DE60117003T2

DE60117003T2 - Vertikal ausgeglichener prüfkopfmanipulator

Info

Publication number: DE60117003T2
Application number: DE60117003T
Authority: DE
Inventors: R. Alyn Cherry Hill HOLT; R. Brian MOORE; M. Henri Moorestown AKOUKA
Original assignee: InTest Corp
Current assignee: InTest Corp
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: WO2001064389A3; EP1650573A3; JP2003525433A; DE60117003D1; EP1259829B1; EP1259829A2; WO2001064389A2; KR20020082862A; US20040051517A1; MY144519A; DE60144498D1; CN1408065A; CN100495040C; AU2001239949A1; TWI222911B; EP1650573B1; EP1650573A2; ATE317128T1; US7554321B2; MY138984A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik der Positioniereinrichtungen für elektronische Prüfköpfe.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der automatischen Prüfung von integrierten Schaltungen (IC) und anderen elektronischen Vorrichtungen kann eine spezielle Ausrüstung verwendet werden, um die Vorrichtung auf die geeignete Temperatur zu bringen und die zu prüfende Vorrichtung in Position zu platzieren. Die eigentliche elektronische Prüfung wird durch ein großes und kompliziertes automatisches Prüfsystem ausgeführt, das einen Prüfkopf enthält. Der Prüfkopf ist häufig mit elektronischen Schaltungen dicht bepackt, um eine genaue schnelle Prüfung der hochentwickelten Vorrichtungen zu erreichen. Das Prüfsystem muss den Prüfkopf mit einer Vorrichtungs-Handhabungseinrichtung oder einer anderen Ausrüstung zum Unterstützen der elektronischen Vorrichtungen verbinden und mit dieser koppeln. Systeme zur Positionierung von Prüfköpfen sind auf dem Gebiet der automatischen Prüfung von Halbleitervorrichtungen wohlbekannt.
Bei derartigen Prüfsystemen ist der Prüfkopf sehr schwer, wobei die Masse in der Größenordnung von 40 bis 500 kg liegt. Kürzlich sind Prüfausrüstungen eingeführt worden, die Prüfköpfe mit einer Masse von 1000 kg und mehr verwenden. Der Grund für diese Schwere liegt darin, dass der Prüfkopf Präzisions-Hochfrequenz-Steuer- und Datensignale verwendet, so dass die elektronischen Schaltungen möglichst nahe an der zu prüfenden Vorrichtung angeordnet sein müssen.
Für den Zweck dieser Erläuterung ist eine zu prüfende Einheit (UUT) eine Vorrichtung, wie etwa eine Schaltung oder eine Unterbaueinheit, die einer Prüfung unterzogen wird. Eine zu prüfende Vorrichtung (DUT) ist die vorhandene Vorrichtung (IC), die der Prüfung unterzogen wird. Die DUT ist ein bestimmter Typ der zu prüfenden Einheit (UUT). Eine Prüfstationsvorrichtung (TSA) bezeichnet allgemein Wafer-Untersuchungseinrichtungen, Handhabungseinrichtungen für Vorrichtungen und Stationen zur manuellen Prüfung. Ein Prüfkopf ist ein Funktionskopf, der speziell für die Prüfung entwickelt wurde.
Neueste Fortschritte in der Halbleiterindustrie haben die folgenden Wirkungen:

1. DUTs sind komplexer geworden, wobei die Anzahl von Transistoren pro Vorrichtung von einigen tausend stetig auf einige Millionen angestiegen ist.
2. DUTs sind in steigendem Maße komplexe Mischungen aus digitalen Schaltungsanordnungen, analogen Schaltungsanordnungen sowie Schaltungsanordnungen mit gemischten Signalen geworden.
3. Die Anzahl von E/A-, Stromversorgungs- und Signal-Masse-Referenzanschlussstiften pro Vorrichtung ist von weniger als hundert auf mehrere hundert angestiegen.
4. DUT-Taktraten sind von einigen zehn MHz auf mindestens 1 GHz gestiegen.
5. Daten-, Adressen- und Steuersignale liegen demzufolge im Bereich von mindestens einigen 100 MBps.
6. Die Anforderung der Frequenzbandbreite pro Anschlussstift liegt im Bereich von mindestens einigen zehn GHz.

Änderungen am gewünschten Aufbau von Prüfsystemen werden folglich ausgeführt, um die folgenden Betrachtungen zu erfüllen:

1. Der Prüfkopf enthält eine größere Anzahl, schnellere und komplexere Pinelektronik-Schaltungen.
2. Infolge der höheren Schaltraten muss im Prüfkopf eine größere Verlustleistung pro Pinschaltung erwartet werden.
3. Wasserkühlungssysteme mit zirkulierendem Wasser sind den Prüfköpfen hinzugefügt worden, die ihr Gewicht vergrößern und erfordern, dass an dem Prüfkopfkabel eine flexible Installation ausgeführt wird.
4. In dem Prüfkopf-Anschlusskabel befindet sich eine größere Anzahl von Stromversorgungs- und Masseleitern mit größeren Signalpegeln.
5. Die Schaltungsanordnung wird vom Systemschrank zu dem Prüfkopf verlagert, um den Umfang der Signalverdrahtung und zugehöriger Verzögerungen in dem Kabel zu reduzieren.

Diese Faktoren haben dazu geführt, dass die Größe und das Gewicht von Prüfköpfen bedeutend angestiegen sind:

1. Die Forderung, dass der Prüfkopf in enge Nähe zur DUT gebracht wird, ist zunehmend wichtig.
2. Das Kabel vom Prüfkopf zum Prüfeinrichtungsschrank sollte möglichst kurz gehalten werden, während es gleichzeitig dicker und steifer geworden ist.

Dadurch sind Prüfköpfe und ihre zugehörigen Kabel bedeutend größer und schwerer geworden.
Die Prüfkopf-Positionierungsvorrichtung ist eine mechanische Vorrichtung, die es einer Bedienungsperson ermöglicht, den Prüfkopf einer automatischen Prüfausrüstung, der eine Masse von einigen hundert Kilogramm besitzt, in die Nähe einer Wafer-Handhabungseinrichtung, einer Wafer-Untersuchungseinrichtung oder einer anderen Prüfstationsvorrichtung (TSA) zu bringen, damit der Prüfkopf mit der TSA gekoppelt werden kann. Da Halbleiterchips in der Vergangenheit immer schneller und komplexer geworden sind und das auch zukünftig der Fall sein wird, sind Größe und Gewicht der Prüfköpfe ständig gestiegen. Des Weiteren sind die Größe und das Gewicht des Kabels, das den Prüfkopf mit dem Schrank der Ausrüstung zur automatischen Prüfung verbindet, dementsprechend angestiegen. Diese Faktoren haben einen Bedarf an Prüfkopf-Positionierungssystemen erzeugt, die sowohl eine größere Kapazität der Lastbeförderung als auch einen größeren Bewegungsbereich besitzen. Es ist insgesamt eine große Herausforderung, eine Vorrichtung zu entwickeln, die Lasten mit einer Masse von etwa einigen hundert Kilogramm, die Drehmomente im Bereich von mehr als 10000 Nm auf die Unterstützungsstrukturen ausüben, frei bewegen kann.
Das Prüfkopf-Positionierungssystem kann verwendet werden, um den Prüfkopf in Bezug auf die Vorrichtungs-Handhabungseinrichtung oder eine andere Prüfstationsvorrichtung (TSA) zu positionieren. Wenn der Prüfkopf in Bezug auf die TSA genau in Position ist, sind der Prüfkopf und die TSA aufeinander ausgerichtet. Wenn der Prüfkopf und die TSA ausgerichtet sind, können die empfindlichen Verbinder des Prüfkopfs und die elektrischen Verbinder der TSA in Kontakt gebracht (d. h. gekoppelt) werden, wodurch die Übertragung von Prüfsignalen zwischen dem Prüfkopf und der TSA ermöglicht wird. Vor der Kopplung müssen die empfindlichen Verbinder des Prüfkopfs und die elektrischen Verbinder der TSA genau ausgerichtet werden, um eine Beschädigung der empfindlichen elektrischen Verbinder zu vermeiden.
Ein Prüfkopf-Positionierungssystem kann außerdem als Prüfkopf-Positioniereinrichtung oder als Prüfkopf-Manipulator bezeichnet werden. Diese Technologie ist z. B. im inTEST Handbook der inTEST Corporation beschrieben. Diese Technologie ist z. B. außerdem in den US-Patenten Nr. 6.057.695, 5.900.737, 5.608.334, 5.450.766, 5.030.869, 4.893.074 und 4.715.574 beschrieben, die alle auf Grund ihrer Erkenntnisse auf dem Gebiet der Prüfkopf-Positionierungssysteme durch Literaturhinweis eingefügt sind.
Prüfköpfe und ihre entsprechenden Positioniereinrichtungen werden häufig in einer Reinraumumgebung verwendet. Es ist häufig teuer, Reinraumumgebungen zu schaffen, und deshalb steht der nutzbare Raum zu einem hohen Preis zur Verfügung. Eine Vielzahl von Prüfkopf-Positionierungssystemen stehen gegenwärtig zur Verwendung in Reinraumumgebungen zur Verfügung. Obwohl einige dieser Prüfkopf-Positionierungssysteme eine Vielzahl von erwünschten Merkmalen aufweisen, kann der Raumumfang, den jedes dieser Prüfkopf-Positionierungssysteme für eine ordnungsgemäße Funktion benötigt, unerwünscht groß sein. Da die Vorrichtungsprüfung so entwickelt wurde, dass in ständig steigendem Maße komplexe Aufgaben behandelt werden, sind Prüfköpfe immer größer und schwerer geworden. Wenn Prüfköpfe immer größer werden, wird es immer schwieriger, vollständig manuelle, vollständig im Gleichgewicht befindliche Verfahren physisch in Hardware zu implementieren, wobei weitere Verbesserungen gefordert werden.
Im Idealfall würde eine schwere Last, wie etwa ein schwerer Prüfkopf, in einem im Wesentlichen gewichtslosen Zustand für relevante Bewegungen unterstützt. "Im Wesentlichen gewichtslos" bedeutet, dass eine Kraft, die zum Positionieren der schweren Last erforderlich, wesentlich kleiner ist als die Kraft, die zum Heben der Last erforderlich ist.
Die Neuerungen von Prüfkopf-Positionierungssystemen, die in der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. PCT/US00/00704 offenbart sind (die hier durch Literaturhinweis eingefügt ist), haben sich in vielen Situationen als nützlich erwiesen. Durch diese Neuerungen ist ein vollständig im Gleichgewicht befindlicher Manipulator geschaffen worden, der dem Prüfkopf sechs Bewegungsfreiheitsgrade verleiht. Das System ist durch Gegengewichte ausgeglichen und das Prüfkopfkabel wird so gehandhabt, dass der Prüfkopf leicht in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden mit einer geringen Kraft bewegt werden kann. Dadurch kann eine Bedienungsperson den Prüfkopf leicht positionieren und der Prüfkopf-Kopplungsmechanismus kann den Prüfkopf einfach in eine genaue Ausrichtung mit der TSA-Prüfstelle ziehen. Außerdem ist eine unabhängige Bewegung in jedem Freiheitsgrad möglich.
Wenn sich der Prüfkopf bewegt, enthält die gesamte bewegte Masse den Prüfkopf, die Gegengewichte und alle beweglichen Teile des Manipulators. Die gesamte bewegte Masse ist viel größer als lediglich die Masse des Prüfkopfs und ist demzufolge sehr groß. Bedienungspersonen können eingeschüchtert und ängstlich sein, ein derartig massereiches Objekt bzw. eine derartig massereiche Vorrichtung manuell zu manipulieren, selbst wenn es bzw. sie sich vollständig im Gleichgewicht befindet und lediglich eine kleine Kraft erforderlich ist. Die Verwendung von angetriebenen Wellen mit Fernsteuereinrichtungen ist ein erwünschtes Merkmal geworden: während der Kopplung übernimmt jedoch der Kopplungsbetätigungsmechanismus die Steuerung des Manipulators und es ist dann zu bevorzugen, dass sich der Manipulator in einem konformen Zustand befindet, um den Prüfkopf mit kleiner Kraft in allen Achsen gleichzeitig frei zu bewegen. Viele Benutzer ziehen es vor, den Manipulator während der Prüfung in einem frei beweglichen, im Gleichgewicht befindlichen Zustand zu lassen, um Schwingungen von der Automatisierungsausrüstung der Prüfhandhabung zu absorbieren.
Der größere Bereich der Bewegungsanforderungen, kombiniert mit größeren konstruktiven Anforderung führen zu der Situation, bei der der Manipulator zu groß werden kann, um in herkömmlicher Weise versandt zu werden. Die maximale Höhe eines Versandcontainers und einer Palette mit Gleitkufen ist im Einzelnen auf etwa 109 Zoll (etwa 9 Fuß bzw. 2,75 m) durch vorhandene Lastkraftwagen und die größten kommerziellen Lastflugzeuge (Boeing 747) beschränkt. Die Anforderung der vertikalen Gesamtbewegung liegen gegenwärtig bei etwa 48 Zoll (1,22 m), wenn die konstruktiven Anforderung für die Basis und die Säule kombiniert werden, wobei dies bei Annahme einer vertikalen Säule mit fester Höhe zu einem System führt, das für einen herkömmlichen Versand zu hoch ist.
Eine Lösung für das Höhenproblem besteht darin, eine Säule aus zwei oder mehr Segmenten zu verwenden, die zusammengeklappt, gefaltet oder teleskopartig eingeschoben werden können. Manipulatoren mit teleskopartigen vertikalen Säulen sind seit mehreren Jahren bekannt. Bis vor kurzem konnten jedoch die Zusatzkosten zum Konstruieren einer teleskopartigen vertikalen Säule nicht gerechtfertigt werden. Vor kurzem offenbarten die US-Patente Nr. 5.931.048 an Slocum u. a. und 5.949.002 an Alden einen Manipulator mit einer motorgetriebenen teleskopartigen Säule. Im Patent '048 wird ein pneumatischer Mechanismus verwendet, um eine Ausgleichseinrichtung der vertikalen Achse für eine Kopplung zu schaffen. Das Patent '002 stellt fest, dass eine derartige Lösung Einschränkungen aufweist und versucht die Ausgleichseinrichtung zu verbessern, indem eine Lastzelle als ein Sensor in einer Rückkopplungsschleife des automatischen Steuersystems verwendet wird. Diese Technik der aktiven Ausgleichseinrichtung vergrößert die Kosten und Komplexität des Systems, insbesondere dann, wenn ein sicherer Betrieb bei Fehlern und unplanmäßigen Bewegungshindernissen vorgesehen ist. Eine stärker erwünschte Anordnung würde eine motorgetriebene vertikale Achse sein, die in Abhängigkeit von den Systemanforderungen vom Teleskoptyp sein kann und Gegengewichte enthält, derart, dass eine im Wesentlichen gewichtslose, durch Gegengewichte ausgeglichene Bewegung für Kopplungs- und Prüfoperationen möglich ist.
Gegenwärtige Manipulatoren, die Gegengewichte verwenden, sind typischerweise so konfiguriert, dass das Gesamtgewicht der Gegengewichte etwa gleich der Last ist. Die Last enthält den Prüfkopf, die bewegliche Unterstützungsvorrichtung und einen Abschnitt des Kabels. Dadurch können die Gegengewichte eine größere Masse besitzen als der eigentliche Prüfkopf. Wenn Prüfköpfe schwerer werden, führt das zu folgenden unerwünschten Situationen:

Das Volumen, das zur Aufnahme der Gewichte in dem Manipulator erforderlich ist, wird unhandlich.
Der Gesamtumfang von Gewichten, die bei der Installation eines neuen Prüfkopfs bewältigt werden müssen, sowie die Lagerung von nicht verwendeten Gewichten wird gleichfalls unhandlich.
Die Systemträgheitskraft sowie bestimmte einschränkende Reibungskräfte schwanken außerdem um etwa das Doppelte des Prüfkopfgewichts plus das Gewicht von beweglichen Manipulatorkomponenten.
Belastungskräfte auf Säule, Plattform, Kabelrollen und weitere Unterbaugruppen steigen auf das Doppelte der Wachstumsrate des Prüfkopfgewichts. Diese Belastungskräfte können außerdem eine nachteilige Auswirkung auf die Gesamtsystemreibung und demzufolge auf die Kraft, die zum Positionieren und Koppeln des Prüfkopfs erforderlich ist, haben.
Die beweglichen Platten und weitere Vorrichtungen einer beweglichen Grundeinheit besitzen eine beträchtliche Masse, die mit dem Prüfkopfgewicht anwächst und zur Trägheit des Gesamtsystems beträchtlich beiträgt.

Die Positionierung von schweren Objekten ist im Allgemeinen sehr schwierig. Die Manipulation von schweren Objekten wird typischerweise mit Kraftunterstützung durch Servomechanismen oder durch Lastausgleich ausgeführt. Jede dieser Techniken besitzt Nachteile. Insbesondere dann, wenn eine Bedienungsperson der Ausrüstung, die ein schweres Objekt manipuliert, eine relevante Bewegung nicht vollständig steuern kann, könnte dies eine ernste Körperverletzung oder Ausrüstungsschäden zur Folge haben.
In einigen Fällen könnte die Last eine geringe Vorbelastung aufweisen, so dass sich lediglich ein geringer Bruchteil des Gesamtgewichts der Last in der Kraft widerspiegelt, die zum Einstellen eine Position der Last erforderlich ist. Wenn somit eine Last von 300 kg positioniert werden soll, wäre es sehr schwierig, die Last ohne mechanische oder Kraftunterstützung zu bewegen. Wenn die Kraft, die zum Bewegen der Last von 300 kg erforderlich ist, 5 kg betragen würde, wäre es viel leichter, die Last zu manipulieren. Außerdem besteht eine wesentlich geringere Gefahr für den Maschinenbediener, der zwischen der Last und einem anderen Objekt eingeklemmt werden könnte. Da 5 kg im Vergleich zu 300 kg unbedeutend sind, kann die Last so betrachtet werden, dass sie in einem "im Wesentlichen gewichtslosen" Zustand aufgehängt ist.
Eine Positioniereinrichtung, die sich längs einer Unterstützungsstruktur bewegen kann, trägt den Prüfkopf zum gewünschten Ort, an dem der Prüfkopf positioniert wird, um mit der TSA verbunden und gekoppelt zu werden. Der Prüfkopf ist an den Positioniereinrichtungen befestigt, so dass der Prüfkopf bis zu sechs Bewegungsfreiheitsgrade erreichen kann: X, Y, Z, θX, θY, θZ.
Für eine Widerspruchsfreiheit mit Beschreibungen von Prüfkopf-Positionierungssystemen nach dem Stand der Technik wird das in den 2 und 3 dargestellte Koordinatensystem verwendet, bei dem:

Y: = vertikale Achse 102, die von oben nach unten verläuft
X: = horizontale Achse 104, die seitlich bzw. von links nach rechts verläuft
Z: = horizontale Achse 106, die von innen nach außen verläuft.

Bei Betrachtung von der Vorderseite des Manipulators bildet dies ein Cartesisches Koordinatensystem.
Drehungen um die Achsen werden in der folgenden Weise bezeichnet:

θY (theta Y): = Drehung um die Y-Achse (wird nachfolgend als "Schwingen" oder "Gieren" bezeichnet) 108
θZ (theta Z): = Drehung um die von innen nach außen sich erstreckende Achse (wird nachfolgend als "Rollen" oder "Drehen" bezeichnet) 110
θX (theta X): = Drehung um die X-Achse (wird nachfolgend als "Taumeln" oder "Nicken" bezeichnet) 112.

