DE60122911T2

DE60122911T2 - Manipulator für einen testkopf mit aktiver nachgiebigkeit

Info

Publication number: DE60122911T2
Application number: DE60122911T
Authority: DE
Inventors: O. Nil Yardley NY; M. Henri Moorestown AKOUKA; R. Alyn Cherry Hill HOLT
Original assignee: InTest Corp
Current assignee: InTest Corp
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: AU2001291171A1; HK1095884A1; WO2002025292B1; MY127154A; WO2002025292A2; DE60122911D1; US7084358B2; DE06014164T1; EP1322965B1; CN1484767A; EP1322965A2; MY147595A; ATE338952T1; US20060156836A1; CN101788643A; CN1306277C; WO2002025292A3; TW515893B; JP2004523729A; US7340972B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen Testkopf in Bezug auf eine oder mehrere Achsen ins Gleichgewicht zu bringen. Ferner schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schaffen eines nachgiebigen Bewegungsbereichs für einen Testkopf in Bezug auf eine oder mehrere Achsen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Testen von integrierten Schaltungen, Chips und Wafern ist es üblich, ein System zu verwenden, das einen Testkopf und eine Anlage zum Handhaben des zu testenden Gegenstandes umfasst. Die Handhabungsanlage kann eine Handhabeeinrichtung für gepackte Vorrichtungen, eine Waferprüfsonde oder eine andere Vorrichtung sein. Der Einfachheit halber nehmen wir auf eine solche Anlage als "Vorrichtungshandhabeeinrichtung" oder einfach "Handhabeeinrichtung" Bezug. Der Testkopf wird an die Handhabeeinrichtung "angekoppelt". Schaltungsverbindungen können dann zwischen dem Testkopf und der integrierten Schaltung hergestellt werden, so dass der Testkopf die geeigneten Tests durchführen kann.
Im Allgemeinen gibt es zwei Verfahren zum Ankoppeln, durch einen Aktor angetriebenes Ankoppeln und durch einen Manipulator angetriebenes Ankoppeln. Das als "durch einen Aktor angetriebene" Ankoppeln bekannte Verfahren wurde zum ersten Mal im US-Patent Nr. 4 589 815 (nachstehend '815) von Smith offenbart und Veränderungen an diesem wurden später entwickelt und in den US-Patenten 5 654 631 von Ames, 5 744 974 von Bogden, 5 982 182 von Chiu et al., 6 104 202 von Slocum et al., und 5 821 764 auch von Slocum et al. offenbart. Alle werden durch den Hinweis aufgenommen.
In einer allgemeinen Hinsicht erfordern Ankopplungssysteme "Ausrichtungsstrukturen" an einem der zwei zu koppelnden Gegenstände, die mit "Ausrichtungsfassungen" am anderen der zwei Gegenstände in Eingriff kommen. Im '815-Patent sind Führungsstifte als Ausrichtungsstrukturen enthalten und Führungsstiftfassungen und Zwischenstücke sind als Ausrichtungsfassungen enthalten. In den drei Patenten von Chiu et al. und Slocum et al. wird eine Ausrichtung in allen sechs Freiheitsgraden durch eine kinematische Kopplung geschaffen, die sechs Kon taktpunkte zwischen vorgesehenen Oberflächen bereitstellt, wobei "nicht mehr als zwei der Kontaktpunkte kollinear sind". In diesen Patenten dienen "kinematische Oberflächen" an einem der zwei zu koppelnden Gegenstände als Ausrichtungsfassungen; und die "kinematischen Gegenoberflächen" am anderen der zwei Gegenstände fungieren als Ausrichtungsstrukturen. In den bevorzugten Ausführungsformen, die in den Patenten beschrieben sind, sind Kugeln oder kugelförmige Oberflächen die kinematischen Gegenoberflächen oder Ausrichtungsstrukturen und Nuten sind die kinematischen Oberflächen oder Ausrichtungsfassungen. Wie in den Patenten angegeben, können viele andere Kombinationen von Oberflächen verwendet werden.
Die im '815-Patent beschriebene Kopplungsbaugruppe ist ähnlich zu der Zwei-Punkt-Kopplungsbaugruppe 1340, die teilweise in der Handhabeeinrichtungsposition der vertikalen Ebene in 13 (und teilweise weggeschnitten in der Ansicht unten links in 13) der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist. In 13 ist nur die Hälfte der Baugruppe, die am Testkopf befestigt ist, gezeigt. Diese Zwei-Punkt-Kopplungsbaugruppen verwenden sowohl zwei Führungsstifte 912 als auch jeweilige Gegenlöcher (in 13 nicht gezeigt) und zwei kreisförmige Nocken 910. Wenn die Nocken 910 durch Griffe 914, die an ihnen befestigt sind, gedreht werden, werden die zwei Hälften der Kopplungseinrichtung zusammengezogen, wobei die Führungsstifte 912 vollständig in ihre Gegenlöcher (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Ein Drahtseil 915 verbindet die zwei Nocken 910, so dass sie sich synchron drehen. Die Seilanordnung ermöglicht, dass die Kopplungseinrichtung betätigt wird, indem eine Kraft nur auf den einen oder den anderen der zwei Griffe 914 ausgeübt wird. Die Griffe sind folglich in diesem Fall der Kopplungsaktor.
Kopplungseinrichtungen, die von Reid Ashman Manufacturing Company (RAM) [siehe Website und Verkaufsliteratur] hergestellt werden, sind im Konzept zu denjenigen ähnlich, die im '815-Patent beschrieben sind. Bei RAM werden jedoch lineare Kopplungsnocken anstelle von kreisförmigen Nocken verwendet. Die RAM-Kopplungseinrichtung verwendet auch starre mechanische Gestänge und Schwinghebel anstelle von Drahtseilen um die Bewegung der Nocken zu synchronisieren. Die Kopplungseinrichtung wird durch einen oder den anderen von zwei Griffen betätigt, die mit jeweiligen Schwinghebeln gekoppelt sind.
Mit Leistung versorgte Aktoren können in Kopplungseinrichtungen in einer Vielfalt von Weisen integriert werden. Ein linearer Aktor, wie vorher beschrieben, kann beispielsweise leicht hinzugefügt werden, um dem Drahtseil in der '815- Kopplungseinrichtung oder dem mechanischen Gestänge oder den linearen Nocken in anderen Kopplungseinrichtungen eine Kopplungsbetätigung zu erteilen. Der lineare Aktor kann ein beliebiger von mehreren Arten, einschließlich durch einen Elektromotor angetrieben, einer elektrischen Magnetspule oder pneumatisch, sein.
Die in den US-Patenten 5 654 631 und 5 744 974 beschriebenen Kopplungseinrichtungen verwenden Führungsstifte und Löcher, um die zwei Hälften auszurichten. Die Kopplungseinrichtungen werden jedoch durch Vakuumvorrichtungen betätigt, die die zwei Hälften zusammendrücken, wenn ein Vakuum aufgebracht wird. Die zwei Hälften bleiben miteinander verriegelt, solange das Vakuum aufrechterhalten wird.
Die in den US-Patenten 5 821 764, 5 982 182 und 6 104 202 offenbarten Kopplungseinrichtungen verwenden kinematische Kopplungsverfahren, um die Endausrichtung zwischen den zwei Hälften vorzusehen. Führungsstifte können auch verwendet werden, um eine anfängliche Ausrichtung vorzusehen. Die Führungsstifte können mit einem Fangmechanismus versehen sein, der den Führungsstift in seinem Loch einfängt und verhindert, dass er entweicht. Der Fangmechanismus scheint in den '764- und '202-Patenten automatisch zu aktivieren; wohingegen eine durch einen Motor angetriebene Vorrichtung für jeden der drei Führungsstifte im '182-Patent verwendet wird. Im '182-Patent können die drei Motoren auch separat betrieben werden, um eine Planarisierung zwischen den gekoppelten Komponenten zu bewirken. In allen drei Offenbarungen wird ein linearer Aktor verwendet, um schließlich die zwei Hälften zusammenzuziehen. Der lineare Aktor ist als vom pneumatischen Typ offenbart.
Die obige Erörterung soll einen kurzen Überblick über bestimmte verfügbare durch einen Aktor angetriebene Kopplungsverfahren bereitstellen. Es wird beobachtet, dass die Kopplungseinrichtungen durch eine Vielfalt von verschiedenen Vorrichtungen betätigt werden können.
Eine alternative Methode, die als "durch einen Manipulator angetriebene" Kopplung bezeichnet wird, ist beispielsweise in den US-Patenten 5 600 258 und 5 900 737 von Graham et al. beschrieben. Diese alternative Methode stellt eine oder mehrere angetriebene und gesteuerte Achsen ("gesteuerte Achsen") des Manipulators bereit, um den Testkopf zu positionieren. Beispielsweise und wie in den erwähnten Patenten beschrieben, sind die vertikale, die Neigungs- und die Wälzachse gesteuerte Achsen in den Graham-Patenten. Systeme sind auch bekannt, bei denen nur eine einzelne Achse, wie z. B. die vertikale Achse oder Taumelachse, gesteuert wird. Positionssensoren werden typischerweise verwendet, um eine Rückkopplung zu den gesteuerten Achsen hinsichtlich der Position des Testkopfs in Bezug auf die Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde zu liefern. Beim Ankoppeln betätigt eine Steuereinheit (oder eine Bedienperson) die gesteuerte Achse oder die gesteuerten Achsen, um zuerst den Testkopf in eine zum Ankoppeln bereite Konfiguration zu bringen, und betätigt dann die gesteuerten Achsen weiter, um das Ankoppeln zu vollenden. Bei [Graham et al.] werden die Sensoren von der Steuereinheit verwendet, um die Kopplungsoberfläche des Testkopfs korrekt zur Kopplungsoberfläche der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde (typischerweise koplanar) zu orientieren und die Bewegung zu stoppen, wenn das Ankoppeln vollständig ist und die elektrischen Verbindungen zwischen dem Testkopf und der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde angemessen hergestellt wurden. Es ist kein Kopplungsaktor vorhanden und typischerweise ist kein separater, unabhängiger Verriegelungsmechanismus vorhanden, der von den Manipulatorachsen unabhängig ist. Wenn keine separate, unabhängige Verriegelung vorhanden ist, müssen die Manipulatorachsen in der Position verriegelt werden, um den Testkopf in der vollständig gekoppelten Position zu haften.
In durch einen Manipulator angetriebenen Kopplungssystemen ist es auch nicht immer erwünscht oder brauchbar, dass der Testkopf in allen Achsen ins Gleichgewicht gebracht wird. Ein Testkopf im Ungleichgewicht führt zu unvorhersagbaren und ungewollten Kräften, die durch die Antriebs- und Steuermechanismen, durch die Ausrichtungsmechanismen und durch die Struktur der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde selbst überwunden werden müssen.
Ein Kopplungssystem, in dem ein Mechanismus, der vom Manipulator separat und unabhängig ist, den Testkopf an der Handhabungseinrichtung/Prüfsonde verriegelt, wenn er vollständig ankoppelt ist, wird als System mit "verriegelter Kopplung" bezeichnet. Ein System, in dem der Testkopf nur durch die Verriegelung der Manipulatorachsen in der vollständig gekoppelten Position gehalten wird, wird als System mit "nicht verriegelter Kopplung" bezeichnet. Typischerweise ist ein durch einen Aktor angetriebenes Kopplungssystem ein System mit verriegelter Kopplung und ein durch einen Manipulator angetriebenes Kopplungssystem ist ein System mit nicht verriegelter Kopplung. Die anderen zwei Kombinationen sind jedoch möglich.
Bei der Konstruktion von Manipulatoren für große Testköpfe ist es erwünscht, dass der Testkopf in bis zu sechs Achsen oder Bewegungsfreiheitsgraden im Wesentlichen frei beweglich ist, um eine leichte gesteuerte Bewegung zu erleichtern. Dies gilt für die manuelle Manipulation und das sichere Antreiben der Bewegungsachsen, wie in der internationalen PCT-Patentanmeldung Nr. US00/00704 "TEST HEAD MANIPULATOR" und in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/186 916 "COUNTER BALANCED VERTICAL DOCKING MOTION IN A DRIVEN VERTICAL AXIS TEST HEAD MANIPULATOR" erörtert. Dies gilt auch beim Koppeln/Entkoppeln mit einer Vorrichtungshandhabungseinrichtung oder Prüfsonde, wobei die Bewegung durch ein Kopplungssystem bereitgestellt wird, wie im US-Patent Nr. 4 589 815 von Smith, im US-Patent Nummern 5 821 764 und 6 104 202 von Slocum et al., oder im US-Patent Nr. 5 982 182 von Chiu et al. beschrieben. Eine solche Bewegungsfreiheit oder "elastische Bewegung" ist von spezieller Bedeutung im Prozess der Kopplung des Testkopfs mit der Handhabungseinrichtung.
Die zwei Achsen, die eine Bewegung parallel zum Boden (Seite zu Seite und einwärts-auswärts) vorsehen, und die Achse, die zum Boden senkrecht ist (aufwärts-abwärts), sind in 14 dargestellt. Diese drei Achsen umfassen die x-Achse (Seite zu Seite) 1315, die y-Achse (einwärts-auswärts) 1325 und die z-Achse (aufwärts-abwärts) 1335. Es sind auch drei Drehachsen gezeigt, einschließlich der Neigungsachse (x) 1310, der Wälzachse (y) 1320 und der Schwenkachse (und Gierungsachse) (z) 1330. In den zwei Achsen, die zum Boden parallel sind (x und y) wird normalerweise eine Bewegungsfreiheit durch reibungsarme Lager, Schienen und dergleichen oder in einem Gelenkarm geschaffen, wie im US-Patent Nr. 4 527 942, auch von Smith, beschrieben. Im Fall der vertikalen oder Aufwärts-Abwärts-Achse (z-Achse) ist es typisch, Gegengewichte zu verwenden, um einen im Wesentlichen gewichtslosen Zustand zu schaffen, um jederzeit die gewünschte Bewegungsfreiheit zu schaffen, außer wenn eine Achse absichtlich durch eine Bedienperson verriegelt wird. Andere Verfahren in der Aufwärts-Abwärts-Achse, die bekannt sind, bestehen darin, einen Federmechanismus zu verwenden, wie im US-Patent Nr. 5 931 048 von Slocum et al., und US-Patent Nrn. 5 149 029 und 4 705 447 von Smith. Das US-Patent Nr. 5 949 002 von Alden weist jedoch auf verschiedene Schwierigkeiten bei solchen Methoden hin und schlägt die Verwendung einer Servosteuerschleife vor, die einen Lastzellenkraftsensor beinhaltet. Verfahren, die Servosteuerschleifen mit Kraft- und Positionsrückkopplung beinhalten, sind jedoch komplex und teuer und stellen keine einfache Weise für eine Bedienperson, das System im Fall einer Funktionsstörung außer Kraft zu setzen, bereit.
Im Fall der Neigungs-, Wälz- und Gierungsdrehbewegungen ist es bekannt, die Drehachsen so anzuordnen, dass sie fast durch den Schwerpunkt des Testkopfs und seiner befestigten Montagemechanismen und Kabel verlaufen. Dies wurde in Taumelmodus-Manipulatoren durch Hinzufügen von Ballastgegengewichten erreicht. Bei Kabelschwenkmanipulatoren wurde es durch Vorsehen einer Vielfalt von Abstandhaltern, um die Länge des inneren Gestells wieder auf projizierte Kabelschwenkmanipulatoren zu verändern, erreicht, wie im US-Patent Nr. 5 450 766 von Holt beschrieben.
Es kann wirtschaftlich sein, eine oder mehrere Drehbewegungsachsen innerhalb des Testkopfs an oder nahe dem tatsächlichen Schwerpunkt der Testkopf- und Kabelbaugruppe anzuordnen, wie in 13 gezeigt. Es ist zu beobachten, dass die Neigungs- und Gierungsbewegungen in die Testkopfstruktur integriert sind. In 13 sind diese als Neigungsachse 1310 (Theta X von ± 5 Grad) und die Gierungsachse 1320 (Theta Z von ± 5 Grad) gezeigt. Die Wälzachse 1330 (Theta Y von ± 90–95 Grad) ist auch in 13 gezeigt.
In heutigen Systemen kann es sich als erwünscht erweisen, die Neigungsachse mit ungefähr ± 5 Grad Bewegung, die Wälzachse mit ± 90 Grad Bewegung (außerhalb des Testkopfs) und ungefähr ± 5 Grad Gierungsbewegung innerhalb des Testkopfs anzuordnen. Dies liegt daran, dass der Umfang der Struktur, die erforderlich ist, um diese Achsen zu implementieren, im oder nahe dem Schwerpunkt signifikant geringer ist als die Struktur, die erforderlich ist, um diese Achsen zu implementieren, wenn sie außerhalb des Testkopfs liegen, indem beispielsweise die "CPPJ"-Verfahren (für Neigung) und die Spaltring-Kabelschwenk-Verfahren verwendet werden, die im US-Patent Nummern 5 450 766 von Holt bzw. 5 608 333 auch von Holt beschrieben sind.
Es wurde vorgeschlagen, dieses Konzept durch Anordnen eines Kugellagers nahe dem Schwerpunkt eines Testkopfs zu implementieren. Ein extern einstellbares Mittel zum Bewegen der Position des Kugellagers kann in der Einwärts-Auswärts-Richtung vorgesehen sein, so dass es physikalisch positioniert werden kann, um die Neigungsachse (oder Taumelachse) ins Gleichgewicht zu bringen, wenn sich der Testkopf entweder in der Aufwärtsorientierung des DUT (Vorrichtung unter Test) oder DUT-Abwärtsorientierung befindet. Ein Nachteil des Kugellagers besteht darin, dass es alle drei Drehfreiheitsgrade gleichzeitig vorsieht.
Obwohl es erwünscht ist, ist es sehr schwierig, diese internen Achsen im oder sehr nahe dem echten Schwerpunkt von realen Testköpfen anzuordnen. Die Praxis des Veränderns der Bestückung von elektronischen Anschlussstiftleiterplatten innerhalb von Testköpfen und der Größe und des Gewichts von Testkopfkabeln, um spezielle Tester-Endanwender-Bedürfnisse zu erfüllen, führt häufig zu signifikanten Verschiebungen des Orts des Schwerpunkts und daher signifikanten Ungleichgewichtskräften. Da der Testkopf durch seine Bewegungshüllkurve bewegt wird, können außerdem die auf den Testkopf durch das Kabel ausgeübten Kräfte variieren; dies verursacht eine variable Ungleichgewichtskraft, wenn ein System mit fester Konfiguration verwendet wird. Diese Ungleichgewichtskräfte behindern den frei beweglichen Zustand, der in Bezug auf eine oder mehrere der Bewegungsachsen erwünscht ist.
Es ist auch häufig erwünscht, den Ort einer Bewegungsachse zu einem Ort, der vom Schwerpunkt entfernt ist, umzupositionieren, ob die Bewegungsachse innerhalb des Testkopfs oder außerhalb des Testkopfs liegt, wie es herkömmlich bei Manipulatoren durchgeführt wurde. Ein Beispiel dessen besteht darin, die Taumelachse vielmehr sehr nahe an der DUT-Schnittstelle eines sehr dicken Testkopfs als im Schwerpunkt des Testkopfs, der gewöhnlich nahe dem physikalischen Zentrum des Testkopfs liegt, anzuordnen. Wenn der Testkopf einen Meter dick ist, besteht die Implikation der Anordnung der Taumelschwenkachse im Schwerpunkt, daher nahe dem physikalischen Zentrum, darin, dass der Manipulator einen vertikalen Bewegungsbereich (Hub) von mindestens einem Meter (100 cm) erfordern würde. Wenn es möglich ist, die Taumelschwenkachse innerhalb 13 cm der DUT-Schnittstelle anzuordnen, könnte der vertikale Hub des Manipulators um 74 cm (100 cm–26 cm) verringert werden, wodurch die Gesamthöhe des Manipulators verringert wird oder längere Hauptarme für eine größere Lastkapazität von einer gegebenen Lagerstruktur ermöglicht wird. Wie vorstehend angegeben, werden jedoch Ungleichgewichtskräfte erzeugt, indem der Schwerpunkt des Testkopfs von einem bekannten physikalischen Punkt weg bewegt wird. Diese Ungleichgewichtskräfte verursachen ferner, dass sich der Testkopf in einem Ungleichgewichtszustand befindet, so dass er nicht in allen sechs Achsen frei beweglich ist.
Da Testköpfe größer und komplexer geworden sind, bestand folglich eine entsprechende Zunahme der Ungleichgewichtskräfte in jeder der kritischen Bewegungsachsen. Es ist erwünscht, ein Mittel zu haben, um zu ermöglichen, dass diese Ungleichgewichte neutralisiert werden, so dass Testköpfe effektiv manipuliert und positioniert werden, während für die Sicherheit sowohl der Bedienpersonen als auch der Anlage gesorgt wird.
US 5 949 002 offenbart einen Manipulator für eine automatische Testanlage mit aktiver Elastizität, einschließlich einer Vielzahl von Motoren, die mit Lastzellen gekoppelt sind. Eine Steuereinheit liefert Motorsteuersignale auf der Basis der Ausgabe der Lastzellen. Der Manipulator kann in einer nachgiebigen Betriebsart betrieben werden, in der die Motoren den Manipulator zur Bewegung in Reaktion auf externe Kräfte antreiben. Der Manipulator kann in Verbindung mit einem Kopplungssystem verwendet werden, in dem eine mechanische Schnittstelle zwischen dem Testkopf und der Handhabungsvorrichtung die Position des Testkopfs relativ zur Handhabungsvorrichtung definiert.
US 4 696 197 offenbart ein System, um das statische Drehmoment auszugleichen, das durch ein Gewicht erzeugt wird, das an einem Balkenelement montiert ist, das wiederum drehbar an einem Rahmenelement montiert ist, wobei das Balkenelement um die Drehachse drehbar ist, die im Wesentlichen auf die Längsachse des Rahmenelements ausgerichtet ist. Das System umfasst ein Unterstützungselement, das drehbar am Rahmenelement montiert ist und mit dem Balkenelement für eine gleichzeitige Drehung um die Drehachse gekoppelt ist. Ein mit Druck beaufschlagbarer Leistungsaktor hat ein erstes Ende, das schwenkbar am Rahmenelement montiert ist, und ein zweites Ende mit einer Abtriebswelle zum Erzeugen einer Ausgangskraft, die zum Druckpegel innerhalb des Aktors proportional ist. Eine Kopplungsvorrichtung ist enthalten, die die Abtriebswelle mit dem Unterstützungselement verbindet. Ein Druckpegel-Steuersystem ist vorgesehen, um den Druckpegel innerhalb des Aktors aufrechtzuerhalten, um ein Drehmoment zu erzeugen, das ausreicht, um das vom Gewicht erzeugte Drehmoment auszugleichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Testkopfs in Bezug auf eine Achse, so dass der Testkopf in Bezug auf diese Achse im Wesentlichen gewichtslos ist. Die Erfindung kann ferner auf zahlreiche Achsen des Testkopf-Manipulators angewendet werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schaffen eines elastischen Bewegungsbereichs für den Testkopf in Bezug auf mindestens eine der Achsen des Testkopfs.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1(c) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1(d) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2(a) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, der in einem Gestell montiert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, der in einem Gestell montiert ist, gemäß einer weiteren beispielhaft nm Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3(a) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, der mit einem internen Lager unterstützt wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgleichseinheit, die mit einem Testkopf gekoppelt ist, der mit einem internen Lager unterstützt wird, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4(a) ist ein ausführlicher Ausschnitt eines Pneumatikzylinders gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4(b) ist ein ausführlicher Ausschnitt eines Hydraulikzylinders gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(a) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus mit einem Positionssensor und einer mechanischen Verriegelung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(b) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus mit einem Positionssensor und einer hydraulischen Verriegelung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(c) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus mit einem Positionssensor und zwei Elastizitätsgebungs-Zentrieraktoren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6(a) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus und einer pneumatischen Ausgleichseinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6(b) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus und einer pneumatischen Ausgleichseinheit gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8(a) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus und einer pneumatischen Ausgleichseinheit, die miteinander gekoppelt sind, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8(b) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus und einer pneumatischen Ausgleichseinheit, die miteinander gekoppelt sind, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9(a) ist eine perspektivische Ansicht eines ersten elastischen Antriebsmechanismus, der mit einer pneumatischen Ausgleichseinheit gekoppelt ist, die auf eine erste Drehachse angewendet ist, und eines zweiten elastischen Antriebsmechanismus, der mit einer pneumatischen Ausgleichseinheit gekoppelt ist, die auf eine zweite Drehachse angewendet ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9(b) ist eine perspektivische Ansicht eines ersten elastischen Antriebsmechanismus, der mit einer pneumatischen Ausgleichseinheit gekoppelt ist, die auf eine erste Drehachse angewendet ist, und eines zweiten elastischen Antriebsmechanismus, der mit einer pneumatischen Ausgleichseinheit gekoppelt ist, die auf eine zweite Drehachse angewendet ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(a) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(b) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(c) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(d) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(e) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10(f) ist eine perspektivische Ansicht eines elastischen Antriebsmechanismus auf einer vertikalen Achse gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Testkopf-Manipulators mit einer Vielzahl von elastischen Antriebsmechanismen gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12(a) ist eine perspektivische Ansicht einer Kopplungsvorrichtung zum Koppeln eines Testkopfs mit einer Handhabungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Kopplungsvorrichtung, die mit einer Handhabungsvorrichtung gekoppelt ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12(c) ist eine Schnittansicht einer Kopplungsvorrichtung zum Koppeln eines Testkopfs mit einer Handhabungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12(d) ist eine weitere Schnittansicht einer Kopplungsvorrichtung zum Koppeln eines Testkopfs mit einer Handhabungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Baugruppenzeichnung für einen Testkopf des Standes der Technik.
14 ist eine Darstellung von sechs Bewegungsachsen.
15(a)–15(n) sind Ablaufpläne gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den folgenden ausführlichen Beschreibungen von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird auf die vorher aufgelisteten Fig. Bezug genommen. Es ist zu erkennen, dass die Fig. absichtlich nicht maßstäblich sind. Vielmehr wurden sie gezeichnet, um die signifikanten Merkmale der Erfindung hervorzuheben.
Während des Testens von Vorrichtungen bleibt der Testkopf offensichtlich vollständig gekoppelt. Die Handhabungsvorrichtung/Prüfsonde ist mit Mechanismen ausgestattet, die jede zu testende Vorrichtung automatisch der Reihe nach in Bezug auf die Testschnittstelle positionieren. Dies erzeugt mechanische Schwingungen mit niedriger Frequenz in der Handhabungseinrichtung/Prüfsonde, die durch die Kopplungseinrichtung mit dem Testkopf und Manipulator koppeln. Die diesen Schwingungen zugehörige Energie muss sicher abgeleitet werden. Aus diesem Grund bevorzugen es viele Benutzer, eine verriegelte Kopplungseinrichtung zu verwenden und die Manipulatorachsen während des Testens unverriegelt zu lassen. In diesem Fall werden die Schwingungen durch die Bewegung der Manipulatorachsen zweckmäßig absorbiert, wobei die Energie in ihre zugehörige Reibung abgeleitet wird. Wenn die Manipulatorachsen andererseits während des Testes sicher verriegelt wären, dann würden die am wenigsten elastischen Abschnitte des Systems die Schwingungen hauptsächlich absorbieren. Die elektrischen Kontakte in der Schnittstelle zwischen dem Testkopf und der getesteten Vorrichtung, einschließlich beispielsweise Pogostiften und Sonden, sind empfindliche mechanische Strukturen, die durch die Absorption einer solchen Schwingungsenergie beschädigt werden könnten oder deren Nutzlebensdauern verringert werden würden. In einem nicht verriegelten Kopplungssystem ist es erwünscht, bestimmte Manipulatorachsen zu verriegeln, um den Testkopf während des Testes vollständig gekoppelt zu halten. Um eine oder mehrere Achsen unverriegelt zu lassen, um Schwingungen zu absorbieren, ist es erforderlich, dass sie ins Gleichgewicht gebracht werden und elastisch sind. Daher wäre es vorteilhaft, eine Achse in einem elastischen Gleichgewichtszustand zu haften, während der Testkopf gekoppelt wird.
Eine zusätzliche Erwägung besteht darin, dass ein Testkopf im Ungleichgewicht, wenn er mit einer Vorrichtungshandhabungseinrichtung oder Prüfsonde gekoppelt wird, die ganze oder einen Teil seiner Ungleichgewichtskraft auf die Vorrichtung, mit der er gekoppelt wird, ausübt. Normalerweise sind solche Vorrichtungen so ausgelegt, dass sie nur eine vertikale Last unterstützen. Die Ungleichgewichtskraft ist nicht notwendigerweise vertikal und weist im Allgemeinen eine unvorhersagbare Größe und Richtung auf. Die unbekannte Ungleichgewichtskraft kann potentiell einen Schaden an der Anlage verursachen und die Automatisierung beeinträchtigen, die in diese integriert ist, um die Wafer und Vorrichtungen zu handhaben. Daher ist es bevorzugt, wenn die Ungleichgewichtskraft für den gesamten Zeitraum, in dem der Testkopf mit der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde gekoppelt wird, neutralisiert werden kann.
Auch im Fall einer vertikalen Belastung an der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde sind viele herkömmliche Manipulatoren vom ausgeglichenen Typ, der den Testkopf in einem im Wesentlichen gewichtslosen Zustand hält. Dies minimiert die vertikale Belastung des Testkopfs an der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde, was ihre Strukturanforderungen vereinfacht. Auch bei Manipulatoren mit einer harten angetriebenen vertikalen Achse kann die vertikale Last teilweise auf die Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde während der Verriegelung übertragen werden, was die diesen auferlegten Strukturanforderungen steigert. Es wäre daher in einem Manipulator einer harten angetriebenen vertikalen Achse mit einer vertikalen Elastizität erwünscht, dass er einen ausgeglichenen Zustand für die gesamte Zeit, die der Testkopf mit der Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde gekoppelt bleibt, aufrechterhält. Im Fall eines Ausgleichsmechanismus auf pneumatischer Basis bedeutet der eventuelle Austritt von Luft den Verlust der Ausgleichskraft.
Noch eine weitere Erwägung besteht darin, dass in Testkopf-Manipulatorsystemen mit pneumatischen Elastizitätsgebungsmechanismen es gewöhnlich erforderlich ist, das System unmittelbar vor dem Koppeln ins Gleichgewicht zu bringen, wenn sich der Testkopf in unmittelbarer Nähe zum Kopplungsmechanismus befindet. in einigen Systemen, die derzeit bekannt sind, muss sich der Testkopf über seinen ganzen elastischen Bereich frei bewegen können, um dies durchzuführen. Es wurde erfahren, dass in einer solchen Ausgleichsprozedur sich der Testkopf plötzlich und unerwartet um einen signifikanten Abstand und mit großer Kraft bewegen könnte. Eine solche Bewegung könnte potentiell eine Kollision mit der Kopplungsvorrichtung verursachen und eine Beschädigung an den empfindlichen elektrischen Kontakten verursachen. Menschliche Bedienpersonen sind potentiell auch gefährdet.
Da Testköpfe größer und komplexer geworden sind, bestand eine entsprechende Zunahme der Ungleichgewichte in den kritischen Bewegungsachsen. Es ist wesentlich, ein Mittel zu haben, um zu ermöglichen, dass diese Ungleichgewichte neutralisiert werden, so dass Testköpfe effektiv und mit Sicherheit sowohl für Bedienpersonen als auch die Anlage manipuliert und positioniert werden können.
Ein Verfahren, das vorgeschlagen wurde, besteht darin, einen oder mehrere Zylinder, wie z. B. Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder, zu verwenden, um die Ungleichgewichte zu kompensieren. Solche Zylinder haben zwei Lufteinlässe und einen Kolben, der zwischen sie passt. Der erste Lufteinlass ist als Ausfahreinlass bekannt und der zweite Einlass ist als Rückzugseinlass bekannt. Der Kolben bewegt sich gemäß der Differenz des Luftdrucks auf seinen zwei Seiten. Eine Verbindungsstange, die am Kolben befestigt ist, ist zum Zylinder koaxial und verläuft durch ein Ende, um eine lineare Kraft und Bewegung auf eine Last auszuüben. Wenn der Druck am Ausfahreingang größer ist als am Rückzugseingang, dann fährt die Verbindungsstange aus dem Zylinder aus. Wen im Gegenteil der Druck am Rückzugseingang größer ist als am Ausfahreingang, zeiht sich die Verbindungsstange in Richtung des Zylinders zurück. Positionssensoren können enthalten sein, um die Position des Kolbens anzugeben. Folglich würde es scheinen, dass ein solcher Zylinder und ein geeignetes Steuersystem in Verbindung mit einer speziellen Achse, beispielsweise der Neigungsachse, verwendet werden könnten. Das Steuersystem würde bewirken, dass Luft nach Bedarf entweder in den Ausfahr- oder Rückzugseinlass gepumpt wird, um irgendwelche Kraftungleichgewichte aufzuheben und eine elastische Bewegung vorzusehen, wenn der Testkopf manipuliert und gekoppelt wird. Es wird in Erwägung gezogen, dass der Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder einen federartigen Effekt bereitstellen würde; d. h., wenn die Druckdifferenz eingestellt wurde, um das Ungleichgewicht in der Achse zu kompensieren, der Testkopf mit sehr geringer Kraft bewegt werden kann, als ob er tatsächlich im Gleichgewicht wäre.
Diese Methode ist aus mehreren Gründen sehr schwierig zu implementieren. Erstens ist der einzige Rückkopplungsmechanismus die Position des Kolbens. Zweitens werden Dichtungen im Pneumatikzylinder verwendet, um den Austritt von Luft von einer Seite des Kolbens zur anderen und aus dem Punkt, an dem die Verbindungsstange durch das Ende des Zylinders verläuft, zu minimieren. Diese Dichtungen im Weg der Bewegung schaffen sowohl eine statische als auch dynamische Reibung. Typischerweise weisen Pneumatikzylinder eine Eigenschaft auf, die als "Losreißkraft" bekannt ist. Die Losreißkraft eines Pneumatikzylinders ist die Kraft, die erforderlich ist, um die statische Reibung zu überwinden und den Kolben zur Bewegung innerhalb des Zylinders zu bringen. Die statische Reibung (Haftreibung) kann beträchtlich sein und mit der Zeit, Verwendung und Temperatur variieren. Die Haftreibung ist häufig viel größer als die dynamische oder Bewegungsreibung. Um eine Änderung zu bewirken, stellt das Steuersystem folglich wünschenswerterweise die Luftdruckdifferenz ein, bis es zumindest eine Änderung der Position (d. h. Bewegung) feststellt, und analysiert dann die Bewegung, um sie auf das gewünschte Ergebnis einzustellen. Aufgrund der Haftreibung (statischen Reibung) kann und ist die Luftdruckdifferenz zum Starten der Bewegung häufig signifikant größer als das Lastungleichgewicht in Kombination mit der dynamischen Reibung des Pneumatikzylinders. Dies kann zu einem sehr nichtlinearen und instabilen Steuerproblem führen. Robuste Lösungen sind insbesondere angesichts der dynamischen Art der Haftreibungskomponente schwierig zu erreichen und aufrechtzuerhalten.
Der Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder bietet das Potential, ein nützliches Mittel bereitzustellen, um das Ungleichgewicht in einer Testkopfachse zu kompensieren; neue Methoden sind jedoch erforderlich, um eine nützlich Lösung zu ermöglichen. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mittel zu schaffen, um die Nachteile eines Doppelwirkungs-Pneumatikzylinders zu beseitigen, so dass seine Vorteile robust verwendet werden können.
In einer beispielhaften Ausführungsform kompensiert die vorliegende Erfindung das Ungleichgewicht in mindestens einer Testkopfachse, so dass der Testkopf effektiv und sicher manipuliert, gekoppelt und entkoppelt werden kann. Die Erfindung beinhaltet eine Kraftquelle wie z. B. mindestens einen Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder (beispielsweise), wie vorstehend in Kombination mit anderen Elementen beschrieben, und ein neues grundlegendes Steuerschema. Die resultierende Baugruppe von Zylinder und Komponenten wird als "Ausgleichseinheit" bezeichnet. Zusammengefasst wird der Testkopf für eine einzelne Achse zuerst in einer gewünschten Position in Bezug auf seine Unterstützungsstruktur angeordnet und verriegelt. Der Testkopf wird folglich in Bezug auf die fragliche Achse verriegelt. Ein Kraftsensor (d. h. eine bidirektionale Lastzelle), die in der Ausgleichseinheit enthalten ist, misst die Ungleichgewichtskraft in Bezug auf die verriegelte Achse, um festzustellen, ob eine signifikante Menge an Ungleichgewicht besteht, und die Richtung des Ungleichgewichts. Der Luftdruck in den zwei Seiten des Doppelwirkungs-Pneumatikzylinders wird dann so eingestellt, dass die vom Kraftsensor erfasste Kraft auf unter irgendeinen vorbestimmten minimalen Wert verringert wird, typischerweise werden fünf bis 25 Pfund als vernünftig betrachtet, in Abhängigkeit vom Gewicht des Testkopfs und den Zylindereigenschaften. Die Verriegelung wird dann gelöst und die Druckdifferenz innerhalb des Pneumatikzylinders überträgt eine Kraft über die Verbindungsstange auf den Testkopf, um dem Kraftungleichgewicht entgegenzuwirken. Die Prozedur kann so oft wie erforderlich wiederholt werden, um die ausgewählte Testkopfachse in einem ausgeglichenen, frei beweglichen Zustand zu halten.
1(a) ist eine perspektivische Zeichnung des Testkopf-Ausgleichssystems für einen Testkopf-Manipulator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ausgleichseinheit 110 mit zwei Enden ist vorgesehen. Wie vorstehend angegeben, ist eine Ausgleichseinheit eine Kraftquelle (d. h. ein Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder) in Kombination mit anderen Elementen und einem neuen Steuerschema zum Ausgleichen eines Testkopfs in Bezug auf eine Achse. Das erste Ende der Ausgleichseinheit 110 ist mit dem Testkopf 100 verbunden. Das zweite Ende der Ausgleichseinheit 110 ist mit einer Unterstützungsstruktur (nicht dargestellt) für die Schwenkachse 102 verbunden. Der Zweck der Ausgleichseinheit 110 besteht darin, die Bewegung des Testkopfs 100 um die Schwenkachse 102 zu erleichtern, wenn der Schwerpunkt des Testkopfs 100 nicht mit der Schwenkachse 102 übereinstimmt. In der in 1(a) gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst die Ausgleichseinheit 110 einen Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128 und seine zugehörigen Komponenten, wie nachstehend erörtert.
Die Ausgleichseinheit 110 umfasst einen Kraftsensor 120 und eine Kraftstange 112. Der Kraftsensor 120 ist mit der Kraftstange 112 so gekoppelt, dass er die Kraft entlang der Kraftstange misst. Die Kraftstange 112 ist mit dem Testkopf 100 über ein Lager 116a verbunden. Wenn der Schwerpunkt eines Testkopfs 100 nicht mit der Schwenkachse 102 übereinstimmt, wird eine Kraft durch den Testkopf 100 um die Schwenkachse 102 ausgeübt. Mindestens eine Komponente dieser Kraft wird vom Kraftsensor 120 über seine Verbindung mit der Kraftstange 112 gemessen.
Der Kraftsensor 120 kann eine typische bidirektionale Lastzelle sein, die die Größe und Richtung des Kraftungleichgewichts des Testkopfs 100 in Bezug auf die Schwenkachse 102 messen und angeben (beispielsweise einer Steuereinheit) kann. Der Kraftsensor 120 kann einen Dehnungsmesser beinhalten, der in einer Brückenschaltung in einer gut bekannten Weise angeordnet sein kann, um eine elektrische Ausgangsspannung zu liefern, die monoton mit der gemessenen Kraft variiert. Unter Verwendung von Analog-Digital-Umsetzung und eines Prozessors kann festgestellt werden, ob die Kraft entlang der Kraftstange 112 größer ist als eine maximale Menge, die für die freie Bewegung tolerierbar ist; und wenn ja, kann die Richtung der Kraft festgestellt werden. Alternativ könnten analoge Vergleicherschaltungen in bekannten Weisen verwendet werden, um Gut/Schlecht-Signale zu erzeugen, die die Anwesenheit und Richtung eines signifikanten Kraftungleichgewichts angeben.
Die Kraftstange 112 ist am Pneumatikzylinder 128 durch eine Verriegelung 118 verschiebbar angebracht, welche einen Verriegelungseinlass 126 zum Betätigen der Verriegelung 118 umfasst, wobei die Verriegelung 118 ermöglicht, dass sich die Kraftstange 112 parallel in Bezug auf den Zylinder 128 bewegt, wenn die Verriegelung 118 nicht betätigt wird. Wenn die Verriegelung 118 nicht betätigt wird, kann der Testkopf 100 folglich um die Achse 102 gedreht werden. Wenn die Verriegelung 118 betätigt wird, kann die Kraftstange 112 nicht mehr in Bezug auf den Zylinder 128 gleiten; und der Testkopf 100 wird in Bezug auf die Achse 102 in der Position verriegelt. Die Verriegelung 118 ist eine von mehreren Typen, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. In Abhängigkeit vom Typ von ausgewählter Verriegelung 118 könnte sie durch ein elektrisches Signal, eine pneumatische Eingabe oder ein anderes Mittel, das für eine spezielle Anwendung geeignet ist, gesteuert werden.
Der Pneumatikzylinder 128 ist einfach eine Kraftquelle, die verwendet wird, um zum Testkopf 100 hin oder von diesem weg zu schieben. Wenn eine Ungleichgewichtskraft vom Kraftsensor 120 erfasst wird, wird der Pneumatikzylinder 128 verwendet, um eine Gegenkraft gegen den Testkopf 100 durch eine Verbindungsstange 114 auszuüben. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein Pneumatikzylinder 128 verwendet, der ein Luftsystem erfordert. Es wird erwartet, dass eine Gegenkraft durch verschiedene andere Mittel bewerkstelligt werden könnte, wie z. B. einen Hydraulikzylinder oder eine elektromagnetische Vorrichtung.
Der Pneumatikzylinder 128 ist mit der Verbindungsstange 114 über einen Kolben 130 verbunden. Die Verbindungsstange 114 ist mit dem Testkopf 100 über ein La ger 116b verbunden. Die Verbindungsstange 114 ist parallel zur Kraftstange 112 angeordnet. Die Achsen des Zylinders 128 und der Verbindungsstange 114 sind zur Drehachse 102 des Testkopfs 100 senkrecht. Die Achsen sind so angeordnet, dass eine Kraft, die entlang einer Achse wirkt, ein Moment oder Drehmoment um die Testkopf-Drehachse 102 erzeugt. Das Ausfahren und Zurückziehen der Verbindungsstange 114 mit ausreichender Kraft würde bewirken, dass sich der Testkopf 100 um die Achse 102 dreht.
Der Pneumatikzylinder 128 ist mit der Unterstützungsstruktur (nicht dargestellt) über ein Lager 138 verbunden. Innerhalb des Pneumatikzylinders 128 bewegt sich der Kolben 130 gemäß der Differenz des Luftdrucks auf den zwei Seiten des Kolbens 130. Eine Seite des Kolbens 130 innerhalb des Pneumatikzylinders 128 enthält einen Ausfahreinlass 134. Die andere Seite des Kolbens 130 innerhalb des Pneumatikzylinders 128 enthält einen Rückzugseinlass 132. Die Pneumatikluftzylinder-Lufteinlässe 132 und 134 sind jeweils mit einer Versorgung von Luft mit relativ hohem Druck (nicht dargestellt) über elektrisch betätigte Steuerventile (nicht dargestellt) verbunden. Wahlweise können Akkumulatoren (nicht dargestellt) an jedem Einlass 132 und 134 angebracht sein, um ein größeres Luftvolumen zum Arbeiten gegen den Kolben 130 zu liefern.
Im Betrieb wird der Kraftsensor 120 verwendet, um eine Ungleichgewichtskraft vom Testkopf 100 zu erfassen; Luft wird dann zum Rückzugseinlass 132 und zum Ausfahreinlass 134 geliefert, um der vom Kraftsensor 120 erfassten Kraft entgegenzuwirken. Eine Druckdifferenz wird folglich über dem Kolben 130 erzeugt. Das Ziel besteht darin, dass diese Druckdifferenz eine ausreichende Größe und Richtung besitzt, um die Kraft in der Kraftstange 112 auf eine Größe zu verringern, die geringer ist als eine vorbestimmte maximale zulässige Ungleichgewichtskraft.
Immer noch mit Bezug auf 1(a) enthält der Pneumatikzylinder 128 auch zwei Kolbenpositionssensoren 136a und 136b, die die Position des Kolbens 130 innerhalb des Pneumatikzylinders 128 beispielsweise einer Steuereinheit angeben. Grenzschalter könnte beispielsweise in bekannten Weisen verwendet werden, um anzugeben, ob sich der Kolben 130 an einer zentralen Stelle befindet oder an welchem Ende des Zylinders 128 er sich befindet. Raffiniertere Positionserfassungsmittel könnten vorgesehen werden, falls erforderlich. Potentiometer, absolute Codierer, inkrementale Codierer mit geeigneter Elektronik und dergleichen könnten beispielsweise verwendet werden, um präzise Positionsinformatio nen hinsichtlich der Position des Kolbens 130 und der Verbindungsstange 114 in Bezug auf den Zylinder 128 zu liefern. Es ist erwünscht, dass der Positionserfassungsmechanismus kalibrierbar und einstellbar ist, um die Systemkonstruktion, -einrichtung und -wartung zu erleichtern.
Eine Steuereinheit (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um die Einlassventile 132 und 134 und die Verriegelung 118 zu betätigen und um Rückkopplungssignale des Positionssensors 136a und 136b und des Kraftsensors 120 zu empfangen. Beim Start, wobei der Testkopf 100 nicht mit einer Handhabungseinrichtung gekoppelt ist, würde der Pneumatikzylinder 128 beispielsweise normalerweise nicht mit Druck beaufschlagt sein. Vor irgendwelchen Steuerhandlungen sollte achtgegeben werden, um sicherzustellen, dass der Testkopf 100 und die Vorrichtung nicht an irgendwelchen Fremdobjekten oder -strukturen ruhen, die die anstehenden Ausgleichsvorgänge stören würden. Der Testkopf 100 befindet sich nun bereits entweder in einem relativ ausgeglichenen Zustand oder, wie es wahrscheinlicher ist, in einem unausgeglichenen Zustand. Die Verriegelung 118 wird dann betätigt, falls sie noch nicht betätigt ist, um den Testkopf 100 in der Position zu verriegeln. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, zuerst den Testkopf 100 in irgendeine gewünschte Position zu bewegen. Diese Bewegung könnte durch manuelle Mittel erreicht werden; oder alternativ könnte die Steuereinheit mit geeigneten Algorithmen ausgestattet sein, um ihr zu ermöglichen, den Pneumatikzylinder 128 in Kombination mit der Positionsrückkopplung zu verwenden. Es ist zu beachten, dass angesichts der vorher erwähnten Haftreibung ein solcher Steueralgorithmus schwierig sein könnte. Dies gilt, wenn versucht wird zu veranlassen, dass der Testkopf 100 in der gewünschten Position zu einem Stopp kommt, bevor die Verriegelung 118 angewendet wird. Eine geeignete Verriegelung 118 kann jedoch auch als Bremse verwendet werden und die Bewegung kann durch Anwenden der Verriegelung 118, wenn sich der Testkopf 100 in die gewünschte Position bewegt, gestoppt werden.
Wenn der Testkopf 100 nun in der Position verriegelt ist, reagiert die Steuereinheit auf die vom Kraftsensor 120 stammenden Signale. Der Kraftsensor 120 stellt fest, ob eine signifikante Ungleichgewichtskraft vom Testkopf 100 um die Drehachse 102 besteht. Der Kraftsensor 120 kann sowohl die Größe als auch die Richtung der Kraft erfassen. Wenn ein signifikantes Ungleichgewicht erfasst wird, wird der Luftdruck dann innerhalb des Rückzugseinlasses 132 und des Ausfahreinlasses 134 mit dem Ziel eingestellt, eine Druckdifferenz über dem Kolben 130 zu entwi ckeln. Diese Druckdifferenz über dem Kolben 130 soll eine ausreichende Größe besitzen, um die vom Kraftsensor 120 gemessene Kraft auf weniger als eine vorbestimmte maximale zulässige Ungleichgewichtskraft zu verringern. Wenn dies erreicht ist, wird die Verriegelung 118 entriegelt und der Testkopf 100 ist um die Drehachse 102 im Wesentlichen gewichtslos. Der Testkopf 100 kann nun um die Drehachse 102 bewegt werden. Dieser Prozess kann wiederholt werden, wie es erforderlich ist, um den Testkopf 100 in einem Gleichgewichtszustand um die Drehachse 102 zu haften.
Wenn sich der Testkopf 100 bewegt, bewegt sich der Kolben 130 ebenfalls. Die Druckdifferenz nimmt monoton mit der Kolbenverlagerung ähnlich einer mechanischen Feder zu. Die auf eine gegebene Seite des Kolbens 130 ausgeübte pneumatische Kraft variiert umgekehrt mit dem Volumen. Für Verlagerungen, bei denen die Änderung des Luftvolumens relativ klein ist, variiert jedoch die äguivalente Federkraft ungefähr linear mit der Verlagerung mit einer äquivalenten "Federkonstante" K. Das heißt F = K x, wobei F die Änderung der Kraft ist und x die Änderung der Kolbenverlagerung ist. Es ist erwünscht, zu versuchen, K klein zu machen, so dass sich die Kraft über den Bewegungsbereich nicht merklich ändert. K wird teilweise durch das Gesamtvolumen von Luft in Bezug auf die Änderung des Drucks pro Schritt der Kolbenverlagerung bestimmt, d. h. durch V und dP/dx, wobei V das Volumen ist und P der Druck ist. Wenn sich der Kolben 130 einem Ende seiner Bewegung nähert, wird V klein, dP/dx wird exponentiell groß und daher nimmt K ebenso wie F zu. Akkumulatoren (in 1(a) nicht dargestellt) können hinzugefügt werden, wie vorstehend beschrieben. Die Akkumulatoren dienen zur signifikanten Steigerung des verfügbaren Luftvolumens V, während dV/dx und dP/dx auf annehmbare Werte begrenzt werden. Dies schafft das, was als Effekt einer "weichen Feder" bekannt ist, was klar erwünscht ist.
Idealerweise müsste der obige Zyklus nur einmal durchgeführt werden und nicht wiederholt werden, bis irgendeine Änderung am System vorgenommen wurde. Das System des Pneumatikzylinders 128 unterliegt jedoch austretender Luft und der Zyklus kann nach Bedarf periodisch wiederholt werden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein typisches System ausreichend Luft für ungefähr zehn Minuten und aufwärts hält, bevor der Zyklus eine Wiederholung benötigt. Im typischen Betrieb könnte der Zyklus automatisch alle paar (beispielsweise 5 bis 8) Minuten wiederholt werden. Im typischen Betrieb ist es auch nicht erforderlich, den Schritt des Bewegens des Testkopfs 100 in die gewünschte Position zu wiederholen.
Wenn der Testkopf 100 nicht auf ein versehentliches hartes Hindernis oder irgendeinen anderen Zwischenfall getroffen ist, sollte er in seinem zulässigen Bewegungsbereich bleiben. Tatsächlich könnte es sehr gut unerwünscht sein, den Testkopf 100 in eine vorbestimmte gewünschte Position zurückzubewegen, wenn der Testkopf 100 nun in einer Position liegt, die zum Durchführen der gewünschten Funktion erforderlich ist.
Wie in 15(a) gezeigt, wäre folglich auf einer Fortsetzungsbasis die Sequenz von Vorgängen in einer beispielhaften Ausführungsform folgendermaßen:

