电机是扭矩受限制型的，因此如果在定中心运动过程中碰到障碍物，可以防止损坏。可以加入一个定时器来检测这个状态。扭矩限制电机可以位于滚珠丝杠机构的任何一侧。

然而，齿轮传动和扭矩限制必须考虑滚珠丝杠机构的传动比。

为了使所有6根轴同时具有运动自由度，上述改造措施最好与先前申请专利和/或公布的一套技术一起使用。这些技术包括：

-如美国专利5030869号，5450766号和5608334号中所述的测试缆支轴和相应的装置；

-在美国专利4893074号中所述的伸缩式缆支承臂与序列号为PCT/US00/00704的美国专利申请中所述的缆支承臂调平器结合；

-如在序列号为PCT/US 00/00704的美国专利申请中所述那样，一个可提供进-出，一边至一边，和旋转运动的立柱基座，这时，旋转运动的中心在立柱和测试器控电板之间的一个点上，并最好靠近缆离开测试器控电板的点。

图1为本发明的机械手11的透视图。早期的专利和公报已经说明了机械手11的一些零件，这些零件在说明书中已经指出。从图1可看出，机械手11包括一个可提供旋转运动、进出运动和一边至一边运动的基座15。这个基座在序列号为PCT/US 00/00704的美国专利申请中作了进一步的详细说明。根据应用的不同，基座的三根轴可以有动力或没有动力。机械手立柱17安装在该基座上。立柱17可以是固定高度式或伸缩式(如图1所示)。

如图1所示，伸缩立柱17由三个伸缩部分组成：下部分21，中间部分22和上部分23。在这种情况下，上部分23也是垂直臂支承装置，主臂25滑动地装在上面。主臂25支承一个水平臂组件27，该组件又支承一个托架支轴组件29、缆支轴组件31和测试头架33。应当指出，可以用各种各样的其他形式的结合机构来代替托架支承组件29中的托架。测试头(没有示出)装在测试头架33上，并且通常被测试头架33作为一个负载携带。主臂25和垂直臂支承装置23之间的垂直微调相对运动的范围大约为+1英寸(25mm)或-1英寸，它是由包括滚珠丝杠和配重(图1中没有示出)的机构实现的。

图2和图3表示用于描述机械手，测试头及它们运动的坐标系和专用名称。如在美国专利5030869号，5450766号和5608334号中所述那样，托架支轴组件29、缆支轴组件31和试测头架33支承着测试头，使它在俯仰和滚动中具有同时的自由度。根据这些专利中以及TEST手册中所述的已知方法，俯仰和滚动运动对于作用力小的对接是平衡的。根据特殊的应用要求，水平臂27结构可能还要求包括旋转、进出和一边至一边的附加的自由度。在水平平面内的这些附加的自由度可以单个或组合出现；另外，这些附加运动对机械手的其他运动可能是多余的。例子包括，但不是必须限于以下内容：

-水平臂组件27可以包括一单个与主臂25和托架支轴组件29刚性结合的上臂。这个结构不形成附加的自由度。

-水平臂组件27可以由一单个上臂组成，该上臂与托架支承组件29刚性结合，并用铰链与主臂25结合，可在水平平面内作旋转运动。

-水平臂组件27可以由从铰链与主臂25结合的上臂，以铰链与上臂结合的前臂，和托架支轴组件29的铰链结合组成，可以在水平平面内同时作进出、一边至一边和旋转运动。

-水平臂组件27可以由排列成四边形的二个长度相等的上臂和二个长度相等的前臂组成。二个上臂都用铰链与主臂25结合，每一个前臂用铰链与相应的上臂结合，二个前臂都用铰链与托架支承组件29结合。这个结构允许在水平平面内同时作进出和旋转运动，但禁止作一边至一边的运动。

本领域技术人员应知道，有许多制造水平臂组件27的方法。

图4表示利用装到主臂25上、刚性装到托架支轴组件49上并以铰接方式安装的一单个上臂43的结构。这相当于上述列举的第二种方案。具体地说是：主臂45与上臂43接合，而上臂43则直接与托架支轴组件结合。这种结合使上臂43铰接在主臂45上，因此可作大约±5°的有限的辅助或微调旋转运动。这表示在水平平面可作5°的运动。如在美国专利5608334号，5450766号和5030869号及“TEST手册”中所述那样，上臂43(一般)与托架支轴组件49接合，可作约±5°的平衡的俯仰运动。托架支轴组件49包括一个托架外靠板，它通过托架支轴与托架的内靠板结合，该内靠板又与托架侧面结合。应该知道，可以用各种各样的其它结合机构代替托架支轴组件49中的托架。缆支轴组件包括一个缆支轴壳体，它装在托架侧面上，可以转动地与测试头适配器环接合；该适配器环通过测试头架与测试头固定结合。这样，该缆支轴组件在多数应用中可作大约±95°的滚动运动。在一些情况下，总的滚动运动可达到±5°(总共190°)。一般最好使用伸缩式缆支承臂(没有示出)来提供有效的平衡滚动运动并利用伸缩式缆支承臂调平机构(没有示出)，如在美国专利4893074号和序列号为PCT/US 00/00704的美国专利申请中所述那样。综合来说，缆支轴组件49、伸缩式缆支承臂和调平器可有效地减小由缆通过其运动范围在测试头上产生的力的变化。另一种方案是，利用翻转模式测试头支承机构，它可提供±5°的滚动运动和±95°(如需要还可大些)的俯仰运动。可供选择的是，滚动轴(或在翻转模式下为俯仰轴)可以有动力并装离合器，如早先说明的那样。如希望的话，由主臂支承的其余的轴也可有动力。

图5A～5C为测试头定位器11的透视图，它们表示图2所示的所有机械手轴线的相互作用。定位器允许所有6个自由度的运动。图5A表示基座15带有顺时针方向转动30°的上平台61和在运动中总被推向后的立柱17。图5B表示基座15所带的上平台61，在行程中部与立柱17在一直线上对准。图5C表示基座15带有反时针方向转动10°的上平台61，立柱则在运动中总位于前面。可以看出，所有的轴可以单个控制，或者如对接所需要的那样，所有的轴可以同时运动。