Insbesondere in 3 enthält der Prüfkopf 305, der in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, an einer Oberfläche eine Prüfschnittstelle 310. Die Prüfschnittstelle 310 hält typischerweise eine Prüfschnittstellen-Leiterplatte 315, die neben weiteren Funktionen Verbindungspunkte zu den Prüfeinrichtungen in der Untersuchungseinrichtung, der Handhabungseinrichtung, der manuellen Prüfstation oder einer weiteren Prüfstationsvorrichtung (TSA) bereitstellt. Wie in 3 gezeigt ist, hat der Prüfkopf 305 eine Länge 312, eine Dicke 313 und eine Breite 314. Die Oberfläche, die die Prüfschnittstelle 310 aufweist, wird nachfolgend als "Schnittstellenoberfläche" (IS) 310 bezeichnet. Die IS definiert sowohl eine Ebene als auch eine Richtung; wobei die Richtung durch einen Vektor beschrieben wird, der senkrecht zur horizontalen Ebene verläuft und weg von dem Prüfkopf zeigt. Im Gebrauch wird sich die Ausrichtung des Prüfkopfs ändern, wenn er mit verschiedenen Typen der Ausrüstung gekoppelt ist. Demzufolge werden sich sowohl die Ebene als auch die Richtung der IS 310 ebenfalls ändern.
Im Gebrauch kann der Prüfkopf wie in der TSA durch eine Aufwärtsbewegung mit der DUT in Kontakt gebracht werden. In diesem Fall zeigt die Schnittstellenoberfläche 310 nach oben (IS UP). Eine weitere Alternative besteht darin, dass der Prüfkopf wie in einer Untersuchungseinrichtung durch eine Abwärtsbewegung mit der Vorrichtung in Kontakt gebracht werden kann. In diesem Fall zeigt die Schnittstellenoberfläche 310 nach unten (IS DOWN). Drittens können sowohl die DUT als auch die IS 310 in einer vertikalen Ebene ausgerichtet sein (IS vertikal). Viertens können sowohl die DUT als auch die IS 310 unter einem beliebigen Winkel zwischen IS UP und IS DOWN ausgerichtet sein. Wenn der Prüfkopf von einer Vorrichtung zur anderen bewegt wird, ist klar, dass er zwischen den Positionen IS UP, IS DOWN und IS vertikal gedreht werden muss. In Abhängigkeit vom Manipulator kann dies durch eine Drehung entweder der Taumel- (Nick-) oder der Roll- (Dreh-) Koordinaten bewirkt werden.
Der Prüfkopf ist mit dem Prüfschrank durch ein großes dickes Bündel von Kabeln (nicht gezeigt) verbunden. Die Kabel, die Größe, das Gewicht und der Widerstand gegen Biegen und Verdrehen beeinträchtigen die Prüfkopfbewegung und schränken diese ein. Die Prüfkopfbewegung wird vorzugsweise so ausgeführt, dass das Kabel gegen verschiedene Einflussfaktoren geschützt ist, wie z. B. im US-Patent Nr. 5.608.334 beschrieben ist.
Viele Prüfköpfe, insbesondere große Prüfköpfe werden an dem Manipulator unter Verwendung einer Kabelschwenkeinrichtung befestigt. Bei der Kabelschwenk-Betriebsart verläuft das Kabel vom Prüfkopf am Drehzentrum und parallel zur Drehachse (die senkrecht zur Roll- oder Drehachse verläuft). Dies ist z. B. in den US-Patenten Nr. 5.030.869, 5.450.766 und 5.608.334 beschrieben. Ein Mechanismus zum Unterstützen des Kabels ist z. B. im US-Patent Nr. 4.893.074 beschrieben.
Verschiedene Manipulatoren erzeugen in ihrer Basis zwei oder mehr Bewegungen. Ein Manipulator, der von Teradyne hergestellt wird und in den US-Patenten Nr. 5.931.048 und 5.949.002 beschrieben ist, auf die oben Bezug genommen wurde, verwendet eine derartige Bewegung. Die Vorrichtung von Teradyne erzeugt eine Schwenkdrehung und eine Seitenbewegung in ihrer Basis mit dem an der Unterseite befindlichen Schwenkmechanismus; wobei bei diesem Manipulator eine Hin- und Her-Bewegung in den Arm- und Trägerbaueinheiten erzeugt wird. Ein weiterer Manipulator, der von Reid-Ashman Mfg., Inc. hergestellt wird, erzeugt eine Seiten- und eine Hin- und Her-Bewegung in der Basis, wobei ein Schwenken durch Drehung des Arms um eine Welle erzeugt wird, die an der Säule befestigt ist. Ein Manipulator, der von Schlumberger hergestellt wird, erzeugt eine Seitenbewegung und eine Schwenkdrehung in seiner Basis, wobei sich der Schwenkmechanismus über dem Mechanismus der Seitenbewegung befindet. Hin- und Her- und Roll-Bewegungen werden in der Armbaueinheit erzeugt. Dieser Manipulator ist deswegen einzigartig, da das Kabel vom Schrank durch das Zentrum der Säule über dem Drehzentrum verläuft und am Prüfkopf endet. Bei dem Manipulator ist außerdem ein Federmechanismus einzigartig, der als ein Gegengewicht wirkt und erstmalig in den US-Patenten Nr.4.943.020 und 4.973.015 beschrieben wurde, die beide an Schlumberger übertragen sind. Schließlich erzeugt ein weiterer Manipulator, der ebenfalls von Reid-Ashman Mfg., Inc. hergestellt wird, alle drei Bewegungen in seiner Basis mit dem an der Unterseite angebrachten Schwenk-Drehmechanismus.
Antriebsmechanismen, wie etwa Motore und andere Aktuatoren, können gemäß der Tendenz einer Kraft an dem angetriebenen Objekt, den Antriebsmechanismus zu bewegen, als "konform" und "nicht konform" klassifiziert werden. Für die Zwecke diese Spezifikation wird der Antriebsmechanismus dann, wenn eine Kraft an einem angetriebenen Objekt den Antriebsmechanismus leicht bewegen kann, als "konform" betrachtet. Wenn eine Kraft an dem angetriebenen Objekt normalerweise nicht in der Lage ist, den Antriebsmechanismus zu bewegen, wird der Antriebsmechanismus als "nicht konform" betrachtet.
Mit einfachen Worten, wenn ein Antriebsmotor in einfacher Weise vorwärts oder rückwärts angetrieben werden kann, wobei er das angetriebene Objekt als seinen Ausgang bewegt, ist der Antriebsmotor "konform". Wenn die Kraftausübung an dem angetriebenen Objekt den Antriebsmechanismus zerstört oder wenn eine übermäßig große Kraft erforderlich ist, um den Antriebsmotor durch das angetriebene Objekt zu bewegen, ist der Antriebsmotor "nicht konform". Das ist häufig der Fall bei Antriebsmotoren mit Getrieben. Nicht konforme Antriebsmechanismen haben gewöhnlich hohe Untersetzungsverhältnisse, so dass z. B. 1000 Umdrehungen eines Motors 1 Umdrehung eines angetriebenen Zahnrads ergeben. Das nicht konforme Wesen von Antriebsmechanismen ist gewöhnlich das Ergebnis der Getriebeuntersetzung, bei der die kleinen Beträge der Reibung oder der latenten magnetischen Kraft einen umgekehrten Antrieb des Mechanismus verhindern. Ein Antrieb kann außerdem mit Ventilen oder Bremsen nicht konform gemacht werden. Ein Beispiel eines "nicht konformen" Antriebsmotors ist in US 5.900.737 offenbart. Unter Verwendung von Motoren, Sensoren und eines Prozessors wird ein Prüfkopf durch eine Verbindungsarmstruktur präzise mit einer TSA gekoppelt.
Um alle Vorteile eines vollständig ausbalancierten Manipulators in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden zu schaffen, ist es erwünscht, eine vollständig ausbalancierte, im Wesentlichen gewichtslose, verlagerungsunabhängige Vertikalbewegung zu ermöglichen, um den Prüfkopf mit einem Prüfkopf-Manipulator zu koppeln. Es ist außerdem erwünscht, dass die vertikale Hauptbewegung des Prüfkopf-Manipulators durch eine Spindel oder einen anderen nicht konformen Mechanismus erfolgt. Um ferner eine Belastung an der vertikalen Säule und ihrer Basis zu reduzieren, ist es erwünscht, dass das Gesamtgewicht der Gegengewichte wesentlich kleiner sein sollte als das kombinierte Gewicht von Prüfkopf, Kabellast und Unterstützungsvorrichtung. Es ist außerdem erwünscht, dass eine Technik verwendet wird, die bei Manipulatoren verwendet werden kann, bei denen die vertikale Hauptbewegung durch eine Teleskop-Säule erzeugt wird, und die feststehende Säulen-Manipulatoren enthalten, bei denen der Prüfkopf längs einer Säule mit feststehender Höhe bewegt wird. Da eine präzise Kopplung des Prüfkopfs eine gleichzeitige Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden erfordert, ist es erwünscht, dass die Bewegungsfreiheit bei der vertikalen Bewegung gleichzeitig in den anderen fünf Freiheitsgraden aufrechterhalten wird.
Unabhängig von den speziellen Mitteln zur Bewegungssteuerung und zum Aus balancieren der Bewegung ist es erwünscht, dass zufällige Kollisionen vermieden werden und falls eine zufällige Kollision auftritt, sollte der angetriebene Mechanismus reagieren können, um die Auswirkungen der Kollision minimal zu machen. Das Erfassen zufälliger Kollisionen und das Reagieren darauf ist ein besonderes Problem, wenn mehrere Antriebsmechanismen verwendet werden, um eine Bewegung in eine Richtung zu erreichen.
Weitere Aufgaben bestehen darin, Sicherheitsmerkmale sowohl für die Bedienungsperson als auch für den Prüfkopf zu schaffen. Vom Standpunkt der Sicherheit ist es erwünscht, eine adäquate strukturelle Unterstützung für den Prüfkopf zu schaffen, so dass er nicht auf den Boden oder über eine Strecke von mehr als etwa 2 Zoll (etwa 5 cm) fällt, wenn der Ausbalancierungsmechanismus ausfällt oder außer Gleichgewicht gerät. Eine zweite Sicherheitsaufgabe besteht darin, dass die Fähigkeit vorhanden ist, bei einer vertikalen Bewegung einen unzulässigen Widerstand, der sich aus beliebigen Ursachen ergibt, die Kollisionen mit einem anderen Teil der Vorrichtung oder mit einem Menschen, Störung durch ungeeignete menschliche Einwirkung, Kollision mit dem Kopplungsmechanismus oder dessen Störung usw. enthalten, zu erfassen.
Prüfkopfpositioniereinrichtungen sind wie andere schwere Maschinenausrüstungen mit inhärenten Sicherheitseinrichtungen aufgebaut. Größere und schwerere Prüfköpfe führen zu einer größeren Wahrscheinlichkeit von zufälligen Kollisionen infolge von einer unplanmäßigen physikalischen Verlagerung anderer Ausrüstungen des Prüfraums in die geplante Bewegungsbahn des Prüfkopfs, Personen, die unerwartet in die Bewegungsbahn treten können, Bedienerfehlern, Fehlfunktionen des Steuersystems und dergleichen. Bei Prüfköpfen, die eine größere Masse besitzen und teurer sind, können die Beschädigungen an Gebäude und Ausrüstungen sowie die Verletzungen von Personen, die durch einen Unfall verursacht werden, bedeutend bzw. sogar tödlich sein. Bei einer manuell gesteuerten Bewegung kann die Bedienungsperson ein Hindernis typischerweise fühlen und kann dementsprechend die Bewegung anhalten oder umkehren, um eine Beschädigung zu vermeiden. Bei einer angetriebenen Manipulatorachse, die entweder durch eine Bedienungsperson oder ein automatisches Steuersystem ferngesteuert ist, müssen spezielle Mittel verwendet werden, um ein Hindernis oder eine Kollision zu erfassen und zu vermeiden, dass bedeutende Schäden entstehen. In der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 wird erkannt, dass dann, wenn die gesteuerte Achse so ausbalanciert ist, dass lediglich eine minimale Kraft erforderlich ist, um eine Bewegung zu bewirken, strombegrenzte Gleichstrommotore wirkungsvoll verwendet werden können. Da ein Hindernis, sogar ein weiches Hindernis bewirken wird, dass die für die Bewegung erforderliche Kraft zunimmt, wird der Motor blockieren und die an das Hindernis übertragene Kraft wird auf einen sicheren Betrag begrenzt.
Wenn die vertikale Hauptbewegung nicht ausbalanciert sein soll, muss der Vertikalantrieb das gesamte Gewicht des Prüfkopfs und seiner Unterstützungsvorrichtung anheben. Die Antriebsmotoren würden nicht notwendigerweise die zusätzliche Kraft bemerken, die durch ein Hindernis verursacht wird. Wenn der Manipulator dementsprechend eine angetriebene vertikale Hauptbewegung aufweisen soll, die nicht durch Gegengewichte ausbalanciert ist, in Kombination mit einer sekundären oder vertikalen Vernier-Bewegung zum Koppeln, wäre er äußerst wünschenswert, dass Mittel zum Erfassen von Hindernissen und Kollisionen während des Betriebs des vertikalen Hauptantriebs enthalten sind. Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck "Vernier" bezieht sich auf eine kleine Hilfsvorrichtung, die mit einer Hauptvorrichtung verwendet wird, um eine Feineinstellung zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist durch Anspruch 1 definiert. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Im Folgenden gehören Ausführungsformen, die unter die Definition von Anspruch 1 fallen, zu der vorliegenden Erfindung, wohingegen die restlichen Ausführungsformen lediglich zu Erläuterungszwecken angegeben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Zeichnung eines Manipulators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Darstellung eines Koordinatensystems, das zur Beschreibung des Manipulators und seiner Bewegung verwendet wird;
3 ist eine Darstellung eines Koordinatensystems, das zur Beschreibung des Prüfkopfs und seiner Bewegung verwendet wird;
4 ist eine perspektivische Zeichnung, die eine Baueinheit mit horizontalem Arm zeigt, bei der ein einziger oberer Arm verwendet wird, der an einer Trägerschwenkbaueinheit direkt befestigt ist;
die 5A bis 5C sind perspektivische Zeichnungen einer Positionierungseinrichtung, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufgebaut ist und die Wechselwirkung der Manipulatorachsen von 1 und sechs Freiheitsgrade veranschaulicht;
6 ist eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung, die eine Vernier-Einstellung für eine Vertikalbewegung eines Hauptarms gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
die 7A, 7B und 7C sind Vorderansichten des oberen Abschnitts der Manipulatorsäule, die den Hauptarm in seiner obersten Position, mittleren Position bzw. untersten Position zeigen;
8 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Positionierungssystems ohne Teleskopwirkung, das gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufgebaut ist;
9 ist eine perspektivische Rückansicht, die die beispielhafte Ausführungsform des Positionierungssystems ohne Teleskopwirkung von 8 zeigt;
10A ist eine perspektivische Ansicht der Vorderseite einer Teleskopsäulen-Baueinheit, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufgebaut ist;
10B zeigt Einzelheiten der Vorderseite der Teleskopsäulen-Baueinheit von 10A;
11A ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite der Teleskopsäulen-Baueinheit der 10A und 10B;
11B zeigt Einzelheiten der Rückseite der Teleskopsäulen-Baueinheit von 11A;
12 ist eine Draufsicht der Teleskopsäulen-Baueinheit der 10 und 11; und
13 ist eine perspektivische Draufsicht der Teleskopsäulen-Baueinheit der 10 bis 12.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Prüfkopf wird durch eine Vorrichtung gehalten und unterstützt, die an dem Hauptarm des Manipulators befestigt ist. Der Hauptarm ist mit einem Gleitmechanismus, wie etwa eine Kombination aus geradliniger Schiene und Lager, an einem vertikalen Armträger gleitend befestigt, der in der Aufwärts-Abwärts-Richtung durch einen nicht konformen Antriebsmechanismus, wie etwa eine motorgetriebene oder mittels Handkurbel angetriebene Schnecke, angetrieben wird. Der Betrag der vertikalen Bewegung des Hauptarms in Bezug auf den vertikalen Armträger ist physikalisch auf einen Betrag beschränkt, der ausreichend ist, um eine Kopplung des Prüfkopfs zuzulassen; dieser beträgt typischerweise plus/minus ein Zoll. Dies wird als eine vertikale Vernier-Bewegung bezeichnet. Ein Kopplungsmechanismus, der eine mechanische Kraftverstärkung größer eins besitzt, wird verwendet, um den Hauptarm mit dem vertikalen Armträger zu koppeln. Diese Vorrichtung besitzt einen feststehenden Teil, der mit dem vertikalen Armträger direkt verbunden ist (d. h. der Drehpunkt bei einem Hebel), einen Lastträgerteil, der mit dem Hauptarm gekoppelt ist, und einen Eingangsteil, an dem Gegengewichte befestigt sind. Wenn die mechanische Kraftverstärkung MA ist, ist das Gewicht der Gegengewichte gleich dem Gewicht der Last (Prüfkopf, Hauptarm und mechanische Träger sowie der Anteil des Prüfkopfs am Kabel), dividiert durch MA. Dadurch wird ermöglicht, den Hauptarm mit seiner Last in seiner vertikalen Vernier-Bewegung praktisch gewichtslos zu bewegen; wobei der einzige Widerstand der vertikalen Vernier-Bewegung der Widerstand der Reibung im Kopplungsmechanismus, der Reibung im Gleitmechanismus und der Kräfte, die sich aus Kabelbewegungen ergeben, ist. Wenn das Kabel im Wesentlichen in der horizontalen Ebene in etwa der gleichen Höhe wie der Schwerpunkt des Prüfkopfs positioniert ist, können die Kräfte infolge der Änderung der Kabelposition über eine Strecke von plus/minus einen Zoll der vertikalen Bewegung des Prüfkopfs vernachlässigt werden. Ein Teleskop-Kabelträgerarm mit einer Vorrichtung zur horizontalen Nivellierung, der in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 offenbart ist, schafft diese Möglichkeit.
Eine bevorzugte Kopplungsvorrichtung ist eine reibungsarme Verstellschraubenspindel mit großer Teilung, die in umgekehrter Richtung angetrieben werden kann. Es ist bekannt, dass eine derartige Vorrichtung eine kompakte und sehr wirkungsvolle Einrichtung zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung ist, die in einfacher Weise eine geeignete mechanische Kraftverstärkung erzeugen kann. Eine beispielhafte Ausführungsform, die auf einer derartigen Vorrichtung beruht, wird später beschrieben. Die Verstellschraubenspindel wird verwendet, um eine Bewegung des Hauptarms durch einen Antrieb des Hauptarms zu bewirken, es sollte jedoch angemerkt werden, dass die Verstellschraubenspindel ein Antriebsmechanismus in dem Sinn ist, dass die Gegengewichte die Verstellschraubenspindel antreiben und der Hauptarm die Verstellschraubenspindel in umgekehrter Richtung antreibt. Die Verwendung des Ausdrucks "Antrieb" bedeutet deswegen, wenn er bei der Verstellschraubenspindel angewendet wird, dass eine Kraft durch die Verstellschraubenspindel übertragen wird und die Verstellschraubenspindel als eine Vorrichtung mit mechanischer Kraftverstärkung verwendet wird. Die Antriebskraft, die durch die Verstellschraubenspindel übertragen wird, kommt typischerweise von einem Motor mit Drehmomentbegrenzung, von einer Kraft, die manuell ausgeübt wird, von einer externen Kraft oder von den Gegengewichten.
Der vertikale Armträger, an dem der Hauptarm befestigt ist, kann die distale bewegliche Sektion einer Teleskopsäule sein oder sie kann eine Struktur sein, die längs einer oder mehrerer Wellen gleitet, die an einer Säule mit fester Höhe befestigt sind, oder sie kann eine oder mehrere geradlinige Schienen sein, die an einer Säule mit fester Höhe befestigt sind. Die vertikale Säule kann deswegen vom Teleskoptyp oder vom Typ mit fester Höhe sein.
Ein oder mehrere lineare Aktoren werden verwendet, um die vertikale Bewegung des vertikalen Armträgers und seine Last (nachfolgend "Systemlast") anzutreiben, die den Hauptarm, die Prüfkopf-Unterstützungsvorrichtung, den Prüfkopf, den Anteil des Prüfkopfs am Kabel und das Kabelunterstützungsgewicht sowie die Gegengewichte umfasst. Die Aktoren sind typischerweise motorgetriebene Spindelmechanismen, die eine Gewindeteilung und eine interne Reibung aufweisen, die ausreichend sind, um einen umgekehrten Antrieb bei voller Last zu verhindern. Die Spindel ist somit in der Lage, das vollständige Lastsystem in jeder Höhe im Bereich des Systems zu unterstützen. Der Spindelmechanismus ist ferner so ausgewählt, dass er eine Gesamtnennlast besitzt, die etwa das 3,5fache der Systemlast beträgt, ohne dass ein Bruch auftritt. Der untere physikalische Anschlag für den vertikalen Armträger ist ferner so beschaffen, dass er die gesamte Systemlast mit einem Sicherheitsfaktor von wenigstens etwa 5 tragen kann. Die Kombination dieser Aspekte gewährleistet, dass die erste Sicherheitsaufgabe, nämlich eine adäquate strukturelle Unterstützung für den Prüfkopf zu schaffen, so dass er nicht auf den Boden oder über eine Strecke von mehr als etwa 2 Zoll fallen kann, wenn der Mechanismus zum Ausbalancieren ausfällt oder außer Balance gerät, angemessen gelöst wird.
Wenn die Last in geeigneter Weise ausbalanciert ist, sollte sich der Hauptarm typischerweise niemals in Bezug auf den vertikalen Armträger wesentlich bewegen, außer dann, wenn er während des Koppelns und Entkoppelns durch den Kopplungsaktor angetrieben wird. Wenn eine derartige Bewegung auftritt, ist sie wahrscheinlich eine Anzeige eines Unfallereignisses.
Die vertikale Vernier-Achse ist ferner mit Positionserfassungsmitteln ausgerüstet und sie kann außerdem mit Bewegungserfassungsmitteln ausgerüstet sein. Außerdem kann bei Bedarf ein Antriebsmotor mit Drehmomentbegrenzung, der über eine Kupplung gekoppelt ist, wie zuvor in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 beschrieben wurde, vorgesehen sein. Es wird erkannt, dass es in einigen Ausführungsformen möglich ist, Positions- und Bewegungserfassungsvorrichtungen zu kombinieren, da die beiden Größen mathematisch verwandt sind. Der Zweck der Bewegungserfassungsmittel besteht darin, zu erfassen, wann eine Bewegung des Hauptarms in Bezug auf den vertikalen Armträger erfolgt, außer wenn der Kopplungsaktor betätigt wird, wobei eine derartige Bewegung angeben würde, dass ein Hindernis oder eine andere unsichere Bedingung aufgetreten ist. Der Positionssensor sollte angeben, wenn der Arm in seinem Bereich der vertikalen Vernier-Bewegung etwa mittig angeordnet ist.
Der Hauptarm sollte in seinem Bereich der vertikalen Vernier-Bewegung etwa mittig angeordnet sein, bevor die Spindeln der vertikalen Hauptbewegung betätigt werden. Das stellt sicher, dass dann, wenn ein Hindernis oder eine andere unsichere Bedingung auftritt, dieses bzw. diese erfasst wird.
Der Bewegungssensor wird verwendet, um eine derartige Bewegung zu erfassen und ein Warnsignal bereitzustellen, das von dem Gesamtsystem verwendet werden kann, um die Bewegung anzuhalten oder eine andere Sicherheitsmaßnahme zu unternehmen. Die bevorzugte Aktion, die bei der Erfassung eines derartigen Ereignisses unternommen wird, besteht darin, die Stromzufuhr für den vertikalen Aktor und zu den anderen Achsen abzuschalten, die gleichzeitig eine angetriebene Bewegung ausführen könnten.
Der Antriebsmotor der vertikalen Vernier-Achse wird verwendet, um den Hauptarm in Bezug auf den vertikalen Armträger mittig anzuordnen, bevor die vertikale Bewegung angeregt wird. Die Kupplung ist nur dann eingerückt, wenn der Antriebsmotor zum Antrieb der Vernier-Achse angesteuert wird. Dadurch ist der Motor normalerweise ausgekuppelt und stört in keiner Weise weder die Kopplung noch die Hinderniserfassung. Da das Drehmoment des Motors begrenzt ist, wird eine Beschädigung verhindert, wenn während der Zentrierungsbewegung ein Hindernis auftritt. Ein Zeitgeber kann enthalten sein, um diesen Zustand zu erfassen.
Der Motor mit begrenztem Drehmoment kann auf jeder Seite des Verstellschraubenspindel-Mechanismus angeordnet sein; wobei jedoch die Getriebe- und Drehmomenteinschränkungen die mechanische Kraftverstärkung des Verstellschraubenspindel-Mechanismus berücksichtigen müssen.
Um in allen sechs Achsen gleichzeitig Bewegungsfreiheit zu schaffen, werden die oben genannten Neuerungen vorzugsweise bei einer Reihe von Techniken verwendet, die in der Vergangenheit patentiert und/oder offenbart wurden. Diese enthalten:

Eine Prüfkopfkabel-Schwenkvorrichtung und eine zugeordnete Vorrichtung, die in den US-Patenten Nr. 5.030.869, 5.450.766 und 5.608.334 beschrieben sind.
Ein Teleskop-Kabelunterstützungsarm, der im US-Paten Nr. 4.893.074 offenbart ist, in Verbindung mit einer Kabelunterstützungsarm-Nivellierungseinrichtung, die in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 beschrieben ist.
Eine Basis für die Säule, die eine Hin- und Her-Bewegung, eine Seitenbewegung und eine Schwenkbewegung schafft, wobei der Mittelpunkt der Schwenkbewegung ein Punkt zwischen der Säule und dem Prüfeinrichtungsschrank ist und vorzugsweise nahe an dem Punkt liegt, an dem das Kabel aus dem Prüfeinrichtungsschrank austritt, wie in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 genauer beschrieben ist.

1 ist eine perspektivische Zeichnung eines Manipulators 11, der die vorliegende Erfindung enthält. In früheren Patenten und Veröffentlichungen wurden einige Elemente des Manipulators 11 beschrieben, wobei diese in den Beschreibungen angegeben sind. In 1 enthält der Manipulator 11 eine Basis 15, die eine Schwenkbewegung, eine Hin- und Her-Bewegung und eine Seitenbewegung erzeugt. Diese Basis ist in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 genauer beschrieben. Die drei Achsen der Basis können in Abhängigkeit von der Anwendung angetrieben sein. An der Basis ist die Manipulatorsäule 17 angebracht. Die Säule 17 kann entweder vom Typ mit fester Höhe oder vom Teleskoptyp (in 1 gezeigt) sein.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält die Teleskopsäule 17 drei Teleskopsegmente: ein unteres Segment 21, ein mittleres Segment 22 und ein oberes Segment 23. In diesem Fall ist das obere Segment 23 außerdem der vertikalen Armträger und ein Hauptarm 25 ist daran gleitend befestigt. Der Hauptarm 25 unterstützt eine horizontale Armbaueinheit 27, die ihrerseits eine Trägerschwenkbaugruppe 29, eine Trägerschwenkbaugruppe 31 und ein Prüfkopfjoch 33 trägt. Ein (nicht gezeigter) Prüfkopf ist an dem Prüfkopfjoch 33 befestigt und wird normalerweise von dem Prüfkopfjoch 33 als Last getragen. Es wird angemerkt, dass ein beliebiger Befestigungsmechanismus von einer großen Vielzahl von Befestigungsmechanismen eingesetzt werden kann. Eine vertikale Vernier-Relativbewegung zwischen dem Hauptarm 25 und dem Träger des vertikalen Arms 23 umfasst einen Bereich von etwa plus/minus 1 Zoll (25 mm) und wird durch einen Mechanismus ermöglicht, der eine Verstellschraubenspindel und Gegengewichte (in 1 nicht gezeigt) enthält. Ein Teleskop-Kabelträgerarm 18 erzeugt eine wirkungsvoll ausbalancierte Rollbewegung über den Nivellierungsmechanismus 18a des Teleskop-Kabelträgerarms.
Die 2 und 3 veranschaulichen die Koordinatensysteme und die Bezeichnung, die verwendet werden, um den Manipulator, den Prüfkopf und ihre Bewegungen zu beschreiben. Wie in den US-Patenten Nr.5.030.869, 5.450.766 und 5.608.334 beschrieben ist, tragen die Trägerschwenkbaueinheit 29, eine Trägerschwenkbaueinheit 31 und das Prüfkopfjoch 33 der Prüfkopf in der Weise, dass gleichzeitig die Freiheitsgrade von Neigen und Rollen geschaffen werden. Nach bekannten Praktiken, die in diesen Patenten sowie im inTEST Handbook beschrieben sind, sind die Neigungs- und Rollbewegungen ausbalanciert, um ein Koppeln mit geringem Aufwand zu ermöglichen. In Abhängigkeit von Anforderungen spezieller Anwendungen können außerdem weitere Freiheitsgrade in der Struktur des horizontalen Arms 27 geschaffen werden, die Schwenk-, Hin- und Her- sowie Seitenbewegungen enthalten. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade in der horizontalen Ebene können entweder einzeln oder in Kombinationen auftreten und diese zusätzlichen Bewegungen können ferner mit Bewegungen redundant sein, in an anderer Stelle in dem Manipulator erzeugt werden. Beispiel enthalten das Folgende, sind jedoch nicht darauf beschränkt:

Die Horizontalarmbaueinheit 27 kann einen einzigen oberen Arm umfassen, der sowohl am Hauptarm 25 als auch an der Trägerschwenkbaueinheit 29 starr befestigt ist. Diese Konfiguration schafft keinen zusätzlichen Freiheitsgrad.
Die Horizontalarmbaueinheit 27 kann einen einzigen oberen Arm enthalten, der an der Trägerschwenkbaueinheit 29 starr befestigt ist und an dem Hauptarm 25 angelenkt ist, um eine Schwenkbewegung in der horizontalen Ebene zu ermöglichen.
Die Horizontalarmbaueinheit 27 kann einen oberen Arm enthalten, der an dem Hauptarm 25 angelenkt ist, einen Vorderarm, der an dem oberen Arm angelenkt ist, und eine Gelenkverbindung mit der Trägerschwenkbaueinheit 29, derart, dass in der horizontalen Ebene gleichzeitig Hin- und Her-, Seiten- und Schwenkbewegungen möglich sind.
Die Horizontalarmbaueinheit 27 kann zwei obere Arme mit gleicher Länge und zwei Vorderarme mit ebenfalls gleicher Länge enthalten, die in einem Viereck angeordnet sind. Beide obere Arme sind an dem Hauptarm 25 angelenkt, jeder Vorderarm ist an seinem entsprechenden oberen Arm angelenkt und beide Vorderarme sind an der Trägerschwenkbaueinheit 29 angelenkt. Diese Struktur würde eine gleichzeitig Hin- und Her- und Schwenkbewegung in der horizontalen Ebene ermöglichen, während eine Seitenbewegung blockiert ist.