1. Verriegelung 118 verriegeln, wie in Schritt 1501 gezeigt.
2. Zylindereinlassdrücke einstellen, bis die Kraft in der Kraftstange 112 geringer ist als ein vorbestimmter Wert, wie in den Schritten 1502 und 1503 gezeigt.
3. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1504 gezeigt.
4. Nach einer Zeit, die geringer ist als jene, bis eine signifikante Menge an Luft aus dem Zylinder 128 verloren gegangen ist, zu Schritt 1501 gehen, wie in Schritt 1505 gezeigt.

Diese Sequenz ermöglicht, dass sich der Testkopf 100 so verhält, als ob die Achse 102 direkt durch seinen Schwerpunkt verläuft; wir werden dies als "normale Sequenz" bezeichnen.
In einem beispielhaften System war die für die Schritte 1501, 1502, 1503 und 1504 erforderliche Zeit weniger als 4 Sekunden. Diese Sequenz von Schritten soll als "Kraftaufhebungssequenz" bezeichnet werden.
Immer noch mit Bezug auf 1(a) sind zwei Anschlagkrägen 122 und 124 oder "Bewegungsgrenzen" an der Kraftstange 112 derart befestigt, dass die Verriegelung 118 zwischen ihnen liegt. Die Anschlagkrägen 122 und 124 sind derart angeordnet, dass, wenn der Kolben 130 im Pneumatikzylinder 128 zentriert ist, die Anschlagkrägen 122 und 124 von der Mitte der Verriegelung 118 in gleichen Abständen liegen. Der Abstand "A" zwischen den zwei Anschlagkrägen 122 und 124 ist irgendein angemessenes Ausmaß, das geringer ist als der Gesamthub des Kolbens 130 innerhalb des Pneumatikzylinders 128. Folglich verhindern die Anschlagkrägen 122 und 124, dass sich der Kolben 130 zu den Enden des Zylinders 128 bewegt und die Last von der Kraftstange 112 und vom Kraftsensor 120 abnimmt, wodurch der Prozess verzerrt wird. Sie dienen gleichzeitig als zwangsläufige Bewegungsanschläge für den Testkopf 100. Es ist zu beachten, dass, wenn das System im Ungleichgewicht ist und die Verriegelung 118 gelöst ist, der eine oder der andere der zwei Anschlagkrägen 122 oder 124 an der Verriegelung 118 anliegen würde, wobei die Kraftstange 112 und der Kraftsensor 120 die Ungleichgewichtskraft unterstützen und messen.
Zusätzliche Steuermerkmale, die in 1(a) nicht gezeigt sind, können zum obigen System hinzugefügt werden. Drucktasten können beispielsweise vorgesehen sein, um einer Bedienperson zu ermöglichen, die Steuersequenz beginnend in entweder Schritt 1501 oder Schritt 1502, die vorstehend aufgelistet sind, einzuleiten. Ein Indikatorlicht könnte hinzugefügt sein, um eine Bedienperson zu warnen, wenn die Kraftstange 112 verriegelt ist; dies hilft der Bedienperson, es zu vermeiden zu versuchen, den Manipulator in der Achse 102 zu bewegen, und/oder die Kopplung zu versuchen, während Schritt 1502 durchgeführt wird. Ein solcher Versuch würde zusätzliche Ungleichgewichtskräfte am Testkopf 100 erzeugen und das System würde fehlerhaft versuchen, sie zu kompensieren. Das System kann auch mit Sensoren im Kopplungsmechanismus integriert werden, so dass das System beispielsweise verriegelt und/oder deaktiviert wird, während es gekoppelt ist. Es wäre auch erwünscht, festzustellen, dass sich der Testkopf 100 in einer zum Koppeln bereiten Position befindet und dass die Sequenz direkt vor dem Koppeln durchgeführt wird. Dies würde sicherstellen, dass die Sequenz nicht durchgeführt wird, während das Koppeln tatsächlich stattfindet, und auch dass die Ungleichgewichte optimal kompensiert werden, bevor das Koppeln beginnt.
Ein alternativer Steuerzyklus, der als "verriegelte Sequenz" bezeichnet wird, ist in ausgewählten Anwendungen möglich und nützlich. In der verriegelten Sequenz wird, wenn der Testkopf 100 von der Vorrichtung (in 1(a) nicht gezeigt), mit der er gekoppelt wird, entfernt ist, der Testkopf 100 in einer im Allgemeinen zentralen Position in Bezug auf die Achse 102 verriegelt gehalten. Dies ist die "gewünschte verriegelte Position". Wenn der Testkopf 100 in eine Position manipuliert wird, in der er zum Koppeln bereit ist, wird die Kraftaufhebungssequenz aufgerufen; d. h., der Luftdruck im Pneumatikzylinder 128 wird eingestellt, bis die Kraft in der Kraftstange 112 effektiv aufgehoben ist. Dann wird die Verriegelung 118 gelöst und das Koppeln kann stattfinden. Der Testkopf 100 kann in der gewünschten verriegelten Position entweder manuell oder durch automatische Steuerung unter Verwendung des Pneumatikzylinders 128 und der Positionssensoren 136a und 136b angeordnet werden. Das heißt, beim Start, wenn der Testkopf 100 nicht gekoppelt ist, würde die Steuereinheit zuerst die Verriegelung 118 deaktivieren. Der Testkopf 100 würde dann in die gewünschte verriegelte Position in Bezug auf die Achse 102, die gesteuert wird, bewegt werden; beispielsweise in eine ungefähre mittlere Position, wie durch die Positionssensoren 136a und 136b angegeben. Im Fall der automatischen Steuerung ist es bevorzugt, die Verriegelung 118 als Bremse zu verwenden, um vielmehr den Testkopf 100 zum Stopppen in der gewünschten verriegelten Position zu zwingen als zu versuchen, ihn durch pneumatische Wirkung allein zum Stoppen zu bringen.
Wenn zum Koppeln unter Verwendung der normalen Sequenz vorbereitet wird, wird der Testkopf 100 in eine zum Koppeln bereite Position manipuliert, wobei die Verriegelung 118 gelöst wird und der Testkopf 100 durch den Pneumatikzylinder 128 ins Gleichgewicht gebracht wird. In Abhängigkeit vom System liefert entweder die Bedienperson oder ein Sensor ein Kopplungsbereit-Signal, wenn die zum Koppeln bereite Position erreicht ist. Auf dieses Signal hin wird die Kraftaufhebungssequenz aufgerufen, um sicherzustellen, dass der Testkopf 100 so gut wie möglich ins Gleichgewicht gebracht wird. Wenn die Methode der verriegelten Sequenz verwendet wird, wird der Testkopf 100 in die zum Koppeln bereite Position manipuliert, wobei die Verriegelung 118 in Eingriff steht; und wenn das Kopplungsbereit-Signal empfangen wird, werden nur die vorstehend aufgelisteten Schritte 1502 und 1503 der Kraftaufhebungssequenz der Reihe nach ausgeführt. In beiden Fällen, wobei der Testkopf 100 zum Koppeln bereit ist, frisch im Gleichgewicht ist und sich in allen Achsen frei bewegen kann, wird der Kopplungsmechanismus in Eingriff gebracht und betätigt, um den Testkopf 100 in die vollständig gekoppelte Position zu ziehen. In einigen Anwendungen, wenn ein Signal geliefert wird (entweder von der Bedienperson oder von einem Sensor), dass die vollständige Kopplung erreicht wurde, wird die Verriegelung 118 wieder angewendet. Während des Testens von integrierten Schaltungen unter Verwendung des Testkopfs bleibt die Verriegelung 118 angewendet. In beiden Fällen bleibt die Verriegelung 118 während des Entkoppelns angewendet, bis ein "Kopplungsfreigabe"-Signal entweder von der Bedienperson oder von einem Sensor geliefert wird. In beiden Fällen kann die Kraftaufhebungssequenz nun ausgeführt werden. Im Fall der verriegelten Sequenz wird die Prozedur zum Anordnen des Testkopfs 100 an der gewünschten zentralen Stelle schließlich ausgeführt und die Verriegelung 118 wird in Eingriff gebracht. Im Fall der normalen Sequenz wird die Verriegelung 118 gelöst gelassen.
Wie später erläutert, ist es in einigen Anwendungen bevorzugt, die Verriegelung 118 entriegelt zu lassen, während gekoppelt wird. Weitere Informationen über das Koppeln werden auch später bereitgestellt.
1(b) stellt ein System dar, das zu dem mit Bezug auf 1(a) beschriebenen System identisch ist, mit der Ausnahme, dass in 1(b) Lager 116a und 166b miteinander gekoppelt und mit dem Testkopf 100 an einem einzelnen Punkt verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind in 1(a) Lager 116a und 116b einzeln mit dem Testkopf 100 verbunden.
Der so beschriebene Ausgleichsmechanismus ist für die Verwendung in 6(a), 6(b), 8(a) usw. ausgelegt. Die Erörterung in Bezug auf diese Fig. stellt weitere Informationen und Details über die Steuerung der Luft und anderer Probleme bereit.
1(c) stellt ein System dar, das zu dem in 1(a) gezeigten System identisch ist, mit der Ausnahme, dass in 1(c) eine hydraulische Verriegelung 140, die Drucksensoren 146a und 146b umfasst, im Gegensatz zur Verriegelung 118 und zum Kraftsensor 120, die in 1(a) gezeigt sind, verwendet wird. Wie bei dem in 1(a) dargestellten System kann das System in 1(c) entweder die vorstehend beschriebene normale Sequenz oder die vorstehend beschriebene verriegelte Sequenz ausführen. 4(b) stellt eine detailliertere Ausschnittansicht der hydraulischen Verriegelungseinheit 140 bereit. Hier ist die Kraftstange 112 am Kolben 144 eines Doppelwirkungs-Hydraulikzylinders 140 befestigt.
Wie in 1(c) dargestellt, ist der Hydraulikzylinder 140 starr am Pneumatikzylinder 128 befestigt. Der Hydraulikzylinder 140 ist mit einem geeigneten nicht komprimierbaren Fluid (nicht dargestellt) gefüllt. Innerhalb des Hydraulikzylinders 140 bewegt sich der Kolben 144 gemäß der Differenz des Drucks auf den zwei Seiten des Kolbens 144. Jede Seite des Kolbens 144 enthält einen Fluideinlass 154, die durch ein Rohr 152 über ein Steuerventil 142 miteinander verbunden sind. Auf jeder Seite des Steuerventils 1142 befindet sich ein Drucksensor 146a und 146b, die jeweils mit einem der zwei Fluideinlässe 154 verbunden sind.
Da das Hydraulikfluid im Wesentlichen nicht komprimierbar ist, wird die Kraftstange 112 verriegelt, wenn das Steuerventil 142 geschlossen wird. Die Kraftstange 112 kann sich frei bewegen, wenn das Steuerventil 142 offen ist. Die Bewegung wird nur durch die Strömung von Fluid durch das System behindert. Diese Strömung kann durch die Größen der Schläuche, des Rohrs, der Öffnungen und der Ventilbetätigung gesteuert werden. Eine geeignete Steuerung der Strömung kann eine mögliche günstige Systemdämpfung schaffen. Obwohl der Druck auf beiden Seiten des Kolbens 144 in dem Moment, in dem sich das Steuerventil 142 schließt, gleich ist, verursachen Ungleichgewichte des Testkopfs 100, die der Kraftstange 112 auferlegt werden, dass der Druck auf einer Seite des Kolbens 144 zunimmt und der Druck auf der anderen Seite des Kolbens 144 abnimmt. Es folgt, dass die durch die zwei Drucksensoren 146a und 146b bestimmte Druckdifferenz die Größe und Richtung der auf die Kraftstange 112 ausgeübten Kraft angibt.
Der Betrieb des in 1(c) gezeigten Systems ist wie für das System von 1(a) beschrieben, mit den Ausnahmen, dass das Hydraulikventil 142 anstelle einer mechanischen Verriegelung 118 betätigt wird und dass die Drucksensorausgaben von der Steuereinheit gelesen und verarbeitet werden, um die Kraft in der Kraftstange 112 anzugeben.
Im Betrieb werden die Drucksensoren 146a und 146b verwendet, um eine Ungleichgewichtskraft vom Testkopf 100 zu erfassen; Luft wird zum Rückzugseinlass 132 und zum Ausfahreinlass 134 des Pneumatikzylinders 128 geliefert, um der von den Drucksensoren 146a und 146b erfassten Kraft entgegenzuwirken. 4(a) stellt eine detailliertere Ausschnittansicht des Pneumatikzylinders 128 bereit. Durch den Luftdruck, der in den Rückzugseinlass 132 und den Ausfahreinlass 134 eingetreten ist, wird die Druckdifferenz über dem Kolben 130 erzeugt. Das Ziel besteht darin, dass diese Druckdifferenz eine ausreichende Größe und Richtung besitzt, um die Kraft in der Kraftstange 112 auf eine Größe zu verringern, die geringer ist als eine vorbestimmte maximale zulässige Ungleichgewichtskraft.
In 1(c) ist der Prozess des Ausgleichs des Testkopfs 100 um die Drehachse 102 folgendermaßen. Wenn das Steuerventil 142 offen ist, wird der Testkopf 100 an einer gewünschten Stelle in Bezug auf seine Unterstützungsstruktur (nicht dargestellt) angeordnet und das Steuerventil 142 wird geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Testkopf 100 in Bezug auf die Drehachse 102 verriegelt, da das Steuerventil 142 geschlossen wird. Die Drucksensoren 146a und 146b stellen fest, ob eine signifikante Ungleichgewichtskraft vom Testkopf 100 um die Drehachse 102 besteht. Die Drucksensoren 146a und 146b können sowohl die Größe als auch die Richtung der Kraft erfassen. Wenn ein signifikantes Ungleichgewicht erfasst wird, wird der Luftdruck dann innerhalb des Rückzugseinlasses 132 und des Ausfahreinlasses 134 mit dem Ziel der Entwicklung einer Druckdifferenz über dem Kolben 130 eingestellt. Das Ziel besteht darin, dass diese Druckdifferenz über dem Kolben 130 eine ausreichende Größe besitzt, um die von den Drucksensoren 146a und 146b gemessene Kraft auf weniger als eine vorbestimmte maximale zulässige Ungleichgewichtskraft zu verringern. Zu diesem Zeitpunkt wird das Steuerventil 142 geöffnet und der Testkopf 100 ist in der Richtung der Drehachse 102 im Wesentlichen gewichtslos. Der Testkopf 100 kann nun in der Richtung der Drehachse 102 bewegt werden. Dieser Prozess kann wiederholt werden, wie es erforderlich ist, um den Testkopf 100 in einem Gleichgewichtszustand um die Drehachse 102 zu halten.
1(d) stellt ein System dar, das zu dem in 1(c) gezeigten System identisch ist, mit der Ausnahme, dass in 1(d) Lager 116a und 166b miteinander gekoppelt und mit dem Testkopf 100 an einem einzelnen Punkt verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind in 1(c) die Lager 116a und 116b einzeln mit dem Testkopf 100 verbunden.
2(a) zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2(a) ist eine perspektivische Zeichnung, die die Anwendung der Ausgleichseinheit 110 auf die Taumelachse (Schwenkachse) 102 eines Testkopfs 100, der in einem herkömmlichen Gestell 200 montiert ist, zeigt. Der Testkopf 100 verbindet mit dem Gestell 200 an den zwei Endpunkten der Taumelachse 102. Eine Ausgleichseinheit 110 mit zwei Enden ist vorgesehen. Das erste Ende der Ausgleichseinheit 110 ist mit dem Testkopf 100 verbunden. Das zweite Ende der Ausgleichseinheit 110 ist mit dem Gestell 200 verbunden. Das Gestell 200 ist die Unterstützungsstruktur für den Testkopf um die Taumelachse 102.
Wenn der Schwerpunkt des Testkopfs 100 nicht mit der Taumelachse 102 übereinstimmt, dreht sich der Testkopf 100 um die Taumelachse 102, von der in 2(a) gezeigten Position weg. Die Ausgleichseinheit 110 stellt eine Gegenkraft bereit, um den Schwerpunkt des Testkopfs 100 um die Taumelachse 102 ins Gleichgewicht zu bringen, wobei die Position des Testkopfs 100 in 2(a) aufrechterhalten wird. Folglich wurde eine manuelle Bewegung des Testkopfs 100 um die Achse 102 erleichtert, da der Testkopf 100 nun um die Taumelachse 102 im Wesentlichen gewichtslos ist.
2(b) stellt ein System dar, das zu dem in 2(a) gezeigten System im Wesentlichen identisch ist, mit der Ausnahme, dass in 2(b) Lager 116a und 116b miteinander gekoppelt und mit dem Testkopf 100 an einem einzelnen Punkt verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind in 2(a) Lager 116a und 116b einzeln mit dem Testkopf 100 verbunden.
3(a) zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3(a) ist eine perspektivische Zeichnung, die die Anwendung der Ausgleichseinheit 110 auf die Schwenkachse 102 eines Testkopfs 100 zeigt. Der Testkopf 100 wird durch einen Unterstützungsarm 302 und einen Halteflansch 300 unterstützt. Ein Lager 350 ist innerhalb des Testkopfs 100 untergebracht. Der Unterstützungsarm 302 ist mit dem Halteflansch 300 auf der Außenseite des Testkopfs 100 verbunden. Eine Ausgleichseinheit 110 mit zwei Enden ist vorgesehen. Das erste Ende der Ausgleichseinheit 110 ist mit dem Testkopf 100 verbunden. Das zweite Ende der Ausgleichseinheit 310 ist mit dem Halteflansch 300 verbunden. Der Halteflansch 300 ist die Unterstützungsstruktur für die Schwenkachse 102.
Wenn der Schwerpunkt des Testkopfs 100 nicht mit der Schwenkachse 102 übereinstimmt, dreht sich der Testkopf 100 um die Schwenkachse 102 durch das Lager 305, von der in 3(a) gezeigten Position weg. Die Ausgleichseinheit 110 stellt eine Gegenkraft bereit, um den Schwerpunkt des Testkopfs 100 um die Schwenkachse 102 ins Gleichgewicht zu bringen, wobei die Position des Testkopfs 100 in 3(a) aufrechterhalten wird. Folglich wurde eine manuelle Bewegung des Testkopfs 100 erleichtert, da der Testkopf 100 nun um die Schwenkachse 102 im Wesentlichen gewichtslos ist.
3(b) stellt ein System dar, das zu dem in 3(a) gezeigten System im Wesentlichen identisch ist, mit der Ausnahme, dass in 3(b) Lager 116a und 116b miteinander gekoppelt und mit dem Testkopf 100 an einem einzelnen Punkt verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind in 3(a) Lager 116a und 116b einzeln mit dem Testkopf 100 verbunden.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich einer einzelnen Ausgleichseinheit 110 beschrie ben wurde, die mit einer einzelnen Achse 102 gekoppelt ist, könnten zwei oder mehr Einheiten entweder an einer einzelnen Achse oder an mehreren Achsen verwendet werden. Wenn mehr als eine Einheit verwendet wird, können sie miteinander zusammenwirken. Das gesamte Steuerschema berücksichtigt wünschenswerterweise solche potentiellen Zusammenwirkungen. Wenn beispielswiese zwei Einheiten verwendet werden, um zwei unabhängige Drehachsen zu steuern, sollten sie einzeln betätigt werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass drei oder mehr Einheiten erfolgreich verwendet werden könnten, um einen Testkopf zu steuern, der mit einem Kugellager montiert ist, wie im Hintergrund der Erfindung beschrieben.
5(a) stellt einen grundlegenden elastischen Antriebsmechanismus 512 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, der zur Verwendung in einer horizontalen Achse geeignet ist, wenn geringe oder keine Ungleichgewichtskräfte bestehen und die Elastizitätsgebungskraft vorwiegend an Reibung liegt. In 5(a) stellen die Platte 504 und die Platte 500 Platten dar, die in der Konstruktion einer Manipulatorbasis mit einer oder mehreren horizontalen Bewegungsachsen, die in ihn eingebaut sind, verwendet werden, wie beispielsweise in der internationalen PCT Anmeldung Nr. US00/00704 "TEST HEAD MANIPULATOR" von Holt et al. beschrieben. Wie gezeigt, sind zwei lineare Führungsschienen 503a und 503b parallel zueinander angeordnet und sind beide starr an der oberen Oberfläche der Platte 504 befestigt. Zwei Paare von Kugelschlitten, wobei das erste Paar Kugelschlitten 502a und 502b umfasst und das zweite Paar Kugelschlitten 502c und 502d umfasst, sind an der Unterseite der Platte 500 angebracht. Das erste Paar von Kugelschlitten 502a und 502b ist so angeordnet, dass sie mit der linearen Führungsschiene 503a gleitend koppeln. Das zweite Paar von Kugelschlitten 502c und 502d ist ebenso so angeordnet, dass sie mit der linearen Führungsschiene 503b gleitend koppeln. Folglich ist die Platte 500 parallel zu und über der Platte 504 gezeigt und die Platte 500 kann sich in Bezug auf die Platte 504 entlang der durch die linearen Führungsschienen 503a und 503b definierten Achse linear bewegen. Eine solche Anordnung könnte entweder eine Einwärts-Auswärts- oder Seiten-Seiten-Bewegung in einer Testkopf-Manipulatorbasis implementieren. Es ist auch zu beachten, dass eine solche Anordnung an eine Schwenkbewegung angepasst werden könnte, die von einer horizontalen Platte bereitgestellt wird, die sich um eine vertikale Achse in Bezug auf die horizontale Ebene dreht, wie beispielsweise in der internationalen PCT-Anmeldung Nr. US00/00704 "TEST HEAD MANIPULATOR" von Holt et al. beschrieben. Wie in 5(a) gezeigt, wird ein Widerstand gegen die Bewegung durch die Reibungskräfte erzeugt, die zu den Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d und den linearen Führungsschienen 503a und 503b gehören. Der Bequemlichkeit halber betrachten wir die Bewegung der Platte 500 entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b in der Richtung zum linearen Aktor 508 hin als "Einwärts"-Richtung, während die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung als "Auswärts"-Richtung betrachtet wird, wie in 5(a) angegeben.
Das stationäre Element 506 eines linearen Aktors 508, einschließlich eines Aktormotors 510, ist an der Platte 504 befestigt. Typischerweise umfasst der lineare Aktor 508 einen Kugelumlaufspindelmechanismus, der von einem Elektromotor angetrieben wird, wobei das angetriebene Element 514 die Kugelumlaufspindel ist. Andere Mechanismen und/oder Spindeltypen könnten jedoch auch verwendet werden, wie es für eine gegebene Anwendung geeignet sein könnte. In 5(a) ist das angetriebene Element des linearen Aktors 508 die Aktorwelle 514, die sich vom stationären Element 506 ausstreckt und/oder in dieses zurückzieht, wenn der Aktormotor 510 erregt wird; die Bewegungsrichtung der Aktorwelle 514 wird durch die Drehrichtung des Aktormotors 510 bestimmt. Wie gezeigt, ist der lineare Aktor 508 so angeordnet, dass sich die Aktorwelle 514 in einer Ebene bewegt, die zu den linearen Führungsschienen 503a und 503b parallel ist.
Das distale Ende der Aktorwelle 514 hat ein Loch durch es, das sich in einem nominalen rechten Winkel zur Achse der Aktorwelle 514 befindet. Ein Gabelkopf 516 und ein Gabelkopfstift 518, der durch das Loch in der Aktorwelle 514 verläuft, koppeln die Aktorwelle 514 mit einer Elastizitätsgebungswelle 520. Die Achse der Elastizitätsgebungswelle 520 ist vorzugsweise ungefähr koaxial zur Achse der Aktorwelle; es ist jedoch für einen üblichen Fachmann selbstverständlich, dass andere Anordnungen möglich sind.
Die Elastizitätsgebungswelle 520 verläuft durch eine Verriegelung 118; die Verriegelung 118 ist starr an der Platte 500 befestigt. Die Verriegelung 118 kann einer von einer Anzahl von verschiedenen Typen sein, einschließlich der elektrisch betätigten Typen und pneumatisch betätigten Typen. Wenn die Verriegelung 118 in Eingriff steht, wird die Platte 500 von der Bewegung in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 und folglich in Bezug auf die Platte 504 eingeschränkt. Wenn die Verriegelung 118 in Eingriff steht, kann folglich der lineare Aktor 508 verwendet werden, um die Platte 500 entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b in Bezug auf die Platte 504 zu positionieren. Wenn die Verriegelung 118 nicht in Eingriff steht, kann sich die Platte 500 frei in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 und die Platte 504 bewegen; und folglich wird eine elastische Bewegung der Platte 500 relativ zur Platte 504 verwirklicht. Die zugehörige Elastizitätsgebungskraft aufgrund dieses Mechanismus besteht aus der Kraft, die zum Überwinden der Reibung der linearen Führungsschienen 503a und 503b und der Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d erforderlich ist, plus der Reibung der Elastizitätsgebungswelle 520, die sich durch die Verriegelung 118 bewegt. Es wird angemerkt, dass einige zusätzliche Kräfte in speziellen Manipulatoren und Anwendungen vorhanden sein können, aber diese gehören nicht zu dem Mechanismus, wie beschrieben.
Ein ausgefahrener Elastizitätsgebungsanschlag 522 und ein zurückgezogener Elastizitätsgebungsanschlag 524 sind beide starr an der Elastizitätsgebungswelle 520, einer auf einer Seite der Verriegelung 118, befestigt. Wie in 5(a) gezeigt, befindet sich der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 zwischen der Verriegelung 118 und dem Gabelkopf 516; und der zurückgezogene Elastizitätsgebungsanschlag 524 befindet sich zwischen dem distalen Ende der Elastizitätsgebungswelle 520a und der Verriegelung 118. Diese Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 dienen zum Begrenzen der Bewegung der Elastizitätsgebungswelle 520 in Bezug auf die Platte 500 oder äquivalent zum Begrenzen der Bewegung der Platte 500 in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520. Wenn die Verriegelung 118 nicht in Eingriff steht, kann die Platte 500 durch externe Kräfte über einen Bewegungsbereich bewegt werden, der durch den Abstand "D" zwischen den zwei Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524 minus der Breite "W" der Verriegelung 118 definiert ist, und dies definiert einen elastischen Bewegungsbereich. Das heißt, wenn die Verriegelung 118 gelöst ist (und der lineare Aktor 508 vorzugsweise ausgeschaltet ist), kann die Platte 500 durch externe Kräfte, die ausreichen, um die vorstehend erwähnten Elastizitätsgebungskräfte zu überwinden, entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b über einen durch D-W definierten Abstand bewegt werden.
Die zu den Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d und den linearen Führungsschienen 503a und 503b gehörende Reibung ist normalerweise größer als die Reibung zwischen der Elastizitätsgebungswelle 520 und der Verriegelung 118. Wenn die Verriegelung 118 nicht in Eingriff steht und der Motor 520 des linearen Aktors erregt wird, bewegt sich die Elastizitätsgebungswelle 520 folglich in Bezug auf die Verriegelung 118 und die Platte 500. Wenn der Aktormotor 510 derart erregt wird, dass die Aktorwelle 514 aus dem stationären Element 506 ausfährt, bewegt sich der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 in der Richtung der Verriegelung 118. Wenn der Aktormotor 510 nicht ausgeschaltet ist, kommt der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 an der Verriegelung 118 zu liegen, wenn das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist; und ein weiteres Ausfahren der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in der "Auswärts"-Richtung in Bezug auf die Platte 504 bewegt. Wenn der Aktormotor 510 alternativ derart erregt wird, dass sich die Aktorwelle 514 in das stationäre Element 506 zurückzieht, bewegt sich der zurückgezogene Elastizitätsgebungsanschlag 524 in der Richtung der Verriegelung 118. Wenn der Aktormotor 510 nicht ausgeschaltet ist, kommt der zurückgezogene Elastizitätsgebungsanschlag 524 an der Verriegelung 118 zu liegen, wenn das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist; und ein weiteres Zurückziehen der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in der "Einwärts"-Richtung in Bezug auf die Platte 504 bewegt.
Im Betrieb ist es erwünscht, dass die Elastizitätsgebungswelle 520 in einer Position innerhalb einer kleinen Umgebung von irgendeinem vorgewählten Punkt innerhalb ihres Bewegungsbereichs in Bezug auf die Platte 500 positioniert und verriegelt wird. Typischerweise liegt dieser Punkt auf halbem Wege zwischen den zwei Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524; es kann jedoch Anwendungen geben, in denen es erwünscht wäre, diesen Punkt näher an einem oder dem anderen der zwei Elastizitätsgebungsanschläge 522 oder 524 anzuordnen. Wir bezeichnen diese Umgebung als "Elastizitätsgebungsruhebereich". Der Elastizitätsgebungsruhebereich ist normalerweise ein kleiner Abschnitt des gesamten Elastizitätsgebungsbereichs: beispielsweise ± 3 oder 4 mm innerhalb eines gesamten Elastizitätsgebungsbereichs von 40 bis 50 mm.
Wenn die Verriegelung 118 zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem ausgefahrenen Elastizitätsgebungsanschlag 522 liegt, wird behauptet, dass sie sich im "ausgefahrenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet. Wenn die Verriegelung 118 zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem zurückgezogenen Elastizitätsgebungsanschlag 524 liegt, wird behauptet, dass sie sich im "zurückgezogenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet.
Wie in 5(a) gezeigt, ist ein Positionssensor 528 enthalten, um die relative Position der Platte 500 in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 zu erfassen. Der Positionssensor 528 kann irgendeiner von einer Anzahl von bekannten Typen im Bereich von Präzisionscodierern, Potentiometern usw. bis zu Kombinationen von Grenzschaltern, Nähesensoren, Entfernungsmessern usw. sein. Als minimale Fähigkeit sollte der Positionssensor 528 angeben, in welchem der drei Bereiche sich der Mechanismus gerade befindet: ausgefahrene Elastizitätsgebung, Elastizitätsgebungsruhe oder zurückgezogene Elastizitätsgebung.
Der Betrieb des Eiastizitätsgebungsmechanismus 512 wird nun beschrieben. Zuerst wird die Verriegelung 118 gelöst. Der lineare Aktor 508 wird dann in Verbindung mit dem Positionssensor 528 verwendet, um die Elastizitätsgebungswelle 520 in der vordefinierten Elastizitätsgebungs-Ruheposition zu positionieren. Die Verriegelung 118 wird nun verriegelt und der lineare Aktor 508 wird verwendet, um die Platte 500 an der gewünschten Stelle in Bezug auf die Platte 504 zu positionieren. Die gewünschte Stelle könnte beispielsweise eine Stelle sein, an der der Testkopf oder die Last (nicht dargestellt) angekoppelt wird. Der Motor 510 des linearen Aktors wird nun ausgeschaltet und die Verriegelung 118 wird gelöst. Die Platte 500 kann nun in elastischer Weise durch äußere Kräfte bewegt werden; beispielsweise Kräfte, die durch einen Kopplungsmechanismus erzeugt werden, wenn der Testkopf oder die Last in seine/ihre endgültige gekoppelte Position gedrückt wird: Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe kann die Verriegelung 118 erneut verriegelt werden oder nicht, sobald eine endgültige gekoppelte Position erreicht ist. Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe kann die Verriegelung 118 auch verriegelt werden oder nicht, während der Testkopf oder die Last abgekoppelt wird. Sobald sie abgekoppelt ist, sollte jedoch die Elastizitätsgebungswelle 520 gemäß der vorangehenden Prozedur in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition angeordnet und verriegelt werden, bevor die Bewegung der Platte 500 durch den linearen Aktor 508 eingeleitet wird.
5(b) zeigt eine alternative Ausführungsform von 5(a). In 5(b) ersetzt ein hydraulischer Mechanismus 513 die Verriegelung 118 und die Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 von 5(a). Insbesondere ist der Körper eines Doppelwirkungs-Hydraulikzylinders 140 an der Platte 500 befestigt, wobei die Achse seiner Bohrung in einer Ebene mit der Achse der Aktorwelle 514 des linearen Aktors 508 liegt. Wiederum ist die Bewegung der Platte 500 entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b in der Richtung zum linearen Aktor 508 hin die "Einwärts"-Richtung, während die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung die "Auswärts"-Richtung ist, wie in 5(b) angegeben. Das Ende des Zylinders 140, das vom linearen Aktor 508 am weitesten entfernt ist, ist das "ausgefahrene Ende" 532 und das Ende des Zylinders 140, das am nächsten zum linearen Aktor liegt, ist das "zurückgezogene Ende" 533. Ein Kolben 144 befindet sich innerhalb des Hydraulikzylinders 140; und der Kolben 144 ist mit einer Welle 520b verbunden, die zur Bohrung des Hydraulikzylinders 140 koaxial ist und die sich durch das zurückgezogene Ende 533 des Hydraulikzylinders 140 erstreckt. Die Welle 520b dient als Teil der Elastizitätsgebungswelle 520 und sie ist mit der Aktorwelle 514 mittels eines Gabelkopfs 516 und Gabelkopfstifts 518 verbunden, wie mit Bezug auf 5(a) beschrieben wurde. In 5(b) erstreckt sich eine zweite Welle 520c, die an der entgegengesetzten Seite des Kolbens 144 befestigt ist, durch das ausgefahrene Ende 532 des Hydraulikzylinders 140. Diese zweite Welle 520c dient als Verlängerung der Elastizitätsgebungswelle 520 und der Positionssensor 528 in 5(b) erfasst die Position dieser Welle 520c in Bezug auf die Platte 500. Es ist jedoch auch brauchbar, das System so anzuordnen, dass der Positionssensor 528 in Verbindung mit der ersten Welle 520b arbeiten könnte, um die potentiellen Zusatzkosten für die Bereitstellung einer zweiten Welle 520c einzusparen.
Jedes der zwei Enden des Hydraulikzylinders 140 ist mit einem Anschluss 154 versehen, der ermöglicht, dass ein geeignetes Hydraulikfluid entweder in den oder aus dem Zylinder 140 fließt. Die zwei Anschlüsse 154 sind extern über ein Ventil 142 durch ein Rohr 152 miteinander verbunden. Das Ventil 142 ist so beschaffen, dass, wenn es offen ist, Fluid frei aus einem Anschluss und in den anderen fließen kann; und wenn es geschlossen ist, Fluid nicht zwischen den zwei Anschlüssen 154 fließen kann. Der ganze Mechanismus ist mit einem geeigneten im Wesentlichen nicht komprimierbaren Fluid gefüllt. Die Wahl des Fluids sollte potentiell schädliche Effekte berücksichtigen, die auftreten könnten, wenn sich ein Leck im System entwickelt. Da das System auch leicht im Frachtraum eines Flugzeugs bei Temperaturen gut unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser versandt werden kann, sollte das Fluid einen niedrigen Gefrierpunkt aufweisen. Da das Fluid nicht komprimierbar ist, ist es ersichtlich, dass, wenn das Ventil 142 geschlossen ist, der Kolben 144 sich in keiner Richtung bewegen kann. Wenn jedoch das Ventil 142 offen ist, kann sich der Kolben 144 bewegen, da das Fluid sich von einer Seite des Kolbens 144 zur anderen über den durch die Anschlüsse 154, das Rohr 152 und das offene Ventil 142 geschaffenen Weg frei bewegen kann. Wenn das Ventil 142 geschlossen ist, ist die Bewegung der Elastizitätsgebungswelle 520 im Wesentlichen in Bezug auf den Hydraulikzylinder 140 und die Platte 500, an der der Zylinder 140 befestigt ist, verriegelt. Wenn das Ventil 142 geschlossen ist, bewirkt die Betätigung des linearen Aktors 508 folglich eine Bewegung der Platte 500 in Bezug auf die Platte 504 entlang einer durch die linearen Führungsschienen 503a und 503b definierten Achse. Wenn jedoch das Ventil 142 offen ist, kann die Platte 500 durch externe Kräfte entlang der durch die linearen Führungsschienen 503a und 503b definierten Achse über den durch den verfügbaren Hub des Kolbens 144 definierten Bewegungsbereich (der im Wesentlichen der innere Abstand zwischen den zwei Stirnwänden des Zylinders 140 minus der Dicke des Kolbens 144 ist), bewegt werden; und dies definiert einen elastischen Bewegungsbereich. Das heißt, wenn das Ventil 142 offen ist (und der Motor 510 des linearen Aktors vorzugsweise ausgeschaltet ist), kann die Platte 500 durch externe Kräfte entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b über einen durch den verfügbaren Hub des Kolbens 144 definierten Abstand bewegt werden.
Normalerweise ist die Reibung und andere Kräfte, die der Bewegung des Kolbens 144 im Hydraulikzylinder 140, wenn das Ventil 142 offen ist, zugeordnet sind, geringer als die Reibungskräfte, die den linearen Führungsschienen 503a und 503b und den Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d zugeordnet sind. Wenn das Ventil 142 offen ist und der Motor 510 des linearen Aktors erregt wird, dann bewegt sich die Elastizitätsgebungswelle 520 folglich in Bezug auf den Hydraulikzylinder 140 und die Platte 500. Wenn der Aktormotor 510 derart erregt wird, dass die Aktorwelle 514 aus dem stationären Element 506 ausfährt, bewegt sich der Kolben 144 in Richtung des ausgefahrenen Endes 532 des Zylinders. Wenn der Aktormotor 510 nicht ausgeschaltet wird, kommt der Kolben 144 nun an der Stirnwand am ausgefahrenen Ende 532 des Zylinders 140 zur Anlage, da das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist. Ein weiteres Ausfahren der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in der "Auswärts"-Richtung in Bezug auf die Platte 504 bewegt. Wenn der Aktormotor 510 derart erregt wird, dass sich die Aktorwelle 514 in das stationäre Element 506 zurückzieht, bewegt sich der Kolben 144 in Richtung des zurückgezogenen Endes 533 des Zylinders 140. Wenn der Aktormotor 510 nicht ausgeschaltet wird, kommt der Kolben nun an der Stirnwand am zurückgezogenen Ende 533 des Zylinder 140 zur Anlage, da das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist. Ein weiteres Ausfahren der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in der "Einwärts"-Richtung in Bezug auf die Platte 504 bewegt.