再参见图1可看出，伸缩立柱17安装在基座15上，并包括三个垂直部分21、22、23。这三个垂直部分21、22、23的长度大致相等。每一个垂直部分21、22、23的长度大约为4英尺(120cm)。这使得当立柱完全缩回时，在基座15顶部以上的高度大约为4英尺；而当立柱完全伸出时，在基座15顶部以上的高度大约为8英尺(240cm)。垂直结构不一定限于三个部分21、22、23；根据需要和所拥有的工艺水平，可以使用较少或较多数目的部分。为了增加刚性，在这个例子中，三个部分21、22、23的横截面是“H”形，而为了进一步增加刚性，最上部分23还有附加的垂直肋片。还可以用其他形式的横截面，例如在以上提到的Slocum等人提出的美国专利5931048号中使用的蜂窝状横截面。该三个部分如下：

-主要(或第一或底部)部分21，它固定在基座上；

-第二(或中间)部分22，它利用装在主要部分上的直线导轨与装在第二部分上的滚珠滑块相啮合，而在主要部分21上作上下滑动；

-第三(或上部)部分23，它利用装在第二部分22上的直线导轨，与装在第三部分23上的滚珠滑块相啮合，可沿着第二部分22滑动。这个部分也可起垂直臂支承装置的作用。

三个垂直部分21、22、23布置成使直线运动作动器75可以升高和降低立柱的顶部。每一个运动部分都有一个电机驱动的直线运动作动器75。根据成本、市场供应情况、速度变化和功率要求的不同，也可以使用其他形式的丝杆，例如ACME丝杆。第一个这种直线运动作动器使第二部分相对于主要部分运动。第二个作这种直线运动作动器使第三部分相对于第二部分运动。第二和第三部分成比例地运动，使总的垂直运动由50％的第二部分相对于第一部分的运动和50％的第三部分相对于第二部分的运动构成。

一般使用标准的Saginaw直线运动作动器。这个部件的最大伸长为24英寸(61cm)。二个作动器在一起形成的总的垂直行程为48英寸(122cm)，并且发现，每一个运动部分21、22、23相对于其紧靠着的下面的部分，在大约其长度的一半上运动。这样，在完全伸长时，相邻部分之间大约重叠50％，这有助于保持结构刚性。每一个作动器的速度大约为0.4英寸/秒(2cm/sec)，所形成的综合垂直速度大约为0.8英寸/秒(2cm/sec)或4英尺/分。二个标准的现有作动器与二个运动部分综合在一起，提供了最经济的总的解决方法，使垂直行程达到48英寸(120cm)。如果具有不同范围的其他作动器成本合理，则可以利用不同数目的运动部分来达到同样的结果。

与许多其他当代的机械手相反，这个主垂直运动总是有动力的，并且没有相联的配重平衡机构。不论作动器是带电而用于升高或降低负载，或者不论送至作动器的动力是否断开，直线运动作动器都可完全支承整个系统负载(先前定义过的)。因而，选择直线运动作动器的螺距角可以防止反向驱动，即：如果电机不能工作或除去，负载仍将停留在固定的垂直位置，不会落下。不需要机械制动器或锁紧器。因此，可以认为该作动器是不顺从的驱动装置。选择机构的静态承载额定值时，要使安全系数大于3，这样在所有情况下都可保持结构整体性。

图6为切开的透视图，并表示主臂25的详细结构和垂直运动微调的使用。如图所示，主臂25利用直线导轨81与第三部分23或垂直臂支承装置滑动结合。该导轨装在垂直臂支承装置上，并与装在主臂25上的相匹配的滚珠滑块83啮合。在主臂25的上端和下端装有弹性缓冲器85。这些缓冲器85与垂直臂支承装置的结构零件接触，将对接和脱离对接的主臂25相对于垂直臂支承装置的垂直运动限制为大±1英寸(2.5cm)。这就形成垂直的微调运动，它与由上述的直线运动作动器形成的主垂直运动完全无关。

主臂的微调垂直运动是相对于第三部分或垂直臂支承装置23进行的。它是完全平衡的，可以进行平稳的对接和脱离对接，并可吸收测试过程中的运动和振动。平衡是利用垂直的配重机构91达到的，该机构的传动比(MA)大于1。一般，传动比为10。这个实施例使用摩擦小的滚珠丝杠机构来实现主臂微调垂直运动。为了减小摩擦和在任何方向上都能自由运动，滚珠丝杠的螺距角为20mm×20mm(或与它相似)。这使主臂25不需要过大的力即可容易地被反向驱动。滚珠丝杠是按一定传动比能实现直线运动的有效装置。滚珠丝杠的上端95，利用支承部件安装在垂直臂支承装置23的上端96上。该支承部件包括一个相应尺寸的滚珠丝杠支承轴承组件，滚珠丝杠可在该轴线组件中自由转动。滚珠丝杠轴向上伸出轴承，并且一个缆卷盘97同轴和刚性地固定在该滚珠丝杠上，使滚珠丝杠和卷盘一致地转动。缆卷盘的顶部在垂直臂支承装置的上面。滚珠丝杠通过驱动主臂使主臂运动，但应注意，配重可驱动滚珠杠，并且主臂也可反向驱动滚珠丝杠。在这个意义上，滚珠丝杠又是一个从动机构。

缆98的一端固定在缆卷盘97上。缆98卷绕在卷盘97周围，在垂直臂支承装置的顶部上面延伸，并引向机械手的后部。然后，缆在装于安装在垂直臂支承装置顶部的支架上的滑轮99上通过。缆98再从滑轮99向下延伸，并与装有适当数量的配重的重块座100结合。为了防止缆本身超越限度和造成系统卡住，缆卷盘97上带有一条螺旋槽，缆98就放在该槽中。