Ein Fachmann wird erkennen, dass es viele mögliche Möglichkeiten gibt, eine Horizontalarmbaueinheit 27 zu konstruieren.
Die Konfiguration unter Verwendung eines einzigen oberen Arms 43, der an dem Hauptarm 45 befestigt ist und an einer Trägerschwenkbaueinheit 29 starr befestigt ist sowie angelenkt ist, ist in 1 gezeigt. Diese entspricht im Allgemeinen der zweiten Möglichkeit in der obigen Aufzählung. Der Hauptarm 45 ist im Einzelnen an dem oberen Arm 43 in Eingriff, der mit der Trägerschwenkbaueinheit 29 direkt verbunden ist, so dass diese Verbindung ermöglicht, den oberen Arm 43 in Bezug auf den Hauptarm 45 zu knicken und dadurch eine begrenzte sekundäre oder Vernier-Schwenkbewegung von (etwa) plus/minus 5 Grad zu schaffen. Das bedeutet, dass die Bewegung von plus/minus 5 Grad in einer horizontalen Ebene erfolgt. Diese Schwenkbewegung von plus/minus 5 Grad ist in 4 mit dem Bezugszeichen 401 angegeben. Wie in den US-Patenten Nr. 5.608.334, 5.450.766 und 5.030.869 und in "The inTEST Handbook" beschrieben ist, gelangt der obere Arm 42 (typischerweise) an der Trägerschwenkbaueinheit 49 in Eingriff, um eine ausbalancierte Neigebewegung von etwa plus/minus 5 Grad zu schaffen. Diese Neigebewegung von etwa plus/minus 5 Grad ist in 4 mit dem Bezugszeichen 403 angegeben. Die Trägerschwenkbaueinheit 49 umfasst eine äußere Trägerrückseite 407, die über eine Trägerschwenkwelle 411 mit einer (nicht gezeigten) inneren Trägerrückseite 409 verbunden ist, die ihrerseits mit einer Trägerseite 413 verbunden ist. Es wird angemerkt, dass ein beliebiger Befestigungsmechanismus von einer großen Vielzahl von Befestigungsmechanismen bei dem Träger in der in 4 gezeigten Trägerschwenkbaueinheit 49 eingesetzt werden kann. Eine Kabelschwenkbaueinheit 31, die ein Kabelschwenkgehäuse 415 umfasst, das an der Trägerseite 413 befestigt ist, an einem Prüfkopf-Adapterring 417 in einem Dreheingriff ist, der über ein Prüfkopfjoch 33 an dem (nicht gezeigten) Prüfkopf fest angebracht ist, schafft in den meisten Anwendungen eine Rollbewegung von etwa plus/minus 95 Grad. Diese Rollbewegung von etwa plus/minus 95 Grad ist in 4 mit dem Bezugszeichen 405 angegeben. Eine vollständige Rollbewegung von typischerweise bis zu plus/minus 95 Grad (insgesamt 190 Grad) kann in bestimmten Situationen erzeugt werden. Um eine wirkungsvoll ausbalancierte Rollbewegung zu schaffen, wird typischerweise und vorzugsweise ein Teleskopkabelträger 18 bzw. ein Nivellierungsmechanismus 18a des Teleskop-Kabelträgerarms (siehe 1), wie im US-Patent Nr. 4.893.074 und in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US00/00704 beschrieben ist, verwendet. Die Kabelschwenkeinrichtung 31, der Teleskop-Kabelträgerarm 18 und der Nivellierungsmechanismus 18a in Kombination machen Schwingungen von Kräften, die von dem Kabel an dem Prüfkopf ausgeübt werden, wenn der Manipulator längs seiner Bewegungshüllkurve bewegt wird, wirkungsvoll minimal. Alternativ kann ein Prüfkopf-Unterstützungsmechanismus mit Taumel-Betriebsart verwendet werden, der z. B. eine Rollbewegung von plus/minus 5 Grad und eine Neigebewegung von plus/minus 95 Grad (oder bei Bedarf mehr) erzeugt. Wahlweise können die Rollachse (oder bei einer Taumel-Betriebsart die Neigungsachse) angetrieben sowie mit einer Kupplung versehen sein, wie in früheren Offenbarungen beschrieben ist. Die restlichen Achsen, die durch den Hauptarm unterstützt werden, können bei Bedarf ebenfalls in ähnlicher Weise angetrieben sein.
Die 5A bis 5C sind perspektivische Zeichnungen der Prüfkopf-Positioniereinrichtung 11 und veranschaulichen die Wechselwirkung aller Manipulatorachsen von 2. Die Positioniereinrichtung gestattet eine Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden. 5A zeigt die Basis 15 mit einer oberen Plattform 61, die um 30 Grad in Uhrzeigerrichtung gedreht ist, und die Säule 17, die ganz nach hinten und ganz nach links verschoben ist. 5B zeigt die Basis 15 mit der Plattform 61 in einer unmittelbaren Ausrichtung auf die Säule 17, die sich in einer Mittelhubstellung sowohl der Hin- und Her-Achse als auch der Seitenachse befindet. 5C zeigt die Basis 15 mit der oberen Plattform, die um 10 Grad in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht ist, wobei die Säule 17 ganz vorne und ganz rechts positioniert ist. Es wird erkannt, dass alle Achsen einzeln gesteuert oder gleichzeitig bewegt werden können, wenn das beim Koppeln erforderlich ist.
Nochmals in 1 ist die Teleskopsäule 17 an der Basis 15 angebracht und enthält die drei vertikalen Segmente 21, 22, 23, wobei diese Segmente etwa gleich lang sind. Die Länge jedes vertikalen Segments 21, 22, 23 beträgt etwa vier Fuß (120 cm). Dies ergibt eine Höhe von etwa vier Fuß über der Oberseite der Basis 15, wenn die Säule vollständig eingezogen ist, und eine Höhe von etwa acht Fuß (240 cm) über der Oberseite der Basis 15, wenn sie vollständig ausgefahren ist. Die vertikale Struktur ist nicht notwendigerweise auf drei Segmente 21, 22, 23 beschränkt, es könnte gemäß Erfordernissen und der verfügbaren Technologie eine kleinere oder größere Anzahl von Segmenten verwendet werden. Die Segmente 21, 22, 23 haben in diesem Beispiel zur Steifigkeit einen "H"-förmigen Querschnitt, wobei die oberste Sektion 23 zusätzliche vertikale Rippen für eine zusätzliche Steifigkeit aufweist. Andere Querschnitte könnten außerdem verwendet werden, z. B. der stapelfähige Querschnitt, der im US-Patent Nr. 5.931.048 an Slocum u. a. verwendet wird, das oben als Referenz angegeben ist. Die drei Segmente sind Folgende:

Hauptsegment (oder erstes oder unteres Segment) 21, das an der Basis 15 befestigt ist.
Zweites (oder mittleres) Segment 22, gleitet mittels einer linearen Führungsschiene 81 (die in 1 nicht gezeigt ist), die an dem Hauptsegment 21 befestigt ist, am Hauptsegment 21 nach oben und unten, wobei es durch passende Kugelgleitstücke 83 (die in 1 nicht gezeigt sind, siehe 12), die an dem zweiten Segment 22 befestigt sind, in Eingriff ist.
Drittes (oder oberes) Segment 23, gleitet mittels einer linearen Führungsschiene 81 (die in 1 nicht gezeigt ist), die an dem zweiten Segment 22 befestigt ist, längs des zweiten Segments 22, wobei es durch passende Kugelgleitstücke 83 (die in 1 nicht gezeigt sind, siehe 12), die an dem dritten Segment 23 befestigt sind, in Eingriff ist. Dieses Segment dient außerdem als vertikaler Tragarm 25.