Im Betrieb ist es erwünscht, dass der Kolben 144 (und seine befestigte Elastizitätsgebungswelle 520) in einer Position innerhalb einer kleinen Umgebung irgendeines vorgewählten Punkts innerhalb seines Bewegungsbereichs in Bezug auf die Platte 500 angeordnet und verriegelt wird. Typischerweise liegt dieser Punkt auf halbem Wege zwischen den zwei Enden des Zylinders 140; es kann jedoch Anwendungen geben, bei denen es erwünscht wäre, diesen Punkt näher am einen oder am anderen der zwei Enden anzuordnen. Die Umgebung wird wieder als "Elastizitätsgebungsruhebereich" bezeichnet. Der Elastizitätsgebungsruhebereich ist normalerweise ein kleiner Abschnitt des gesamten Elastizitätsgebungsbereichs: beispielsweise ± 3 oder 4 mm innerhalb eines gesamten Elastizitätsgebungsbereichs von 40 bis 50 mm.
Wenn sich der Kolben 144 zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem ausgefahrenen Ende 532 des Zylinders 140 befindet, wird gesagt, dass er sich im "ausgefahrenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet. Wenn sich der Kolben 144 ebenso zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem zurückgezogenen Ende 533 des Zylinders 140 befindet, wird gesagt, dass er sich im "zurückgezogenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet.
Genau wie in 5(a) ist ein Positionssensor 528 enthalten, um die relative Position der Platte 500 in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 zu erfassen. Der Positionssensor 528 kann irgendeiner von einer Anzahl von bekannten Typen im Bereich von Präzisionscodierern, Potentiometern usw. bis zu Kombinationen von Grenzschaltern, Nähesensoren, Entfernungsmessern usw. sein. Als minimale Fähigkeit sollte der Positionssensor 528 angeben, in welchem der drei Bereiche sich der Mechanismus gerade befindet: ausgefahrene Elastizitätsgebung, Elastizitätsgebungsruhe oder zurückgezogene Elastizitätsgebung.
Der Betrieb des Mechanismus 513 wird nun beschrieben. Zuerst wird das Ventil 142 geöffnet. Der lineare Aktor 508 wird dann in Verbindung mit dem Positionssensor 428 verwendet, um den Kolben 144 in der vordefinierten Elastizitätsgebungs-Ruheposition anzuordnen. Das Ventil 142 wird nun geschlossen, um den Kolben 144 und die Elastizitätsgebungswelle 520 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition zu positionieren, und der lineare Aktor 508 wird verwendet, um die Platte 500 an der gewünschten Stelle in Bezug auf die Platte 504 zu positionieren. Die gewünschte Stelle könnte beispielsweise eine Stelle sein, an der der Testkopf oder die Last (nicht dargestellt) angekoppelt werden. Der lineare Aktor 508 wird nun ausgeschaltet und das Ventil 142 wird geöffnet. Die Platte 500 kann nun in elastischer Weise durch externe Kräfte bewegt werden; beispielsweise Kräfte, die durch einen Kopplungsmechanismus erzeugt werden, wenn der Testkopf oder die Last in ihre endgültige gekoppelte Position gedrückt wird. Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe kann das Ventil 142 wieder geschlossen werden oder nicht, sobald eine endgültige gekoppelte Position erreicht ist. Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe, kann das Ventil 142 geöffnet werden oder nicht, während der Testkopf oder die Last abgekoppelt wird. Sobald sie abgekoppelt ist, sollten jedoch der Kolben 144 und die Elastizitätsgebungswelle 520 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition gemäß der vorangehenden Prozedur angeordnet und verriegelt werden, bevor die Bewegung der Platte 500 durch den linearen Aktor 508 eingeleitet wird.
5(c) zeigt noch einen weiteren beispielhaften elastischen Antriebsmechanismus 550 zur Verwendung in einer horizontalen Achse, wobei geringe oder keine Ungleichgewichtskräfte bestehen und die Elastizitätsgebungskraft vorwiegend an Reibung liegt. Die Anordnung und der Zweck der zwei horizontalen Platten 500 und 504, der linearen Führungsschienen 503a und 503b, der Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d und des linearen Aktors 508 sind im Wesentlichen dieselben wie in Bezug auf 5(a) beschrieben. Außerdem ist eine Elastizitätsgebungswelle 520 mit der Aktorwelle 514 mittels eines Gabelkopfs 516 und Gabelkopfstifts 518 in einer ähnlichen Weise zu der in 5(a) gezeigten verbunden. Die Bewegung der Platte 500 entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b in der Richtung zum linearen Aktor 508 hin ist die "Einwärts"-Richtung, während die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung die "Auswärts"-Richtung ist, wie in 5(c) angegeben.
Die Elastizitätsgebungswelle 520 ist durch sowohl einen Einwärtsmontageträger 554 als auch einen Auswärtsmontageträger 552 geführt, die beide starr an der Unterseite der Platte 500 befestigt sind, wobei der Einwärtsmontageträger 554 näher am linearen Aktor 508 liegt als der Auswärtsmontageträger 552. Es ist erwünscht, dass die Elastizitätsgebungswelle 520 sich frei entlang einer Achse in der Einwärts-Auswärts-Richtung in Bezug auf die Montageträger 552 und 554 bewegen kann, und die Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d können verwendet werden, um dies zu bewerkstelligen. Ein Elastizitätsgebungsanschlag 556 ist starr an der Elastizitätsgebungswelle 520 in einer Position befestigt, die sich zwischen den zwei Montageträgern 552 und 554 befindet.
Das stationäre Element eines Auswärtszentrieraktors 558 ist am Auswärtsmontageträger 552 befestigt und das stationäre Element eines Einwärtszentrieraktors 560 ist am Einwärtsmontageträger 554 befestigt. Das angetriebene Element von jedem dieser zwei Zentrieraktoren 558 und 560 ist ein Tauchkolben oder ein Kugelumlaufspindelmechanismus, der beim geeigneten Aufbringen von Energie auf den Aktor 558 oder 560 entweder vom stationären Element ausfährt oder sich in das stationäre Element zurückzieht. (Der Bequemlichkeit halber verwenden wir den Begriff "Tauchkolben", um beide Typen von angetriebenem Element zu meinen, wobei der Zusammenhang klar ist, dass beide geeignet wären). Die zwei Aktoren 558 und 560 sind in entgegengesetzten Richtungen montiert, so dass die Tauchkolben oder Kugelspindelmechanismen im Wesentlichen zur Achse der Elastizitätsgebungswelle 520 koaxial und parallel sind und so dass, wenn sie geeignet erregt werden, die Tauchkolben oder Kugelumlaufspindeln sich in einer Richtung zum Elastizitätsgebungsanschlag 556 erstrecken.
Es ist zu sehen, dass ein Bereich einer elastischen Bewegung bereitgestellt wird, wenn einer oder beide des Einwärtsaktor-Tauchkolbens 564 und des Auswärtsaktor-Tauchkolbens 562 ausreichend zurückgezogen sind, so dass ein Raum zwischen dem Elastizitätsgebungsanschlag 556 und den distalen Enden von einem oder beiden Aktortauchkolben 562 und 564 existiert. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die Platte 500 entlang der linearen Führungsschienen 503a und 503b durch eine externe Kraft bewegt werden, die ausreicht, um die Reibung der Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d und der linearen Führungsschienen 503a und 503b zusätzlich zur Reibung der Montageträger 552 und 554 und der Elastizitätsgebungswelle 520 zu überwinden. Der gesamte Bereich der elastischen Bewegung, der zur Verfügung steht, ist gleich dem Abstand zwischen den distalen Enden der zwei Aktortauchkolben 562 und 562 minus der Dicke des Elastizitätsgebungsanschlags 556. Folglich kann der Bereich der elastischen Bewegung mittels der Zentrieraktoren 558 und 560 in dem System von 5(c) gesteuert werden, wenn dies erwünscht ist; wohingegen der elastische Bereich in den Systemen von 5(a) und 5(b) fest ist.
Es ist auch zu sehen, dass, wenn sowohl der Einwärts- als auch der Auswärtsaktor-Tauchkolben 564, 562 jeweils derart ausgefahren sind, dass beide gleichzeitig am Elastizitätsgebungsanschlag 556, anliegen, dann die Platte 500 an der Stelle in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 fest ist. Der lineare Aktor 508 kann dann verwendet werden, um die Platte 500 in Bezug auf die Platte 504 zu bewegen und zu positionieren.
Normalerweise ist die Reibung, die zu den Kugelschlitten 502a, 502b, 502c und 502d und den linearen Führungsschienen 503a und 503b gehört, größer als die Reibung zwischen der Elastizitätsgebungswelle 520 und dem Einwärts- bzw. Auswärtsmontageträger 554 und 552. Wenn einer oder beide der Zentrieraktor-Tauchkolben 562 oder 564 ausreichend zurückgezogen ist, so dass eine elastische Bewegung möglich ist, und der Motor 510 des linearen Aktors dann erregt wird, bewegt sich folglich die Elastizitätsgebungswelle 520 und der Elastizitätsgebungsanschlag 556 in Bezug auf den Einwärts- bzw. den Auswärtsmontageträger 554 und 552. Wenn der Aktormotor 510 derart erregt wird, dass die Aktorwelle 514 aus dem stationären Element 506 ausfährt, bewegt sich der Elastizitätsgebungsanschlag 556 in der Richtung des Auswärtsaktor-Tauchkolbens 562. Wenn der Aktormotor 410 nicht ausgeschaltet wird, kommt der Elastizitätsgebungsanschlag 556 am Auswärtsaktor-Tauchkolben 562 zur Anlage, da das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist. Ein weiteres Ausfahren der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in der Auswärtsrichtung in Bezug auf die Platte 504 bewegt. Wenn im Gegenteil der Aktormotor 510 derart erregt wird, dass sich die Aktorwelle 514 in das stationäre Element 506 zurückzieht, bewegt sich der Elastizitätsgebungsanschlag 556 in der Richtung des Einwärtsaktor-Tauchkolbens 564. Wenn der Aktormotor 510 nicht ausgeschaltet wird, kommt der Elastizitätsgebungsanschlag 556 am Einwärtsaktor-Tauchkolben 564 zur Anlage, da das Ende des Elastizitätsgebungsbereichs erreicht ist. Ein weiteres Zurückziehen der Aktorwelle 514 verursacht dann, dass sich die Platte 500 in Bezug auf die Platte 504 bewegt.
Im Betrieb ist es erwünscht, dass die Elastizitätsgebungswelle 520 in einer Position innerhalb einer kleinen Umgebung irgendeines vorgewählten Punkts innerhalb ihres Bewegungsbereichs in Bezug auf die Platte 500 positioniert und gehalten wird. Typischerweise liegt dieser Punkt auf halbem Wege zwischen dem Einwärts- und Auswärtszentrieraktor 560 bzw. 558; es kann jedoch Anwendungen geben, bei denen es erwünscht wäre, diesen Punkt näher am einen oder am anderen der zwei Zentrieraktoren 560 und 558 anzuordnen. Wir bezeichnen wieder diese Umgebung als "Elastizitätsgebungsruhebereich". Der Elastizitätsgebungsruhebereich ist normalerweise ein kleiner Abschnitt des gesamten Elastizitätsgebungsbereichs: beispielsweise ± 3 oder 4 mm innerhalb eines gesamten Elastizitätsgebungsbereichs von 40 bis 50 mm.
Wenn der Elastizitätsgebungsanschlag 556 zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem distalen Ende des Auswärtsaktor-Tauchkolbens 562 liegt, wird gesagt, dass er sich im "Elastizitätsgebungsauswärtsbereich" befindet. Wenn der Elastizitätsgebungsanschlag 556 ebenso zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem distalen Ende des Einwärtsaktor-Tauchkolbens 564 liegt, wird gesagt, dass er sich im "Elastizitätsgebungseinwärtsbereich" befindet.
Wie nachstehend erörtert wird, kann, wenn geeignete Zentrieraktoren und Konstruktionsprozeduren verfolgt werden, ein nützliches System des Typs in 5(c) ohne Sensor zum Erfassen der relativen Position der Platte 500 in Bezug auf die Platte 504 verwirklicht werden. Ein Positionssensor 528 (nicht dargestellt) kann jedoch wahlweise für diesen Zweck integriert sein, um ein potentiell raffinierteres System zu verwirklichen. Der Positionssensor 528 kann ein beliebiger von einer Anzahl von bekannten Typen im Bereich von Präzisionscodierern, Potentiometern, usw. bis zu Kombinationen von Grenzschaltern, Nähesensoren, Entfernungsmessern usw. sein. Als minimale Fähigkeit sollte der Positionssensor 528 angeben, in welchem der drei Bereiche sich der Mechanismus gerade befindet: Elastizitätsgebungseinwärts, Elastizitätsgebungsruhe oder Elastizitätsgebungsauswärts.
Um ein System ohne Positionssensor 528 zu verwirklichen, ist es erwünscht, Zentrieraktoren 558 und 560 eines Typs zu verwenden, der in dem Umfang gesteuert werden kann, dass er in der Lage ist zu bewirken, dass sich ihr Tauchkolben 562 und 564 in einer gegebenen Richtung bewegt, bis er seinen vollen Bewegungsbereich erreicht hat. Ein solcher Aktor 558 und 560 kann so einfach wie eine Magnetspulenvorrichtung mit einem Tauchkolben 562 und 564 sein, der beim Aufbringen von Energie unmittelbar in seinen vollen Bereich ausfährt und sich bei der Entfernung der Energie unter dem Druck einer Feder vollständig zurückzieht. Ein Aktor 558 und 560, der einen Motor und einen Spindelmechanismus beinhaltet, ist auch brauchbar. Wenn harte Anschläge im Aktor 558 und 560 enthalten sind, um zu verhindern, dass die Spindel zu weit läuft, und wenn der Motor geeignet vor einer Überhitzung geschützt ist, wenn er stecken bleibt, kann die Spindel einfach in einer bekannten Richtung für eine Zeitlänge angetrieben werden, die ausreicht, damit sie die Grenze ihrer Bewegung erreicht. Außerdem könnte ein durch einen Motor angetriebener Spindelaktor Grenzschalter enthalten, um zu signalisieren, dass eine Bewegungsendposition erreicht wurde. Eine wei tere Alternative könnte einen Schrittmotor beinhalten und die Position könnte durch Steuern der Anzahl der Bewegungsschritte möglicherweise in Kombination mit einem oder mehreren Grenzschaltern gesteuert werden. Eine zweite Anforderung besteht darin, die Länge des Hubs von jedem Aktortauchkolben 562 und 564 oder der Spindel und die Anordnung der Einwärts- und Auswärts-montageträger 552 und 554 und Zentrieraktoren 558 und 560 für die gewünschten Ergebnisse zu konstruieren. Die speziellen Kriterien, einschließlich, dass, wenn die Aktoren 558 und 560 sich beide in ihrem vollständig ausgefahrenen Zustand befinden, der Elastizitätsgebungsanschlag 556 stabil in der gewünschten Elastizitätsgebungs-Ruheposition gehalten wird; und wenn beide Aktoren 558 und 560 sich im vollständig zurückgezogenen Zustand befinden, der gewünschte elastische Bewegungsbereich verwirklicht wird.
Der Betrieb des Mechanismus von 5(c) ohne Positionssensor wird nun beschrieben. Zuerst werden beide Zentrieraktoren 558 und 560 in einer solchen Weise erregt, dass sie ihre Tauchkolben 562 und 564 oder Spindeln vollständig ausfahren. Dies bewegt die Platte 500 in eine Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520. Es ist zu beachten, dass in diesem Schritt zum Erreichen der Elastizitätsgebungs-Ruheposition in dem System von 5(c) die Platte 500 bewegt wird, während die Elastizitätsgebungswelle 520 stationär bleibt; wohingegen in den Systemen von 5(a) und 5(b) die Platte 500 fest blieb, während sich die Elastizitätsgebungswelle 520 bewegt, um dieses Ziel zu erreichen. Die Aktoren 558 und 560 werden nun in einen Zustand gebracht, um ihre Tauchkolben 562 und 564 oder Spindeln in den vollständig ausgefahrenen Positionen zu halten, um die Platte 500 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition zu halten. Bei nicht zurücktreibbaren durch einen Motor angetriebenen Aktoren wird dies einfach durch Abschalten der Leistung erreicht. Bei anderen Aktoren, wie z. B. Magnetspulenaktoren, kann es erforderlich sein, die Energieerregung angelegt zu halten. Wenn die Platte 500 folglich in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition gehalten wird, wird der lineare Aktor 508 dann verwendet, um die Platte 500 an der gewünschten Stelle in Bezug auf die Platte 504 zu positionieren. Die gewünschte Stelle könnte beispielsweise eine Stelle sein, an der der Testkopf oder die Last (nicht dargestellt) angekoppelt wird. Der Motor 510 des linearen Aktors wird nun ausgeschaltet und die Zentrieraktoren 558 und 560 werden in einer Weise gesteuert, um ihre Tauchkolben 562 und 564 oder Spindel zurückzuziehen, um einen Bereich für eine elastische Bewegung zu erzeugen. Die Platte 500 kann nun in elastischer Weise durch externe Kräfte bewegt werden; bei spielsweise Kräfte, die durch einen Kopplungsmechanismus erzeugt werden, wenn der Testkopf oder die Last in seine/ihre endgültige gekoppelte Position bewegt wird. Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe können die Zentrieraktoren 558 und 560 verwendet werden oder nicht, um die Platte 500 in Bezug auf die Platte 504 wirksam zu verriegeln, wenn die endgültige gekoppelte Position erreicht ist. Gemäß der speziellen Anwendung und/oder Benutzervorliebe kann die Platte 500 auch durch die Zentrieraktoren 558 und 560 in der Position gehalten werden oder nicht, während der Testkopf oder die Last abgekoppelt wird. Sobald sie abgekoppelt ist, sollte jedoch die Elastizitätsgebungswelle 520 gemäß der vorangehenden Prozedur in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition angeordnet und verriegelt werden, bevor die Bewegung der Platte 500 durch den linearen Aktor 508 eingeleitet wird.
Ein System gemäß 5(c), das auch einen Positionssensor 528a (nicht dargestellt) beinhaltet, um die Position der Platte 500 in Bezug auf die Elastizitätsgebungswelle 520 zu erfassen, wird nun beschrieben. In einem solchen System wäre es am praktischsten, durch einen Motor betätigte Zentrieraktoren 558 und 560 zu verwenden, um die Positionsrückkopplung, die zur Verfügung steht, zu nutzen. Der Gesamthub der Aktortauchkolben 562 und 564 oder Spindeln und die Anordnung der Aktoren 558 und 560 sind nicht so kritisch wie in einem System ohne Positionssensor 528a, wie vorstehend beschrieben. Es reicht aus, dass die Aktoren 558 und 560 so angeordnet werden, dass, wenn ihre Tauchkolben 562 und 564 beide vollständig zurückgezogen sind, ein geeigneter elastischer Bewegungsbereich verwirklicht wird; und auch, dass, wenn sie vollständig ausgefahren sind, die Tauchkolben 562 und 564 zumindest die Elastizitätsgebungs-Ruheposition erreichen. Der Betrieb ist im Wesentlichen derselbe wie bei dem System ohne Positionssensor 528a, außer dass der Positionssensor 528a verwendet wird, um anzugeben, wenn der Elastizitätsgebungsanschlag 556 die Elastizitätsgebungs-Ruheposition erreicht hat. Wenn ein Positionssensor 528a vom Codierer- oder Potentiometertyp verwendet wird, wäre es in dem System von 5(c) sowie in den Systemen von 5(a) und 5(b) auch möglich, den Ort des Elastizitätsgebungs-Ruhebereichs ohne Änderung der mechanischen Struktur durch geeignete Programmierung des Steuersystems zu ändern.
Der Mechanismus von 5(a) (und auch von 5(b) und 5(c)) kann auch auf Drehachsen angewendet werden, wobei die Bewegung vielmehr die Drehung eines Körpers oder einer Last um eine Achse als eine Translation entlang einer Achse ist. Das Verfahren kann auch auf eine Bewegung angewendet werden, die eine Kombination sowohl einer Drehung als auch einer Translation ist. 7 zeigt einen Elastizitätsgebungsmechanismus, der auf einen Körper 100 angewendet wird, der sich um eine vertikale Achse 102 dreht. Dies ist dieselbe wie eine Schwenkbewegung in einem Testkopf-Manipulator. Der Elastizitätsgebungsmechanismus von 7 zeigt auch eine alternative Ausführungsform für den Mechanismus in 5(a). Insbesondere ist bei dem Mechanismus in 5(a) die Aktorwelle 514 oder Spindel an einer Stange (Elastizitätsgebungswelle 520) befestigt und der bewegliche Körper (Platte 500) ist an einer Verriegelung 118 befestigt, die an der Stange (Elastizitätsgebungswelle 520) arbeitet. In 7 ist die Anordnung der Verriegelung 118 und der Stange (Kraftstange 112) umgekehrt; d. h., die Aktorwelle oder Spindel 514 ist mit einer Verriegelung 118 gekoppelt, die an einer Kraftstange 112 arbeitet, die wiederum mit dem beweglichen Körper 100 gekoppelt ist. Es ist zu sehen, dass die Funktionsweise von 7 zu jener von 5(a) vollständig analog ist. Die in 7 enthaltenen Merkmale werden nachstehend genauer erörtert.
Die Ausführungsformen von 5(a) bis 5(c) haben beispielhafte Ausführungsformen angegangen, die die Elastizitätsgebung für die Bewegungsachsen in der horizontalen Ebene oder anderen Situationen darstellen, in denen keine Ungleichgewichtskräfte mit irgendeiner Bedeutung vorhanden sind. 6(a) und 8(a) stellen Mechanismen zum Vorsehen sowohl einer Ausgleichskraft, um eine Ungleichgewichtskraft zu kompensieren, als auch Elastizität in einer angetriebenen Achse, in der Ungleichgewichtskräfte signifikant sein können, mit der Position variabel sind und häufig unvorhersagbar sind, dar. Diese Mechanismen werden als "ausgeglichene elastische Aktorbaugruppen" ("BCAA") bezeichnet.
In 6(a) und 8(a) stellt ein Körper 100 eine schwere Last (d. h. einen Testkopf) dar, die um eine Schwenkachse 102 drehbar ist, die sich nahe einer Oberfläche und in einem signifikanten Abstand vom Schwerpunkt des Körpers entfernt befindet. Der Körper 600 in 6(a) und 8(a) stellt einen Abschnitt einer Haltestruktur dar, die die Schwenkachse 102 unterstützt. Der Körper 100 könnte beispielsweise einen Testkopf darstellen, dessen Neigungs- oder Taumelachse nahe der DUT-Schnittstelle angeordnet ist, und der Körper 600 könnte einen Abschnitt eines Testkopf-Haltegestells darstellen, das wiederum durch eine Vorrichtung unterstützt wird, die mit dem Hauptarm eines Testkopf-Manipulators (nicht dargestellt) verbunden ist. In der folgenden Erörterung wird angenommen, dass die Schwenkachse 102 in einer horizontalen Ebene liegt, wenn nicht anders angegeben. Es ist zu beachten, dass, wenn der Körper 100 gedreht wird, so dass sein Schwerpunkt nicht direkt unterhalb der Schwenkachse 102 liegt, das Moment aufgrund des Gewichts des Körpers 100 ein Ungleichgewicht erzeugt, das eine Funktion der Position des Körpers 100 ist. Folglich umfassen Elastizitätsgebungskräfte Kräfte, die erforderlich sind, um dieses Moment sowie die Reibung und andere mögliche Effekte wie z. B. Kabelkräfte zu überwinden.
Die in 6(a) und 8(a) gezeigten Mechanismen, die beschrieben werden sollen, umfassen Konzepte, die in der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennummer 60/234 598 mit dem Titel A Test Head Balancing System for a Test Head Manipulator von Ny et al., das auf denselben Anmelden wie die vorliegende Anmeldung übertragen ist, erläutert sind. Insbesondere sind die 1(a), 1(c), 2(a), 3(a), 4(a) und 4(b) in der vorläufigen Anmeldung 60/234 598 erläutert.
Obwohl nicht gezeigt, ist in 6(a) und 8(a) impliziert, dass eine Systemsteuereinheit vorhanden ist. Die Systemsteuereinheit implementiert Steuersequenzen und liefert Steuersignale zu Aktoren und Ventilen, die beschrieben werden sollen. Außerdem empfängt die Systemsteuereinheit Bedienpersoneneingaben und Rückkopplungssignale von Sensoren, die auch beschrieben werden sollen.
Im Überblick umfassen die 6(a) und 8(a) beide einen linearen Aktor 508 zum Antreiben des Körpers 100 um eine Schwenkachse 102, einen Elastizitätsgebungsmechanismus mit einer Verriegelung 118, einer Kraftstange 112 und zwei Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524, um eine elastische Bewegung des Körpers 100 zu ermöglichen, einen Kraftsensor 120, um eine Ungleichgewichtskraft zu messen, die in der Kraftstange 112 ausgeübt wird, und einen Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128 zum Erzeugen einer Ausgleichkraft, um die Ungleichgewichtskraft zu kompensieren.
6(a) und 8(a) sind ziemlich ähnlich. Sie unterscheiden sich nur darin, wie der Körper des Doppelwirkungs-Pneumatikzylinders 128 unterstützt wird. Folglich werden die gemeinsamen Merkmale beider Fig. zusammen im Folgenden beschrieben: und die Unterschiede werden einzeln beschrieben, wie geeignet.
In beiden 6(a) und 8(a) ist das stationäre Element 506 eines linearen Aktors 508, einschließlich seines Motors 510, am Körper 600 mittels eines Lagers 620 befestigt. Das angetriebene Element des linearen Aktors 508 ist eine Aktorspindel 514, die aus dem stationären Element 506 ausfährt oder sich in dieses zurückzieht, wenn der Motor 510 erregt wird. Insbesondere wenn der Motor 510 so erregt wird, dass er sich in einer ersten Drehrichtung dreht, fährt die Spindel (Aktor) aus dem stationären Element 506 aus; und wenn der Motor 510 so erregt wird, dass er sich in der entgegengesetzten Richtung dreht, zieht sich der Aktor 514 in das stationäre Element 506 zurück. Die Aktorspindel 514 ist typischerweise eine Kugelumlaufspindel; andere Typen von Spindeln oder andere Aktormittel könnten jedoch verwendet werden, wenn es geeignet ist.
Eine Kraftstange 112 ist am Körper 100 mittels eines Lagers 116a befestigt. Wie gezeigt ist, steht die Kraftstange 112 mit einer Verriegelung 118 in Eingriff, die starr am distalen Ende der Aktorspindel 514 mittels einer Maschinenschraube oder eines anderen geeigneten Mittels befestigt ist. Die Verriegelung 118 kann einer von mehreren Typen sein, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. In Abhängigkeit von dem Typ von ausgewählter Verriegelung könnte sie durch ein elektrisches Signal, eine pneumatische Eingabe oder ein anderes Mittel, das für eine spezielle Anwendung geeignet ist, gesteuert werden. Wenn die Verriegelung 118 aktiviert wird, ergreift sie die Kraftstange 112 sicher und die Kraftstange 112 wird dann wirksam an der Aktorspindel 514 in einer starren Weise befestigt. Wenn die Verriegelung 118 in Eingriff gebracht wird, wird der Körper 100 folglich an einer Bewegung in Bezug auf die Aktorspindel 514 eingeschränkt. Wenn die Verriegelung 118 deaktiviert wird, kann die Kraftstange 112 in der Verriegelung 118 gleiten und sich entlang einer Linie bewegen, die im Wesentlichen zur Achse der Aktorspindel 514 parallel ist. Wenn vorübergehend der Pneumatikzylinder 128 und irgendwelche Ungleichgewichtskräfte ignoriert werden, wobei die Verriegelung 118 aktiviert ist, kann der lineare Aktor 508 folglich verwendet werden, um den Körper 100 um die Schwenkachse 102 in Bezug auf den Körper 600 zu bewegen. Wenn die Verriegelung 118 nicht verriegelt ist, kann sich der Körper 100 außerdem frei in Reaktion auf ausreichende externe Kräfte in Bezug auf die Aktorspindel 514 und den Körper 600 bewegen; und folglich wird eine elastische Bewegung des Körpers 100 in Bezug auf den Körper 600 erreicht. Das heißt, wenn die Verriegelung 118 deaktiviert ist, wird eine elastische Bewegung des Körpers 100 um seine Schwenkachse 102 und in Bezug auf den Körper 600 in Reaktion auf externe Kräfte ermöglicht. Um die Menge an elastischer Bewegung zu begrenzen, sind ein ausgefahrener Elastizitätsgebungsanschlag 522 und ein zurückgezogener Elastizitätsgebungsanschlag 524 starr an der Kraftstange 112 befestigt. Der ausgefahre ne Elastizitätsgebungsanschlag 522 befindet sich zwischen der Verriegelung 118 und dem Körper 100. Der zurückgezogene Elastizitätsgebungsanschlag 524 befindet sich auf der entgegengesetzten Seite der Verriegelung 118 zwischen der Verriegelung 118 und dem distalen Ende der Kraftstange 112.
Ein bidirektionaler Kraftsensor 120 ist mit der Kraftstange 112 in einer Weise gekoppelt, um die Kraft entlang der Kraftstange 112 zu messen. Der Kraftsensor 120 kann unter Verwendung einer bidirektionalen Lastzelle, einer Vorrichtung, die leicht erhältlich ist, implementiert werden. Die Lastzelle beinhaltet einen Dehnungsmesser, der in einer Brückenschaltung in einer gut bekannten Weise angeordnet sein kann, um ein elektrisches Ausgangssignal zu liefern, das monoton mit der gemessenen Kraft variiert. Unter Verwendung von Analog-Digital-Umsetzung und eines Prozessors kann festgestellt werden, ob die Kraft entlang der Kraftstange 112 größer ist als eine maximale Menge, die für eine freie Bewegung tolerierbar ist; und wenn ja, kann die Richtung der Kraft festgestellt werden. Alternativ könnten analoge Vergleicherschaltungen in bekannten Weisen verwendet werden, um Gut/Schlecht-Signale zu erzeugen, die die Anwesenheit und Richtung einer signifikanten Ungleichgewichtskraft angeben.
Die vorstehend erwähnten Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 dienen zum Begrenzen der Bewegung der Kraftstange 112 in Bezug auf den Körper 600, wobei der lineare Aktor 508 fest ausgefahren ist. Wenn die Wellenverriegelung 118 nicht in Eingriff steht, kann die Kraftstange 112 durch externe Kräfte, die auf den Körper 100 wirken, über einen Bewegungsbereich, der durch den Abstand "C" zwischen den zwei Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524 minus der Breite "L" der Wellenverriegelung 118 definiert ist, bewegt werden, und dies definiert einen elastischen Bewegungsbereich für den Körper 100. Das heißt, wenn die Wellenverriegelung 118 gelöst ist (und der Motor 510 des linearen Aktors vorzugsweise ausgeschaltet ist), kann der Körper 100 durch externe Kräfte, die ausreichen, um die Elastizitätsgebungskräfte zu überwinden, um die Schwenkachse 102 über einen Winkel gedreht werden, der durch die entsprechende Bewegung der Kraftstange 112 über einen Abstand C-L definiert ist. In entweder 6(a) oder 8(a) bewegt sich, wenn sich die Verriegelung 118 in Bezug auf die Kraftstange 112 bewegt, der Kolben 130 im Pneumatikzylinder 128 auch. Es ist wichtig, dass der gesamte verfügbare Hub des Kolbens 130 derart ist, dass der Kolben 130 und der Pneumatikzylinder 128 die Elastizitätsgebungsanschläge 552 und 524 nicht stören.
Es wird beobachtet, dass, sollte die Verriegelung 118 entriegelt sein und der Körper 100 in einen Winkel gedreht sein, so dass sein Schwerpunkt nicht direkt unter der Schwenkachse 102 liegt, der eine oder der andere der zwei Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 an der Verriegelung 118 anliegen würden. Dies ist der Fall, wenn das Moment um die Schwenkachse 102, das durch das Gewicht des Körpers 100 verursacht wird, ausreicht, um die statische Reibung in dem System, Kräfte, die auf den Körper 100 aufgrund des Pneumatikzylinders 128 und Kolbens 130 wirken, und irgendwelche anderen Kräfte, die auf das System wirken, zu überwinden. In einem solchen Zustand ist es offensichtlich, dass die Erregung des Aktormotors 510 verursacht, dass sich der Körper 100 um die Schwenkachse 102 dreht. Dies ist nicht notwendigerweise eine bevorzugte Betriebsart; vielmehr ist es eine Situation, an die gedacht werden soll, wenn verschiedene Betriebssequenzen für beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden.
Im Betrieb ist es erwünscht, dass die Verriegelung 118 in einer Position innerhalb einer kleinen Umgebung irgendeines vorgewählten Punkts innerhalb ihres Bewegungsbereichs in Bezug auf die Kraftstange 112 bewegt und verriegelt wird. Typischerweise liegt dieser Punkt auf halbem Wege zwischen den zwei Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524; es kann jedoch Anwendungen geben, bei denen es erwünscht wäre, diesen Punkt näher am einen oder anderen der zwei Elastizitätsgebungsanschläge 522 oder 524 anzuordnen. Wir bezeichnen diese Umgebung als "Elastizitätsgebungsruhebereich". Der Elastizitätsgebungsruhebereich ist normalerweise ein kleiner Abschnitt des gesamten Elastizitätsgebungsbereichs: beispielsweise ± 3 oder ± 4 mm innerhalb eines gesamten Elastizitätsgebungsbereichs von 40 bis 50 mm.
Immer noch mit Bezug auf 6(a) und 8(a) wird, wenn die Verriegelung 118 zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem ausgefahrenen Elastizitätsgebungsanschlag 522 angeordnet ist, gesagt, dass sie sich im "ausgefahrenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet. Wenn die Verriegelung 118 ebenso zwischen dem Elastizitätsgebungsruhebereich und dem zurückgezogenen Elastizitätsgebungsanschlag 524 angeordnet ist, wird gesagt, dass sie sich im "zurückgezogenen Elastizitätsgebungsbereich" befindet.
Es kann erforderlich sein, dass sich der Körper 100 in einem Gleichgewichtszustand befindet, damit die Verriegelung 118 entriegelt wird und dann in die Elasti zitätsgebungs-Ruheposition bewegt wird. Dieser Ausgleich kann in einer Anzahl von möglichen Weisen erreicht werden, einschließlich beispielsweise: Ermöglichen, dass der Schwerpunkt unterhalb der Schwenkachse 102 angeordnet wird und/oder Ausüben von externen Kräften. Wie erläutert wird, besteht jedoch der Zweck des Pneumatikzylinders 128 und Kolbens 130 darin, eine steuerbare Ausgleichskraftquelle zu schaffen.
Ein Positionssensor 612 ist vorgesehen, um die Position der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 zu erfassen. Der Positionssensor 612 kann irgendeiner von einer Anzahl von bekannten Typen im Bereich von Präzisionscodierern, Potentiometern usw. bis zu Kombinationen von Grenzschaltern, Nähesensoren, Entfernungsmessern usw. sein. Als minimale Fähigkeit sollte der Positionssensor 612 angeben, in welchem der drei Bereiche sich der Mechanismus gerade befindet: ausgefahrene Elastizitätsgebung, Elastizitätsgebungsruhe oder zurückgezogene Elastizitätsgebung.
Ein Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128 ist vorgesehen, um eine Kraft zu erzeugen, um irgendwelchen Ungleichgewichtskräften entgegenzuwirken. Das Ziel besteht darin, die Nettokraft und/oder das Drehmoment, das auf den Körper 100 wirkt, auf einen annehmbaren Pegel zu minimieren, um eine elastische Bewegung des Körpers 100 in Bezug auf den Körper 600 zu ermöglichen. Es kann gesagt werden, dass sich der Körper 100 in einem "Gleichgewichtszustand" befindet, wenn dies erreicht ist. Es ist zu beachten, dass, wenn er sich in einem Gleichgewichtszustand befindet, eine "restliche Ungleichgewichtskraft" vorhanden sein kann, die zu einer Komponente der gesamten Elastizitätsgebungskraft wird. In 6(a) ist der Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128 am Körper 600 mit geeigneten Montagebaueinheiten 624 und einem Lager 622 befestigt. In 8(a) ist der Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder an der Verriegelung 118 unter Verwendung eines Trägers befestigt. In beiden 6(a) und 8(a) enthält der Pneumatikzylinder 128 einen Kolben 130, der mit einer Verbindungsstange 114 gekoppelt ist, die zur Achse des Zylinders 128 koaxial ist. Die Verbindungsstange 114 verläuft durch das Ende des Pneumatikzylinders 128 und erstreckt sich in Richtung des Körpers 100 und ist mit dem Körper 100 mittels eines Lagers 116b gekoppelt. Obwohl 6(a) und 8(a) die Verbindungsstange 114 und Kraftstange 112 am Körper 100 mit zwei separaten Lagern 116a und 116b befestigt zeigen, sind alternative Strukturen möglich, einschließlich der Verwendung eines Trägers oder dergleichen, um die beiden Stangen 114 und 112 gemeinsam mit dem Körper 100 mit Lagern 116a und 116b zu koppeln, wie in 8(b), die ansonsten dieselbe wie 8(a) ist. 8(b) stellt die Verriegelung 118 und den Zylinder 128, die mit einem Träger 800 miteinander gekoppelt sind, welcher effektiv die Stangen 114 und 112 koppelt, dar.
Eine Hochdruckluftversorgung 602 stellt eine Luftquelle zum Betreiben des Pneumatikzylinders 128 bereit. Typischerweise ist ein Luftdruck von 80 bis 100 Pfund pro Quadratinch geeignet und in einer Halbleitertesteinrichtung verfügbar. Der Pneumatikzylinder besitzt zwei Lufteinlässe 143 und 134, einen auf jeder Seite des Kolbens 130 und im Allgemeinen nahe jedem Ende des Zylinders 128. Der erste Lufteinlass 132 ist mit einem ersten Akkumulator 608a mit einem Rohr gekoppelt und der zweite Lufteinlass 134 ist mit einem zweiten Akkumulator 608b mit einem Rohr gekoppelt. Der erste und der zweite Akkumulator 608a und 608b sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Ventil 604a und 604b mit einem geeigneten Rohr gekoppelt und sowohl das erste als auch das zweite Ventil 604a und 604b sind mit einem geeigneten Rohr mit der Luftversorgung 602 gekoppelt. Das erste und das zweite Ventil 604a und 604b werden durch die Steuereinheit gesteuert, die nicht gezeigt ist.
Außerdem weisen die zwei Ventile 604a und 604b jeweils eine Entlüftungsöffnung auf, um zu ermöglichen, dass Luft aus dem Zylinder 128 und den Akkumulatoren 608a und 608b entweicht. Jedes der Ventile 604a und 604b kann in einer von drei Positionen abgeschieden werden, wie folgt:

• Die "Einleitungsposition" ermöglicht, dass Luft von der Luftversorgung 602 in den Akkumulator 608a oder 608b und den Zylinder 128 strömt.
• Die "Entlüftungsposition" ermöglicht, dass Luft aus dem Akkumulator 608a oder 608b und dem Zylinder 128 durch die Entlüftungsöffnung in die Atmosphäre ausströmt.
• Die "Aus-Position" blockiert die Luft vom Strömen in den oder aus dem Akkumulator 608a und 608b und Zylinder 128 durch das Ventil 604a oder 604b.

Viele verschiedene Konfigurationen von Ventilen (604a und 604b) sind kommerziell erhältlich. Zusätzlich zu einzelnen unabhängigen Ventilen (604a und 604b), wie gezeigt, gibt es Einheiten, die zwei Ventile enthaften, die derart konfiguriert sind, dass, wenn sich ein Ventil in der Einleitungsposition befindet, das andere sich in der Entlüftungsposition befindet, so dass Luft automatisch aus einer Seite des Kolbens 130 entlüftet wird, wenn Luft in die entgegengesetzte Seite eingeleitet wird.
Wie vorstehend angegeben, besteht der Zweck des Pneumatikzylinders 128 darin, eine Kraft zu erzeugen, um eine Ungleichgewichtskraft zu kompensieren, die auf die Last wirkt, die in diesem Fall der Körper 100 ist. Es soll beispielsweise angenommen werden, dass der Körper 100 in einem Winkel geschwenkt ist, so dass sein Schwerpunkt von der Schwenkachse 102 horizontal versetzt ist. Dann ist das Gewicht des Körpers 100 eine Ungleichgewichtskraft, die ein Drehmoment um die Schwenkachse 102 erzeugt, das in einer Richtung wirkt, um den Schwerpunkt zu einem Punkt direkt unterhalb der Schwenkachse 102 zu bewegen. Die Größe und Richtung dieses Drehmoments sind eine Funktion des Gewichts sowie der Größe und Richtung des Schwenkwinkels, wobei der Schwenkwinkel der Arcussinus des Verhältnisses der horizontalen Verlagerung des Schwerpunkts von der Schwenkachse 102, dividiert durch den kürzesten Abstand vom Schwerpunkt zur Schwenkachse 102, ist. Es ist zu sehen, dass das Ungleichgewicht variabel und eine Funktion der Position der Last ist. Der Pneumatikzylinder 128 erzeugt eine Kraft an seinem Kolben 130 gemäß dem Unterschied des Luftdrucks auf den zwei Seiten des Kolbens 130. Diese Kraft wird entlang der Verbindungsstange 114 übertragen und wirkt auf den Körper 100 an einer Stelle und in einer Richtung, die durch eine Linie bestimmt sind, die eine Verlängerung der Achse der Verbindungsstange 114 ist. Die Vorrichtung ist so beschaffen, dass diese Kraftlinie die Schwenkachse 102 in einem ganzen Bereich von interessierenden Schwenkwinkeln nicht schneidet. Daher kann der Kolben 130 ein Drehmoment am Körper 100 um die Schwenkachse 102 erzeugen, das gleich und entgegengesetzt zum Ungleichgewichtsdrehmoment ist, das durch das Gewicht des Körpers 100 verursacht wird, und der Körper 100 erreicht dadurch einen Gleichgewichtszustand. Die durch die pneumatische Vorrichtung erzeugte Kraft wird hierin als "Ausgleichskraft" bezeichnet.
Im Betrieb befinden sich die Ventile 604a und 604b normalerweise in der Aus-Position. Um den Druck auf einer Seite des Kolbens 130 zu erhöhen, wird das entsprechende Ventil (604a oder 604b) in die Einleiungsposition umgeschaltet. Die erreichte Änderung des Drucks ist eine Funktion des vorliegenden Drucks im Zylinder 128, des Drucks in der Luftversorgung und der Länge der Zeit, die das Ventil (604a oder 604b) betätigt wird. Um den Druck auf einer gegebenen Seite des Kolbens 130 zu senken, wird das entsprechende Ventil (604a oder 604b) in die Entlüftungsposition umgeschaltet. Hier ist die erreichte Änderung des Drucks eine Funktion nur des vorliegenden Drucks im Zylinder 128 und der Länge der Zeit, die das Ventil (604a oder 604b) betätigt wird. Folglich bestimmt die minimale Länge der Zeit, die ein Ventil (604a oder 604b) betätigt werden kann, den minimalen Schritt des Drucks im Zylinder 128, der bei einem gegebenen anfänglichen Zylinderdruck erreicht werden kann. Typischerweise ist diese minimale Zeit 8 bis 10 Millisekunden. Der minimale Schritt der Ausgleichskraft, der an der Verbindungsstange 114 bewirkt werden kann, ist durch das Produkt des minimalen Schritts des Drucks und der Fläche des Kolbens 130 bestimmt. Mit einer geeigneten Auswahl von Komponenten und Parametern können Schritte der Ausgleichskraft von weniger als zwei Pfund erreicht werden und dies legt fest, wie genau Ungleichgewichte neutralisiert werden können.
Wenn eine Ausgleichskraft durch den Pneumatikzylinder 128 und Kolben 130 hergestellt wird, wenn sich der Körper 100 in einer speziellen Position in Bezug auf den Körper 600 befindet, und wenn der Körper 100 nun geringfügig in Bezug auf den Körper 600 bewegt wird, bewegt sich der Kolben 130 dann innerhalb des Zylinders 128 und die hergestellte Ausgleichskraft ändert sich, wenn sich das Volumen der Luft auf beiden Seiten des Kolbens 130 ändert. Insbesondere nimmt die Druckdifferenz monoton mit der Verlängerung des Kolbens 130 ähnlich einer mechanischen Feder zu. Die auf eine gegebene Seite des Kolbens 130 ausgeübte pneumatische Kraft variiert umgekehrt mit dem Volumen. Für Verlagerungen, bei denen die Änderung des Luftvolumens relativ klein ist, variiert jedoch die äquivalente Federkraft ungefähr linear mit der Verlagerung mit einer äquivalenten "Federkonstante" K. Das heißt, F = K x, wobei F die Änderung der Kraft ist und x die Änderung der Verlagerung des Kolbens 130 ist. Es ist erwünscht zu versuchen, K klein zu machen, so dass die Kraft sich über den Bewegungsbereich nicht merklich ändert. K wird teilweise durch das Gesamtvolumen der Luft in Bezug auf die Änderung des Drucks pro Schritt der Verlagerung des Kolbens 130 bestimmt, d. h. durch V und dP/dx, wobei V das Volumen ist und P der Druck ist. Wenn sich der Kolben 130 einem Ende seiner Bewegung nähert, wird V klein, dP/dx wird exponentiell groß und K nimmt daher ebenso wie F zu. Das vorstehend beschriebene Hinzufügen der Akkumulatoren 608a und 608b dient zur signifikanten Steigerung von V und zum Begrenzen von dV/dx und dP/dx auf annehmbare Werte. Dies stellt einen relativ niedrigen und konstanten Wert von K über den Elastizitätsgebungsbereich oder das, was als Effekt einer "weichen Feder" bekannt ist, bereit, was klar erwünscht ist.
Nachdem die Elemente der in 6(a) und 8(a) dargestellten Vorrichtung kurz beschrieben wurden, können nun weitere Einzelheiten und der Betrieb des Systems angegangen werden.
Um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, wird die Verriegelung 118 zuerst verriegelt, um eine Bewegung des Körpers 100 zu verhindern. Die Steuereinheit reagiert dann auf die Signale, die vom Kraftsensor 120 stammen, um die Ventile 604a und 604b in einer geeigneten Weise zu betätigen, um zu bewirken, dass eine Ausgleichskraft auf den Körper 100 ausgeübt wird. Die Steuereinheit stellt die Ausgleichskraft ein, bis sie eine ausreichende Größe und Richtung besitzt, um die Größe der Kraft in der Kraftstange 112 auf eine Größe zu verringern, die geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, der eine maximale zulässige Ungleichgewichtskraft darstellt. In Abhängigkeit von den Umständen ist dieser Schwellenwert typischerweise geringer als fünf bis zehn Pfund; und wenn bei der Konstruktion des Systems achtgegeben wird, kann er nicht höher als ein bis zwei Pfund sein. Wenn diese Bedingung erfüllt wurde, wird der Körper 100 als in einem "Gleichgewichtszustand" betrachtet und die Differenz zwischen der ursprünglichen Ungleichgewichtskraft und der durch den Kolben 130 erzeugten Ausgleichskraft wird als "restliche Ungleichgewichtskraft" bezeichnet.
Nun soll angenommen werden, dass sich der Körper 100 in einem solchen Gleichgewichtszustand befindet und dass die Verriegelung 118 verriegelt ist und von beiden der zwei Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 weg angeordnet ist. Wenn die Verriegelung 118 nun entriegelt wird, bewegen sich der Körper 100 und die Verriegelung 118 nicht, vorausgesetzt, dass irgendeine restliche Ungleichgewichtskraft geringer ist als die statische Reibung im System, einschließlich der Effekte der Losreißkraft, die dem Pneumatikzylinder 128 und Kolben 130 zugeordnet ist. Wenn diese Bedingung erreicht ist, dann wird gesagt, dass der Körper 100 "vollständig ausgeglichen" ist. Wenn jedoch die restliche Ungleichgewichtskraft ausreicht, um die ganze statische Reibung zu überwinden, dann wird gesagt, dass der Körper 100 "fast ausgeglichen" ist. Wenn der Körper 100 fast ausgeglichen ist und die Verriegelung 118 gelöst wird, bewegt sich die Verriegelung 118 in Richtung von einem der zwei Elastizitätsgebungsanschläge 522 oder 524. Ob die Verriegelung 118 am Elastizitätsgebungsanschlag (522 oder 524) zur Anlage kommt, würde davon abhängen, wie die Ungleichgewichtskraft und die Ausgleichskraft sich als Funktion der Änderung der Position ändern. Es ist zu erkennen, dass das Erreichen eines vollständig ausgeglichenen Zustandes eine größere Präzision und folglich größere Systemkosten als das Erreichen eines fast ausgeglichenen Zustandes erfordert.
Der Begriff "Elastizitätsgebungsbereitschaft" wird nun eingeführt, um die Situation anzugeben, wenn sich der Körper 100 in einem Gleichgewichtszustand befindet und sich die Kraftstange 112 im Elastizitätsgebungsruhebereich befindet. Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass der Gleichgewichtszustand ein vollständig ausgeglichener Zustand ist, so dass, wenn die Verriegelung 118 entriegelt wird, dann sich der Körper 100 nicht bewegt.
In einer allgemeinen Situation kann angenommen werden, dass sich der Körper 100 anfänglich nicht in einem Gleichgewichtszustand und in einer willkürlichen Position in Bezug auf den Körper 600 befindet. Es wird auch angenommen, dass es erwünscht ist, einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen. In dieser Situation wird die Ungleichgewichtskraft durch die Kraftstange 112 und den Kraftsensor 120 unterstützt und gemessen. Wenn sich die Verriegelung 118 in einem entriegelten Zustand befindet und wenn die Ungleichgewichtskraft merklich ist, befindet sich die Kraftstange 112 am wahrscheinlichsten am einen Ende oder am anderen ihres elastischen Bereichs; und die Ungleichgewichtskraft wird von der Kraftstange 112 auf die Aktorspindel 514 durch die Verriegelung 118, die am Elastizitätsgebungsanschlag (122 oder 124) anliegt, übertragen. Wenn sich die Verriegelung 118 in einem verriegelten Zustand befindet, wird jedoch die Ungleichgewichtskraft direkt von der Kraftstange 112 auf die Verriegelung 118 und von dort auf die Aktorspindel 514 übertragen.
Es gibt mehrere mögliche Weisen, um den gewünschten Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen. Vor irgendwelchen Steuerhandlungen sollte jedoch achtgegeben werden, um sicherzustellen, dass der Körper 100 und andere Manipulatorvorrichtungen nicht an irgendwelchen Fremdobjekten oder -strukturen ruhen, die die anstehenden Ausgleichs- und Elastizitätsgebungsbereichs-Positionierungsvorgänge stören würden. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, zuerst den Körper 100 in irgendeine gewünschte Position zu bewegen. In einem solchen Fall wird die Verriegelung 118 zuerst aktiviert, wenn sie nicht bereits aktiviert ist, und der lineare Aktor 508 wird dann verwendet, um die gewünschte Bewegung zu erzeugen. Die Bewegung von anderen Manipulatorachsen, falls vorhanden, könnte auch erforderlich sein. Die Bewegung könnte durch ein manuelles Mittel erreicht werden, das die Verwendung von Druckknopfbefehlen für die Steuerein heit umfassen kann, um den linearen Aktor 508 zu betätigen. Alternativ könnte die Steuereinheit mit geeigneten Algorithmen ausgestattet sein, um ihr zu ermöglichen, den linearen Aktor 508 in Kombination mit einer Positionsrückkopplung in einer automatischen Positionierungssequenz zu verwenden. Wenn sich der Körper 100 in einer gewünschten Position befindet, gibt es mehrere Möglichkeiten zum Erreichen eines Elastizitätsgebungs-Bereitzustandes. Die Konstruktion und Wahl eines speziellen Verfahrens hängt von den Besonderheiten der vorliegenden Anwendung ab. Nachstehend werden zwei ausgewählte Methoden mit Kommentaren beschrieben, die die potentielle Anwendung von jeder angeben. In beiden Fällen wird angenommen, dass sich die Verriegelung 118 nicht in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet.
Methode 1:
Diese Methode erfordert, dass das System so ausgelegt ist, dass der Ausgleich immer zu einem vollständig ausgeglichenen Zustand führt, wie durch den Ablaufplan in 15(b) dargestellt. Sie umfasst die folgende Sequenz von Schritten:

1. Die Verriegelung 118 wird verriegelt, wenn sie nicht bereits verriegelt ist, wie in Schritt 1510 dargestellt.
2. Der Körper 100 wird gemäß der vorangehenden Prozedur ins Gleichgewicht gebracht, wie in Schritt 1511 dargestellt.
3. Die Verriegelung 118 wird entriegelt, wie in Schritt 1512 dargestellt.
4. Der lineare Aktor 508 wird verwendet, um die Verriegelung 118 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition zu positionieren, wie in Schritt 1513 dargestellt.
5. Die Verriegelung 118 wird wieder verriegelt, wie in Schritt 154 dargestellt.
6. Der Körper 100 wird wieder ins Gleichgewicht gebracht, um irgendwelchen Änderungen im Ungleichgewicht gerecht zu werden, die sich aus Schritt 1513 ergeben haben, wie in Schritt 1515 dargestellt.
7. Der Körper 100 ist nun vollständig im Gleichgewicht und in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand, wobei die Verriegelung 118 verriegelt ist, wie in Schritt 1516 dargestellt.

Es ist zu beobachten, dass der Schritt 1513 erfordert, dass zwei Bedingungen erfüllt sind, damit er erfolgreich ist. Erstens ist es erforderlich, dass der in Schritt 1513 erreichte Ausgleich ein vollständig ausgeglichener Zustand ist, so dass der Körper 100 stationär bleibt, wenn die Verriegelung 118 gelöst wird. Zweitens ist es erforderlich, dass die Reibung zwischen der Verriegelung 118 und der Kraftstange 112 geringer ist als die statische Reibung des Rests des Systems, einschließlich der Losreißkraft des Kolbens 130 im Pneumatikzylinder 128.
Methode 2:
Diese Methode erfordert nicht, dass das System so ausgelegt ist, dass der Ausgleich immer zu einem vollständig ausgeglichenen Zustand führt, wie durch den Ablaufplan in 15(c) dargestellt. Sie funktioniert, wenn der Ausgleich entweder vollständig ausgeglichen oder fast ausgeglichen ist. Sie umfasst die folgende Sequenz von Schritten:

• Die Verriegelung 118 wird entriegelt, wie in Schritt 1520 dargestellt.
• Auf der Basis der vom Positionssensor 612 stammenden Rückkopplung betätigt die Steuereinheit die Ventile 604a und 604b, um den Luftdruck im Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128 zu manipulieren, um eine Bewegung des Kolbens 130 in der Richtung zu bewirken, die gewünscht ist, um die Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 zu bewegen, wie in Schritt 1521 dargestellt. Dies führt zu einer Bewegung der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 in der gewünschten Richtung.
• Die Bewegung in Schritt 1521 wird angehalten, wenn eine Elastizitätsgebungs-Ruheposition erreicht ist, wie in Schritt 1522 dargestellt. Die Verriegelung 118 kann als Bremse verwendet werden, um die Bewegung anzuhalten.
• Die Verriegelung 118 wird verriegelt, wie in Schritt 1523 dargestellt.
• Der Körper 100 wird gemäß der vorangehenden Prozedur ins Gleichgewicht gebracht, wie in Schritt 1524 dargestellt.
• Der Körper befindet sich nun in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand, ist jedoch nicht notwendigerweise vollständig im Gleichgewicht, wie in Schritt 1525 dargestellt.

Es ist in Schritten 1521 und 1522 zu beachten, dass der Kolben 130 die Kraftmaschine ist. Angesichts der statischen Reibung des Systems, einschließlich insbesondere der Losreißkraft des Kolbens 130, könnte ein Steueralgorithmus zum Positionieren der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 schwierig zu verwirklichen sein. (Es ist zu beachten, dass in der Methode 1 der lineare Aktor 508 die gesteuerte Kraftmaschine ist, und er würde typischerweise eine große Kraft bereitstellen, um die Systemhaftreibung zu überwinden.) Dies gilt insbesondere, wenn versucht wird zu bewirken, dass der Körper 100 in der gewünschten Position zum Stoppen kommt, bevor die Verriegelung 118 angewendet wird. Eine geeignete Verriegelung 118 kann jedoch auch als Bremse verwendet werden und die Bewegung kann zum Stoppen gebracht werden, indem die Verriegelung 118 angewendet wird, wenn sich der Körper 100 in die gewünschte Elastizitätsgebungs-Ruheposition bewegt.
In einem Testkopf-Manipulatorsystem ist eine von zwei möglichen Handlungen nach dem Erreichen einer Elastizitätsgebungs-Bereitposition wahrscheinlich. Die erste Möglichkeit besteht darin, dass der Testkopf 100 zum Koppeln bereit ist. In diesem Fall kann er geringfügig bewegt werden, so dass die Kopplungsaktoren und die Kopplungsführungsmechanismen (in den 6(a) und 8(a) nicht gezeigt)) anfänglich in Eingriff gelangen. Die Kopplungsvorrichtung ist typischerweise so ausgelegt, dass in einer solchen Position die empfindlichen elektrischen Kontakte noch nicht in Eingriff gebracht werden und nicht Gefahr laufen, beschädigt zu werden. Diese kleine Menge an Bewegung ist typischerweise unzureichend, um die Elastizitätsgebungs-Bereitposition zu stören. Wenn die Verriegelung 118 verriegelt ist, kann sie nun gelöst werden. Wenn keine geringe restliche Ungleichgewichtskraft besteht, die ausreicht, um eine Bewegung zu verursachen, führt die Bewegung nur dazu, dass ein Kontakt zwischen entsprechenden Führungskomponenten der Kopplungsvorrichtung hergestellt wird. Der Körper 100 kann sich nun elastisch bewegen und die Kopplungsaktoren können nun in Eingriff gebracht werden, um den Testkopf 100 in eine vollständig gekoppelte Position zu ziehen.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass der Testkopf 100 mit der Manipulatorvorrichtung (in 6(a) und 8(a) nicht gezeigt) von der vorliegenden Stelle zu einer neuen Stelle bewegt wird. In diesem Fall würde die Verriegelung 118 vorzugsweise verriegelt werden, um die Elastizitätsgebungs-Ruheposition aufrechtzuerhalten, und der lineare Aktor 508 kann verwendet werden, wie gewünscht, um den Körper 100 in die gewünschte zweite Position zu bewegen. Es wird angemerkt, dass, wenn der Körper 100 so bewegt wird, die auf diesen wirkenden Ungleichgewichtskräfte sich wahrscheinlich ändern. Wenn der Körper 100 in der zweiten Position ankommt, sollte er folglich wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Sobald er im Gleichgewicht ist, befindet sich der Körper 100 in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand, da er in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition verriegelt geblieben ist. Falls erwünscht, kann die Verriegelung 118 dann gelöst werden und der Körper 100 kann elastisch um die Schwenkachse 102 bewegt werden.
Idealerweise müsste der Prozess zum Erreichen eines Elastizitätsgebungs-Bereitzustandes nur einmal durchgeführt werden und nicht wiederholt werden, bis irgendeine Änderung am System vorgenommen wurde, einschließlich beispielsweise der Position des Körpers 100 in Bezug auf den Körper 600. Das Pneumatikzylindersystem unterliegt jedoch dem Austritt von Luft und einem entsprechenden Druckverlust und die Prozeduren, die erforderlich sind, um einen Gleichgewichts- oder Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen, sollten nach Bedarf periodisch wiederholt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform hält das System ausreichend Luft für ungefähr zehn Minuten und aufwärts, bevor die erforderliche Prozedur eine Wiederholung benötigt. In einem typischen Betrieb könnte der Zyklus automatisch alle paar (beispielsweise 5 bis 8) Minuten wiederholt werden. Eine weitere Erwägung, die aus dem Austritt von Luft und Verlust der Luftdruckdifferenz entsteht, besteht darin, dass die Ausgleichskraft verloren geht, wenn der Testkopf für eine lange Zeit gekoppelt wird. Dies würde beispielsweise passieren, wenn Tests für viele aufeinander folgende Minuten oder Stunden durchgeführt werden. Während er gekoppelt ist, wird der Testkopf durch den Kopplungsmechanismus sicher gehalten und die Ausgleichskraft kann durch die vorangehenden Verfahren nicht wieder hergestellt werden. Für das Entkoppeln muss folglich die Verriegelung 118 zuerst verriegelt werden, so dass der Körper 100 in Bezug auf die Aktorspindel 514 starr gehalten wird. Dann sollte eine Entkopplungsbewegung, die durch den Kopplungsbetätigungsmechanismus angetrieben wird, derart sein, dass eine relative Bewegung zwischen den Körpern 600 und 100 nicht erforderlich ist. Als Alternative könnte das System mit wahlweisen Drucksensoren (606a, 606b) ausgestattet sein und die Drücke des Zylinders 128 könnten aufgezeichnet werden, gerade wenn das Koppeln beginnt. Vor dem Entkoppeln könnten dann die Drücke des Zylinders 128 wiederhergestellt werden, was die geeignete Ausgleichskraft wiederherstellen würde. Dies würde ermöglichen, dass die Verriege lung 118 entriegelt wird und der Körper 100 sich während des Entkoppelns elastisch bewegt.
Bis zu diesem Punkt hat die Erörterung angenommen, dass die Schwenkachse 102 in einer horizontalen Ebne angeordnet war und dies reichte aus, um die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Es ist jedoch möglich, dass andere Orientierungen der Schwenkachse 102 möglich sind. Eine spezielle interessierende Konfiguration wäre der Fall einer vertikalen Schwenkachse, wobei der Körper 100 eine Unterstützungsstruktur für eine Manipulatorsäule darstellen würde, die wiederum den Testkopf unterstützt. In diesem Fall entspricht die Schwenkachse 102 der Schwenkachse des Manipulators. Eine Ungleichgewichtskraft kann in einer solchen Achse aufgrund von Kräften vorliegen, die durch die Biegung des Testkopfkabels erzeugt werden. Im Vergleich zur vorher beschriebenen Ungleichgewichtskraft aufgrund der Schwerkraft, die in diesem Fall nicht vorliegt, variiert das Ungleichgewicht aufgrund des Kabels in einer im Allgemeinen unvorhersagbaren Weise. Trotzdem ist es klar, dass der Mechanismus von entweder 6(a) oder 8(a) verwendet werden könnte, um effektiv eine angetriebene Schwenkachse mit Elastizität und Ausgleich der Kabelkraft zu schaffen. 6(b) zeigt beispielsweise eine BCAA des in 6(a) gezeigten Typs, die auf eine Achse 102 angewendet ist, wobei die Drehachse vertikal ist, d. h. die Schwenkachse. Es wird auch beobachtet, dass, wenn die Kabelkraft klein und vernachlässigbar ist, dann eine vereinfachte Form des Mechanismus ohne den Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder 128, wie in 6(a) gezeigt, und eine zugehörige Vorrichtung effektiv verwendet werden könnte. Folglich zeigt 7 eine Anwendung auf eine Schwenkachse 102, die keine Gegenkraft erfordert. 7 unterscheidet sich von 6(a) darin, dass der Kraftsensor 120 und die Gegenkraftvorrichtung des Pneumatikzylinders 128 entfernt sind. 7 ist ähnlich zum Elastizitätsgebungsmechanismus von 5(a), mit der Ausnahme, dass in 7 die Aktorwelle 514 vielmehr direkt mit der Verriegelung 118 als mit einer Stange wie z. B. der Stange 520 gekoppelt ist.
Wie beschrieben, sind die BCAAs von 6(a) und 8(a) ziemlich ähnlich. Die Wahl, welche der zwei Konfigurationen zu verwenden ist, basiert typischerweise auf den Einzelheiten der physikalischen Anordnung der Anwendung. 8(a) wäre beispielsweise geeignet, wenn der erforderliche Bewegungsbereich in der Achse 102 und folglich der lineare Aktor 508 viel größer ist als der erforderliche Bereich der elastischen Bewegung. Dies liegt daran, dass in 8(a) der Hub des Kolbens 130 innerhalb des Zylinders 128 nur genug sein muss, um der elasti schen Bewegung gerecht zu werden; wohingegen der Hub des Kolbens 130 in 6(a) dem gesamten Bewegungsbereich in der Achse 102 gerecht werden muss. Folglich könnte eine kleinere und kostengünstigere Baugruppe von Pneumatikzylinder 128 und Kolben 130 in 8(a) verwendet werden. Ein Beispiel, in dem 6(a) bevorzugt wäre, wäre eine Situation mit Raumbegrenzungen, die die Anordnung aller Komponenten der BCAA eng zusammen ausschließen würde. Insbesondere kann in 6(a) die Unterbaugruppe des Pneumatikzylinders 128 und Kolbens 130 von der Unterbaugruppe, die den Aktor 508, die Verriegelung 118, die Kraftstange 112 und die zugehörigen Komponenten und Sensoren umfasst, entfernt angeordnet sein.
9(a) zeigt ein Beispiel einer typischen Anwendung von zwei der Mechanismen der ausgeglichenen elastischen Aktorbaugruppe (BCAA) von 8(a), die in einer typischen Manipulatorsystemanwendung verwendet werden. In 9(a) wirkt ein Mechanismus auf die Gierungsachse 934 eines Testkopfs 100 und der zweite Mechanismus wirkt auf die Neigungsachse 936 desselben Testkopfs 100. Ein einzelnes Steuersystem, das aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt ist, ist vorgesehen, um die erforderliche Steuerung über die zwei BCAAs sowie das gesamte Manipulatorsystem zu bewirken.
Der Testkopf 100 ist in 9(a) mit der Testschnittstelle an der oberen Oberfläche 901 gezeigt. Die DUT-Platine 900 stellt Schnittstellenschaltungen und Verbindungsvorrichtungen bereit, die erforderlich sind, um die getestete Vorrichtung korrekt mit der Testkopf-Anschlussstiftelektronik (nicht dargestellt), die sich innerhalb des Testkopfs 100 befindet, zu koppeln.
In einem Ausschnitt ist auch ein Abschnitt der Kopplungsbaugruppe 916, einschließlich drei von vier Kopplungsnocken 910, drei von vier Führungsstiften 912, eines Kabels 915, einer Kabelantriebsvorrichtung 917 und eines Kopplungsgriffs 914, gezeigt. Im Überblick wird zum Koppeln des Testkopfs 100 mit einer Testvorrichtung wie z. B. einer Vorrichtungshandhabungseinrichtung (nicht dargestellt), einer Waferprüfsonde oder dergleichen der Testkopf 100 zuerst so manipuliert, dass die Führungsstifte 912 teilweise in Gegenführungslöcher (nicht dargestellt) an einer Gegenkopplungsbaugruppe (nicht dargestellt), die an der Testvorrichtung befestigt ist, eingesetzt werden. An diesem Punkt kommen die Kopplungsnocken 910 mit Gegennockenfolgern (nicht dargestellt) an der Gegenkopplungsbaugruppe (nicht dargestellt) in Eingriff. Eine externe Kraft kann nun ausgeübt werden, um den Kopplungsgriff 914 zu drehen, um die Kabelantriebsvorrichtung 917 zu drehen. Wenn sich die Kabelantriebsvorrichtung 917 dreht, wird ihre Bewegung übertragen, um die Kopplungsnocken 910 durch das Kabel 915 synchron zu drehen, und dies zieht den Testkopf 100 in seine endgültige gekoppelte Position. Während der Kopplungsgriff 914, die Kabelantriebsvorrichtung 917 und die Kopplungsnocken 910 den Testkopf 100 in die Position ziehen, kann sich der Testkopf 100 wünschenswerterweise elastisch in vorzugsweise allen sechs Freiheitsgraden bewegen. Diese Kopplungsvorrichtung ist in 12(a) bis 12(d) genauer gezeigt, die später erörtert werden. Diese Kopplungsvorrichtung ist auch eine erweiterte Verwirklichung der Kopplungsvorrichtung, die im US-Patent Nr. 4 489 815 von Smith beschrieben ist, das durch den Hinweis hierin aufgenommen wird, und die zwei Führungsstifte 912 und Nocken 910 verwendet. Noch weitere Kopplungsvorrichtungen dieses Typs verwenden drei Führungsstifte 912 und Nocken 910. Weitere Informationen sind im TEST-Handbuch zu finden.
Der Testkopf 100 ist an einem typischen Kabelschwenkring 924 eines Testkopf-Manipulators (nicht dargestellt) montiert, wie beispielsweise im US-Patent Nrn. 5 030 869 und 5 450 766 von Holt und im TEST-Handbuch beschrieben. 9(a) zeigt eine Testkopfhalterung 926, die am Kabelschwenkring 924 angebracht ist, und ein erstes Ende eines Testkopf-Unterstützungsbalkens 922 ist an der Testkopfhalterung 926 angebracht. Die Achse des Testkopf-Unterstützungsbalkens 922 ist zur Ebene des Kabelschwenkrings 924 senkrecht und eine Verlängerung der Achse verläuft durch die Mitte des Kabelschwenkrings 924. Der Testkopf-Unterstützungsbalken 922 erstreckt sich durch ein Loch 920 in der Rückseite des Testkopfs 100 und ist starr am äußeren Ring 904 einer kreisförmigen Lageranordnung 905 befestigt. Ein innerer Ring 902 ist innerhalb angeordnet und ist durch den äußeren Ring 904 der kreisförmigen Lageranordnung 905 unterstützt. Der innere und der äußere Ring 902 bzw. 904 sind kreisförmig, koplanar und konzentrisch. Die Gierungsachse 934 ist zur Ebene der zwei Ringe 902 und 904 senkrecht und verläuft durch ihr gemeinsames Zentrum. Der innere Ring 902 dreht sich innerhalb des äußeren Rings 904 um die Gierungsachse 934. Zwei Befestigungswellen 906 verlaufen durch Schlitze im äußeren Ring 904 und koppeln den inneren Ring 902 mit Lagerblöcken 908, die an den zwei Seiten des Testkopfs 100 befestigt sind, die in vertikalen Ebenen gezeigt sind, die zum Testkopf-Unterstützungsbalken 922 parallel sind. Die Lagerblöcke 908 ermöglichen, dass der Testkopf 100 um die Neigungsachse 936 schwenkt, die durch die Befestigungswellen 906 definiert ist.
Sechs Nockenfolger (nicht dargestellt) werden als Unterstützungsvorrichtungen verwendet, um die durch den inneren Ring 902 am äußeren Ring 904 auferlegte Last zu tragen, während eine reibungsarme Gierungsbewegung ermöglicht wird. Drei der Nockenfolger (nicht dargestellt) sind in Intervallen von 120 Grad um den inneren Umfang des äußeren Rings 904 angeordnet, um die radiale Last zu tragen, die in einer zur Gierungsachse 934 senkrechten Richtung liegt. Die anderen drei Nockenfolger (nicht dargestellt) sind auch an der Innenseite des äußeren Rings 904 gleich beabstandet zwischen den ersten drei in einer Weise angeordnet, um eine axiale Last zu unterstützen, die zur Gierungsachse 934 parallel ist.
Zusammengefasst unterstützt der Kabelschwenkring 924 die Testkopfhalterung 926. Die Testkopfhalterung 926 unterstützt den Testkopf-Unterstützungsbalken 922, der die Wälzachse definiert. Der Testkopf-Unterstützungsbalken 922 unterstützt den äußeren Ring 904, der wiederum einen inneren Ring 902 unterstützt. Der innere Ring 902 stellt eine Gierungsachse 934 bereit und unterstützt Befestigungswellen 906. Die Befestigungswellen 906 unterstützen den Testkopf 100 und sehen eine Neigungsachse 936 vor. Diese Anordnung ermöglicht, dass sich der Testkopf 100 ± 5 Grad um eine Neigungsachse 936 (als horizontal gezeigt) und ± 5 Grad um eine Gierungsachse 934 (als vertikal gezeigt) dreht, wobei die Gierungs- und die Neigungsachse zueinander senkrecht und zum Testkopf-Unterstützungsbalken 922 senkrecht sind. Der Bereich der Neigungs- und Gierungsbewegen ist durch physikalische Einschränkungen und mechanische Anschläge, die in das System eingebaut sind, jeweils auf ± 5 Grad eingeschränkt, welche aus Einfachheitsgründen in 9(a) nicht gezeigt sind. Außerdem können Positionssensoren (nicht dargestellt) in bekannten Weisen enthalten sein, um die relative Position des Testkopfs 100 in Bezug auf die Neigungsachse 936 und Gierungsachse 934 anzugeben und diese Informationen zum Steuersystem zu liefern.
Der Kabelschwenkring 924 stellt typischerweise ± 95 Grad Wälzdrehung des Testkopfs 100 um die durch den Unterstützungsbalken 922 definierte Achse bereit. In 9(a), in der die Testschnittstellenoberfläche nach oben gewandt ist, ist der Testkopf 100 in einer Position von ungefähr +90 Grad gezeigt. Die Elemente des Testkopfkabels verlaufen durch den Kabelschwenkring 924 und Öffnungen 928 in der Testkopfhalterung 926 sind entlang des Testkopf-Unterstützungsbalkens 922 angeordnet und treten in den Testkopf 100 durch die Unterstüt zungswellenöffnung 920 ein. Ein Steg 918, der am Unterstützungsbalken 922 befestigt ist, stellt eine Unterstützung und Spannungsentlastung für die Kabelelemente bereit, bevor sie zu den verschiedenen elektronischen Elementen (nicht dargestellt) innerhalb des Testkopfs 100 ausfächern.
Es ist vorteilhaft, wenn eine ausgeglichene elastische Bewegung ohne die Notwendigkeit, dass alle Drehachsen durch den Schwerpunkt verlaufen, bereitgestellt werden kann. In 9(a) werden die zwei ausgeglichenen elastischen Aktorbaugruppen 930 und 932, die vom gleichen Typ wie in 8(a) und vorher beschrieben sind, verwendet, um die Anforderung zu beseitigen, dass die Neigungsachse 936 und Gierungsachse 934 durch den Schwerpunkt für eine ausgeglichene elastische Bewegung verlaufen.
Die zwei BCAAs 930 und 932 sind so angeordnet, dass ihre Kraftstangen 112 und Verbindungsstangen 114 zur Wälzachse im Allgemeinen parallel sind, wie durch den Testkopf-Unterstützungsbalken 922 definiert. Die Gierungs-BCAA 930 ist derart orientiert, dass eine Kraft, die entlang entweder der Kraftstange 112 oder der Verbindungsstange 114 wirkt, ein von Null verschiedenes Moment um die Gierungsachse 934 erzeugen würde. Ebenso ist die Neigungs-BCAA 932 so orientiert, dass eine Kraft, die entlang entweder der Kraftstange 112 oder der Verbindungsstange 114 wirkt, ein von Null verschiedenes Moment um die Neigungsachse 936 erzeugen würde. Die stationären Elemente 506 der linearen Aktoren 508 der zwei BCAAs 930 und 932 sind geeignet an der Testkopfhalterung 926 mit Lagern 620 befestigt.
Es ist wichtig, dass die zwei BCAAs 930 und 932 mit einem Minimum an Zusammenarbeit miteinander arbeiten können. Folglich ist es bevorzugt, die Gierungs-BCAA 930 derart anzuordnen, dass ihre Kraftstange 112 und Verbindungsstange 114 entlang Linien wirken, die die Neigungsachse 936 ungefähr schneiden. Ebenso ist es auch bevorzugt, die Neigungs-BCAA 932 derart anzuordnen, dass ihre Kraftstange 112 und Verbindungsstange 114 entlang Linien wirken, die die Gierungsachse 934 ungefähr schneiden. Wie in 9(a) gezeigt, sind jedoch beide Kraftstangen 112 und beide Verbindungsstangen 114 einzeln am Testkopf 100 jeweils mit einem Lager 116a bzw. 116b befestigt. Folglich ist es nicht möglich, dass sowohl die verlängerte Achse der Kraftstange 112 als auch die verlängerte Achse der Verbindungsstange 114 der Gierungs-BCAA 930 die Neigungsachse 936 schneiden. In der Praxis sind die zwei Stangen 112 und 114 typischer weise nahe beieinander und derart angeordnet, dass eine Linie, die zu den zwei Stangen 112 und 114 parallel ist und ungefähr auf halbem Wege zwischen diesen liegt, die Neigungsachse 936 schneidet. Ebenso ist es nicht möglich, dass sowohl die verlängerte Achse der Kraftstange 112 als auch die verlängerte Achse der Verbindungsstange 114 der Neigungs-BCAA 932 die Gierungsachse 934 schneiden. In der Praxis sind die zwei Stangen 112 und 114 typischerweise nahe beieinander und derart angeordnet, dass eine Linie, die zu den zwei Stangen 112 und 114 parallel ist und ungefähr auf halbem Wege zwischen diesen liegt, die Neigungsachse 936 schneidet. In einer alternativen Konstruktion einer BCAA, die vorher mit Bezug auf 8(a) und 8(b) erläutert wurde, können die Enden des Testkopfs 100 der Kraftstange 112 und der Verbindungsstange 114 mit einem geeigneten Träger 800 miteinander verbunden werden. Ferner können die Träger 116a und 116b, die mit dem Testkopf 100 gekoppelt sind, verbunden werden, wie vorher mit Bezug auf 8(b) erläutert, so dass nur das Lager 116b mit dem Testkopf 100 verbunden werden muss. In diesem Fall kann sich das Lager 116b auf einer Linie befinden, die die fragliche Achse schneidet und die sowohl zur Kraftstange 112 als auch zur Verbindungsstange 114 parallel ist. 9(b) zeigt ein System, das mit einem solchen einzelnen Lager 116b konfiguriert ist. 9(b) ist ansonsten zu 9(a) identisch.
Der Betrieb des in 9(a) und 9(b) gezeigten Systems kann nun beschrieben werden. In einer allgemeinen Situation kann angenommen werden, dass sich der Testkopf 100 anfänglich in einem Ungleichgewichtszustand und in einer willkürlichen Position befindet, wobei die Verriegelungen 118 der zwei BCAAs 930 und 932 entriegelt sind. In einem Szenario des schlimmsten Falls ruht der Testkopf 100 an physikalischen Einschränkungen und mechanischen Anschlägen, die in das System eingebaut sind. Das heißt, dass eine signifikante Ungleichgewichtskraft besteht, die den Testkopf 100 in einer Position hält, die an seinen Bewegungsgrenzen in der Neigungsachse 936 und Gierungsachse 934 liegt, und dass die Ungleichgewichtskraft nicht vollständig durch irgendeine der Komponenten der zwei BCAAs 930 und 932 unterstützt wird. Ein erstes Ziel besteht darin, den Testkopf 100 in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand (d. h. in einem Gleichgewichtszustand und in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition) in Bezug auf sowohl die Gierungsachse 934 als auch die Neigungsachse 936 anzuordnen. Die Verriegelung 118 von jeder der zwei BCAAs 930 und 932 wird verriegelt. Die Aktoren 508 werden dann verwendet, um den Testkopf 100 an einer gewünschten ersten Stelle zu positionieren, die von den physikalischen Einschränkungen und mechanischen Anschlägen, die in das System eingebaut sind, entfernt ist und in der die Ungleichgewichtskraft durch die Verriegelungen 118 und linearen Aktoren 508 von einer oder beiden der zwei BCAAs 930 und 932 vollständig unterstützt wird. Diese gewünschte Position sollte auch derart sein, dass der Testkopf 100 ausreichend über seinen elastischen Bereich bewegt werden kann, um zu ermöglichen, dass ein Elastizitätsgebungs-Bereitzustand ohne Störung von irgendeiner der physikalischen Einschränkungen und der mechanischen Anschläge, die in das System eingebaut sein können, erreicht wird.
Das Bewegen des Testkopfs 100 in eine gewünschte Position könnte durch manuelle Mittel erreicht werden, die die Verwendung von Druckknopfbefehlen für die Steuereinheit umfassen könnten, um die linearen Aktoren 508 zu betätigen. Alternativ könnte die Steuereinheit mit geeigneten Algorithmen ausgestattet sein, um ihr zu ermöglichen, die linearen Aktoren 508 in Kombination mit der Positionsrückkopplung in der automatischen Positionierungssequenz zu verwenden.
Wenn sich der Testkopf 100 nun in einer gewünschten Position befindet, kann nun ein Elastizitätsgebungs-Bereitzustand erreicht werden. In der gewünschten Position wird die Ungleichgewichtskraft zwischen den zwei BCAAs 930 und 932 aufgeteilt. Das heißt, die Ungleichgewichtskraft wird in zwei Komponenten aufgelöst, wobei eine Komponente entlang der Gierungs-BCAA-Kraftstange 112 wirkt und die zweite Komponente entlang der Neigungs-BCAA-Kraftstange 112 wirkt. Die Achsen können nacheinander betätigt werden, zuerst eine Achse und dann die andere. Da, wenn eine Achse zur Elastizitätsgebung bereit gemacht wird, dies die vorher in der anderen Achse erreichten Bedingungen stören kann, kann jede Achse wieder der Reihe nach wiederholt betätigt werden, bis beide zufrieden stellend gleichzeitig ausgeglichen und angeordnet sind. Unter Verwendung von bekannten Verfahren kann ein Steueralgorithmus implementiert werden, um die Sequenz der wiederholten Betätigung jeder Achse nach einander zu automatisieren, bis ein gesamter Elastizitätsgebungs-Bereitzustand erreicht ist. In der Praxis sind jedoch gewöhnlich zwei Versuche pro Achse ausreichend.
Die Auswahl, welche Achse zuerst zu betätigen ist, kann auf verschiedenen Kriterien basieren. In bestimmten Anwendungen kann es bevorzugt sein, immer zuerst eine bestimmte Achse anzugehen. In einer anderen Anwendung kann es bevorzugt sein, sie willkürlich auszuwählen. In noch anderen Anwendungen kann es bevorzugt sein, die erste zu betätigende Achse auf der Basis eines Vergleichs der auf die jeweiligen BCAAs wirkenden Kräfte auszuwählen. Es kann beispielsweise erwünscht sein, zuerst die BCAA mit der größten Komponente der Ungleichgewichtskraft, die auf sie wirkt, zu betätigen. Folglich können die Ausgaben der zwei Kraftsensoren 120 dann verglichen werden und die Achse mit der größten Komponente der Ungleichgewichtskraft wird als erste ausgewählt. Ebenso könnte die Achse mit der kleinsten Komponente der Ungleichgewichtskraft ausgewählt werden. In beiden Fällen könnte, wenn die zwei Komponenten der Ungleichgewichtskraft ungefähr gleich sind, dann die eine oder andere der Achsen willkürlich ausgewählt werden.
Die Achse, die als erste zur Betätigung ausgewählt wurde, wird nun als erste Achse bezeichnet, und die andere Achse wird als zweite Achse bezeichnet. Die erste Achse wird nun in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht, indem einer geeigneten Prozedur gefolgt wird, wie z. B. entweder der vorher beschriebenen Methode 1 (15(b)) oder Methode 2 (15(c)). Während dessen bleibt die Verriegelung 118 der BCAA (930 oder 932) der zweiten Achse verriegelt. Wenn die erste Achse einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand erreicht hat, wird die Verriegelung 118 ihrer BCAA (930 oder 932) verriegelt; und die zweite Achse kann dann auch in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht werden. Beim Bringen der zweiten Achse in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand kann das in der ersten Achse hergestellte Gleichgewicht geringfügig gestört werden. Folglich kann der Prozess des Bringens der ersten Achse in die Elastizitätsgebungsbereitschaft wiederholt werden. Ebenso kann der Prozess des Bringens der zweiten Achse in die Elastizitätsgebungsbereitschaft auch wiederholt werden. Es ist typisch, dass zwei Iterationen gewöhnlich ausreichen, um einen angemessenen Grad an Elastizitätsgebungsbereitschaft in beiden Achsen gleichzeitig zu erreichen.
Wir können nun den gesamten Betrieb eines Testkopf-Manipulators betrachten, der zwei BCAAs 930 und 932 beinhaltet, wie in 9(a) gezeigt. Beginnend mit dem Testkopf 100 in einer willkürlichen Position und nicht mit irgendeiner Testvorrichtung gekoppelt würden die Achsen mit den BCAAs 934 und 936 zuerst in einen Zustand von gleichzeitiger Elastizitätsgebungsbereitschaft gebracht werden, wobei die Verriegelungen 118 verriegelt sind. Der Testkopf 100 könnte dann unter Verwendung der linearen BCAA-Aktoren 508, wie geeignet, in eine zum Koppeln bereite Position manipuliert werden. Das heißt, in eine Position, die nahe der Testvorrichtung liegt, mit der der Testkopf 100 gekoppelt werden soll, und so dass die entsprechenden Komponenten der Kopplungsvorrichtung nahe dem Eingriffspunkt liegen. In dem Kopplungsmechanismus in 9(a) wäre dies ein Punkt, an dem die Führungsstifte 912 in unmittelbarer Nähe zu den Gegenführungslöchern (nicht dargestellt) liegen, aber nicht in diese eingefügt sind. Da angenommen wird, dass der Testkopf 100 sich nun in einer neuen Orientierung befindet, soll weiter angenommen werden, dass er nicht mehr im Gleichgewicht und zur Elastizitätsgebung bereit ist. Folglich werden die Achsen mit BCAAs (934 und 936) wieder in einen Zustand gleichzeitiger Elastizitätsgebungsbereitschaft gebracht. Nun werden die BCAA-Verriegelungen 118 entriegelt, der Testkopf 100 wird so manövriert, dass der Kopplungsbetätigungsmechanismus in Eingriff gelangt. In dem Testkopf 100 von 9(a) geschieht dies, wenn die Führungsstifte 912 in die Führungslöcher (nicht dargestellt) eingefügt wurden und der Nockenfolger an der Gegenkopplungsbaugruppe (nicht dargestellt) in den Kopplungsnocken 910 ausreichend eingefügt wurde, um zu ermöglichen, dass der Kopplungsgriff 914 funktioniert. Der Kopplungsbetätigungsmechanismus wird nun aktiviert und der Testkopf 100 wird in eine vollständig gekoppelte Position gezogen. In 9(a) wird dies durch Drehen des Kopplungsgriffs 914 durchgeführt. Andere Kopplungsbetätigungsmechanismen sind bekannt und könnten gleich gut verwendet werden, einschließlich elektrisch, pneumatisch und durch Vakuum betätigter Typen. Während der Kopplung kann der Testkopf 100 frei elastisch bewegt werden, wie erforderlich. Der Testkopf 100 kann für einen langen Zeitraum gekoppelt bleiben und die Luftdruckdifferenz im Pneumatikzylinder 128 kann aufgrund eines Austritts verloren gehen. Zum Entkoppeln werden folglich die Verriegelungen 118 verriegelt gehalten und der Testkopf 100 wird entlang eines geraden Weges, der zur Testschnittstellenoberfläche (nicht dargestellt) senkrecht ist, zurückgezogen, so dass eine vollständige elastische Bewegung nicht erforderlich ist. Alternativ könnte das System mit Drucksensoren (606a, 606b) ausgestattet sein, die ermöglichen, dass der Druck auf jeder Seite des Kolbens 130 durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) aufgezeichnet wird, wenn der Elastizitätsgebungs-Bereitzustand direkt vor dem Koppeln erreicht wurde. Die Steuereinheit könnte dann diese Informationen verwenden, um den Elastizitätsgebungs-Bereitzustand vor dem Entkoppeln wieder herzustellen, und das Entkoppeln könnte mit einer elastischen Bewegung durchgeführt werden. Sobald der Testkopf 100 abgekoppelt wurde, können die BCAA-gesteuerten Achsen 934 und 936 wieder in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht werden, falls erwünscht.
10a, 10b, 10c, 10d, 10e und 10f stellen zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung für eine vertikale Achse dar.
10d und 10e sind ähnlich. Beide weisen eine feste vertikale Säule 1000 auf und eine durch einen Aktor angetriebene vertikale Achse ist durch die Säule 1000 definiert. In 10d wird eine BCAA des in 8a gezeigten Typs verwendet, um einen Ausgleich und Elastizitätsgebung zu schaffen; wohingegen ein BCAA des in 6a gezeigten Typs für diesen Zweck in 10e verwendet wird. Die folgende Erörterung betrifft beide Fig. im Allgemeinen. Auf spezielle Unterschiede auf der Basis des Typs von BCAA wird bei Bedarf hingewiesen.
Mit Bezug auf 10d und 10e im Allgemeinen ist der Hauptarm 1030 gleitend an einer Säule 1000 in der üblichen Weise unter Verwendung von entweder Schienen 1058 und linearen Führungslagern (nicht dargestellt) oder einer kreisförmigen Welle (nicht dargestellt) und Lagern (nicht dargestellt) angebracht. Der Testkopf (nicht dargestellt) ist mit dem Hauptarm 1030 über eine beliebige Anzahl von gut bekannten Mitteln (auch nicht dargestellt) gekoppelt. Folglich unterstützt der Hauptarm 1030 die Last. Die vertikale Bewegung des Hauptarms 1030 wird durch den oberen Anschlag 1032 begrenzt.
Das stationäre Element 506a eines linearen Aktors 508a mit dem Aktormotor 510a ist an der Basisplatte 1003 befestigt. Dieser Aktor 508a wird als linearer Hauptaktor 508a bezeichnet. Das angetriebene Element 514a des linearen Hauptaktors 508a ist eine Spindel, typischerweise eine Kugelumlaufspindel oder eine Acmespindel mit geeigneter Gewindesteigung und Reibung, so dass sie nicht zurück antreibbar ist. Der lineare Hauptaktor 508a muss die gesamte Last sicher unterstützen können, ob er erregt ist oder nicht. Der lineare Hauptaktor 508a treibt den Hauptarm 1030 über seinen gesamten vertikalen Bereich an, so dass der Hub des Hauptaktors 508a gleich dem vertikalen Hub des Manipulators ist. In der Praxis sind geeignete Aktoren 508a mit Hüben von bis zu 30 Inch kommerziell erhältlich und Manipulatoren dieses Typs können entsprechend mit vertikalen Hüben von bis zu 30 Inch konstruiert sein. Für einen längeren vertikalen Hub kann eine Teleskopsäule der in 10a, 10b und 10c gezeigten Typen verwendet werden.
Ein Unterstützungsträger 1040 ist am distalen Ende der Hauptaktorspindel 514a befestigt. Eine BCAA des in entweder 6a (wie in 10e) oder 8a (wie in 10d) gezeigten Typs koppelt den Hauptarm 1030 mit dem Unterstützungsträger 1040. Die BCAA umfasst einen BCAA-Aktor 508b, um die Verriegelung 118 in Bezug auf die Kraftstange 112 genau zu positionieren. Der Betrieb des Hauptaktors 508a bewirkt eine vertikale Bewegung des Unterstützungsträgers 1040, die wiederum eine entsprechende vertikale Bewegung des Hauptarms 1030 und seiner Last bewirkt. Das Gewicht des Hauptarms 1030 und seiner Last wird auf den Unterstützungsträger 1040 und auf die Aktorspindel 514a durch den BCAA-Mechanismus übertragen.
Bei der normalen Verwendung wird der Hauptarm 1030 zuerst in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand angeordnet, wobei die Verriegelung 118 entriegelt ist. Das heißt, die Verriegelung 118 ist in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf die Kraftstange 112 angeordnet und der Luftdruck im Pneumatikzylinder 128 wird so eingestellt, dass die Verbindungsstange 114 und der Kolben 130 im Wesentlichen die gesamte Last tragen. In diesem Fall ist die vom Kraftsensor 120 gemessene Kraft ungefähr Null. Ferner befindet sich der Kolben 130 wünschenswerterweise in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf den Zylinder 128, so dass die Last sich über ihren gesamten elastischen Bereich bewegen kann, ohne dass der Kolben 130 zum Ende seines Hubs gelangt. Der lineare Hauptaktor 508a wird dann verwendet, um die Last vertikal zu positionieren.
Im Fall der vertikalen Achse ist die Richtung des Ungleichgewichts immer abwärts. Folglich ist ein Doppelwirkungs-Pneumatikzylinder (wie in den allgemeinen Fällen von 6a und 8a gezeigt ist) nicht erforderlich; ein Einfachwirkungs-Zylinder 128 mit einem einzelnen Lufteinlass 132 reicht aus. Folglich sind nur ein Ventil 604 mit drei Positionen, ein Akkumulator 608 und ein wahlweiser Drucksensor 606 gezeigt und über ein flexibles Rohr 1010 mit der Hochdruck-Luftversorgung 602 gekoppelt. Das flexible Rohr 1010 ermöglicht eine Bewegung des Pneumatikzylinders 128 und seiner zugehörigen Komponenten in Bezug auf die Luftversorgung 602, die typischerweise stationär ist. Der Durchmesser des Zylinders 128 und des Kolbens 130 sind wünschenswerterweise geeignet, um den Hauptarm 1030 und die an diesem befestigte Last zu unterstützten. Wenn beispielsweise das kombinierte Gewicht des Hauptarms 1030 und der befestigten Last 1000 Pfund ist und der maximale Luftdruck, der in den Zylinder 128 eingeführt werden kann, 100 Pfund pro Quadratinch ist, dann ist die Fläche des Zylinders 128 und Kolbens 130 wünschenswerterweise mindestens 10 Quadratinch und der entsprechende Durchmesser ist mindestens ungefähr 3,57 Inch. Der erforderliche Durchmesser des Zylinders 128 ist zur Quadratwurzel der Last proportional. Die Verdoppelung der Last erfordert folglich, dass der Durchmesser des Zylinders 128 mit der Quadratwurzel von Zwei zunimmt, oder alternativ kann der Luftdruck verdoppelt werden (beispielsweise mit einem Luftdruckverdoppler). Wenn die erforderliche Größe des Zylinders 130 für eine gegebene Last zu groß ist, dann können zwei oder mehr kleinere Zylinder 128 parallel angeordnet werden.
Es ist gewöhnlich erwünscht, ungefähr ± 1 Inch einer vertikalen elastischen Bewegung zu haben. Es ist gewöhnlich bevorzugt, dass der Hub des Kolbens 130 etwas größer ist als der elastische Bereich, wie durch die Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 festgelegt, so dass der Kolben 130 in dem Fall, in dem die Verriegelung 118 an einem Elastizitätsgebungsanschlag anliegt, nicht "den niedrigsten Punkt erreicht". Das System ist so ausgelegt, dass im Betrieb, wenn sich die Verriegelung 118 in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf den ausgefahrenen Elastizitätsgebungsanschlag 522 und den zurückgezogenen Elastizitätsgebungsanschlag 524 befindet, dann sich der Kolben 130 in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf den Zylinder 128 befindet. Die Last kann sich dann durch ihren ganzen elastischen Bereich bewegen, wie durch die Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 während des Koppelns definiert.
In 10(d) sind der Zylinder 128 und die Verriegelung 118 durch den Träger 1052 starr aneinander befestigt und das System kann zweckmäßigerweise so beschaffen sein, dass, sobald sich die Verriegelung 118 in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet, sich der Kolben 130 auch in einer solchen Position befindet. Die bevorzugte Elastizitätsgebungs-Ruheposition ist beispielsweise häufig eine zentrierte Position; und das System kann so beschaffen, sein, dass, wenn die Verriegelung 118 zwischen den Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524 angeordnet ist, der Kolben 130 in der Mitte seines Hubs liegt. Der einzelne Positionssensor 1046, der in 10(d) gezeigt ist, ist für die Positionierung sowohl der Verriegelung 118 als auch des Kolbens 130 in ihre jeweiligen Elastizitätsgebungs-Ruhepositionen geeignet.
In 10e ist die Verriegelung 118 nicht am Zylinder 128 befestigt und die Verriegelung 118 kann sich relativ zum Zylinder 128 bewegen und tut dies. Um das gewünschte Ziel der Positionierung sowohl der Verriegelung 118 als auch des Kolbens 130 in Elastizitätsgebungs-Ruhepositionen zu erreichen, sind Informationen zusätzlich zu den vom gezeigten Positionssensor 1046 gelieferten erforderlich. Positionsinformationen hinsichtlich entweder des Kolbens 130 oder des BCAA-Aktors 508b reichen aus. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das System so ausgelegt, dass, wenn der BCAA-Aktor 508b vollständig ausgefahren ist und sich die Verriegelung 118 in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet, dann der Kolben 130 auch in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition liegt. Das Erfassen eines vollständig ausgefahrenen Zustandes des BCAA-Aktors 508b wird in bekannten Weisen leicht erreicht, einschließlich der Verwendung von Grenzschaltern (in der Fig. nicht gezeigt), die in der erworbenen Baugruppe des BCAA-Aktors 508b enthalten sind, oder durch Betätigen des BCAA-Aktors 508b für eine Menge an Zeit, die ausreicht, damit er sein Bewegungsende erreicht und stehen bleibt. Im letzteren Fall wird die Verwendung einer strombegrenzten Spannungsversorgung für den BCAA-Aktormotor 510b empfohlen, um die Möglichkeiten für Überhitzung zu minimieren. Eine alternative Methode wäre die Erfassung der Position des Kolbens 130 in Bezug auf seinen Zylinder 128. Häufig werden Pneumatikzylinder-Baugruppen durch ihre Hersteller mit Grenzschaltern (in der Fig. nicht gezeigt) ausgestattet, die diese Erfassung ermöglichen.
In bestimmten Anwendungen kann es erwünscht sein, dass der BCAA-Aktor 508b die Verriegelung 118 über den ganzen elastischen Bereich positionieren kann, der durch die Elastizitätsgebungsanschläge 522 und 524 definiert ist, wenn sich der Kolben 130 an irgendeinem Punkt in seinem Bewegungsbereich befindet. In dieser Situation ist der Bereich des BCAA-Aktors 508b in 10e zumindest die Summe des elastischen Bereichs plus der Hub des Kolbens 130. In 10e ist es auch erforderlich, die Position des Kolbens 130 beim Erreichen eines Elastizitätsgebungs-Bereitzustandes direkt zu erfassen. Im Vergleich ist der erforderliche Bereich des BCAA-Aktors 508b in 10d zumindest die Größe des elastischen Bereichs oder des Hubs des Kolbens 130 und nur der einzelne Positionssensor 1046, der gezeigt ist, reicht aus.
Eine Sequenz von Vorgängen zum Erreichen eines Elastizitätsgebungs-Bereitzustandes ist folgendermaßen:
Zuerst definieren wir eine "Ausgleichssequenz":
Ausgleichssequenz (wie in 15(d) dargestellt)