带有与滚珠丝杠啮合的螺纹的滚珠丝杠螺母111，利用机器螺钉固定在主臂25的上端。滚珠丝杠95拧入该螺母111中。滚珠丝杠95支承主臂及其全部负载。当主臂25相对于垂直臂支承装置垂直运动时，滚珠丝杠95通过螺母111的运动使滚珠丝杠95围绕其轴线转动。当滚珠丝杠95转动时，缆卷盘97转动，因此配重(在重块座100上)上升或下降。可以看出，将滚珠丝杠装到垂直臂支承装置23上的轴承组件，必须承受由主臂25施加的全部轴向负载，并使滚珠丝杠95作摩擦小的转动。可以使用商业上出售的滚珠丝杠支承轴承来达到这个功能。

如上所述，一般将传动比(MA)设成大于1。忽略摩擦力，则传动比由下式确定：

MA＝πD·P。式中D-缆卷盘的有效直径；

P-每单位长度上滚珠丝杠每转的螺距(注意：上述二个量中所用的长度单位必须相同)。

测试头(没有示出)、主臂25和互相结合的机械手结构及伸缩式缆支承和缆中测试头所占份额的综合重量的1/MA(当MA＝10时为10％)，为配重的重量。配重移动的距离是主臂相对于第三部分23的运动距离的MA倍(即当MA＝10时，对于每一个单位，大约为±10个单位)。如首先在美国专利4527942号中所述那样，因为系统的摩擦非常小，因此主臂25好象直接被简单的缆和皮带轮结构平衡。

图7A、7B和7C为机械手立柱的上部的横截面图，它们分别表示主臂25在最上位置、中间位置和最下位置。这些图用来表示主臂25、滚珠丝杠95和配重(重块座100)的相对运动。

图8和图9为说明根据本发明的一个方面制造的定位系统的一个非伸缩式实施例的视图。先前所述的装置也可用于使用固定高度的立柱的定位系统。在现有技术的具有固定高度立柱的机械手中，主臂沿着轨道或一个或多个由立柱支承的轴滑动。一般，主臂及其负载是完全平衡的，因此只需很小的力就可使测试头在垂直运动的全部范围内运动。配重的总重量大约与系统负载(即主臂和由它支承的，包括测试头在内的每一个零件)的重量相等。本发明可使配重的总重量大致等于系统负载除以传动比MA。

图8和9中表示了没有基座的固定高度立柱式的机械手141。机械手的立柱143可以安装在固定的基座上，或安装在可在选择的轴上进行水平运动的基座上。这二种方法都是已知的，并在早期的专利和公开文献中说明过。另外，固定高度的立柱143可以是在地板和天花板之间延伸并固定的静止的立柱。

垂直臂支承装置145最好利用固定在立柱143上的直线导轨147，滑动地安装在立柱143上。该导轨又与装在垂直臂支承装置145上的滚珠滑块(没有示出)啮合。利用一个直线运动作动器去驱动主臂沿着立柱作垂直运动。

机械手141的主臂155，用与伸缩立柱式机械手11类似的方法，滑动地装在垂直臂支承装置145上。类似地，采用类似的滚珠丝杠机构161进行平衡的微调垂直运动和减少所需的配重数量。在这个实施例中，支承配重的缆165的处理稍有不同。具体地说，首先缆165从缆卷盘167中引出，在固定在垂直臂支承装置145上端的滑轮169下面通过。缆165再通向立柱143的前端，并在固定在立柱143顶部的滑轮171上通过。缆165再向下引导至立柱143的后部，与放置配重的座173固定。

应该清楚，当垂直臂支承装置145在机械手立柱143的前端上下运动时，配重将沿着立柱的后部升降。配重总行程名义上等于垂直臂支承装置145移动的距离，加或减去传动比MA乘以主臂相对于垂直臂支承装置的行程。配重的实际高度、滑轮169、171的直径和位置以及直线运动作动器伸长所需的空间都对给定固定高度立柱的机械手的垂直运动有限制。

图10～13为根据本发明制造的伸缩式定位器11的不同视图。这些图表示主臂25、滚珠丝杠95和配重(载体100)的相对运动。图10A和10B为伸缩式立柱组件11的前部的透视图。图11A和11B为伸缩式立柱组件11的背部的透视部。图12为伸缩式立柱组件11的平面图，图13为伸缩式立柱组件11的顶部透视图。

在伸缩式立柱和固定高度立柱的实施例中都可使用安全装置和系统控制装置。垂直微调轴的动力供应方式与序列号为PCT/US00/00704的美国专利申请中所述的方式相同。直流电机与合适的齿轮箱、离合器和驱动机构结合，在伸缩立柱式机械手的情况下，将动力加在滚珠丝杠带动的缆滑轮上；而在固定高度立柱式机械手的情况下，动力加在滚珠丝杠缆滑轮上或固定在立柱上的缆滑轮上。只有当要使用电机去驱动垂直微调轴时，才使离合器接合，在其他时间，通过施加外力，可使该轴相对于垂直臂支承装置自由运动。

为了将电机扭矩限制在足以稍微克服摩擦和进行运动的水平，加在直流电机上的电流一般限制在一个固定的值。如果碰到障碍物或较大的外力，则电机将安全地失速。

有二种外力情况：

1)在对接和脱离对接过程中，垂直微调轴必须能因为对接作动器产生的力而自由运动。当对接时，垂直微调轴应能自由运动，以吸收由搬运器、晶片探测器或其他测试站设备(TSA)引起的振动。

2)当不对接，或在对接或脱离对接过程中，任何没有被驱动的垂直微调运动表示在垂直放置测试头时施加了外力和/或碰到了障碍物。一般，这被认为是不安全或危险的情况。

因此，要设置感测主臂和垂直臂支承装置之间相对运动的装置。这个传感器的输出提供对控制和安全都有用的信号。另外，要利用传感器来感测主臂相对于垂直臂支承装置的相对位置。根据与机械手一起使用的总的控制系统的复杂性，可以使用各种各样传感器。例如，在自动化程度高的系统中，可以使用能提供精确的位置信息的绝对编码器。在数据处理装置中，可以容易地对这种编码器的输出进行微分，以检测运动。在较简单的系统中，可以使用一个或多个限位开关来检测某些相对位置，也可以使用简单的光电或其他装置来检测相对运动。