Die drei vertikalen Segmente 21, 22, 23 sind so angeordnet, dass motorgetriebene lineare Aktoren 75, wobei für jedes bewegliche Segment ein Aktor vorhanden ist, die Oberseite der Säule 17 anheben und absenken können. Die linearen Aktoren 75 sind mit Normzapfen 76 gekoppelt (wobei einer der beiden in 1 gezeigt ist, siehe außerdem die 10A und 10B). Aktoren mit Verstellschraubenspindeln sind bevorzugt, andere Spindeltypen, wie etwa eine AMCE-Spindel, könnten jedoch in Abhängigkeit von den Kosten, der Verfügbarkeit, Drehzahlvariablen und Leistungsanforderungen außerdem verwendet werden. Der erste derartige Aktor 75 bewegt das zweite Segment 22 in Bezug auf das erste Segment 21. Der zweite derartige Aktor 75 bewegt das dritte Segment 23 in Bezug auf das zweite Segment 22. Das zweite Segment 22 und das dritte Segment 23 bewegen sich proportional, so dass die gesamte vertikale Bewegung zu 50 % aus der Bewegung des zweiten Segments 22 in Bezug auf das erste Segment 21 und zu 50 % aus der Bewegung des dritten Segments 23 in Bezug auf das zweite Segment 22 gebildet wird.
Ein genormter linearer Saginaw-Aktor 75 wird typischerweise verwendet. Diese Einheit erzeugt eine maximale Erstreckung von 24 Zoll (61 cm). Die beiden Aktoren 75 erzeugen zusammen eine Erstreckung von 48 Zoll (122 cm) und es ist zu beachten, dass jedes der beweglichen Segmente 21, 22, 23 sich etwa um die Hälfte seiner Länge in Bezug auf das Segment, das sich unmittelbar unter ihm befindet, bewegt.
Dadurch verbleibt bei der vollständigen Erstreckung eine etwa 50 %ige Überlappung zwischen benachbarten Segmenten, was dazu beiträgt, die strukturelle Steifigkeit aufrechtzuerhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jeder Aktor 75 eine Geschwindigkeit von etwa 0,4 Zoll/Sekunde (1 cm/s), um eine kombinierte vertikale Geschwindigkeit von etwa 0,8 Zoll/Sekunde (2 cm/s) oder 4 Fuß/Minute zu erzeugen. Die Kombination aus zwei handelüblichen Norm-Aktoren 75 zusammen mit zwei beweglichen Segmenten bildet die wirtschaftlichste Gesamtlösung, wobei sie einen vertikalen Verfahrweg von 48 Zoll (120 cm) erzeugt. Sollten andere Aktoren mit anderen Bereichen zu vernünftigen Kosten verfügbar werden, kann auf Grund der Wirtschaftlichkeit eine andere Anzahl von beweglichen Segmenten vorgeschlagen werden, um das gleiche Ergebnis zu erreichen.
Im Unterschied zu vielen anderen herkömmlichen Manipulatoren ist diese vertikale Hauptbewegung typischerweise angetrieben; wobei keine zugehörigen Gegengewichtsmechanismen vorhanden sind. Die linearen Aktoren 75 sind für die vollstän dige Unterstützung der gesamten Systemlast (die oben definiert wurde) verantwortlich, unabhängig davon, ob die Aktoren 75 angeregt werden, um die Last entweder anzuheben oder abzusenken, oder ob die Stromversorgung zu den Aktoren 75 abgeschaltet wurde. Demzufolge ist der Gewindeteilungswinkel der linearen Aktoren 75 so gewählt, dass ein umgekehrter Antrieb verhindert ist, d. h. so dass dann, wenn ein Motor blockiert oder entfernt wird, die Last an einer feststehenden vertikalen Position bleibt und nicht herunterfällt. Es sind keine mechanischen Bremsen oder Verriegelungen erforderlich. Die Aktoren 75 werden deswegen als nicht konforme Antriebe betrachtet. Die höchste statische Lastrate der Mechanismen ist mit einem Sicherheitsfaktor größer drei gewählt, so dass in allen Situationen eine strukturelle Integrität aufrechterhalten wird.
6 ist eine ausgeschnittene perspektivische Darstellung und zeigt Einzelheiten des Hauptarms 25 und der Verwendung der vertikalen Vernier-Bewegung. Wie gezeigt ist, ist der Hauptarm 25 an dem dritten Segment 23 (vertikaler Armträger) unter Verwendung von linearen Führungsschienen 81a gleitend befestigt, die an dem vertikalen Armträger 23 befestigt sind und durch passende Kugelgleiter 83a (die in 6 nicht sichtbar sind, siehe 7a bis 7c), die ihrerseits an dem Hauptarm 25 befestigt sind, in Eingriff sind. Das dritte Segment 23 ist mittels linearer Führungsschienen 81 und linearer Lagerblöcke 83 an dem (nicht gezeigten) zweiten Segment befestigt. Elastische Stoßdämpfer 85 sind an dem oberen und dem unteren Ende des Hauptarms 25 befestigt. Diese Stoßdämpfer 85 sind mit Bauelementen des vertikalen Armträgers 23 in Kontakt, derart, dass sie die vertikale Bewegung des Hauptarms 25 auf etwa plus/minus einen Zoll (2,5 cm) in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 zum Koppeln und Entkoppeln beschränken. Dies erzeugt eine vertikale Vernier-Bewegung, die von der vertikalen Hauptbewegung, die durch die oben beschriebenen linearer Aktoren 75 erzeugt wird, vollständig unabhängig ist.
Die vertikale Vernier-Bewegung des Hauptarms erfolgt relativ zu dem dritten Segment oder zu dem vertikalen Armträger 23. Sie ist vollständig ausbalanciert, um ein gleichmäßiges Koppeln und Entkoppeln zu ermöglichen und um Bewegungen und Schwingungen während der Prüfung zu absorbieren. Ein Gleichgewicht wird unter Verwendung eines Mechanismus 91 mit vertikalem Gegengewicht mit einer mechanischen Kraftverstärkung (MA) größer als eins erreicht. Die mechanische Kraftverstärkung beträgt typischerweise 10. Diese Ausführungsform erreicht dies unter Verwendung eines Mechanismus 90 mit reibungsarmer Verstellschraubenspindel mit einem Gewindeteilungswinkel von 20 mm × 20 mm (oder ähnlich), um eine reibungsarme freie Bewegung in jeder Richtung zu ermöglichen. Dadurch kann der Hauptarm 25 ohne unzulässig große Kräfte leicht umgekehrt angetrieben werden. Es ist wohlbekannt, dass Verstellschraubenspindeln wirkungsvolle Vorrichtungen sind, um eine lineare Bewegung mit mechanischer Kraftverstärkung zu erzeugen. Ein oberes Ende der Verstellschraubenspindel 95 ist an dem oberen Ende 96 des vertikalen Armträgers 23 unter Verwendung einer Unterstützungseinheit angebracht, die eine in geeigneter Weise bemessene Kontakt-Verstellschraubenspindel-Unterstützungslagerbaueinheit 103 umfasst (nicht gezeigt in 6, siehe 7A bis 7C), bei der sich die Verstellschraubenspindel 95 frei drehen kann. Die Welle der Verstellschraubenspindel erstreckt sich durch das Lager nach oben und eine Kabeltrommel 97 ist an der Verstellschraubenspindel 95 koaxial und starr befestigt, so dass sich die Verstellschraubenspindel und die Trommel 97 gemeinsam drehen. Die Oberseite der Kabeltrommel 97 befindet sich über der Oberseite des vertikalen Armträgers 23. Die Verstellschraubenspindel 95 wird verwendet, um eine Bewegung des Hauptarms 25 durch Antreiben des Hauptarms 25 zu bewirken, es sollte jedoch angemerkt werden, dass die Verstellschraubenspindel 95 in dem Sinn ein angetriebener Mechanismus ist, dass die (nicht gezeigten) Gegengewichte die Verstellschraubenspindel 95 antreiben und der Hauptarm 25 die Verstellschraubenspindel 95 in umgekehrter Richtung antreibt.
Ein Ende des Kabels 98 ist an der Kabeltrommel 97 befestigt. Das Kabel 98 ist um die Trommel 97 gewickelt, verläuft über die Oberseite des vertikalen Armträgers 23 und ist zu der Rückseite des Manipulators 11 geführt. Das Kabel verläuft dann über eine Laufrolle 99, die an einem Ausleger 101 befestigt ist, der auf der Oberseite des vertikalen Armträgers 23 angebracht ist. Das Kabel 98 verläuft dann von der Laufrolle 99 nach unten und ist mit einem Gewichtshalter 100 verbunden und trägt diesen, der eine geeignete Menge von (nicht gezeigten) Gegengewichten enthält. Die Kabeltrommel 97 ist mit einer schraubenförmigen Rille versehen, in der das Kabel 98 läuft, um zu verhindern, dass sich das Kabel überlagert und eine Blockierung des Systems bewirkt.
Eine Verstellschraubenspindelmutter 111, die ein Gewinde besitzt, das mit der Verstellschraubenspindel übereinstimmt, ist mit Maschinenschrauben an dem oberen Ende des Hauptarms 25 befestigt. Die Verstellschraubenspindel 95 ist durch diese Mutter 111 geschraubt. Die Verstellschraubenspindel 95 trägt den Hauptarm 25 und seine gesamte Last. Wenn sich der Hauptarm 25 in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 vertikal bewegt, wird die Bewegung der Verstellschraubenspindel 95 durch die Mutter 111 bewirken, dass sich die Verstellschraubenspindel 95 um ihre Achse dreht. Wenn sich die Verstellschraubenspindel 95 dreht, dreht sich die Kabeltrommel 97 und die Gegengewichte (am Gewichtshalter 100) werden angehoben oder abgesenkt. Es wird erkannt, dass die Lagerbaueinheit, die die Verstellschraubenspindel 95 an dem vertikalen Armträger 23 befestigt, sowohl die volle axiale Last tragen muss, die durch den Hauptarm 25 ausgeübt wird, als auch eine reibungsarme Drehung der Verstellschraubenspindel 95 ermöglichen muss. Für diese Funktion werden handelsübliche Verstellschraubenspindel-Traglager verwendet.
Wie erwähnt wurde, wird typischerweise eine mechanische Kraftverstärkung (MA) größer eins geschaffen. Unter Vernachlässigung der Reibung wird die mechanische Kraftverstärkung durch folgende Formel bestimmt: MA = π·D·Pwobei D der wirksame Durchmesser der Trommel 97 ist und P die Teilung der Verstellschraubenspindel in Umdrehungen pro Längeneinheit ist. (Anmerkung: die Einheiten der Länge, die in beiden Größen verwendet werden, müssen gleich sein.) Die Gegengewichte besitzen ein Gewicht von 1/MA (10 % bei MA = 10) der kombinierten Gewichte von Prüfkopf (nicht gezeigt), Hauptarm 25 und verbindende Manipulatorstruktur und Anteil des Prüfkopfs an Teleskop-Kabelträger und Kabel. Die Gegengewichte bewegen sich um MA multipliziert mit der Strecke der Hauptarmbewegung in Bezug auf das dritte Segment 23 (d. h. etwa ±10 Einheiten für jede einzelne Einheit bei MA = 10). Da in dem System eine sehr kleine Reibung vorhanden ist, verhält sich der Hauptarm 25 so, als wäre er direkt mit einer einfachen Anordnung aus Kabel und Kabelrolle ausbalanciert, wie z. B. im US-Patent Nr. 4.527.942 beschrieben ist.
Die 7A, 7B und 7C sind Schnittansichten des oberen Abschnitts der Manipulatorsäule 17 und zeigen den Hauptarm 25 in seiner obersten Position, mittleren Position bzw. untersten Position. Sie dienen dazu, die Relativbewegungen von Hauptarm 25, Verstellschraubenspindel 95 und Gegengewichten (Gewichtshalter 100) zu veranschaulichen. In den 7A bis 7C ist außerdem die Verstellschraubenspindel-Traglagerbaueinheit 103 gezeigt. In jeder der 7A bis 7C ist das obere Segment 23 aufgeschnitten und das mittlere Segment 22 ist nicht dargestellt, um die Funktionsweise des Mechanismus zum Ausbalancieren des Hauptarms zu veranschaulichen.
Die 8 und 9 sind Ansichten, die eine Ausführungsform ohne Teleskop eines Positionierungssystems darstellen, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die zuvor beschriebene Ausführungsform kann außerdem bei dem Positionierungssystem angewendet werden, bei dem eine Säule mit fester Höhe verwendet wird. Bei Manipulatoren nach dem Stand der Technik mit einer Säule mit fester Höhe gleitet der Hauptarm an Schienen oder einer oder mehreren Wellen, die von der Säule getragen werden, wobei der Hauptarm und seine Last typischerweise vollständig ausbalanciert sind, so dass eine kleine Kraft erforderlich ist, um den Prüfkopf über den vollen Bereich der vertikalen Bewegung zu bewegen. Das Gesamtgewicht der Gegengewichte ist etwa gleich dem Gewicht der Systemlast (d. h. der Hauptarm und alles, was von ihm getragen wird, einschließlich Prüfkopf). Die vorliegende Erfindung kann angepasst sein, um zu ermöglichen, dass das Gesamtgewicht der Gegengewichte etwa gleich der Systemlast, dividiert durch die mechanische Kraftverstärkung MA, ist.
In den 8 und 9 ist ein Manipulator 121 mit fester Höhe ohne Basis gezeigt. Der Manipulator 141 besitzt eine Säule 143, die entweder an einer festen Basis oder an einer Basis angebracht sein kann, die eine horizontale Bewegung in ausgewählten Achsen erzeugt, wobei beide Lösungsansätze bekannt sind und in früheren Patenten und Offenbarungen beschrieben wurden. Die feste Säule 143 kann außerdem eine feststehende Säule sein, die sich zwischen Boden und Decke erstreckt und daran befestigt ist.
Ein vertikaler Armträger 145 ist mit der Säule 143 gleitend gekoppelt, wobei vorzugsweise an der Säule 143 befestigte lineare Führungsschienen 147 verwendet werden, an denen (nicht gezeigte) Kugelgleiter in Eingriff sind, die an dem vertikalen Armträger 145 befestigt sind. Ein (nicht gezeigter) linearer Aktor 75 wird verwendet, um den vertikalen Arm 145 längs der Säule 143 vertikal anzutreiben.
Der Hauptarm 155 des Manipulators 141 ist in ähnlicher Weise wie bei dem Teleskopsäulen-Manipulator 11 mit dem vertikalen Armträger 145 gleitend gekoppelt. Ein ähnlicher Verstellschraubenspindel-Mechanismus 161 wird in ähnlicher Weise verwendet, um eine ausbalancierte vertikale Vernier-Bewegung zu erzeugen und die Menge der benötigten Gegengewichte zu reduzieren. Bei dieser Ausführungsform wird ein Kabel 165, das die Gegengewichte trägt, etwas anders verwendet. Das Kabel 165 wird im Einzelnen zuerst von einer Kabeltrommel 167 geführt und verläuft unter einer Laufrolle 169, die an dem oberen Ende des vertikalen Armträgers 145 befestigt ist. Das Kabel 165 verläuft dann zur Oberseite der Säule 143 und wird über eine Laufrolle 171 geleitet, die an der Oberseite der Säule 143 befestigt ist. Das Kabel 165 wird dann an der Rückseite der Säule 143 nach unten geführt, wo es an einem Gewichtshalter 100 befestigt ist, der die (nicht gezeigten) Gegengewichte hält.
Es wird erkannt, dass dann, wenn der vertikale Armträger 145 an der Vorderseite der Manipulatorsäule 143 nach oben und unten angetrieben wird, die Gegengewichte an der Rückseite der Säule 143 abgesenkt bzw. angehoben werden. Der Gesamtverfahrweg der Gegengewichte ist nominell gleich der Strecke, die der vertikale Armträger 145 zurücklegt, plus/minus die mechanische Kraftverstärkung MA, die mit dem Verfahrweg des Hauptarms 155 in Bezug auf den vertikalen Armträger 145 multipliziert wird. Die physikalische Höhe der Gegengewichte, die Durchmesser und Standorte der Laufrollen 169, 171 und der Raum, der für die physikalische Erstreckung erforderlich ist, die in dem linearen Aktor 75 zur Verfügung steht, stellen jeweils Einschränkungen an der verfügbaren vertikalen Gesamtbewegung dar, die in dem Manipulator mit einer vorgegebenen festen Höhe zur Verfügung steht.
Die 10A bis 13 sind verschiedene Ansichten einer Teleskop-Positionierungseinrichtung 11. Die Ansichten veranschaulichen die Relativbewegungen des Hauptarms 25, der Verstellschraubenspindel 95 und der Gegengewichte (Gewichtshalter 100). Die 10A und 10B sind perspektivische Ansichten der Vorderseite einer Teleskopsäulenbaueinheit 11. Die 11A und 11B sind perspektivische Ansichten der Rückseite der Teleskopsäulenbaueinheit 11. Die 11A und 11B liefern eine Ansicht der Spindel 75a des linearen Aktors 75, wobei ein Ende der Spindel 75a mit einer Gabel 75b gekoppelt ist. 12 ist eine Draufsicht der Teleskopsäulenbaueinheit 11 und 13 ist eine perspektivische Draufsicht der Teleskopsäulenbaueinheit 11.
Sicherheitsmerkmale und Merkmale der Systemsteuerung können sowohl in der Ausführungsform mit Teleskopsäule als auch in der Ausführungsform der Säule mit fester Höhe verwendet werden. Die vertikale Vernier-Achse wird in einer ähnlichen Weise angetrieben wie in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. PCT/US/00/00704 offenbart ist. Ein Gleichstrommotor ist mit einem geeigneten Getriebe, Kupplung und Antriebsmechanismus kombiniert, um bei dem Teleskopsäulen-Manipulator eine Kraft auf die Verstellschraubenspindel-Kabellaufrolle auszuüben oder bei dem Manipulator mit fester Höhe eine Kraft entweder auf die Verstellschraubenspindel-Kabellaufrolle oder die Säulenkabellaufrolle auszuüben. Die Kupplung ist nur dann eingerückt, wenn der Motor zum Antrieb der vertikalen Vernier-Achse verwendet werden soll, zu allen anderen Zeiten kann sich diese Achse relativ zu dem vertikalen Trägerarm durch die Anwendung einer äußeren Kraft frei bewegen.
Der Strom, der in den Gleichstrommotor eingegeben wird, ist typischerweise auf einen festen Wert begrenzt, um das Motormoment auf einen Pegel zu begrenzen, der ausreichend ist, die Reibung geringfügig zu überwinden und eine Bewegung zu ermöglichen. Wenn Hindernisse oder bedeutende äußere Kräfte auftreten, wird der Motor sicher blockiert.
Es gibt zwei Fälle von äußeren Kräften:

1) Während des Koppelns und des Entkoppelns muss die vertikale Vernier-Achse frei beweglich sein, um sich gemäß den Kräften zu bewegen, die von dem Kopplungsaktor ausgeübt werden. Im gekoppelten Zustand sollte die Vernier-Achse frei beweglich sein, um Schwingungen infolge des Betriebs der Handhabungseinrichtung, der Untersuchungseinrichtung oder anderer Prüfstationseinrichtungen (TSA) zu absorbieren.
2) Im nicht gekoppelten Zustand oder beim Vorgang des Koppelns oder Entkoppelns ist jede nicht angetriebene vertikale Vernier-Bewegung ein Zeichen dafür, dass äußere Kräfte ausgeübt worden sind oder dass beim vertikalen Positionieren des Prüfkopfs ein Hindernis aufgetreten ist. Das kann im Allgemeinen als ein unsicherer oder gefährlicher Zustand betrachtet werden.