1. Die Verriegelung 118 wird verriegelt, wie in Schritt 1530 dargestellt.
2. Der Luftdruck im Zylinder 128 wird eingestellt, bis der Kraftsensor 120 angibt, dass die auf die Verriegelung 118 durch die Kraftstange 112 ausgeübte Kraft geringer ist als ein Schwellenbetrag, wie in 1531 dargestellt.

Um nun einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen ("Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1")
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1 (wie in 15(e) dargestellt) (auf sowohl 10d als auch 10e anwendbar)

1. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1540 dargestellt.
2. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1541 dargestellt.
3. Verriegelung 118 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508b positionieren, wie in Schritt 1542a dargestellt.
4. Wenn das System von dem in 10e gezeigten Typ ist, Verriegelung 118 verriegeln, wie in Schritt 1542b dargestellt, und dann den Kolben 130 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508b positionieren, wie in einer alternativen Ausführungsform in Schritt 1542c dargestellt.
5. Wenn der Kraftsensor 520 angibt, dass das Gleichgewicht gestört oder verschlechtert wurde (z. B. wenn die gemessene Kraft größer ist als die Schwellenkraft), Ausgleichssequenz wiederholen, wie in Schritt 1543 dargestellt.
6. Wenn die Verriegelung 118 verriegelt ist, dann Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1544 dargestellt.

Es ist zu beachten, dass es in der Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1 bevorzugt ist, dass die Schwellenkraft für das Gleichgewicht geringer sein muss als die kombinierte statische Reibung und die Pneumatikkolben-Losreißkraft. Ansonsten bewegt sich die Verriegelung 118 und kommt an einem Elastizitätsgebungsanschlag 522 oder 524 zur Anlage, wenn die Verriegelung 118 in Schritt 1541 entriegelt wird, und der Betrieb des BCAA-Aktors 508b bewegt die Verriegelung 118 nicht in Bezug auf die Kraftstange 112. Die kombinierte statische Reibung und Pneumatikkolben-Losreißkraft liegt jedoch typischerweise im Bereich von 5 bis 10 oder mehr Pfund und es ist möglich, auf innerhalb 1 bis 3 Pfund auszugleichen.
Aus später beschriebenen Gründen ist es bevorzugt, dass das System dazu ausgelegt ist, das vorangehende Kriterium zu erfüllen. Im Fall, dass es nicht möglich oder unpraktisch ist, dieses Kriterium zu erreichen, gibt es jedoch andere mögliche alternative Sequenzen, um den Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen. Zwei werden nun beschrieben.
Die erste Alternative besteht darin, den Pneumatikzylinder 128 und den Kolben 130 zu verwenden, um die Verriegelung 118 mit einer Sequenz von Vorgängen wie z. B. den folgenden zu positionieren ("Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 2"):
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 2 (wie in 15(f) dargestellt) (auf sowohl 10d als auch 10e anwendbar)

1. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1550 dargestellt.
2. Luft aus dem Zylinder 130 entlüften, so dass der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 an der Verriegelung 118 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1551 dargestellt.
3. BCAA-Aktor 508b so einstellen, dass er nahe der Mitte seines Hubs oder nahe seiner gewünschten Elastizitätsgebungs-Ruheposition liegt, wie in Schritt 1552 dargestellt. (Dieser Schritt erfordert die Verwendung von gut bekannten Lösungen, einschließlich der Verwendung von Positionssensoren 1046, um die Position des angetriebenen Elements 514b des Aktors 508b in Bezug auf sein stationäres Element 506b zu erfassen. In einigen Fällen sind Aktoren 508b mit Grenzschaltern ausgestattet, um zu erfassen, wenn das angetriebene Element 514b das Ende seiner Bewegung erreicht; diese können in Verbindung mit Zeitgebern in bekannten Weisen verwendet werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.)
4. Luft in den Zylinder 128 einleiten, was den Zylinderluftdruck bis zu einem Punkt erhöht, an dem verursacht wird, dass sich der Kolben 130 losreißt und sich aufwärts bewegt, wie in Schritt 1553 dargestellt.
5. Während der Überwachung der Position der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 mit dem gezeigten Positionssensor 1046 weiterhin den Luftdruck des Zylinders 128 einstellen, was bewirkt, dass sich der Kolben 130 und folglich die Verbindungsstange 114 und Kraftstange 112 weiterhin bewegen, wie in Schritt 1554 dargestellt.
6. Wenn die Kraftstange 112 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf die Verriegelung 118 ankommt, Verriegelung 118 verriegeln und Einstellung des Luftdrucks im Zylinder 128 stoppen, wie in Schritt 1555a dargestellt.
7. Wenn das System von dem in 10e gezeigten Typ ist, Kolben 130 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508b positionieren, wie in einer alternativen Ausführungsform in Schritt 1555b dargestellt.
8. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1556 dargestellt.

Die zweite Alternative besteht darin, die Konstruktion geringfügig zu ändern. Im Widerspruch zur vorstehend angegebenen Vorliebe, um das Erreichen des niedrigsten Punkts durch den Kolben 130 zu vermeiden, ist das System so beschaffen, dass der Kolben 130 am unteren Ende des Zylinders 128 anliegt, wenn kein Luftdruck im Zylinder 128 besteht und die Verriegelung 118 entriegelt ist. Wenn der Kolben 130 am unteren Ende des Zylinders 128 anliegt, erfüllt dies tatsächlich die Funktion des ausgefahrenen Elastizitätsgebungsanschlags 522 und der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 kann daher aus dem System beseitigt werden. (Es wird auch angemerkt, dass der zurückgezogene Elastizitätsgebungsanschlag 524 beseitigt werden könnte, wenn dem Kolben 130 ermöglicht wird, an der Oberseite des Zylinders 128 als Anschlag anzuliegen.) Dann ist die folgende "Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 3" anwendbar.
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 3 (wie in 15(g) dargestellt) (auf sowohl 10d als auch 10e anwendbar)

1. Aktor 508 in eine Position zurückziehen, die ermöglicht, dass der Kolben 130 das untere Ende seines Hubs innerhalb des Zylinders 128 erreicht, wie in Schritt 1560 dargestellt. (In Abhängigkeit von der Konstruktion könnte dies durch Grenzschalter bestimmt werden, die in den Aktor 508a integriert sind, indem der Aktor 508a in der Rückzugsrichtung für eine ausreichende Länge an Zeit angetrieben wird, um einen vollständig zurückgezogenen Zustand zu erreichen, oder andere bekannte Verfahren).
2. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1561 dargestellt.
3. Luft aus dem Zylinder 128 entlüften, so dass der Kolben 130 an der Unterseite des Zylinders 128 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1562 dargestellt.
4. Verriegelung 118 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508b positionieren, wie in Schritt 1563 dargestellt.
5. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1564 dargestellt.
6. Verriegelung 118 verriegelt halten, BCAA-Aktor 508b verwenden, um die Last in eine Position anzuheben, in der sich der Kolben 130 in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition (normalerweise ungefähr zentriert) in Bezug auf den Zylinder 128 befindet, wie in Schritt 1565 dargestellt.
7. Ausgleichssequenz erneut durchführen, da die Bewegung des Kolbens 130 verursachen könnte, dass ein geringfügiges Ungleichgewicht auftritt, wie in Schritt 1566 dargestellt.

in den Elastizitätsgebungs-Bereitsequenzen 2 und 3 wird vorausgesetzt, dass nicht garantiert ist, dass der Ausgleichssequenz-Schwellenwert nicht geringer ist als die statische Reibung in Kombination mit der Losreißkraft. Folglich sollte die Verriegelung 118 verriegelt bleiben, bis eine zum Koppeln bereite Position, wobei die Last teilweise durch die Kopplungsvorrichtung unterstützt wird (oder eine andere gewünschte Bedingung), erreicht ist. Es wird jedoch beobachtet, dass, wenn die Verriegelung 118 entriegelt gelassen werden kann, während die Last vertikal mit dem Hauptaktor 508a positioniert wird, dann der Positionssensor 1046 verwendet werden kann, um festzustellen, ob die Last auf irgendwelche Hindernisse trifft. Wenn ein Hindernis angetroffen wird, würde die zugehörige Kraft an der Last eine Bewegung der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 verursachen. Diese Bewegung könnte vom Positionssensor 1046 erfasst werden und folglich ein Signal liefern, um eine geeignete Handlung zu unternehmen, wie z. B. Stoppen des Hauptaktors 508a. Folglich ist es bevorzugt, dass das System so ausgelegt ist, dass die Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1 zuverlässig verwendet werden kann.
10f gilt auch für eine feste vertikale Säule 1000. Die vertikale Achse wird vom Aktor 508 angetrieben. Eine BCAA des in 8(a) und 10d gezeigten Typs sieht sowohl den vertikalen Antrieb als auch Gleichgewicht und Elastizitätsgebung vor. Viel von dem, was in der Beschreibung von 10d und 10e gesagt wurde, gilt auch für 10f, so dass wir uns in diesem Abschnitt hauptsächlich auf das konzentrieren, was neu ist und was unterschiedlich ist.
Das System von 10f hat einen einzelnen linearen Aktor 508, der zum linearen Aktor 508 der BCAA in 8a äquivalent ist. Ferner ist er hinsichtlich des Hubs und der Spezifikation zum linearen Hauptaktor 508a in 10d und 10e äquivalent. Das distale Ende der Aktorspindel 514 ist an der Verriegelung 118 befestigt. Der Unterstützungsträger 1094 befestigt die Verriegelung 118 am Einfachwirkungs-Pneumatikzylinder 128. Der Hauptarm 1030 wird durch die Unterbaugruppe der Verbindungsstange 114 und des Kolbens 130, die Unterbaugruppe der Kraftstange 112, des Kraftsensors 120 und der Verriegelung 118 oder die Kombination der zwei in Abhängigkeit von dem Zustand des Systems unterstützt. Die am distalen Ende des linearen Aktors 508 befestigte Vorrichtung, die mit dem Hauptarm 1030 gekoppelt ist, ist zum Ausgleichsmechanismus von 1(a) äquivalent.
Um den Hauptarm 1030 in den Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu bringen, kann die folgende Sequenz verwendet werden ("Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 4"):
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 4 (wie in 15(h) dargestellt)

1. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1570 dargestellt.
2. Luft aus dem Zylinder 128 entlüften, so dass der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 an der Verriegelung 118 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1571 dargestellt.
3. Luft in den Zylinder 128 einleiten, was den Zylinderluftdruck bis zu einem Punkt erhöht, an dem bewirkt wird, dass sich der Kolben 130 losreißt und sich aufwärts bewegt, wie in Schritt 1572 dargestellt.
4. Während der Überwachung des Positionssensors 1046 Zylinderluftdruck weiter einstellen, was bewirkt, dass sich der Kolben 130 und folglich die Verbindungsstange 114 und die Kraftstange 112 weiter bewegen, wie in Schritt 1573 dargestellt.
5. Wenn die Kraftstange 112 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf die Verriegelung 118 ankommt, Verriegelung 118 verriegeln und Einstellen des Luftdrucks im Zylinder 128 stoppen, wie in Schritt 1574 dargestellt.
6. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1575 dargestellt.

Wenn der Ausgleichssequenz-Kraftschwellenwert geringer ist als die kombinierte statische Reibung und Losreißkraft des Kolbens 130, dann kann die Verriegelung 118 entriegelt werden und entriegelt gelassen werden, wenn der Aktor 508 verwendet wird, um den Hauptarm 1030 und seine unterstützte Last in die gewünschte vertikale Stelle anzutreiben. Wie vorher erörtert, ist dies bevorzugt. Ansonsten sollte die Verriegelung 118 verriegelt gehalten werden, bis eine zum Koppeln bereite Position, wobei die Last teilweise durch die Kopplungsvorrichtung unterstützt wird (oder eine andere geeignete und gewünschte Bedingung), erreicht ist.
10a und 10b haben beide einen Manipulator mit einer Teleskopsäule 1000 ähnlich der Teleskopsäule, die in der PCT-Anmeldung PCT/US01/06456 von Holt et al. beschrieben ist. In 10a wird eine BCAA des in 8a gezeigten Typs verwendet, um Gleichgewicht und Elastizitätsgebung zu schaffen; wohingegen eine BCAA des in 6a gezeigten Typs für diesen Zweck in 10b verwendet wird. Die folgende Erörterung betrifft beide Fig. im Allgemeinen. Auf spezielle Unterschiede auf der Basis des Typs von BCAA wird hingewiesen, wenn es erforderlich ist.
Der Hauptarm 1030 ist am oberen Segment 1001 der Teleskopsäule 1000 unter Verwendung einer linearen Führungsschiene 1058 und linearen Führungslagern (nicht dargestellt) gleitend befestigt. Dies stellt eine vertikale Feineinstellungsbewegung des Hauptarms 1030 von ungefähr ± Inch in Bezug auf das obere Segment 1000 bereit. Ein oberer und ein unterer Hauptarmanschlag 1032 bzw. 1054 stellen Grenzen für die Bewegung des Hauptarms 1030 in Bezug auf das obere Segment 1000 bereit. Der Testkopf (nicht dargestellt) ist mit dem Hauptarm 1030 über irgendeine Anzahl von gut bekannten Mitteln (auch nicht dargestellt) gekoppelt. Folglich unterstützt der Hauptarm 1030 die Last.
Ein erster linearer Aktor 508a bewegt das mittlere Segment der Säule 1002 vertikal in Bezug auf das feste untere Segment 1004 und die Basis 1003. Ein zweiter linearer Aktor 508b ist an einem ersten Unterstützungsträger 1034 montiert, der am mittleren Segment 1002 befestigt ist, und er bewegt das obere Segment 1001 vertikal in Bezug auf das mittlere Segment 1002. Das Ausfahren und Zurückziehen der Teleskopsäule 1000 stellt eine erste vertikale Positionierung der Last bereit. Die Feineinstellbewegung des Hauptarms 1030 zwischen dem oberen Anschlag 1032 und dem unteren Anschlag 1054 wird für eine elastische vertikale Bewegung beim Koppeln verwendet.
Eine BCAA 508c ist zwischen einen zweiten Unterstützungsträger 1040, der am oberen Segment 1001 befestigt ist, und den Hauptarm 1030 gekoppelt. Eine BCAA 508c des in 8a verwendeten Typs wird in 10a verwendet und eine BCAA 508c des in 6a verwendeten Typs wird in 10b verwendet. In beiden Fällen wird die BCAA 508c verwendet, um die vertikale Feineinstellbewegung zu steuern und eine Elastizitätsgebung über den vollen Bereich der vertikalen Feineinstellbewegung zu schaffen.
Ein Elastizitätsgebungs-Bereitzustand in diesem System ist ähnlich zu jenem eines Systems mit einer festen Säule 1000, wie in 10d und 10e gezeigt. Außerdem ist es jedoch erforderlich, den Hauptarm 1030 an einer speziellen im Allgemeinen zentralen Stelle zwischen dem oberen Hauptarmanschlag 1032 und dem unteren Hauptarmanschlag 1054 (oder in Abwesenheit eines unteren Anschlags 1054 in einer Position, die ein festgelegter Abstand vom oberen Anschlag 1032 entfernt ist) zu positionieren. Wir bezeichnen diese Position des Hauptarms 1030 als Elastizitätsgebungs-Ruheposition.
Die Bedingungen für einen Elastizitäisgebungs-Bereitzustand können dann folgendermaßen angegeben werden:

1. Der Luftdruck im Pneumatikzylinder 128 muss derart sein, dass die Verbindungsstange 114 und der Kolben 130 im Wesentlichen die ganze Last des Hauptarms 1030 und seiner Last tragen.
2. Die Verriegelung 118 muss sich in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf den ausgefahrenen Elastizitätsgebungsanschlag 522 und den zurückgezogenen Elastizitätsgebungsanschlag 524 (normalerweise auf halbem Wege zwischen den beiden) befinden,
3. Der Kolben 130 befindet sich in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf seinen Zylinder 128, und
4. der Hauptarm 1030 muss sich in einer Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf den oberen Hauptarmanschlag 1032 und den unteren Hauptarmanschlag 1054 (normalerweise auf halbem Wege zwischen den beiden) befinden.