现在来说明一个最基本的系统，以表示本发明引入的安全措施。本领域技术人员很容易将这些措施应用到更复杂的系统中。在这个基本系统中，按公知的方式使用限位开关和限位开关作动器来形成下列二进制数值信号：

-主臂向上(MAU)：当主臂在其相对行程范围的上半部时为真值。即：从大约行程的中心，通过行程的上限为真值；

-主臂定心(MAC)：当主臂在其相对行程范围的中心区时为真值。一般，由于下述的理由，当主臂大约在精确地定心的±1/8～1/4英寸内时，认为是定心了。

-主臂向下(MAD)：当主臂在其相对行程范围的下半部时为真值。

另外，还有一个运动传感器，它只要有相对运动，就提供信号。在本系统中，将分辩率为每转1024个部分的增量式轴编码器(例如Hohner公司的01系列编码器)与缆滑轮结合。如果滑轮直径为6英寸，和如果滚珠丝杠机构的传动比为10，则增量式编码器可检测大约0.018英寸的相对运动改变。当检测出这种增量运动时，很容易地将编码器输出与电路结合，形成一个脉冲。为了得到较粗的分辩率，数字式计数器电路可适当地分割脉冲序列。

基本系统中有二个工作模式：一个“正常”模式和一个“维修”模式。设有一个钥匙控制的开关。当钥匙不插入开关时，系统处在正常模式。拥有钥匙的熟练操作者可以插入钥匙，并且当必要时，将系统切换至维修模式。本领域技术人员应知道，还有其他的方法可保证只有训练有素的熟练人员才能将系统切换至维修模式。

在正常模式下，下面要说明的安全措施可允许技术熟练程度较低和经验较少的人操作该系统。维修模式可帮助熟练的有资格的人员，将系统脱离障碍物，碰撞或其他不安全情况的影响，并可对不是总是有平衡运动的系统进行维户、修理和调整。

设有一个手持控制装置，它具有(除了其他与本发明无关的控制装置以外)一个三位的瞬时开-关-开开关，以控制主垂直运动。开位置中的一个位置用于要求直线运动作动器沿向上方向移动垂直臂支承装置。另一个开位置要求直线运动作动器沿向下方向移动垂直臂支承装置。在维修或正常模式中，当切换至关位置，一旦操作者控制解除时，垂直运动就停止。

在维修模式下，为响应运动要求，垂直臂支承装置作动器总是通电的。要由熟练的操作者来保证工作安全。

在正常模式下，安全措施起作用，这将在下面的部分中说明。

在正常模式下开始向上或下运动以前，要求主臂处在能检测影响运动的异常条件的位置。这里有几个简单的控制实施例。二个实施例要在这里说明，其他则是本领域技术人员所熟知的。在第一个实施例中，当要求向上或向下运动时，如果MAC为真值，表示主臂处在相对行程范围的“中心区”，则动力加在垂直运动作动器上，所要求的运动开始。当操作者起动向上控制或向下控制时，如果MAC为假值，则系统自动地使主臂定心。特别是，如果MAU为真值，则系统将使用垂直微调驱动电机和离合器，来在向下方向驱动主臂，直至MAU切换至假值为止。在这点上，主臂非常接近中心区的中心。然后，开始垂直臂支承装置的运动。类似地，如果MAD为真值，则系统在向上方向驱动主臂，直至MAD切换成假值为止。这时，主臂非常接近中心区的中心。然后，可以开始垂直臂支承装置的运动。

在第二个实施例中，可以合理地假设，如果在垂直运动过程中碰到障碍物，则主臂在与所要求运动的相反方向运动。例如，在向上方向运动时碰到障碍物，则会使主臂相对于垂直臂支承装置向下运动。在这个实施例中，当要求向上运动时，如果MAU(MAD)或MAC为真值，则允许同上(向下)垂直运动。如果都不是真值，则MAD(MAU)必须为真值，并且主臂相对于垂直臂支承装置向上运动，直至MAD(MAU)变为假值为止。这表示主臂相对于垂直臂支承装置位于中心。如上所述，可以设计机械手，使得当操作者控制解除时，垂直运动停止。

在每一个实施例中，当系统开始使主臂自动定心时，定时器开始工作。当主臂达到其中心位置时，定时器停止。如果障碍物、干扰物或其他误动作防碍主臂在预先确定的时间内定心，则定时器给出输出信号，切断送至所有驱动机构的电源，并给操作人员发出警告。当故障修理好以后，必须由熟练的操作者手动将通至驱动机构的电源接通。技术熟练的、有资格的人员必须使用维修模式来消除故障。可以容易地使用钥匙控制的开关或其他安全装置将电能重新恢复给作动器，以增加安全性。

因为垂直微调轴处在平衡状态，只需很小的外力(一般小于15kg)可使主臂和垂直臂支承装置之间产生相对运动。当直线运动作动器在向上或向下方向上驱动垂直臂支承装置时，垂直微调轴保持在平衡状态；主臂不会相对于垂直臂支承装置作相对的垂直运动。如果碰到障碍物或干扰物，和被系统负载碰撞时，则因此而加在主臂上的力会造成相对运动。这个相对运动由运动检测器检测。这种情况是有潜在危险的，因为它会威胁生命、使身体受伤和/或严重损害设备。因此，如上所述，为了防止或至少是将伤害减至最小，立即切断通向所有驱动机构的电源，并给操作者发警报。在故障修理完毕后，必须由技术熟练的有资格的操作者手动接通送往驱动机构的电源。为了增加安全性，可以使用钥匙控制的开关或其他安全装置，将电能重新恢复给作动器。另外，熟练的有资格的操作者可以使用维修模式来消除故障。

因为这是一个基本系统，因此可能存在操作者错误造成碰撞。例如，假设测试头刚刚与晶片探测器脱离对接，希望将测试头向上运动，离开晶片探测器。粗心的操作者可能错误地启动向下控制，而不是向上控制。这样，测试头会进入对接，发生碰撞造成可以检测到的相对运动，因此切断所有驱动电机的电源。更复杂的系统可以使用传感器和控制装置来防止发生这种事故。一般，控制系统不大可能检测到和防止所有危险的情况，因此系统设计必须考虑这点。