Demzufolge sind Mittel zum Erfassen einer Relativbewegung zwischen dem Hauptarm 25 und dem vertikalen Armträger 23 vorgesehen. Der Ausgang dieses Sensors liefert ein nützliches Signal sowohl für die Steuerung als auch für die Sicherheit. Zusätzlich werden Sensoren verwendet, um die Relativposition des Hauptarms 25 in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 abzutasten. Eine Vielzahl von Sensortypen kann verwendet werden gemäß dem Entwicklungsstand des Gesamtsteuerungssystems, das bei dem Manipulator 11 verwendet werden soll. Es könnte z. B. ein Absolutcodierer, der genaue Positionsinformationen liefert, in einem System mit hohem Automatisierungsgrad verwendet werden. Der Ausgang eines derartigen Codierers kann in einer Datenverarbeitungseinheit differenziert werden, um eine Bewegungserfassung zu schaffen. In einem einfacheren System können ein oder mehrere Begrenzungsschalter verwendet werden, um bestimmte Relativpositionen zu erfassen, oder eine einfache photoelektrische Vorrichtung oder eine andere Vorrichtung könnte verwendet werden, um eine Relativbewegung zu erfassen.
Ein grundlegendes System wird nun beschrieben, um die Sicherheitsmerkmale zu veranschaulichen, die in der Erfindung enthalten sind. Ein Fachmann kann diese Merkmale leicht bei höherentwickelten Systeme anwenden. Bei diesem grundlegenden System werden Grenzschalter und Grenzschalteraktoren in bekannter Art verwendet, um die folgenden binär codierten Signale zu erzeugen:

Hauptarm oben (MAU): eingeschaltet (wahr), wenn sich der Hauptarm 25 in der oberen Hälfte seines Bereichs des Relativverfahrweges befindet. Das heißt, das Signal ist eingeschaltet von der Mitte des Verfahrweges bis zur oberen Begrenzung des Verfahrweges.
Hauptarm mittig (MAC): eingeschaltet, wenn sich der Hauptarm im mittleren Abschnitt seines Bereichs des Relativverfahrweges befindet, aus Gründen, die später erläutert werden, typischerweise dann, wenn sich der Hauptarm 25 in einem Bereich von plus/minus 1/8 oder 1/4 Zoll von der exakt mittigen Position befindet.
Hauptarm unten (MAD): eingeschaltet, wenn sich der Hauptarm 25 in der unteren Hälfte seines Bereichs des Relativverfahrweges befindet.

Außerdem ist ein Bewegungssensor vorhanden, der immer dann ein Signal liefert, wenn eine Relativbewegung auftritt. Bei dem vorliegenden System ist ein Inkrementalwellen-Impulsgeber mit einer Auflösung von 1024 Teilungen pro Umdrehung (wie etwa der Impulsgeber der Hohner Corporation Serie 01) mit der Kabellaufrolle 99 gekoppelt. Wenn die Laufrolle einen Durchmesser von 6 Zoll (152 mm) besitzt und wenn der Verstellschraubenspindelmechanismus 90 eine mechanische Kraftverstärkung von zehn bereitstellt, erfasst der Inkremental-Impulsgeber eine Änderung der Relativbewegung von etwa 0,018 Zoll (0,05 mm). Der Impulsgeberausgang kann einfach mit einer elektronischen Schaltungsanordnung verbunden werden, um immer dann einen Impuls zu erzeugen, wenn eine Inkrementalbewegung erfasst wird. Um eine gröbere Auflösung zu erreichen, kann eine digitale Zählerschaltung verwendet werden, um die Impulsfolge in geeigneter Weise zu teilen.
Es gibt in einem grundlegenden System zwei Betriebsarten: eine "normale" Betriebsart und eine "Wartungs-" Betriebsart. Ein Schlüsselschalter ist vorgesehen und so beschaffen, dass das System sich in der normalen Betriebsart befindet, wenn der Schlüssel nicht in den Schalter eingesetzt ist. Eine erfahrene Bedienungsperson, die einen Schlüssel besitzt, kann den Schlüssel einsetzen und das System bei Bedarf in die Wartungsbetriebsart versetzen. Ein Fachmann wird erkennen, dass es andere Verfahren gibt, die implementiert werden könnten, um sicherzustellen, dass lediglich qualifiziertes erfahrenes Personal das System in die Wartungsbetriebsart versetzen kann.
In der normalen Betriebsart sind die Sicherheitsmerkmale, die beschrieben werden sollen, eingeschaltet, wodurch es einer Person mit verhältnismäßig geringen Fertigkeiten und Erfahrungen möglich ist, das System zu bedienen. Die Wartungsbetriebsart ist vorgesehen, um eine erfahrene und qualifizierte Bedienungsperson zu unterstützen, das System von den Auswirkungen von Hindernissen, Kollisionen oder anderen unsicheren Situationen zu befreien und um außerdem eine Systemwartung, Reparatur und Einstelloperationen zu ermöglichen, bei denen eine ausbalancierte Bewegung nicht immer verfügbar oder möglich ist.
Eine handgehaltene Steuereinheit ist vorgesehen, die (zusätzlich zu weiteren möglichen Steuerungseinrichtungen, die die vorliegende Erfindung nicht betreffen) einen Ein/Aus/Ein-Momentschalter mit drei Positionen aufweist, um die vertikale Hauptbewegung zu steuern. Eine der Ein-Positionen wird verwendet, um die linearen Aktoren 75 anzuweisen, den vertikalen Armträger 23 in der Aufwärtsrichtung zu bewegen. Die andere Ein-Position weist die linearen Aktoren 75 an, den vertikalen Armträger 23 in der Abwärtsrichtung zu bewegen. in jeder Betriebsart von Wartungs- und Normalbetriebsart wird eine vertikale Bewegung immer dann angehalten, wenn die Bediener-Steuereinrichtung freigegeben ist, woraufhin der Schalter in die Aus-Position zurückkehrt.
In der Wartungsbetriebsart werden die Aktoren 75 des vertikalen Armträgers immer in Reaktion auf die Bewegungsaufforderung angesteuert. Es liegt in der Verantwortung der erfahrenen Bedienungsperson, die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten.
In der normalen Betriebsart sind die Sicherheitsmerkmale eingeschaltet und diese werden nun in den folgenden Absätzen beschrieben.
Bevor in der normalen Betriebsart eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung beginnen kann, ist es erforderlich, dass der Hauptarm 25 in einer Position ist, in der er einen unnormalen Zustand, der die Bewegung beeinträchtigt, erfassen kann. Es gibt verschiedene mögliche einfache Steuerungsmechanismen. Zwei werden hier beschrieben und weitere werden einem auf diesem Gebiet erfahrenen Fachmann erscheinen. In der ersten Ausführungsform wird dann, wenn MAC eingeschaltet ist, was angibt, dass sich der Hauptarm 25 in der "mittleren Region" seines Bereich des Verfahrweges befindet, wenn entweder eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung gefordert wird, Leistung in geeigneter Weise in die Vertikalaktoren 75 eingegeben und die angeforderte Bewegung beginnt. Wenn MAC ausgeschaltet ist, wenn die Bedienungsperson entweder die Aufwärts-Steuereinrichtung oder die Abwärts-Steuereinrichtung betätigt, versucht das System automatisch, den Hauptarm 25 mittig anzuordnen. Wenn MAU eingeschaltet ist, wird das System im Einzelnen den Motor für den vertikalen Vernier-Antrieb und die Kupplung verwenden, um den Hauptarm 25 in der Abwärtsrichtung anzutreiben, bis MAU ausgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hauptarm 25 sehr nahe an der Mitte des mittigen Bereichs. Dann wird zugelassen, dass die Bewegung des vertikalen Armträgers beginnt. Wenn MAD eingeschaltet ist, wird das gleichfalls den Hauptarm 25 in der Aufwärtsrichtung antreiben, bis MAD ausgeschaltet wird, wobei sich der Hauptarm sehr nahe an der Mitte des mittleren Bereichs befindet. Dann wird zugelassen, dass eine Bewegung des vertikalen Armträgers erfolgt.
In der zweiten Ausführungsform wird vernünftigerweise angenommen, dass dann, wenn während der vertikalen Bewegung ein Hindernis angetroffen wird, dieses bewirkt, dass sich der Hauptarm 25 in der zur geforderten Bewegung entgegengesetzten Richtung bewegt. Ein Hindernis, das angetroffen wird, wenn eine Bewegung in der Aufwärtsrichtung erfolgt, wird z. B. eine relative Abwärtsbewegung des Hauptarms 25 in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 bewirken. In dieser Ausführungsform wird eine vertikale Aufwärts- (Abwärts-) Bewegung zugelassen, wenn entweder MAU (MAD) oder MAC eingeschaltet sind, wenn die Aufwärtsbewegung gefordert wird. Wenn keines der Signale eingeschaltet ist, ist MAD (MAU) notwendigerweise eingeschaltet und der Hauptarm 25 wird in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 nach oben angetrieben, bis MAD (MAU) ausgeschaltet wird (unwahr wird), was angibt, dass der Hauptarm 25 in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 mittig angeordnet ist. Wie oben festgestellt wurde, kann der Manipulator 11 so beschaffen sein, dass die vertikale Bewegung immer dann anhält, wenn die Bedienersteuerung freigegeben wird.
In jeder Ausführungsform kann immer dann, wenn das System beginnt, den Hauptarm 25 automatisch mittig anzuordnen, ein Zeitgeber gestartet werden. Der Zeitgeber wird angehalten, wenn der Hauptarm 25 an seiner mittigen Position eintrifft. Wenn ein Hindernis, eine Behinderung oder eine andere Fehlfunktion verhindert, dass der Hauptarm 25 innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer mittig angeordnet wird, gibt der Zeitgeber ein Ausgangssignal aus, das die Stromversor gungsquellen für alle Antriebsmechanismen abschaltet und die Bedienungsperson über die Situation benachrichtigt. Die Stromversorgungsquellen für die Antriebsmechanismen müssen durch eine erfahrene qualifizierte Bedienungsperson per Hand wieder eingeschaltet werden, nachdem die Situation beseitigt wurde. Es kann erforderlich sein, dass die erfahrene qualifizierte Bedienungsperson die Wartungsbetriebsart verwendet, um die Situation zu bereinigen. Für eine erhöhte Sicherheit können außerdem ein Schlüsselschalter oder andere Sicherheitsmittel leicht verwendet werden, um die Stromversorgung für die Aktoren 75 wiederherzustellen.
Da sich die vertikale Vernier-Achse in einem ausbalancierten Zustand befindet, wird eine sehr kleine äußere Kraft von typischerweise weniger als 15 kg benötigt, um eine Relativbewegung zwischen dem Hauptarm 25 und dem vertikalen Trägerarm 23 zu bewirken. Wenn die linearen Aktoren 75 den vertikalen Armträger 23 in eine der Aufwärts- und Abwärtsrichtungen antreiben, bleibt die vertikale Vernier-Achse in ihrem ausbalancierten Zustand und es sollte keine vertikale Relativbewegung des Hauptarms 25 in Bezug auf den vertikalen Armträger 23 auftreten. Wenn ein Hindernis oder eine Behinderung auftritt und durch die Systemlast getroffen wird, wird die auf den Hauptarm 25 ausgeübte Kraft eine Relativbewegung bewirken, die durch den Bewegungsdetektor erfasst wird. Ein derartiges Ereignis könnte möglicherweise ein gefährliches Ereignis sein, welches das Leben bedroht, eine Körperverletzung hervorruft und/oder an der Ausrüstung teure Schäden bewirkt. Um demzufolge wie in dem obigen Fall Schäden zu verhindern oder wenigstens minimal zu machen, werden die Stromversorgungsquellen für alle Antriebsmechanismen sofort abgeschaltet und die Bedienungsperson wird über die Situation benachrichtigt. Die Stromversorgungsquellen für die Antriebsmechanismen müssen durch eine erfahrene qualifizierte Bedienungsperson per Hand wieder eingeschaltet werden, nachdem die Situation beseitigt wurde. Für eine erhöhte Sicherheit können außerdem ein Schlüsselschalter oder andere Sicherheitsmittel leicht verwendet werden, um die Stromversorgung für die Aktoren 75 wiederherzustellen. Die erfahrene qualifizierte Bedienungsperson kann außerdem die Wartungsbetriebsart verwenden, um die Situation zu bereinigen.
Da dies ein grundlegendes System ist, besteht die Möglichkeit, dass Bedienerfehler zu einer Kollision führen. Es wird z. B. angenommen, dass der Prüfkopf gerade von einer Wafer-Untersuchungseinrichtung gelöst wurde und der Prüfkopf nach oben und weg von der Untersuchungseinrichtung bewegt werden soll. Eine sorglose Bedienungsperson könnte irrtümlich die Abwärtssteuerung anstelle der richtigen Aufwärtssteuerung aktivieren. Der Prüfkopf würde sich dann in die Kopplungseinrichtung bewegen, eine Kollision würde stattfinden und eine Relativbewegung bewirken, die dann erfasst wird und die gesamte Stromversorgung würde für alle Antriebsmotoren abgeschaltet. Es wird angemerkt, dass ein höherentwickeltes System Sensoren und Steuerungseinrichtungen verwenden könnte, um ein derartiges Ereignis zu verhindern. Es ist im Allgemeinen nicht wahrscheinlich, dass ein Steuerungssystem in angemessener Weise so beschaffen ist, dass es alle möglicherweise gefährlichen Situationen erfasst und verhindert, wobei ein Systementwurf eine derartige Möglichkeit berücksichtigen muss.
Bei der Beseitigung einer Situation wie die oben genannte oder bei der Entfernung eines Hindernisses, das zufällig getroffen wurde, wobei bewirkt wurde, dass die Stromversorgung für die linearen Aktoren 75 abgeschaltet wurde, kann es die Bedienungsperson als wünschenswert betrachten, den vertikalen Leistungsantrieb in der normalen Betriebsart zu verwenden, um die Systemlast von dem Hindernis weg zu bewegen. Das heißt, der Hauptarm 25 wird in die entgegengesetzte Richtung von der ursprünglichen Bewegung, die die Kollision bewirkt hat, bewegt. Das System ist möglicherweise in einer Situation, in der sich der Hauptarm 25 weg von der ursprünglichen mittigen Position bewegt hat, und das Hindernis würde verhindern, dass der Hauptarm 25 automatisch mittig angeordnet wird, wie oben beschrieben wurde. Da der "mittige Abschnitt" der Relativbewegung so definiert wurde, dass er verhältnismäßig groß ist (1/8 bis 1/4 Zoll insgesamt (3,2 bis 6,4 mm)), muss die für die Reparatur verantwortliche Bedienungsperson in der Lage sein, die Position des Hauptarms 25 auf einen Punkt manuell einzustellen, an dem die Bedingungen derart sind, dass eine Bewegung möglich ist, ohne dass zuerst eine Mitteneinstellung erfolgt (selbst wenn der Hauptarm 25 etwas außermittig ist). Wenn die Stromversorgungsquellen der Aktoren wieder eingeschaltet werden, können die linearen Aktoren 75 verwendet werden, um die Systemlast weg vom Hindernis zu bewegen. Nachdem das System um einen oder zwei Zoll weg von dem Hindernis bewegt wurde, kann die Bedienungsperson, wenn sie es wünscht, die Bewegung anhalten, den Hauptarm 25 auf eine von dem mittleren Bereich entfernte Position einstellen, wodurch bewirkt wird, dass MAC ausgeschaltet wird, und anschließend die Bewegung erneut beginnen. Das ermöglicht, den Hauptarm 25 durch den normalen Betriebsvorgang automatisch mittig anzuordnen. Bei dem eben beschriebenen Szenario hat die erfahrene Bedienungsperson die Verwendung der Wartungsbetriebsart vermieden und hat vorteilhaft den Sicherheitsmechanismus im eingeschalteten Zustand gelassen.
Ein weiterer Aspekt des Systems betrifft den Schwellenwert für die Erfassung einer Relativbewegung. Im Idealfall wird dann, wenn die linearen Aktoren 75 den vertikalen Armträger 23 nach oben oder nach unten antreiben, keine Relativbewegung in Bezug auf den Hauptarm 25 auftreten, wenn das System ausbalanciert ist; eine geringe Bewegung kann jedoch beim Starten und beim Anhalten festgestellt werden. Außerdem kann infolge einer Systemverschlechterung ein gewisses "Prellen" der Relativbewegung festgestellt werden. Diese Faktoren stellen einen minimalen Bewegungsbetrag oder einen Störungspegel der Bewegung dar, die toleriert werden müssen. Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht die Verwendung eines einfachen Inkremental-Impulsgebers als Bewegungsdetektor, dass das System in der Weise konstruiert wird, dass eine elektronische Einstellung des Schwellenwertes der Bewegungserfassung möglich ist.
Eine weitere Betrachtung gilt der Auswirkung des Prüfsystemkabels. Allgemein ausgedrückt, wenn der Prüfkopf vertikal bewegt wird, wird sich die Kraft, die von ihm auf das Kabel ausgeübt wird, ändern. Eine früher offenbarte US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. PCT/US00/00704 beschrieb die Verwendung eines Teleskop-Kabelträgerarms in Kombination mit einem Nivellierungsmechanismus, der durch einen linearen Aktor angetrieben wird. In diesem Schema kann das Kabel in Bezug auf den Prüfkopf nivelliert werden, nachdem die vertikale Position erreicht wurde. Die Bedienungsperson kann außerdem sowohl die Nivellierungseinrichtung als auch den Prüfkopf gleichzeitig bewegen, obwohl dies nicht in einer koordinierten Weise erforderlich ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist es klar, dass es wünschenswert wäre, den relativen Winkel des Teleskop-Kabelträgerwinkels konstant (vorzugsweise horizontal) zu halten, um falsche Relativbewegungssignale zu verhindern und/oder um den Beitrag der Schwankungen der Kabelkraft zu dem Störungspegel der Relativbewegung zu eliminieren oder minimal zu machen. Andernfalls wird die vertikale Bewegung häufig angehalten, wobei die Stromversorgung wiederhergestellt werden muss, bevor der Betrieb fortgesetzt werden kann.
Eine Lösung besteht darin, das Schrankende des Teleskop-Kabelträgerarms mit dem vertikalen Trägerarm 23 zu koppeln, so dass beide Enden des Teleskop-Trägerarms gleichzeitig mit dem Prüfkopf bewegt werden. Dieser Lösungsansatz verringert die zur Verfügung stehende Nutzlast des Systems um das Gewicht des zusätzlichen Kabels und der Kabeltragevorrichtung, das von dem vertikalen Trägerarm 23 getragen werden muss. Für ein System, das einen großen Prüfkopf und schwere Kabel aufweist, kann das ein wesentlicher Nachteil sein.
Eine weitere Lösung besteht darin, vertikale Aktoren für die Kabelunterstützung und den vertikalen Trägerarm 23 zu verwenden, die in der Geschwindigkeit eng angepasst sind. Abstimmbare elektrische Schaltungen zur Geschwindigkeitssteuerung können verwendet werden, um die Geschwindigkeiten der Aktormotoren bei Bedarf einzustellen. Es wird angemerkt, dass die Geschwindigkeit von der Last und anderen Faktoren abhängen kann; demzufolge können Sensoren und Rückführungsmechanismen auf herkömmliche Weise verwendet werden, um die Spindelgeschwindigkeiten dynamisch einzustellen.
Im Vorhergehenden wurden Aspekte eines sehr einfachen Steuersystems beschrieben, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist, um die grundlegenden Steuerungs- und Sicherheitsmerkmale zu veranschaulichen. Es wird erwartet, dass komplexere Steuersysteme, die teilweise auf moderneren Erfassungsmitteln beruhen, zur Verwendung mit der Erfindung leicht entwickelt werden können.
Die Beschreibung beruhte außerdem auf der Verwendung eines Verstellschraubenspindel-Mechanismus 90, um die mechanische Kraftverstärkung zu schaffen, die die Erfindung ermöglicht. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Vorrichtungen, die Hebel, Verbundhebel, Schrittschalträder, Zahnräder und andere Mechanismen enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, außerdem verwendet werden können, um die gleiche Wirkung zu erreichen. Demzufolge ist die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Verstellschraubenspindel 95 beschränkt.
Während die Vernier-Bewegung so beschrieben wurde, dass sie durch den linearen Aktor 75 getragen wird, ist es außerdem möglich, den linearen Aktor 75 mit der Vernier-Bewegung zu tragen. Das bedeutet natürlich, dass der lineare Aktor 75 ausbalanciert sein muss, das Endergebnis bleibt jedoch die Fähigkeit, wesentliche vertikale Einstellungen mit einer Verstellschraubenspindel 95 oder einer Entsprechung auszuführen, und die Feineinstellungen mit der Vernier-Bewegung zu machen.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich als Beispiel angegeben wurden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Modifikationen werden einem Fachmann erscheinen, ohne von der Erfindung abzuweichen. Es ist dementsprechend beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Variationen abdecken, wenn sie in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims

Vorrichtung für die Unterstützung einer Last, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Antriebsmechanismus (75), um eine erste räumliche Einstellung der Last vorzunehmen; einen Kopplungsmechanismus, um eine zweite räumliche Einstellung der Last in einem ausbalancierten Zustand vorzunehmen, wobei der Kopplungsmechanismus einen Lastträger (33) für die Aufnahme der Last aufweist; einen Positionsdetektor, um festzustellen, ob eine Position des Lastträgers (33) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt; und eine Unterbrechungsschaltung, um den Antriebsmechanismus (75) zu unterbrechen, wenn die Position außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor einen Bewegungsdetektor umfasst, um festzustellen, ob die Bewegung des Lastträgers (33) zu dem Antriebsmechanismus (75) innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kopplungsmechanismus einen Positionierungsmechanismus umfasst, um den Lastträger an eine Position innerhalb eines vorgegebenen Bereichs anzutreiben; wobei die Vorrichtung ferner umfasst: einen Zeitgeber, um eine Zeitsteuerung auszuführen, falls der Positionsmechanismus den Lastträger innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer an der Position positioniert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin einen primären Träger (17) umfasst, um die Last zu unterstützen, wobei der Kopplungsmechanismus den primären Träger (17) mit dem Lastträger koppelt, und der primäre Träger (17) mehrere Teleskopsegmente aufweist, wobei wenigstens eines der Teleskopsegmente durch den Antriebsmechanismus (75) angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Last ein Prüfkopf ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Antriebsmechanismus einen nicht konformen linearen Aktor (75) umfasst, der die Last in einer vertikalen Richtung antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der primäre Träger (17) ein unteres Segment (21), ein mittleres Segment (22) und ein oberes Segment (23) aufweist, wobei das mittlere Segment (22) und das obere Segment (23) durch wenigstens einen linearen Aktor (75) angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kopplungsmechanismus einen Lastunterstützungsteil, der mit dem Lastträger gekoppelt ist, und einen Eingangsteil, der eine Ausgleichskraft aufnimmt, umfasst, so dass die Last in einem im Wesentlichen gewichtslosen Zustand unterstützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Ausgleichskraft Gegengewichte, die mit dem Eingangsteil gekoppelt sind, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kopplungsmechanismus eine Verstellschraubenspindel (95) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste räumliche Einstellung eine Bahneinstellung einer Position der Last in einer vertikalen Richtung ist und die zweite räumliche Einstellung eine konforme Vernier-Einstellung der Position der Last in der vertikalen Richtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Last ein Prüfkopf ist, der Lastträger (33) eine Prüfkopfbefestigung für die Aufnahme des Prüfkopfs aufweist und der Prüfkopf in Ausrichtung auf eine zu prüfende Einheit unterstützt ist, derart, dass der Prüfkopf eine elektrische Prüfung der zu prüfenden Einheit ausführen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kopplungsmechanismus einen Kabelträger (18) für die Unterstützung eines Kabels aufweist, wobei das Kabel den Lastträger unterstützt und der Kabelträger (18) einen Nivellierungsmechanismus (18a) aufweist, um einen gewünschten Winkel des Kabelträgers (18) in Bezug auf die Last aufrecht zu erhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen primären Träger für die Unterstützung der Last umfasst, wobei der Kopplungsmechanismus den primären Träger mit dem Lastträger koppelt und der primäre Träger mehrere Teleskopsegmente aufweist, wobei wenigstens eines der Teleskopsegmente durch den Antriebsmechanismus (75) angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der primäre Träger ein unteres Segment (21), ein mittleres Segment (22) und ein oberes Segment (23) umfasst, wobei das mittlere Segment (22) und das obere Segment (23) durch wenigstens einen linearen Aktor (75) angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin einen primären Träger für die Unterstützung der Last umfasst, wobei der Kopplungsmechanismus den primären Träger mit dem Lastträger koppelt, wobei der primäre Träger mehrere Teleskopsegmente aufweist, wobei wenigstens eines der Teleskopsegmente durch den Antriebsmechanismus (75) angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Last ein Prüfkopf ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Antriebsmechanismus einen nicht konformen linearen Aktor (75) umfasst, der die Last in einer vertikalen Richtung antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der primäre Träger ein unteres Segment (21), ein mittleres Segment (22) und ein oberes Segment (23) umfasst, wobei das mittlere Segment (22) und das obere Segment (23) durch wenigstens einen linearen Aktor (75) angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Kopplungsmechanismus einen Lastunterstützungsteil, der mit dem Lastträger gekoppelt ist, und einen Eingangsteil für die Aufnahme einer Ausgleichskraft umfasst, so dass die Last in einem im Wesentlichen gewichtslosen Zustand getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Ausgleichskraft Gegengewichte umfasst, die mit dem Eingangsteil gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Kopplungsmechanismus eine Verstellschraubenspindel (95) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste räumliche Einstellung eine Bahneinstellung einer Position der Last in einer vertikalen Richtung ist und die zweite räumliche Einstellung eine konforme Vernier-Einstellung der Position der Last in der vertikalen Richtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Last ein Prüfkopf ist, der Lastträger (33) eine Prüfkopfbefestigung für die Aufnahme des Prüfkopfs aufweist und der Prüfkopf in Ausrichtung auf eine zu prüfende Einheit unterstützt ist, so dass der Prüfkopf einen elektrischen Test der zu prüfenden Einheit ausführen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Kopplungsmechanismus einen Kabelträger (18) für die Unterstützung eines Kabels aufweist, das Kabel den Lastträger unterstützt und der Kabelträger (18) einen Nivellierungsmechanismus (18a) aufweist, um einen gewünschten Winkel des Kabelträgers (18) in Bezug auf die Last aufrecht zu erhalten.