在切断通向直线运动作动器的电能，从上述事故中恢复过来和消除所碰到的障碍物时，熟练的操作者也可使用在正常模式下的垂直动力驱动装置，使系统负载离开障碍物。即：使主臂在引起碰撞的原来运动的相反方向上运动。如早先所述，有可能主臂离开原来的定心位置，而障碍物防止主臂自动定心。因为相对运动的“中心区”相当大(总共为1/4～1/2英寸)，因此修理工可以手动调节主臂的位置至不需要首先定心是真值就可以运动的一点(尽管主臂有点偏移中心)。当作动器电源再接通时，可以使用直线运动作动器，来使系统负载离开障碍物。一旦系统离开障碍物1英寸或2英寸，操作者可以停止运动，如果想这样的话，则手动调节主臂至离开中心区的位置，使MAC变成假值，并重新开始运动。这可利用正常的工作过程，就可使主臂自动定心。在上述情况下，熟练的操作者避免使用维修模式，并方便地使安全机构工作。

该系统另一个方面涉及检测相对运动的阈值。理想情况是，当直线运动作动器驱动垂直臂支承装置向上或向下，在系统平衡时，没有相对于主臂的相对运动。然而，当起动和停止时，会有一点小的运动。另外，由于使用时间长系统质量变坏，可能产生“颤动”式的相对运动。这些因素造成小量的运动，或必须忍受的运动噪声。如早先所述，使用简单的增量式编码器作为运动检测器，可在运动检测阈值下进行系统运动的电子调整。

另一个考虑是测试系统缆的影响。一般来说，当测试头垂直运动时，缆作用在测试头上的力改变。在序列号为PCT/US 00/00704的美国专利申请中，说明了使用伸缩式的缆支承臂与由直线运动作动器驱动的调水平机构组合。在该系统中，一旦达到垂直位置，缆就相对于测试头处在水平位置。操作者还可以协调地同时使调平器和测试头运动。在本发明中，应该清楚，为了防止假的相对运动信号和/或消除或减小缆力变化对相对运动噪声水平的影响，希望保持伸缩式缆支承臂的相对角度为常数(最好为水平)。否则，垂直运动时常停止，需要在继续工作前再恢复动力。

一种方法是将伸缩式缆支承臂的通往控电板的一端，与垂直臂支承装置结合，使伸缩式支承臂的两端与测试头一致运动。这个方法可减少垂直臂支承装置必须承受的多余缆和缆支承装置的重量引起的有效负载。对于测试头很大和缆很重的系统，这是一个严重的缺点。

另一种方法是对缆支承和速度很匹配的垂直臂支承装置使用垂直的作动器。如果需要的话，可以利用可调谐电气速度控制电路来调节作动器的电机速度。应该注意，速度取决于负载和其他因素，因此，可以利用传感器和反馈机构，用通常方法来动态地调节螺杆速度。

以上说明了用于本发明的一个非常基本的控制系统，目的是要说明基本的控制和安全措施。可以预想到，部分地基于更复杂的感测装置，可以容易地开发出更复杂的控制系统。

另外，本说明是基于使用滚珠丝杠机构来提供传动比以实现本发明。本领域技术人员应知道，可以使用其他的装置来达到同样的效果，包括(但不限于)杠杆、复合杠杆、台阶式皮带轮、齿轮和其他机构。因此，本发明不限于使用滚珠丝杠。

虽然说明了用直线运动作动器进行微调运动，但也可以使用带微调运动的直线运动作动器。当然，直线运动作动器必须平衡，但最终结果是保持能用滚珠丝杠或其等价物进行主要垂直调节的能力，和能用微调运动进行微小调整。

Claims (89)

1.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个进行负载第一位置调整的驱动机构；和

一个进行负载第二位置调整的结合机构，该结合机构具有与负载结合的承载部件，和承受平衡力的输入部件，该结合机构具有大于1的传动比，由于传动比，作用在输入部件上的平衡力增加，而产生了一个更大的施加在负载上的合力，该平衡力在基本上无重量的状态下支承该负载。

2.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个负载支承；

一个位于负载支承上用于接受负载的工作头附件；

能够进行第一位置调整的主支承；和

使负载支承与主支承结合的结合机构，该结合机构具有直接与主支承结合一个固定部分、一个与负载支承结合以支承该负载支承的承载部件，和一个被施加平衡力的输入部件，该结合机构可对承载部件进行微调调节，并具有大于1的传动比，因此，由于传动比，作用在输入部件上的力增加，而产生一个更大的施加在承载部件上的合力。

3.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个负载支承；

一个在负载支承上用于接受负载的工作头附件；

一个不顺从的驱动机构；

一个主垂直支承，该负载支承通过不顺从的驱动机构与主垂直支承滑动结合，作直线运动；和

一个结合机构，它有一个承载部件和被施加平衡力的输入部件，该结合机构有大于1的传动比，因此，由于传动比，作用在输入部件上的力增加，而产生一个更大的施加在承载部件上的合力，将负载支承与垂直支承结合。

4.一种支承工作头的测试设备，该设备包括：

一个负载支承；

一个在负载支承上用于接受负载的工作头附件；

一个不顺从的驱动机构；

一个可调节的主垂直支承，该负载支承通过不顺从的驱动机构与主垂直支承滑动结合，作直线运动；和

一个结合机构，它有一个承载部件和被施加平衡力的输入部件，该结合机构有大于1的传动比，因此，由于传动比，作用在输入部件上的力增加，而产生一个更大的施加在承载部件上的合力，将负载支承与主垂直支承结合。

5.一种测试待测试部件的设备，该设备包括：

一个主垂直支承，具有机械驱动调节装置，以实现粗的垂直调整；

一个与该主垂直支承滑动结合的负载支承；

一个具有大于1的传动比的结合装置，用于将负载支承与主垂直支承结合，该该结合机构具有直接与主支承结合一个固定部分、一个与负载支承结合的承载部件，和一个被施加平衡力的输入部件，因此，当一个李施加到输入部件上时，在负载支承上施加一个相应的力；和

一个由该负载支承支承的测试头附件机构，负载支承可调节测试头的位置，所述位置调整包括通过所述结合机构进行的测试头的微调。

6.如权利要求1、4或5所述的设备，其特征为，进行第一位置调整的驱动机构为不顺从的驱动机构。

7.如权利要求2所述的设备，其特征为，一个不顺从的驱动机构进行所述的第一位置调整。

8.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，其特征为，结合机构包括一根大螺距、摩擦小、可以反向驱动的滚珠丝杠。

9.如权利要求8所述的设备，其特征为，平衡力是通过所述滚珠丝杠，由与承载部件结合的配重产生的。

10.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，还包括：

用于结合承载部件以在所述预先确定的界限内进行运动的缆；

由配重产生的平衡力，其中，

结合机构的传动比和配重的重量，可使承载部件和在其上的负载，在垂直微调运动中基本上无重量地运动，并且，如果缆放置在水平平面上，其高度大体上与负载重心的高度相同，则在所述预先确定的界限内，在垂直行程上由于缆位置变化产生的力可以忽略不计。

11.如权利要求1～5中任何一项所述的装置，其特征为，平衡力由配重产生。

12.如权利要求4所述的设备，其特征为，结合机构的传动比和配重的重量，使负载在垂直微调运动中基本上无重量地运动。

13.如权利要求3、4或5所述的设备，它包括一个驱动机构，该机构包括至少一个直线运动作动器，用于驱动结合装置相对于主垂直支承作垂直运动。

14.如权利要求13所述的设备，它包括一个直线运动作动器，该作动器包括一个电机驱动的机构，该机构具有传动比和内摩擦，足以防止在全负载下反向驱动，因此可使作动器在系统范围内的任何高度上，支承全部系统负载。

15.如权利要求13所述的设备，它包括：

直线运动作动器，该作动器包括一个电机驱动的机构，该机构具有传动比和内摩擦，足以防止在全负载下反向驱动，因此可使作动器在系统范围内的任何高度上，支承全部系统负载；和

对负载进行结构支承的直线运动作动器，使得当结合机构失效或不平衡时，负载不会落在地面上，或落下距离不大于所述预先确定的界限的大致距离。

16.如权利要求2、3、4或5所述的设备，它包括：

实现负载支承的第一运动范围的主支承；和

结合机构，它允许在垂直方向上由所述预先确定的界限决定的进一步垂直运动。

17.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，它包括一个使负载进一步运动的缆支轴。

18.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，它还包括可使所述负载作水平运动的一个基座。

19.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，其特征为，结合机构包括一个台阶式缆卷盘。

20.如权利要求1所述的设备，其特征为：

一个主垂直支承将结合机构支承在驱动机构上；和

主垂直支承包括一个伸缩立柱。

21.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，其特征为，承载部件为沿着固定在固定高度的立柱上的至少一根轴或轨道上滑动的一个结构。

22.如权利要求1所述的设备，其特征为，

进行负载第一位置调整的驱动机构包括至少一个直线运动作动器；和

该直线运动作动器驱动一个垂直臂支承装置和一个系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

23.如权利要求22所述的设备，其特征为，该直线运动作动器包括一个电机驱动的螺杆机构，该螺杆的螺距和内摩擦足以防止在全负载下反向驱动，因此使该作动器可在驱动机构范围内的任何高度上，支承系统负载作第一位置调整。

24.如权利要求2所述的设备，其特征为，

一个驱动机构进行第一位置调整；

驱动机构包括至少一个直线运动作动器；和

直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

25.如权利要求24所述的设备，其特征为，该直线运动作动器包括一个电机驱动的螺杆机构，该螺杆的螺距和内摩擦足以防止在全负载下反向驱动，因此使该作动器可在驱动机构范围内的任何高度上，支承系统负载作第一位置调整。

26.如权利要求3或4所述的设备，其特征为，

该不顺从的驱动机构包括至少一个直线运动作动器；和

该直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

27.如权利要求26所述的设备，其特征为，

该直线运动作动器包括一个电机驱动的螺杆机构，该螺杆的螺距和内摩擦足以防止在全负载下反向驱动，因此使该作动器可在驱动机构范围内的任何高度上，支承系统负载作第一位置调整。

28.如权利要求5所述的设备，其特征为，

进行粗的垂直调整的机械驱动调整装置包括至少一个直线运动作动器；和

该直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

29.如权利要求28所述的设备，其特征为，

该直线运动作动器包括一个电机驱动的螺杆机构，该螺杆的螺距和内摩擦足以防止在全负载下反向驱动，因此使该作动器可在驱动机构范围内的任何高度上，支承系统负载作第一位置调整。

30.如权利要求1～5中任何一项所述的设备，它还包括负载调整装置，该调整装置与结合装置结合，可提供6个轴的运动自由度。

31.如权利要求4所述的设备，其特征为，

该工作头附件，作为工作头，接受一个测试装置，用于测试电气装置，以对作为要测试的部件进行电气测试；和

支承该测试装置与要测试的部件对准。

32.如权利要求31所述的设备，其特征为，要测试的部件为半导体集成电路器件，并且所述的测试是使触点组与晶片、芯片或封装装置上的触点对准来进行的。

33.如权利要求4或5所述的设备，它包括固定部分直接与该主垂直臂支承装置结合的结合机构，因此可以使可调整的主垂直臂支承装置能对测试头的高度进行粗的线性调整。

34.如权利要求4所述的设备，其特征为，承载部件相对于主垂直臂支承装置的垂直运动量，限制在一个足以使测试头在预先确定的线性界限内对接的量，因此，主垂直臂支承装置的直线运动建立的对接高度，可以确定一般的对接位置，并且，结合机构作为微调装置，可在所述预先确定的线性界限内作有限制的运动。

35.如权利要求5所述的设备，它包括：

支承测试头的测试头附件机构；和

包括在要测试的部件上进行电路测试的测试电路的测试头，因此，负载支承装置支承测试头附件机构和测试头，而负载支承装置可进行测试头的位置调整。

36.如权利要求5所述的设备，其特征为，

平衡力包括与输入部件结合的配重；和

配重帮助测试头的所述微调调整。

37.如权利要求5所述的设备，其特征为，

作为工作头，该工作头附件接受用于测试电气装置的测试装置。

38.如权利要求5所述的设备，它包括固定部分直接与该主垂直臂支承装置结合的结合机构，因此可以使可调整的主垂直臂支承装置能对测试头的高度进行粗的线性调整。

39.如权利要求5所述的设备，其特征为，

承载部件相对于主垂直臂支承装置的垂直运动量，限制在一个足以使测试头在预先确定的线性界限内对接的量，因此，主垂直臂支承装置的直线运动建立的对接高度，可以确定一般的对接位置，并且，结合机构可在所述预先确定的线性界限内作有限制的运动作为微调。

40.一种用于检测可移动支承的负载状态的设备，该设备包括：

一个用于控制该支承的主运动的作动器；

一个用于检测该支承的微调运动是否按控制主运动的作动器的预先确定的工作顺序位于预定位置范围内的检测器；和

响应该检测器和控制该作动器以中断支承运动的电路。

41.如权利要求40所述的设备，其特征为，所述预先确定的顺序为预先确定的时间段。

42.如权利要求40所述的设备，其特征为，所述预先确定的顺序为所述主运动。

43.如权利要求40所述的设备，它还包括响应该检测器和中断该作动器的电路。

44.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个与所述负载结合的负载支承；

一个结合机构，它与负载支承结合，在平衡重的条件下支承该负载支承；

一个主垂直支承，上述结合机构与该主垂直支承滑动结合，作直线运动；和

一个检测器，用于感测结合机构的状态是否在预先确定的界限内，从而感测由所述直线运动引起或影响直线运动的错误状态。

45.如权利要求44所述的设备，它还包括：

一个使负载运动的作动器；和

一个电路，它可响应检测器并在第二个运动机构产生的运动超过所述预先确定的界限时，中断该作动器。

46.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个负载支承；

一个工作头附件，位于该负载支承上，用于接收负载；

一个主驱动机构；

一个可调整的主垂直支承，该负载支承通过该主驱动机构，与该主垂直支承滑动结合，作直线运动；

一个结合机构，它与负载支承结合，在平衡重的条件下，在预先确定的行程界限内，支承该负载支承；和

一个对接作动器，用于通过结合机构控制负载支承的运动。

47.一种用于负载定位的设备，该设备包括：

一个负载支承；

一个主驱动机构；

一个主垂直支承，该负载支承通过该主驱动机构与该主垂直支承滑动结合，作直线运动；和

一个在该负载支承上的结合机构，它具有一个承载部件和被施加平衡力的输入部件，其中，承载部件的运动量限制为在一个足以使测试头在预先确定的线性界限内对接的量，因此，主垂直臂支承装置的直线运动建立的对接高度，可以确定一般的对接位置，并且，结合机构可在所述预先确定的线性界限内作有限制的运动作为微调。

48.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个进行负载的第一位置调整的驱动机构；

一个在平衡重的条件下进行负载的第二位置调整的结合机构；

一个用于感测负载的第二位置调整是否在预先确定的界限内的检测器；和

一个电路，它响应检测器，并可在检测到负载的第二位置调整超出预先确定的界限以外时，控制该驱动机构。

49.一种用于感测可移动支承的负载状态的设备，该设备包括：

一个控制支承的第一位置运动的作动器；

一个感测第二位置运动是否在预先确定的范围内的检测器，该第二位置运动是相对于第一位置运动的；和

一个用于感测支承达到所述预先确定的范围所经过的时间的定时器。

50.如权利要求49所述的设备，其特征为，如果所经过的时间超过预先确定的界限，则定时器给作动器发出信号，使由作动器控制的支承的运动结束。

51.一种用于感测可移动负载支承的不正常负载状态的设备，该设备包括：

一个第一定位机构，使负载在预先确定的方向进行运动，该第一定位机构可以产生在第一力范围内的力；

一个第二运动机构，使负载根据第二力范围的力，在所述预先确定的方向上运动，所述第二力范围小于第一力范围；和

一个检测器，用于感测第二运动机构的运动是否超出预先确定的范围。

52.一种用于使负载运动和响应不正常的负载条件的设备，该设备包括：

使负载运动的作动器；

第一定位机构，使负载在预先确定的方向上运动；

第二运动机构，使负载在所述的预先确定的方向上，在小于第一定位机构产生的最大力的力的作用下运动；和

一个检测器，用于感测第二运动机构的运动是否超过预先确定的范围，和向所述作动器送出一个信号，对超过预先确定范围的第二个运动机构作出响应。

53.一种支承负载的设备，该设备包括：

一个进行负载粗的位置调整的驱动机构；

一个在平衡条件下支承负载进行微调运动的负载平衡机构；和

一个检测器，感测负载平衡机构的状态是否超出预先确定的状态，根据感测到的超出预先确定范围的状态，将信号送至所述驱动机构。

54.如权利要求53所述的设备，它还包括：

一个使负载运动的作动器；和

一个电路，它可响应该检测器，并且当第二运动机构产生的运动超过所述预先确定的范围时，中断该作动器。

55.如权利要求40所述的设备，其特征为，控制支承的主运动的作动器为一个不顺从的驱动机构。

56.如权利要求44、46或47所述的设备，其特征为，一个不顺从的驱动机构提供该主垂直支承相对于结合机构的直线运动。

57.如权利要求48所述的设备，其特征为，进行第一位置调整的驱动机构为不顺从的驱动机构。

58.如权利要求51或52所述的设备，其特征为，所述第一定位机构为不顺从的驱动机构。

59.如权利要求53所述的设备，其特征为，一个不顺从的驱动机构进行所述的粗的位置调整。

60.如权利要求40或53所述的设备，其特征为，一个大螺距、摩擦小、可反向驱动的滚珠丝杠进行微调运动。

61.如权利要求44、46、47或48中任何一项所述的设备，其特征为，结合机构包括大螺距、摩擦小、可反向驱动的滚珠丝杠。

62.如权利要求51或52所述的设备，其特征为，第二运动机构包括一根大螺距、小摩擦、可反向驱动的滚珠丝杠。

63.如权利要求53所述的设备，其特征为，该负载平衡机构包括一根大螺距、摩擦小、可反向驱动的滚珠丝杠。

64.如权利要求40、44、46、48、49、51、52或53所述的设备，其特征为，平衡力由配重产生。

65.如权利要求47所述的设备，其特征为，平衡力由配重产生。

66.如权利要求40、46、48、49、51、52或53所述的设备，它包括一个承载部件，其形式为可沿着固定在固定高度的立柱上的至少一根轴或轨道滑动的结构。

67.如权利要求47所述的设备，其特征为，承载部件为可沿着固定在固定高度立柱上的至少一根轴或轨道上滑动的结构。

68.如权利要求40所述的设备，其特征为，

一个驱动机构，使支承作主运动；

该驱动机构包括至少一个直线运动作动器；和

该直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

69.如权利要求48或51所述的设备，其特征为，它包括至少一个直线运动作动器可进行第一位置调整；和

该直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

70.如权利要求53所述的设备，其特征为，

用于进行粗的垂直调整的驱动装置包括至少一个直线运动作动器；和

该直线运动作动器驱动垂直臂支承装置和系统负载作垂直运动，系统负载包括结合机构和负载。

71.如权利要求40、46、47、48、49、51、52或53所述的设备，它还包括负载调整装置，当它与结合机构结合时，能提供6个轴的运动自由度。

72.如权利要求44、46、47、48、51、52或53所述的设备，其特征为，

负载包括用于测试电气装置的测试装置。

73.如权利要求72所述的设备，其特征为，该要测试的部件为半导体集成电路器件，和所述测试是使触点组与晶片、芯片或封装装置上的触点对准来进行的。

74.如权利要求73所述的设备，其特征为，负载支承有带有多个触点的触点组，而对准部分为要测试的基本上为平面形的部件，因此，将带有多个触点的触点组支持在该要测试的基本上为平面形的部件上。

75.一种负载定位的方法，该方法包括：

进行负载的第一位置调整；和

利用一个结合机构，通过用结合机构的承载部件支承负载和在结合机构的输入部件上产生平衡力，而进行负载的第二位置调整，该结合机构具有大于1的传动比，因而由于传动比，作用在输入部件上的平衡力增加，以产生更大的、施加在负载上的合力。

76.一种负载定位的方法，该方法包括：

使负载与负载支承结合；

进行负载的不顺从的位置调整；

利用结合机构进行负载的顺从的位置调整，并与负载的不顺从位置调整结合起来，进行负载的顺从的位置调整；

接收作用在结合机构输入部件上的平衡力；和

利用大于1的传动比产生平衡力，使得由于传动比，作用在输入部件上的平衡力增加，以产生更大的、施加在负载上的合力，并通过结合机构加平衡力，以便在基本上无重量的状态下，顺从地支承负载。

77.一种测试要测试部件的方法，该方法包括：

利用机械驱动调整装置进行主垂直支承的粗的垂直调整；

将负载支承与主垂直支承结合，利用结合装置使微调运动与粗的垂直调整分开，结合机构具有大于1的传动比；和

利用负载支承支承测试头，由此，负载支承可进行测试头的位置调整，所述位置调整包括所述微调运动。

78.一种根据移动负载时不正常的负载状态移动负载的方法，该方法包括：

利用第一定位机构在预先确定的方向上使负载移动；

利用第二运动机构在所述预先确定的方向上在比第一定位机构产生的最大力小的力的作用下使负载运动；和

感测第二运动机构的运动是否超出预先确定的范围，和根据超出预先确定范围的第二个运动机构，控制第一个定位机构产生的所述运动。

79.如权利要求75或78所述的方法，它包括：

在第一组行程限制内线性地进行负载的所述第一位置调整；和

通过在预先确定的行程范围内，进行直线运动，使所述负载的第二位置调整与所述第一位置调整在同一条直线上进行，所述预先确定的行程界限小于第一组行程界限。

80.如权利要求77所述的方法，它包括：

在第一组行程限制内线性地进行负载的所述粗垂直调整；和

通过在预先确定的行程范围内进行直线运动，使所述的负载的所述微调调整与所述第一位置调整在同一条直线上进行，所述预先确定的行程界限小于第一组行程界限。

81.如权利要求75、76或77所述的方法，它包括：

利用与输入部件结合的配重，形成平衡力；和

利用配重帮助微调运动。

82.如权利要求78所述的方法，它包括：

利用配重为第二位置调整形成平衡力；和

利用配重帮助微调运动。

83.如权利要求100所述的方法，它包括：

利用作动器控制支承的运动；

感测在预先确定的时间段内支承的运动是否在预期的位置范围内；和

根据感测到的在预期范围外的运动，控制作动器以中断支承的运动。

84.如权利要求75所述的方法，它包括，在预先确定的行程界限内，在平衡重的状态下支承负载。

85.如权利要求77或78所述的方法，它包括在预先确定的行程界限内，在平衡重的状态下支承负载。

86.如权利要求100所述的方法，它包括一个利用对接作动器控制第二运动机构。

87.如权利要求78所述的方法，其特征为，所述感测括检测负载定位所经过的时间。

88.如权利要求78所述的方法，它包括：

所述感测包括检测由第二运动机构产生的负载运动所经过的时间；和

根据负载故障情况，在预先确定的经过时间内，通过使第一个定位机构的运动中断来运动。

89.一种使测试头与测试站设备对接的方法，它包括：

将测试头装在与主垂直支承滑动结合的负载支承上；

平衡所述测试头；

驱动所述主垂直支承至对接位置；和

利用对接作动器将所述测试头和所述测试站设备靠紧在一起。

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