Das Erreichen der gemeinsamen Positionierungsanforderungen der Verriegelung 118 und des Kolbens 130 in den Punkten 2 und 3 der obigen Liste in 10a und 10b ist dasselbe wie vorher in Bezug auf 10d und 10e beschrieben. Insbesondere kann durch die Konstruktion in 10a erreicht werden, dass die Verriegelung 118 am Zylinder 128 durch den Träger 1052 befestigt ist und entweder die Kenntnis der Position des BCAA-Aktors 508c oder des Kolbens 130 in 10b erforderlich ist.
Um eine allgemeine Lösung für den Bedarf zu schaffen, den Hauptarm 1030 gemeinsam mit der Kombination der Verriegelung 118 und des Kolbens 130 zu positionieren, ist ein Positionssensor 1056 in 10a und 10b gezeigt, der die Position des Hauptarms 1030 in Bezug auf das obere Segment 1001 erfasst. Es wird angemerkt, dass dieser Sensor 1056 auch effektiv die Position des Kolbens 130 in Bezug auf den Zylinder 128 in 10b (aber nicht in 10a) angibt. Folglich reichen die Sensoren 1056 in Kombination mit den gezeigten Positionssensoren 1046 aus, um die ganze erforderliche Positionserfassung für allgemeine Lösungen in beiden 10a und 10b zu schaffen.
Alternativ und angesichts der Gesamtkosten kann das System vorzugsweise so ausgelegt sein, dass sich der Hauptarm 1030 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet, wenn der BCAA Aktor 508c vollständig ausgefahren ist, und sich die Verriegelung 118 auch in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet. Mit dieser Einschränkung kann der Hauptarm-Positionssensor 1056 aus sowohl 10a als auch 10b gelöscht werden. Es ist jedoch erforderlich, ein Mittel zum Erfassen, wann der BCAA-Aktor 508c vollständig ausgefahren ist, aufzuneh men. Typische Lösungen dafür wurden in Bezug auf 10d und 10e erörtert.
Die folgende Sequenz von Vorgängen kann verwendet werden, um die Vorrichtung in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu bringen ("Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 5")
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 5 (wie in 15(i) dargestellt)

1. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1580 dargestellt.
2. Verriegelung 118 entriegeln und Verriegelung 118 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c positionieren, wie in Schritt 1581a dargestellt.
3. Wenn das System von dem in 10b gezeigten Typ ist, dann Verriegelung 118 verriegeln und Kolben 130 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung von BCAA-Aktor 508c positionieren, wie in einer alternativen Ausführungsform in Schritt 1581b dargestellt.
4. Wenn sich der Hauptarm 1030 noch nicht in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition (beispielsweise durch Konstruktion) befindet, dann Verriegelung 118 verriegeln und Hauptarm 1030 in seine Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c bewegen, wie in Schritt 1582 dargestellt.
5. Wenn der Kraftsensor 120 angibt, dass die Kraft in der Kraftstange 112 größer ist als die Schwellenkraft, Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1583 dargestellt.
6. Wenn die Verriegelung 118 verriegelt ist, kann sie entriegelt werden, wie in Schritt 1584 dargestellt.

Es ist zu beachten, dass die Schritte 1581 und 1584 erfordern, dass der Kraftschwellenwert geringer ist als die kombinierte statische Reibung und Losreißkraft des Kolbens 130. wie in den Fällen von 10d und 10e ist dies das bevorzugte Kriterium für das System. Wenn dies der Fall ist, kann die Verriegelung 118 entriegelt werden und entriegelt gelassen werden, wenn der Hauptarm 1030 und seine unterstützte Last in die gewünschte vertikale Stelle angetrieben werden. Wie in der PCT-Anmeldung PCT/US01/06456 von Holt et al. beschrieben, kann ferner einer der zwei Positionssensoren 1046 und 1056 verwendet werden, um die Bewegung des Hauptarms 1030 in Bezug auf das obere Segment 1001 zu erfassen, was auf das Antreffen eines Hindernisses hinweist.
Im Fall, dass das System derart ausgelegt ist, dass der Kraftschwellenwert nicht notwendigerweise geringer ist als die kombinierte statische Reibung und Losreißkraft des Kolbens 130, kann dann die Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 2 oder Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 3 so angepasst werden, dass die ersten drei Schritte der Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 5 ersetzt werden. Die resultierenden Sequenzen werden nachstehend bereitgestellt. Es ist zu beachten, dass es in diesem Fall im Allgemeinen erforderlich ist, die Verriegelung 118 verriegelt zu halten, währen die Last positioniert wird, und die Positionssensoren 1046 und 1056 können nicht verwendet werden, um Bewegungshindernisse zu erfassen. In jedem Fall kann jedoch der Kraftsensor 120 verwendet werden, um Bewegungshindernisse zu erfassen.
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 6 (wie in 15(j) dargestellt) (auf 10a und 10b anwendbar, wobei der Pneumatikzylinder 128 bei der Positionierung der Verriegelung 118 verwendet wird und der Gleichgewichtsschwellenwert größer ist als die statische Reibung und Losreißkraft)

1. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1590 dargestellt.
2. Luft aus dem Zylinder 128 entlüften, so dass der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 an der Verriegelung 118 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1591 dargestellt.
3. BCAA-Aktor 508c so einstellen, dass er nahe der Mitte seines Hubs oder nahe seiner gewünschten Elastizitätsgebungs-Ruheposition liegt, wie in Schritt 1592 dargestellt (Dieser Schritt erfordert die Verwendung von gut bekannten Lösungen, einschließlich der Verwendung von Positionssensoren, um die Position des angetriebenen Elements 514c des Aktors in Bezug auf sein stationäres Element 506c zu erfassen. In einigen Fällen sind Aktoren 508c mit Grenzschaltern ausgestattet, um zu erfassen, wann das angetriebene Element 514c das Ende seiner Bewegung erreicht; diese können in Verbindung mit Zeitgebern in bekannten Weisen verwendet werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.)
4. Luft in den Zylinder 128 einleiten, was den Zylinderluftdruck bis zu einem Punkt erhöht, an dem bewirkt wird, dass sich der Kolben 130 losreißt und aufwärts bewegt, wie in Schritt 1593 dargestellt.
5. Während der Überwachung des Kolbens der Kraftstange 112 in Bezug auf die Verriegelung 118 mit dem gezeigten Positionssensor 1046 Zylinderluftdruck wieterhin einstellen, was bewirkt, dass sich der Kolben 130 und folglich die Verbindungsstange 114 und Kraftstange 112 weiterhin bewegen, wie in Schritt 1594 dargestellt.
6. Wenn die Kraftstange 112 in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition in Bezug auf die Verriegelung 118 ankommt, Verriegelung 118 verriegeln und Einstellen des Luftdrucks im Zylinder 128 stoppen, wie in Schritt 1595a dargestellt.
7. Wenn das System von dem in 10b gezeigten Typ ist, Kolben 130 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c positionieren, wie in einer alternativen Ausführungsform in Schritt 1595b dargestellt.
8. Wenn sich der Hauptarm 1030 noch nicht in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition (beispielsweise durch Konstruktion) befindet, dann Verriegelung 118 verriegeln und Hauptarm 1030 in seine Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c bewegen, wie in Schritt 1596 dargestellt.
9. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1597 dargestellt.

Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 7 (wie in 15(k) dargestellt) (auf 10a und 10b anwendbar, wobei der Kolben 130 an der Unterseite des Zylinders 128 anliegen kann und der Gleichgewichtsschwellenwert größer ist als die statischen Reibungs- und Losreißkräfte)

1. BCAA-Aktor 508c in eine Position zurückziehen, die ermöglicht, dass der Kolben 130 das untere Ende seines Hubs innerhalb des Zylinders 128 erreicht, wie in Schritt 1600 dargestellt. (In Abhängigkeit von der Konstruktion könnte dies durch Grenzschalter bestimmt werden, die in den Aktor 508c integriert sind, indem der Aktor 508c in der Rückzugsrichtung für eine ausreichende Länge an Zeit angetrieben wird, um den vollständig zurückgezogenen Zustand zu erreichen, oder andere bekannte Verfahren.)
2. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1601 dargestellt.
3. Luft aus dem Zylinder 128 entlüften, so dass der Kolben 130 an der Unterseite des Zylinders 128 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1602 dargestellt.
4. Verriegelung 118 in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c positionieren, wie in Schritt 1603 dargestellt.
5. Verriegelung 118 verriegeln und BCAA-Aktor 508c verwenden, um die Last in eine Position anzuheben, in der sich der Kolben 130 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition (normalerweise ungefähr zentriert) in Bezug auf den Zylinder 128 befindet, wie in Schritt 1604 dargestellt.
6. Wenn sich der Hauptarm 1030 noch nicht in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition (beispielsweise durch Konstruktion) befindet, dann Verriegelung 118 verriegeln und Hauptarm 1030 in seine Elastizitätsgebungs-Ruheposition unter Verwendung des BCAA-Aktors 508c bewegen, wie in Schritt 1606 dargestellt.
7. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1606 dargestellt.

10c ist auch ein Manipulator mit einer Teleskopsäule 1000 ähnlich zur Teleskopsäule, die in der PCT-Anmeldung PCT/US01/06456 von Holt et al. beschrieben ist. Wie vorher ist der Hauptarm 1030 gleitend am oberen Segment 1001 unter Verwendung einer linearen Führungsschiene 1058 und linearen Führungslagern (nicht dargestellt) befestigt. Dies stellt eine vertikale Feineinstellbewegung des Hauptarms von ungefähr ± 1 Inch in Bezug auf das obere Segment 1001 bereit.
Ein erster linearer Aktor 508a bewegt das mittlere Segment 1002 der Säule 1002 vertikal in Bezug auf das feste untere Segment 1004 und die Basis 1003. Eine BCAA des in 8a gezeigten Typs ist dazu ausgelegt, sowohl das obere Segment 1001 in Bezug auf das mittlere Segment 1002 zu bewegen als auch Gleichgewicht und Elastizitätsgebung in der vertikalen Feineinstellachse zu schaffen.
Das stationäre Element 506b des zweiten linearen Aktors 1042 ist an einem ersten Unterstützungsträger 1040 angebracht, der wiederum am mittleren Segment 1002 befestigt ist. Das distale Ende der Aktorspindel 514b ist an der BCAA-Verriegelung 118 befestigt. Die Verriegelung 118 ist an einem zweiten Unterstützungsträger 1076 befestigt, der auch am oberen Segment 1001 befestigt ist. Folglich treibt der lineare Aktor 508b die vertikale Bewegung des oberen Segments 1001 in Bezug auf das mittlere Segment 1002 an. Der Pneumatikzylinder 128 der BCAA ist auch am zweiten Unterstützungsträger 1076 befestigt. Die Kraftstange 112 und die Verbindungsstange 114 werden verwendet, um den Hauptarm 1030 zu unterstützen. Es ist zu sehen, dass die Vorrichtung mit dem zweiten linearen Aktor 508b, dem Pneumatikzylinder 128, dem Kolben 130, der Verbindungsstange 114, der Kraftstange 112, dem Kraftsensor 120, dem Positionssensor 1056, den Elastizitätsgebungsanschlägen 522 und 524 usw. eine BCAA des in 8a gezeigten Typs mit dem zusätzlichen Merkmal, dass der Unterstützungsträger 1076 auch am beweglichen oberen Segment 1001 befestigt ist, bildet.
Die Bedingungen dafür, dass sich der Hauptarm 1030 in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand befindet, sind dieselben wie jene für 10a und 10b. Die Situation ist jedoch einfacher, da die Verriegelung 118 nicht unabhängig vom oberen Segment 1001 angeordnet werden kann wie in den 10a und 10b. Das Nettoergebnis ist, dass, wenn sich der Hauptarm 1030 in seiner Elastizitätsgebungs-Ruheposition befindet, die Verriegelung 118 sich auch in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition befinden muss und umgekehrt. Die folgende Sequenz kann verwendet werden, um einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand zu erreichen ("Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 8").
Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 8 wie in 15(l) dargestellt)

1. Verriegelung 118 entriegeln, wie in Schritt 1610 dargestellt.
2. Luft aus dem Zylinder 128 entlüften, so dass entweder der Hauptarm 1030 am unteren Hauptarmanschlag 1054 zur Anlage kommt und/oder der ausgefahrene Elastizitätsgebungsanschlag 522 am zweiten Unterstützungsträger 1976 zur Anlage kommt, wie in Schritt 1611 dargestellt. (Es ist zu beachten, dass der zweite Unterstützungsträger 1076 und der untere Hauptarmanschlag 1054 in diesem Fall beide am oberen Segment 1001 befestigt sind.)
3. Luft in den Zylinder 128 einleiten, was den Zylinderluftdruck bis zu einem Punkt erhöht, an dem bewirkt wird, dass sich der Kolben 130 losreißt und aufwärts bewegt, wie in Schritt 1612 dargestellt.
4. Während der Überwachung des Hauptarm-Positionssensors 1056 Zylinderluftdruck weiter einstellen, was bewirkt, dass sich der Kolben 130 und folglich die Verbindungs- und die Kraftstange 114 bzw. 112 und der Hauptarm 1030 weiter auf wärts bewegen, wie in Schritt 1613 dargestellt.
5. Wenn die Kraftstange 112 und der Hauptarm 1030 in ihrer Elastizitätsgebungs-Ruheposition ankommen, Verriegelung 118 verriegeln und Einstellen des Luftdrucks im Zylinder 128 stoppen, wie in Schritt 1614 dargestellt.
6. Ausgleichssequenz durchführen, wie in Schritt 1615 dargestellt.

Wenn der Ausgleichssequenz-Kraftschwellenwert geringer ist als die kombinierte statische Reibung und Losreißkraft des Kolbens 130, dann kann die Verriegelung 118 entriegelt werden und entriegelt gelassen werden, wenn der Aktor 508a verwendet wird, um den Hauptarm 1030 und seine unterstützte Last in die gewünschte vertikale Stelle anzutreiben. Ansonsten sollte die Verriegelung 118 verriegelt gehalten werden, bis eine zum Koppeln bereite Position, wobei die Last teilweise durch die Kopplungsvorrichtung unterstützt wird (oder eine andere gewünschte Bedingung), erreicht ist.
Aus dem Obigen ist zu sehen, dass ein Positionssensor 1056 in diesem Fall ausreicht.
11 stellt mehrere der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung dar, die in einem einzelnen Testkopf-Manipulator 1101 verwendet werden. Der Manipulator 1101 in 11 besitzt eine Basis 1103, wie in der US-Patentanmeldung 09/646 072 von Holt et al. beschrieben, eine feste Säule 1000 und einen Hauptarm 1030, der einen Testkopf 100 des vorher in 9(b) dargestellten Typs unterstützt. (Es ist zu beachten, dass der Testkopf 100 in 11 in einer ausgeschnittenen Ansicht gezeigt ist und die Kopplungsbaueinheiten – sowie die internen Neigungs- und Gierungsdrehmechanismen – die in 9(b) gezeigt sind, in 11 aus Einfachheitsgründen nicht wiederholt sind.) Der Manipulator 1101 besitzt sieben Bewegungsachsen, drei Translationsachsen und vier Drehachsen.
Die Translationsachsen sind Einwärts-Auswärts 1128, Seite zu Seite 1126 und Aufwärts-Abwärts (oder vertikal) 1130. Die Drehachsen sind Schwenkdrehung 1115 der Basis und Neigungsdrehung 1113, Gierungsdrehung 1117 und Wälzderhung 1111 des Testkopfs 100. Typische Bewegungsanforderungen sind ± 10 Inch Einwärts-Auswärts, ± 5 Inch Seite zu Seite, 30 Inch vertikal, 30 oder mehr Grad Schwenkung, ± 95 Grad Wälzung, ± 5 Grad Neigung und ± 5 Grad Gierung. In dieser Ausführungsform wird die Bewegung aller Manipulatorachsen von durch einen Motor angetriebenen Aktoren angetrieben. Die Aktoren werden durch eine zentrale Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert, um die Bewegung des Testkopfs 100 von einer Position und Orientierung in eine andere innerhalb der Bewegungshüllkurve des Manipulators 1101 zu bewirken. Ein beliebiges einer Anzahl von Verfahren zum Bewirken der Steuerung über die mehreren Achsen, um die Bewegung zu steuern, kann verwendet werden. Geeignete Positionssensoren werden an allen Achsen verwendet, um eine Rückkopplung zur Steuereinheit zu liefern.
In diesem Manipulator 1101 ist eine Kabelschwenkring-Baugruppe 924 am Ende eines Unterstützungsträgers 1114 montiert, welcher am Hauptarm 1030 befestigt ist. Der Testkopf 100 wird durch einen Testkopf-Unterstützungsbalken 922 unterstützt, der an einer Testkopfhalterung 926 befestigt ist. Die Testkopfhalterung 926 ist mit dem drehbaren Ring 1102 des Kabelschwenkrings 924 gekoppelt, so dass die Mittellinie des Unterstützungsbalkens 922 durch die Mitte der Drehung des drehbaren Rings 1102 verläuft und zur Ebene des drehbaren Rings 1102 senkrecht ist. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt zu ermöglichen, dass sich der Testkopf 100 um ± 95 Grad um die durch die Mittellinie des Unterstützungsbalkens 922 definierte Achse dreht; dies ist die Wälzachse 1111 der Bewegung.
In 11 verläuft die Wälzachse durch den Schwerpunkt des Testkopfs 100, so dass die Wälzbewegung im Wesentlichen ausgeglichen und effektiv gewichtslos ist. Die Bewegung des Testkopfs 100 um die Wälzachse kann folglich mit einer Motor-Getriebekasten-Kupplungs-Anordnung angetrieben werden, wie in der US-Patentanmeldung 09/646 072 von Holt et al. beschrieben. Wenn der Motor (nicht dargestellt) nicht angetrieben wird, ist die Kupplung ausgekuppelt, um eine ausgeglichene elastische Bewegung um die Wälzachse 1111 zu ermöglichen.
Die Neigungsachse 1113 und Gierungsachse 1117 des Testkopfs 100 verlaufen nicht durch den Schwerpunkt des Testkopfs 100. Eine Neigungs-BCAA 932 und eine Gierungs-BCAA 930, wie in 9(a) dargestellt und vorher erörtert, sind zwischen den Testkopf 100 und die Testkopfhalterung 926 gekoppelt. Diese sind schematisch in 11 als Mechanismus 1106 bzw. Mechanismus 1112 dargestellt. Die Details sind dieselben wie in 9(a). Diese zwei BCAAs 1106 und 1112 werden verwendet, um den Testkopf 100 in Bezug auf seine Neigungs- und Gierungsachsen 1113 bzw. 1117 zu positionieren, sowie um eine ausgeglichene, elastische Bewegung zum Koppeln und/oder manuellen Manövrieren bereitzustellen. Ein Bewegungsbereich von ± 5 Grad wird sowohl in der Neigungs- als auch der Gierungsachse 1113 bzw. 1117 vorgesehen.
Eine vertikale Bewegung des Testkopfs 100 kann durch eine Anordnung geschaffen werden, die eine BCAA umfasst, wie vorher bei alternativen Implementierungen erörtert, die in 10(d), 10(e) und 10(f) gezeigt sind. In 11 ist die Anordnung von 10(e) explizit als Mechanismus 1118 gezeigt. (Es ist zu beachten, dass das flexible Luftrohr und die Hochdruck-Luftversorgung in 11 nicht gezeigt sind.) Es wird beobachtet, dass, wenn eine Teleskopsäule anstelle einer festen Säule 1000 verwendet werden würde, eine Anordnung von einem der Typen, die in 10(a), 10(b) oder 10(c) gezeigt sind, verwendet werden könnte. Das System in 11 ist derart ausgelegt, dass die statische Reibung plus die Losreißkraft des Pneumatikzylinders 128 größer ist als der Ausgleichskraftschwellenwert, so dass der Testkopf 100 vertikal angeordnet werden kann, wobei die Verriegelung 118 entriegelt ist.
Die Schwenkbewegung in der Basis 1103 liegt in der horizontalen Ebene und wird von einem elastischen Antriebsmechanismus bewirkt, der in 11 schematisch als Mechanismus 1120 angegeben ist. Normalerweise ist die Bewegung in dieser Achse im Wesentlichen ausgeglichen und unterliegt nicht externen Kräften. In diesem Fall könnte ein elastischer Antriebsmechanismus des Typs, der in irgendeiner der 5(a), 5(b), 5(c) oder 7 gezeigt ist, im Prinzip verwendet werden. Da die Schwenkbewegung von ungefähr 30 Grad oder mehr einen beträchtlich langen Hub des Aktors erfordert, wäre 5(a) oder 7 bevorzugt. In bestimmten Anwendungen kann jedoch ein dickes, etwas elastisches Testkopfkabel (nicht dargestellt), das den Testkopf 110 mit einem Testschrank (nicht dargestellt) verbindet, eine in der Position variable Kraft ausüben, die eine Bewegung in dieser Achse bewirkt. In dieser Situation könnte eine BCAA als Mechanismus 1120 verwendet werden, um einen Antrieb sowie eine ausgeglichene Elastizitätsgebung zu schaffen. Eine BCAA-Konfiguration, wie sie z. B. in 6(b) gezeigt ist, könnte angepasst werden. Eine BCAA des in entweder 8(a) oder 8(b) gezeigten Typs könnte ebenso auch für die Verwendung in dieser Anwendung angepasst werden.
Ebenso liegen die Einwärts-Auswärts- und Seiten-Seiten-Bewegungen der Basis 1103 auch in der horizontalen Ebene. Elastische Antriebsmechanismen für diese Achsen sind auch in 11 schematisch als Mechanismus 1122 bzw. Mechanismus 1124 angegeben. Wie die Schwenkbewegung ist die Bewegung in diesen Achsen im Wesentlichen ausgeglichen und unterliegt nicht externen Kräften. Der in diesen Achsen erforderliche Bewegungsbereich ist typischerweise ± 5 Inch bis ± 10 Inch. Der Mechanismus von 5(a) oder 7 wäre folglich bevorzugt, um den erforderlichen Hub bereitzustellen. Im Fall, dass signifikante variable Kabelkräfte im System vorhanden sind. könnten BCAA-Mechanismen der in 6(a), 6(b), 8(a) oder 8(b) gezeigten Typen angepasst und in den horizontalen Achsen vorteilhaft verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass die BCAA und die elastischen Antriebsmechanismen, die in 11 gezeigt sind, in sichtbaren Positionen gezeigt sind, um die Deutlichkeit der Beschreibung und Erörterung zu fördern. In tatsächlichen Implementierungen könnten bestimmte Mechanismen oder Abschnitte von ihnen von einem gegebenen Blickpunkt nicht sichtbar sein. Komponenten der Mechanismen 1120, 1122 und 1124 sind beispielsweise typischerweise zusammen mit anderen Mechanismen zwischen den verschiedenen Platten angeordnet, die die Manipulatorbasis 1103 bilden. Als weiteres Beispiel könnte der Mechanismus 1118 auch auf einer Seite oder auf der anderen oder der Rückseite der Manipulatorsäule 1105 angeordnet sein.
Informationen über das Koppeln.
Eine beispielhafte Ausführungsform von durch einen Aktor angetriebenem Koppeln wird mit Bezug auf 11 erläutert. In 11 wird der Manipulator 1101 verwendet, um den Testkopf 100 in eine zum Koppeln bereite Position zu bringen, und dann zieht ein separater, unabhängiger Kopplungsaktor (nicht dargestellt) den Testkopf 100 in eine endgültige oder vollständig gekoppelte Position. Führungsmechanismen verschiedener Typen, beispielsweise Führungsstifte und Löcher, kinematische Mechanismen usw., sind bekannt, um sicherzustellen, dass der Testkopf 100 korrekt und genau auf die Vorrichtungshandhabungseinrichtung/Prüfsonde (nicht dargestellt) ausgerichtet wird. Der Testkopf 100 muss sich elastisch in Bezug auf den Manipulator 1101 bewegen, wenn der Aktor betätigt wird. Wenn er vollständig gekoppelt ist, verriegelt ein Mechanismus, der der Aktormechanismus sein kann, den Testkopf sicher in der Position.
Da Testköpfe 100 größer geworden sind, hat sich die Grundidee der '815-Kopplungsvorrichtung entwickelt, um Kopplungsvorrichtungen mit drei oder vier Sätzen von Führungsstiften 912, Führungsstiftfassungen 912a und kreisförmigen Nocken 910, die durch Kabel 915 miteinander verbunden sind, zu schaffen. 12(a), 12(b), 12(c) und 12(d) der vorliegenden Anmeldung stellen eine Kopplungsvorrichtung mit Kombinationen von 4 Führungsstiften 912 und Löchern (Fassungen) 912a und vier kreisförmigen Nocken 910 dar. Obwohl solche Vier-Punkt-Kopplungsvorrichtungen so konstruiert wurden, dass ein Aktorgriff an jedem der vier Nocken 910 befestigt ist, beinhaltet die gezeigte Kopplungsvorrichtung einen einzelnen Aktorgriff 914, der an der Kabelantriebsvorrichtung 917 befestigt ist. Wenn die Kabelantriebsvorrichtung 917 durch den Kopplungsgriff 914 gedreht wird, wird das Kabel 915 so bewegt, dass sich die vier Nocken 910 in synchronisierter Weise drehen. Diese Anordnung bringt einen einzelnen Aktorgriff in eine zweckmäßige Stelle für die Bedienperson. Ein größerer mechanischer Vorteil kann auch erreicht werden, indem das Verhältnis der Durchmesser der Nocken 910 zum Durchmesser der Kabelantriebsvorrichtung geeignet eingestellt wird.
12(a) bis 12(d) werden nun genauer betrachtet. 12(a) zeigt in einer Perspektive einen Testkopf 100, der in einem Gestell 200 gehalten wird, das wiederum durch einen Manipulator (nicht dargestellt) unterstützt wird. Es ist auch ein Ausschnittsegment einer Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 gezeigt, mit der der Testkopf 100 gekoppelt werden kann. 12(b) zeigt die Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 in einem etwas größeren Maßstab und genauer. (Der Leser wird noch einmal daran erinnert, dass der Begriff "Handhabungseinrichtung" ohne Verlust der Allgemeinheit zur Bezugnahme auf irgendeine der verschiedenen Testvorrichtungen, einschließlich Handhabungseinrichtungen für gepackte Vorrichtungen, Waferprüfsonden und dergleichen, verwendet wird.) Wenn kurz auf die Schnittansicht in 12(c) vorausgeschaut wird, ist zu sehen, dass der Testkopf 100 eine elektrische Schnittstelle 1226 besitzt und die Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 eine entsprechende elektrische Schnittstelle 1228 besitzt. Die elektrischen Schnittstellen 1226 und 1228 besitzen typischerweise Hunderte oder Tausende von dünnen, zerbrechlichen elektrischen Kontakten, die präzise in einer Weise in Eingriff gebracht werden müssen, um zuverläs sige entsprechende einzelne elektrische Verbindungen zu schaffen, wenn der Testkopf schließlich angekoppelt wird. Wie in diesem beispielhaften Fall gezeigt ist, enthält die untere Oberfläche der Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 die elektrische Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung und der Testkopf 100 wird mit einer allgemeinen Aufwärtsbewegung von unten angekoppelt. Andere Orientierungen sind möglich und bekannt: einschließlich Koppeln mit einer oberen Oberfläche mit einer Abwärtsbewegung, mit einer vertikalen ebenen Oberfläche mit einer horizontalen Bewegung und mit einer Ebene, die in einem Winkel zu sowohl der Horizontalen als auch Vertikalen liegt.
Bei Rückkehr zu 12(a) und 12(b) ist die vollständige Vier-Punkt-Kopplungsvorrichtung gezeigt; Abschnitte von ihr sind entweder an der Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 oder am Testkopf 100 befestigt. Am Testkopf 100 ist eine Frontplatte 1206 befestigt. Vier Führungsstifte 912 sind an den vier Ecken der Frontplatte 1206 befestigt und nahe diesen angeordnet. Die Frontplatte 1206 weist ein zentrales Loch auf und ist am Testkopf 100 so befestigt, dass die elektrische Schnittstelle 1226 des Testkopfs durch das Loch vorsteht und die Führungsstifte 912 ein ungefähres Rechteck definieren, das eine ungefähre gemeinsame Mitte mit der elektrischen Schnittstelle 1226 hat.
Eine Verstärkungsplatte 1214 ist an der unteren Oberfläche der Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 befestigt. Die Verstärkungsplatte 1214 weist ein zentrales Loch auf und ist an der Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 so befestigt, dass die elektrische Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung durch das Loch vorsteht. Vier Zwischenstücke 1216 sind an der Verstärkungsplatte 1214 befestigt, wobei sich eines nahe jeder ihrer vier Ecken befindet. Jedes Zwischenstück 1216 besitzt ein Führungsstiftloch oder eine Führungsstiftfassung 912a, die in dieses gebohrt ist. Jedes Führungsstiftloch 912a entspricht einem jeweiligen Führungsstift 912. Diese sind so angeordnet, dass, wenn sie gekoppelt werden, jeder Führungsstift 912 vollständig in sein jeweiliges Führungsstiftloch 912a eingefügt wird. Folglich sehen die Führungsstifte 912 und Führungsstiftlöcher 912a eine Ausrichtung zwischen dem Testkopf und der Vorrichtungshandhabungseinrichtung vor.
Vier Kopplungsnocken 910 sind drehbar an der Frontplatte 1206 befestigt. Die Nocken 910 sind kreisförmig und sind ähnlich zu denjenigen, die im '815-Patent beschrieben sind. Insbesondere besitzt jeder eine schraubenförmige Seitennut um seinen Umfang mit einem oberen Ausschnitt an der oberen Fläche. Jeder Kopplungsnocken 910 befindet sich in der Nähe eines jeweiligen Führungsstifts 912, so dass er im Allgemeinen auf einer Linie zentriert ist, die sich ungefähr von der Mitte der elektrischen Schnittstelle 1226 des Testkopfs durch den jeweiligen Führungsstift 912 erstreckt, so dass der Führungsstift 912 zwischen dem Nocken 910 und der elektrischen Schnittstelle 1226 des Testkopfs liegt. Die Zwischenstücke 1216 und die Ecken der Verstärkungsplatte 1214 besitzen kreisförmige Ausschnitte, so dass, wenn die Führungsstifte 912 vollständig in die Führungsstiftlöcher 912a in den Zwischenstücken eingefügt sind, der Umfang von jedem Nocken 910 zum kreisförmigen Ausschnitt in seinem jeweiligen Zwischenstück 1216 benachbart und konzentrisch ist. Diese Anordnung schafft eine anfängliche grobe Ausrichtung zwischen den Kopplungskomponenten, wenn der Testkopf 100 anfangs in die Position zum Koppeln mit der Vorrichtungshandhabungseinrichtung 1208 manövriert wird.
Eine kreisförmige Kabelantriebsvorrichtung 917 mit einem befestigten Kopplungsgriff 914 ist auch drehbar an der Frontplatte 1206 befestigt. Ein Kopplungskabel 915 ist an jedem der Nocken 910 und an der Kabelantriebsvorrichtung 917 befestigt. Riemenscheiben 1224 lenken den Weg des Kabels geeignet zu der und von der Kabelantriebsvorrichtung 914. Die Kabelantriebsvorrichtung 917 kann mittels Ausüben von Kraft auf den Griff 914 gedreht werden. Wenn sich die Kabelantriebsvorrichtung 917 dreht, überträgt sie eine Kraft auf das Kabel 915, was wiederum verursacht, dass sich die Nocken 910 synchron drehen.
Vom kreisförmigen Ausschnitt jedes Zwischenstücks 1216 erstreckt sich ein Nockenfolger 1210. Der Nockenfolger 1210 passt in den oberen Ausschnitt an der oberen Fläche seines jeweiligen Nockens 910. 12(c) zeigt im Querschnitt eine Stufe im Prozess des Koppelns des Testkopfs 100 mit der Handhabungsvorrichtung 1208. Hier sind die Führungsstifte 912 teilweise in die Führungsstiftlöcher 912a in den Zwischenstücken 1216 eingefügt. Es wird angemerkt, dass in diesem beispielhaften Fall die Führungsstifte 912 nahe ihren distalen Enden verjüngt sind und näher an ihrem Befestigungspunkt an der Frontplatte 1206 einen konstanten Durchmesser aufweisen. In 12(c) wurden die Führungsstifte 912 in die Führungslöcher 912a bis zu einem Punkt eingefügt, an dem der Bereich mit konstantem Durchmesser gerade in die Führungsstiftlöcher 912a eintritt. In 12(c) wurde auch jeder Nockenfolger 1210 in den oberen Ausschnitt an der oberen Fläche seines jeweiligen Nockens 910 bis in eine Tiefe eingefügt, in der er sich am obersten Ende der schraubenförmigen Nockennut befindet. In dieser Konfiguration ist die Kopplungsvorrichtung zur Betätigung bereit, indem eine Kraft auf den Griff ausgeübt wird und die Nocken gedreht werden. Folglich kann diese Konfiguration als "zum Betätigen bereite" Position bezeichnet werden.
12(d) zeigt im Querschnitt das Ergebnis der vollständigen Drehung der Nocken 910. Der Testkopf 100 ist nun vollständig mit der Handhabungsvorrichtung 1208 gekoppelt. Es ist zu sehen, dass die Nocken 910 gedreht wurden und bewirkt haben, dass die Nockenfolger 1210 den schraubenförmigen Nuten bis zu einem Punkt in engerer Nähe zur Frontplatte 1206 folgen. Außerdem sind die Führungsstifte 912 vollständig in ihre jeweiligen Führungsstiftlöcher 912a eingefügt. Es wird beobachtet, dass die Enge der Passung zwischen dem Bereich der Führungsstifte 912 mit konstantem Durchmesser und den Seiten der jeweiligen Führungsstiftlöcher 912a die Endausrichtung zwischen der elektrischen Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung und der elektrischen Schnittstelle 1226 des Testkopfs bestimmt.
Angesichts der vorangehenden Erörterung ist es nun geeignet, den Kopplungsprozess genauer zu erörtern und bestimmte Begriffe zu definieren. Der Zweck der Kopplung besteht darin, die elektrische Schnittstelle 1226 des Testkopfs präzise mit der elektrischen Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung in Eingriff zu bringen. Jede elektrische Schnittstelle 1226 und 1228 definiert eine Ebene, die typischerweise, aber nicht notwendigerweise nominal zu den distalen Enden der elektrischen Kontakte parallel ist. Wenn sie gekoppelt sind, müssen diese zwei Ebenen zueinander parallel sein. Um eine Beschädigung an den elektrischen Kontakten zu verhindern, ist es bevorzugt, zuerst die zwei Schnittstellen 1226 und 1228 in fünf Freiheitsgraden auszurichten, bevor ermöglicht wird, dass die elektrischen Kontakte in mechanischen Kontakt miteinander kommen. Wenn die definierten Ebenen der Schnittstellen in der gekoppelten Position zur X-Y-Ebene von 14 parallel sind, muss eine Ausrichtung in X, Y und Theta Z stattfinden, damit sich jeweilige Kontakte zueinander einreihen. Außerdem werden die zwei Ebenen durch Drehbewegungen in Theta X und Theta Y parallel gemacht. Der Prozess, die zwei Ebenen der elektrischen Schnittstellen zueinander parallel zu machen, wird "Planarisierung" der Schnittstellen genannt; und wenn er durchgeführt wurde, wird gesagt, dass die Schnittstellen "planarisiert" oder "koplanar" sind. Sobald sie planarisiert und in X, Y und Theta Z ausgerichtet sind, geht die Kopplung vor sich, indem eine Bewegung in der Z-Richtung senkrecht zur Ebene der elektrischen Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung verursacht wird. In dem Prozess der Kopplung wird der Testkopf 100 zuerst in die Nähe der Handhabungseinrichtung 1208 manövriert. Ein weiteres Manövrieren bringt die kreisförmigen Ausschnitte der Zwischenstücke 1216 in eine erste Ausrichtung auf die Nocken 910. Diese Position oder eine direkt vor ihr kann als "zum Koppeln bereite" Position betrachtet werden. Allgemeiner bezieht sich "zum Koppeln bereit" auf eine Position, in der ein gewisses erstes grobes Ausrichtungsmittel gerade kaum in Eingriff steht oder ungefähr in der in Eingriff zu bringenden Position liegt. In dieser Stufe und in Abhängigkeit von den Konstruktionsdetails sind die distalen Enden der Führungsstifte bereit, in ihre jeweiligen Führungslöcher einzutreten. Ein noch weiteres Manövrieren bringt den Testkopf in eine "zum Betätigen bereite Position", die vorher hinsichtlich 12(a) bis (d) erörtert wurde. Allgemeiner bezieht sich "zum Betätigen bereit" auf eine Position, in der ein Testkopf eine Position erreicht hat, in der eine Kopplungsvorrichtung betätigt werden kann. In der zum Betätigen bereiten Position wurden eine ungefähre Planarisierung und Ausrichtung in X, Y und Theta Z erreicht. Wenn die Kopplungsvorrichtung betätigt wird und die Führungsstifte 912 vollständig in ihre jeweiligen Führungsstiftlöcher 912a eingefügt werden, werden die Ausrichtung und Planarisierung präziser.
Im Allgemeinen ist die zum Betätigen bereite Position eine Position, in der die Ausrichtungsmechanismen in den zwei Hälften der Kopplungsvorrichtung zumindest teilweise in Eingriff gelangt sind und eine Ausrichtung in einigen, aber nicht notwendigerweise allen Achsen erreicht wurde. In den Kopplungsvorrichtungen des im '815-Patent beschriebenen Typs und jenen des in 9(a) und (b) und 12(a) bis (d) gezeigten Typs ist dies die vorstehend beschriebene Position, in der die verjüngten Führungsstifte 912 weiter in die Führungsstiftlöcher 912a eingefügt wurden und so dass die Nockenfolger 1210 an der Handhabungseinrichtung 1208 in die Kopplungsnocken 910 eingefügt wurden. Dabei wird der Testkopf 100 typischerweise innerhalb einiger Tausendstel eines Inch und innerhalb ungefähr eines Grades von Koplanarität mit der Zielvorrichtung ausgerichtet. Als weiteres Beispiel ist dies bei der Kopplungsvorrichtung, die im US-Patent 5 982 182 (durch den Hinweis aufgenommen) beschrieben ist, eine Position, in der kinematische Kontakte in Eingriff gelangt sind und das System für eine endgültige lineare Bewegung senkrecht zum Ziel bereit ist.
Lösungen für das Obige stehen bei dem hierin in 1(a) bis 4(b) beschriebenen Ausgleichssystem (von Ny et al. beschrieben, vorläufige US-Anmeldung 60/234 598) und bei der BCAA, die auch hierin in 6(a) bis 9(b) beschrieben ist, zur Verfügung. Diese haben verschiedene gemeinsame Aspekte; in einer Ansicht ist das Ausgleichssystem eine Komponente einer BCAA. Folglich können BCAAs und/oder Ausgleichssysteme zum Manipulator und Testkopf 100 nach Bedarf hinzugefügt werden, um Ausgleich und Elastizitätsgebung zu schaffen, wenn es erforderlich oder gewünscht ist.
Wie vorher in dieser Anmeldung beschrieben, kann der Testkopf 100 vor dem Koppeln in eine Elastizitätsgebungs-Ruheposition gebracht und in dieser verriegelt werden. Die Achse oder Achsen können unmittelbar vor dem endgültigen Koppeln in unmittelbarer Nähe zum Kopplungssystem ins Gleichgewicht gebracht und zur Elastizitätsgebung bereit gemacht werden. Da dies durchgeführt wird, wobei die Verriegelung(en) 118 verriegelt ist (sind), besteht kein Risiko für eine plötzliche, unerwartete, potentiell gefährliche Bewegung des Testkopfs 100. Wenn sich das System dann in einem Elastizitätsgebungs-Bereitzustand befindet, wird die Verriegelung 118 entriegelt, um eine elastische Bewegung zu ermöglichen, und das Koppeln geht vor sich.
Wie vorher hierin angegeben, können Drucksensoren (606a, 606b) enthalten und angeordnet sein, um den Luftdruck an jedem Einlass des Pneumatikzylinders 128 zu messen. Die Steuereinheit (nicht dargestellt) empfängt Signale von den Drucksensoren, die den gemessenen Druck angeben. Die Verwendung der Drucksensoren, um einen Gleichgewichtszustand vor dem Entkoppeln wiederherzustellen, wurde vorher hierin beschrieben. Ohne diese Methode besteht der normale Vorgang darin, den Testkopf 100 abzukoppeln, wobei die Ausgleichssystemverriegelung verriegelt ist, was der Gelegenheit zur elastischen Bewegung während des Entkoppelns vorhergeht.
Die Drucksensoren (606a, 606b) können auch in einem System verwendet werden, um einen Gleichgewichtszustand während der gesamten Zeit, die der Testkopf 100 gekoppelt ist, und während der Test vor sich geht, aufrechtzuerhalten. Um dies zu bewerkstelligen, wird der Testkopf 100 in eine Position gebracht, in der er zum Koppeln bereit ist. Alle Achsen mit Ausgleichssystemen oder BCAAs werden in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht. Das heißt, sie werden ins Gleichgewicht gebracht und in der Elastizitätsgebungs-Ruheposition angeordnet. Die Drücke im Pneumatikzylinder 128 werden dann von der Steuereinheit gemessen und aufgezeichnet. Die Verriegelungen 118 werden dann gelöst und der Testkopf 100 wird gekoppelt. Gemäß des Typs von Kopplungssystem und der Anwendung können die Verriegelungen 118 erneut verriegelt werden oder nicht, wenn der Testkopf 100 endgültig gekoppelt ist. Während der Testkopf 100 gekoppelt ist, überwacht die Steuereinheit kontinuierlich die Drücke in den Pneumatikzylindern 128, vergleicht sie mit den aufgezeichneten Werten und betätigt die Ventile 604, um die Zylinderdrücke im Wesentlichen konstant zu halten. Dies hält eine im Wesentlichen konstante Kraft am Kolben 130 und an der Verbindungsstange 114 aufrecht und hält das System im gewünschten Gleichgewichtszustand. Der Testkopf 100 kann natürlich mit einer elastischen Bewegung, die in einem Gleichgewichtszustand zur Verfügung steht, abgekoppelt werden.
Ob das Kopplungssystem vom verriegelten oder nicht verriegelten Typ ist, bestimmt genauer die Betriebsarten, die zur Verfügung stehen. Eine verriegelte Kopplungsvorrichtung bietet die Alternative zwischen zwei Betriebsarten, wie folgt:

1. Gleichgewicht aufrechterhalten (wie vorstehend beschrieben), wobei die Verriegelungen 118 entriegelt sind, während der Testkopf 110 gekoppelt wird. Das Gleichgewicht und die Gelegenheit für eine elastische Bewegung, wobei die Verriegelungen 118 entriegelt sind, werden während des Entkoppelns bewahrt.
2. Gleichgewicht nicht aufrechterhalten, wobei die Verriegelungen 118 verriegelt sind, während der Testkopf 100 gekoppelt wird. Es bestehen zwei Unteroptionen für das Entkoppeln: a. Das Gleichgewicht wird vor dem Entkoppeln wiederhergestellt und die Gelegenheit für eine elastische Bewegung, wobei die Verriegelungen 118 entriegelt sind, wird während des Entkoppelns bewahrt. a. Das Gleichgewicht wird nicht wiederhergestellt und die Verriegelungen 118 müssen während des Entkoppelns verriegelt gehalten werden. Diese Methode erfordert keine Drucksensoren.

In einem nicht verriegelten Kopplungssystem ist es im Allgemeinen erforderlich, die Verriegelungen 118 zu verriegeln, während der Testkopf 100 gekoppelt wird. Das Gleichgewicht kann vor dem Entkoppeln in Abhängigkeit von dem Bedarf für eine elastische Bewegung wiederhergestellt werden oder nicht.
Es soll der Betrieb in einem System betrachtet werden, das ein verriegeltes, durch einen Aktor angetriebenes Koppeln verwendet. Dies ist derzeit der am umfangreichsten verwendete Typ von System. Eine grundlegende Zwei-Punkt-Kopplungsvorrichtung, wie z. B. im US-Patent Nr. 4 589 815 beschrieben, kann so erweitert werden, dass sie drei oder vier Sätze von Führungsstiften 912, Führungsstiftlöchern 912a und eine Kabelantriebsvorrichtung, wie in 9(a), 9(b) und 12(a) bis (d) gezeigt, umfasst, die vorher beschrieben wurden. Solche Zwei-, Drei- und Vier-Punkt-Kopplungsvorrichtungen werden in der Industrie für diesen Zweck umfangreich verwendet. Obwohl eine solche Vorrichtung manuell durch die Bedienperson betätigt wird, die eine Kraft auf einen Kopplungsgriff 914 ausübt, sind andere Typen von Kopplungsaktoren, einschließlich Motoren, elektrischer oder pneumatischer linearer Aktoren und/oder durch Vakuum betätigter Vorrichtungen, bekannt. Im Allgemeinen wird der Testkopf 100 mit einer Handhabungseinrichtung für gepackte Vorrichtungen, einer Waferprüfsonde oder möglicherweise einer anderen Vorrichtung gekoppelt, die gemeinsam mit dem Begriff Handhabungseinrichtung 1208 oder als "Zielvorrichtung" bezeichnet werden. Der folgenden Sequenz kann zum Koppeln gefolgt werden:
Das System wird vorbereitet, um den Testkopf 100 oder eine Last in eine zum Koppeln bereite Position von einem Startpunkt aus zu manövrieren, der von der Zielvorrichtung entfernt liegt, wie in 15(m) dargestellt.

a. Die elastischen Antriebe und/oder BCAAs auf den horizontalen (Einwärts-Auswärts, Seite-zu-Seite und Schwenken) Achsen werden in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht und ihre Verriegelungen 118 werden verriegelt, wie in Schritt 1620 dargestellt.
b. Die Neigungs- und Gierungs-BCAAs werden in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht und ihre Verriegelungen 118 werden verriegelt, wie in Schritt 1621 dargestellt.
c. Die BCAA im vertikalen Antriebsmechanismus wird in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht (unter Verwendung der Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1) und ihre Verriegelung 118 wird entriegelt, wie in Schritt 1622 dargestellt.
d. Der Testkopf oder die Last 100 wird nun in eine zum Koppeln bereite Position mit der Zielvorrichtung manövriert, wie in Schritt 1623 dargestellt. Dazu steuert die Steuereinheit die Aktoren, um den Testkopf 100 entlang eines Bewegungsweges zu bewegen, um ihn in eine zum Koppeln bereite Position zu bringen. Im Allgemeinen ist dies eine Position, in der Ausrichtungsmechanismen in den zwei Hälften der Kopplungsvorrichtung in unmittelbare Nähe oder anfänglichen Kontakt gelangt sind, aber nicht vollständig in Eingriff stehen. In vielen Typen von Kopplungsvorrichtungen mit Führungsstiften 912 ist dies beispielsweise eine Position, in der die Kopplungsführungsstifte 912 in die Nähe ihrer Gegenkopplungsführungsstiftfassungen 912a in der Zielvorrichtung gelangt sind oder gerade mit ihnen in Eingriff gelangt sind. Die Steuereinheit kann Algorithmen verwenden, um dies zu bewirken, oder eine Bedienperson kann den Prozess unter Verwendung von Druckknöpfen, Steuerhebeln und/oder anderen geeigneten Eingabevorrichtungen in die Steuereinheit führen. Von zum Koppeln bereit bis vollständig gekoppelt
e. Vorbereitung: Alle Achsen des Manipulators mit BCAAs werden erneut ins Gleichgewicht gebracht. Jede BCAA wird der Reihe nach ins Gleichgewicht gebracht, wie in Schritt 1624 dargestellt. Das Ausgleichen einer speziellen BCAA kann das Gleichgewicht irgendeiner anderen BCAA stören. Folglich wird der Prozess wiederholt, bis der Kraftsensor 120 jeder BCAA einen Gleichgewichtszustand angibt. (Typischerweise wird dieses Ziel in drei oder weniger Iterationen und gewöhnlich in zwei Iterationen erreicht.)
f. Wenn Drucksensoren in irgendeine der BCAAs integriert sind, wird der vorliegende Druck von der Steuereinheit gelesen und im Speicher der Steuereinheit für die spätere Verwendung gespeichert, wie in Schritt 1625 dargestellt.
g. Die Verriegelungen 118 werden alle entriegelt, was eine ausgeglichene elastische Bewegung in allen Achsen ermöglicht, wie in Schritt 1626 festgestellt. (Es ist zu beachten, dass durch die Konstruktion die Kupplung des Wälzachsenmotors automatisch ausgekuppelt wird, sobald der Motor nicht betätigt wird und die Wälzachse nicht angetrieben wird, wie in der US-Patentanmeldung 09/646 072 von Holt et al. beschrieben. Der Testkopf 100 oder die Last befindet sich nun in einem ausgeglichenen elastischen Zustand und kann durch externe Mittel mit einer Kraft von typischerweise weniger als 25 bis 30 Pfund manövriert werden.
h. Der Testkopf 100 wird weiter in eine zum Betätigen bereite Position manövriert. Dies ist eine Gesamtbewegung von typischerweise weniger als einem Inch und das Manövrieren kann und wird typischerweise manuell durchgeführt. In einem raffinierteren System kann jedoch die Steuereinheit (nicht dargestellt) verwendet werden, um den Testkopf 100 in diese zum Betätigen bereite Position zu drängen. Dazu drängt die Steuereinheit den Testkopf 100 entlang eines geradlinigen Weges, der zur Ebene der elektrischen Schnittstelle 1228 der Handhabungseinrichtung (oder einer anderen Zielvorrichtung) senkrecht ist. Die entsprechende Achse oder die entsprechenden Achsen für die Bewegung wird oder werden ausgewählt (vertikal für horizontales Koppeln, Einwärts-Auswärts oder Seite zu Seite für Koppeln in der vertikalen Ebene oder eine Kombination von vertikalem und Einwärts-Auswärts- oder Seite zu Seite für geneigtes Koppeln), die Verriegelung(en) 118 wird (werden) verriegelt und der (die) Aktor(en) wird (werden) verwendet, um den Testkopf 100 in die Position zu drängen, weshalb die Verriegelungen 118 wieder entriegelt werden. (Die anderen Achsen werden entriegelt gelassen, um die erforderliche elastische Bewegung zu ermöglichen, und dies ermöglicht, dass der Testkopf 100 ausgerichtet wird, wie vorstehend beschrieben.)
i. Der Kopplungsaktor wird nun aktiviert, was den Testkopf 100 in eine vollständig gekoppelte Position mit der Zielvorrichtung 1201 zieht, wie in Schritt 1628 dargestellt. In einer manuell betätigten Kopplungsvorrichtung, wie z. B. der in 9(a) gezeigten Kopplungsvorrichtung, wird dies durch Ausüben einer Kraft auf den Kopplungsgriff 914 bewerkstelligt, was bewirkt, dass sich der Kopplungsnocken 910 in 9(a) oder die Kabelantriebsvorrichtung (Teil der Einheit 914) in 12(a) dreht. In Kopplungsvorrichtungen mit mit Leistung versorgten Aktoren wird dies durch geeignetes Erregen des Aktors durchgeführt. Wenn der Testkopf 100 in die endgültige gekoppelte Position gezogen wird, kann er sich frei elastisch in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden bewegen. Falls erwünscht, obwohl dies nicht immer bevorzugt ist, können die Verriegelungen 118 von ausgewählten Achsen in Eingriff gebracht werden, um die elastische Bewegung in entsprechenden Freiheitsgraden einzuschränken.

Die Konstruktion des Kopplungsmechanismus ist typischerweise derart, dass der Testkopf 100 effektiv an der Stelle verriegelt wird, wenn der Kopplungsaktor seine vollständig gekoppelte Grenze erreicht hat. Folglich ist der Testkopf 100 nun vollständig gekoppelt, in der Position verriegelt und mechanisch zum Testen von Vorrichtungen bereit.
Der Betrieb in einem von einem Manipulator angetriebenen System mit der nicht verriegelten Kopplung wird nun betrachtet. In einem solchen System muss der Manipulator die zum Koppeln gehörenden Kräfte überwinden. Diese Kräfte entstehen typischerweise durch den Bedarf, Hunderte oder Tausende von entsprechenden Kontakten in elektrischen Verbindungssteckern zu koppeln. Wenn jeder solche Pogostift oder Kontakt ein paar Gramm oder Unzen Kraft erfordert, werden häufig Gesamtkopplungskräfte von einigen hundert Pfund angetroffen. Für das durch einen Manipulator angetriebene Koppeln müssen die beim Koppeln verwendeten Manipulator-Antriebsmechanismen in der Lage sein, die Kopplungskräfte zusätzlich zu den Kräften, die erforderlich sind, um den Testkopf oder die Last 100 im freien Raum zu bewegen, zu überwinden. Wenn die angetriebenen Achsen im Gleichgewicht sind, werden die Antriebskräfte verringert.
Die Verwendung von BCAA-Mechanismen in Achsen, die beim durch einen Manipulator angetriebenen Koppeln angetriebene Achsen sind, ist vorteilhaft. Erstens kann der Aktor, der die Achse antreibt, typischerweise leicht so bemessen werden, dass er eine ausreichende Antriebsfähigkeit besitzt, um die Kopplungskräfte zusätzlich zu den Kräften, die erforderlich sind, um den Testkopf oder die Last 100 zu manövrieren, zu überwinden. Wenn die fragliche Achse so ausgelegt ist, dass sie in einem Gleichgewichtszustand manövriert werden kann, wobei die Verriegelung 118 entriegelt ist, kann auch der Relativpositionssensor verwendet werden, um das Treffen auf Behinderungen oder Hindernisse zu erfassen (siehe beispielsweise die Erörterung von 10(a) bis 10(f). Außerdem kann der Kraftsensor 120 verwendet werden, um das Treffen auf Hindernisse und Behinderungen in Fällen zu erfassen, in denen der Testkopf 100 oder das Manövrieren durchgeführt wird, wenn die Verriegelung 118 verriegelt ist.
Es soll daran erinnert werden, dass beim durch einen Aktor angetriebenen Koppeln es typisch ist, dass die Kopplungsvorrichtung mit Führungsstiften 912 auf einer Seite und Gegenführungslöchern 912a auf der anderen Seite ausgestattet ist, um den Testkopf 100 in die Ausrichtung auf die Teststelle der Vorrichtungshandhabungseinrichtung (1208 in 12(a)) oder Prüfsonde zu führen. Zwei Führungsstifte 912, die in zwei eng passende Löcher 912a passen, sehen eine Ausrichtung in fünf räumlichen Freiheitsgraden vor, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Länge des Stifts 912 und Tiefe des Lochs 912a vorliegt. Wenn die gekoppelten Oberflächen planar sind, umfassen diese Freiheitsgrade X, Y und Theta in der Ebene und Neigung und Wälzung in Bezug auf die Ebene. Der restliche Freiheitsgrad ist der senkrechte Abstand zwischen den zwei Ebenen, der durch den Kopplungsaktormechanismus gesteuert wird. Dieses Verfahren kann auch beim durch einen Manipulator angetriebenen Koppeln verwendet werden; andere Verfahren sind jedoch auch bekannt, wie z. B. das im vorher erörterten [Graham et al.] offenbarte.
Eine Prozedur für das durch einen Manipulator angetriebene Koppeln wird nachstehend umrissen und ist in einem Ablaufplan in 15(n) dargestellt. Diese Prozedur folgt der allgemeinen Form der vorherigen Prozedur zum durch einen Aktor angetriebenen Koppeln.

1) Das System wird vorbereitet, um den Testkopf oder die Last 100 in eine zum Koppeln bereite Position von einem Startpunkt aus zu manövrieren, der von der Zielvorrichtung entfernt liegt. a) Die elastischen Antriebe und/oder BCAAs auf den horizontalen (Einwärts-Auswärts, Seite zu Seite und Schwenkung) Achsen werden in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht und ihre Verriegelungen 118 werden verriegelt, wie in Schritt 1630 dargestellt. b) Die Neigungs- und Gierungs-BCAAs werden in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht und ihre Verriegelungen 118 werden verriegelt, wie in Schritt 1631 dargestellt. c) Die BCAA im vertikalen Antriebsmechanismus wird in einen Elastizitätsgebungs-Bereitzustand gebracht (unter Verwendung der Elastizitätsgebungs-Bereitsequenz 1) und ihre Verriegelung 118 wird entriegelt, wie in Schritt 1632 dargestellt.
2) Der Testkopf oder die Last 100 wird nun in eine zum Koppeln bereite Position mit der Zielvorrichtung manövriert, wie in Schritt 1633 dargestellt. Dazu steuert die Steuereinheit die Aktoren, um den Testkopf 100 entlang eines Bewegungsweges zu bewegen, um ihn in eine zum Koppeln bereite Position zu bringen, in der die Kopplungsvorrichtungen der zwei Hälften in die Nähe ihrer Gegenstücke gelangt sind oder gerade mit diesen in Eingriff gelangt sind. Die Steuereinheit kann Algorithmen verwenden, um dies durchzuführen, oder eine Bedienperson kann den Prozess unter Verwendung von Drucktasten, Steuerhebeln und/oder anderen geeigneten Eingabevorrichtungen in die Steuereinheit führen.
3) Von zum Koppeln bereit bis vollständig gekoppelt a) Vorbereitung: Alle Achsen des Manipulators mit BCAAs werden erneut ins Gleichgewicht gebracht. Jede BCAA wird der Reihe nach ins Gleichgewicht gebracht, wie in Schritt 1634 dargestellt. Das Ausgleichen einer speziellen BCAA kann das Gleichgewicht irgendeiner anderen BCAA stören. Folglich wird der Prozess wiederholt, bis der Kraftsensor jeder BCAA einen Gleichgewichtszustand angibt. (Typischerweise wird dieses Ziel in drei oder weniger Iterationen und gewöhnlich in zwei Iterationen erreicht.) b) Wenn Drucksensoren in irgendeiner der BCAAs enthalten sind, wird der vorliegende Druck von der Steuereinheit gelesen und im Speicher der Steuereinheit für die spätere Verwendung gespeichert, wie in Schritt 1635 dargestellt. c) Die Achsen, die angetrieben und gesteuert werden, werden bestimmt, wie in Schritt 1636 dargestellt. Diese können durch die Konstruktion in anwendungsspezifischen Anlagen vorbestimmt werden, aber in einer allgemeinen Situation bestimmt sie die Anlage, mit der der Testkopf 100 gekoppelt wird. Typischerweise ermöglichen die ausgewählten Achsen zumindest eine Bewegung entlang eines Weges, der zur Kopplungsebene der Handhabungseinrichtung oder Prüfsonde senkrecht ist, welcher horizontal, vertikal oder in einem Winkel zur Horizontalen geneigt sein kann. In bestimmten Anwendungen könnte es auch erwünscht sein, Achsen anzutreiben und zu steuern, die die Planarisierung der zwei zusammengebrachten Oberflächen bewirken. d) Die Verriegelungen 118 in den nicht angetriebenen und nicht gesteuerten Achsen werden alle entriegelt, was eine ausgeglichene elastische Bewegung in diesen Achsen ermöglicht, während in die vollständig gekoppelte Position bewegt wird, wie in Schritt 1637 dargestellt. Die Verriegelungen 118 der Achsen, die angetrieben und gesteuert werden, werden in einem verriegelten Zustand gehalten. (Es ist zu beachten, dass durch die Konstruktion die Kupplung des Wälzachsenmotors automatisch ausgekuppelt wird, sobald der Motor nicht betätigt wird und die Wälzachse nicht angetrieben wird, wie in der US-Patentanmeldung 09/646 072 von Holt et al. beschrieben. (Es ist auch zu beachten, dass, wenn die Wälzachse als Teil der Kopplungsbewegung angetrieben werden soll, sie dann mit einem Mittel ausgestattet sein muss, um einen nicht hinsichtlich des Drehmoment begrenzten Betrieb zu ermöglichen, wie vorstehend beschrieben.) Der Testkopf oder die Last 100 befindet sich nun einem ausgeglichenen elastischen Zustand. e) Der Testkopf 100 wird weiter in eine Position einer anfänglichen Ausrichtung manövriert, wie durch Sensoren und/oder das teilweise Einfügen von verjüngten Führungsstiften 912 in Führungsstiftfassungen 912a bestimmt, wie in Schritt 1638 dargestellt. Dabei wird der Testkopf 100 auf innerhalb einiger Tausendstel eines Inch und innerhalb ungefähr eines Grades von Planarität mit der Zielvorrichtung ausgerichtet. Dies ist eine Gesamtbewegung von typischerweise weniger als einem Inch und in einem durch einen Manipulator angetriebenen System wird das Manövrieren typischerweise unter Verwendung der Steuereinheit zum Drängen des Testkopfs 100 in diese anfängliche Ausrichtungsposition durchgeführt. Dazu drängt die Steuereinheit den Testkopf 100 entlang eines geradlinigen Weges, der zur Ebene der Kopplungsfläche an der Zielvorrichtung senkrecht ist. Wenn andere Achsen als die in Schritt 2)c) vorstehend ausgewählten Achsen in diesem Schritt verwendet werden, dann müssen sie vor der Bewegung verriegelt und nach der Bewegung wieder entriegelt werden (Die anderen Achsen werden entriegelt gelassen, um die erforderliche Elastizitätsgebung zu ermöglichen). f) Der Testkopf 100 wird in eine vollständig gekoppelte Position mit der Zielvorrichtung angetrieben, wie in Schritt 1639 dargestellt. Die in Schritt 1636 vorstehend ausgewählten Achsen werden durch die Systemsteuereinheit angetrieben und gesteuert, um den Testkopf 100 entlang eines geeigneten Weges in seine vollständig gekoppelte Position zu bewegen. Wenn der Testkopf 100 in die endgültige gekoppelte Position angetrieben wird, kann er sich frei elastisch in allen nicht ausgewählten Achsen bewegen. Falls erwünscht, können jedoch die Verriegelungen 118 von bestimmten nicht ausgewählten Achsen in Eingriff gebracht werden, um die elastische Bewegung in entsprechenden Freiheitsgraden einzuschränken; dies ist jedoch im Allgemeinen keine bevorzugte Betriebsart. Wenn diese Bewegung stattfindet, werden entsprechende Positionssensoren überwacht. Als Minimum müssen einer oder mehrere Positionssensoren signalisieren, wenn der Testkopf 100 in seiner vollständig gekoppelten Position angekommen ist. Andere Sensoren können verwendet werden, falls erforderlich, um die Ausrichtung und Planarisierung des Testkopfs 100 aufrechtzuerhalten und zu verbessern, wenn er in die gekoppelte Position bewegt wird, vorausgesetzt, dass geeignete Achsen während der Prozedur angetrieben und gesteuert werden.
4) Die angetriebenen Achsen (vorstehend in 1636 ausgewählt) werden in einem vollständig verriegelten Zustand gestoppt und gehalten, wenn der Testkopf 100 vollständig gekoppelt ist, wie in Schritt 1640 dargestellt. Sie müssen während des anschließenden Testens und der Verwendung des Testkopfs 100 in diesem Zustand bleiben, wenn nicht ein Verriegelungsmechanismus in den Kopplungsbaueinheiten vorgesehen ist, um den Testkopf 100 in seiner verriegelten Position zu halten. Eine solche Verriegelung könnte durch die Steuereinheit gesteuert werden und bei dem Signal, das angibt, dass die gekoppelte Position erreicht wurde, aktiviert werden.

Alternative Verfahren zum Aufrechterhalten der gekoppelten Position des Testkopfs mit der Testkopfvorrichtung umfassen das Verriegeln oder nicht Verriegeln von einigen oder allen der Manipulator-Bewegungsachsen. Ein zusätzliches Verfahren ist das Aufrechterhalten des Gleichgewichtszustandes des Testkopfs 100 durch Überwachen und Aufrechterhalten der Drücke in den Zylindern 128 der BCAAs.
In den Verfahren zum Koppeln werden zwei Zwischenpositionen des Testkopfs 100 in jedem Fall identifiziert: bereit zum Koppeln in beiden Fällen und bereit zum Betätigen beim durch einen Aktor angetriebenen Koppeln und die entsprechende Position der anfänglichen Ausrichtung beim durch einen Manipulator angetriebenen Koppeln. In bestimmen Fällen können die zwei Zwischenpositionen ein und dieselbe sein. In bestimmten Kopplungsvorrichtungen können auch mechanische Fangvorrichtungen verwendet werden, um den Testkopf 100 in einer oder beiden dieser Zwischenvorrichtungen einzufangen und zu halten. Diese Fangvorrichtungen verhindern, wenn sie aktiviert werden, dass sich der Testkopf 100 von der erhaltenen Kopplungsposition wegbewegt, ermöglichen jedoch, dass er sich in die nächste Kopplungsposition bewegt. Die Verwendung dieser Fangvorrichtungen verbessert vielmehr die obigen Verfahren, als dass sie neue Verfahren erzeugt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hierin gezeigt und beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, dass solche Ausführungsformen nur als Beispiel bereitgestellt werden.

Claims

Vorrichtung zum Unterstützen einer Last (100), wobei die Vorrichtung umfasst: eine Unterstützungsstruktur, um die Last (100) zu unterstützen; eine Antriebseinheit, um die Unterstützungsstruktur in einer Richtung anzutreiben; eine Elastizitätsgebungseinheit (140), um einen Bewegungsbereich für die Unterstützungsstruktur zu schaffen, wobei die Antriebseinheit als Folge davon, dass die Antriebseinheit die Unterstützungsstruktur antreibt, den Ort des Bewegungsbereichs ändert; und eine Verriegelung (118), um eine Position der Last (100) an einem Punkt innerhalb des Bewegungsbereichs zu halten, wenn die Verriegelung (118) in einem verriegelten Zustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elastizitätsgebungseinheit (140) an jedem Ende des Bewegungsbereichs einen Anschlag umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Antriebseinheit mit Leistung versorgt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Position der Last (100) innerhalb des Bewegungsbereichs dadurch geändert werden kann, dass eine Gleitreibung der Last (100) überwunden wird, wenn die Verriegelung (118) in einem nicht verriegelten Zustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Richtung in einer horizontalen Ebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Bewegungsbereich auf die Antriebseinheit bezogen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elastizitätsgebungseinheit ein Hydraulikzylinder (140) ist und der Bewegungsbereich durch einen Hub eines in dem Hydraulikzylinder (140) enthaltenen Kolbens (144) definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Hydraulikzylinder (140) einen ersten Anschluss (154) auf einer Seite des Kolbens (144), einen zweiten Anschluss (154) auf einer zweiten Seite des Kolbens (144) und ein Rohr (152), das den ersten Anschluss (154) und den zweiten Anschluss (154) verbindet, umfasst, wobei der Zylinder (140) ein nicht komprimierbares Fluid enthält, das durch das Rohr (152) zwischen dem ersten Anschluss (154) und dem zweiten Anschluss (154) strömt, und die Bewegung der Unterstützungsstruktur eine Fluidströmung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zur Folge hat.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Rohr (152) ein Ventil (142) aufweist, das die Fluidströmung zwischen dem ersten Anschluss (154) und dem zweiten Anschluss (154) blockiert, wenn das Ventil (142) in einem geschlossenen Zustand ist, wobei die blockierte Fluidströmung eine Stellung der Unterstützungsstruktur relativ zu einer Position der Elastizitätsgebungseinheit (140) aufrecht erhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elastizitätsgebungseinheit (140) einen ersten Aktor, der mit der Unterstützungsstruktur gekoppelt ist, und einen zweiten Aktor, der mit der Unterstützungsstruktur gekoppelt ist, umfasst, wobei die Betätigung des ersten Aktors und/oder des zweiten Aktors den Bewegungsbereich ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Elastizitätsgebungseinheit ferner eine Elastizitätsgebungswelle, die mit der Antriebseinheit gekoppelt ist, und einen Elastizitätsgebungsanschlag, der mit der Elastizitätsgebungswelle gekoppelt ist, umfasst, wodurch die Antriebseinheit, die die Elastizitätsgebungswelle antreibt, eine Position des Elastizitätsgebungsanschlags innerhalb des Bewegungsbereichs ändert, wobei der Bewegungsbereich durch eine Position des ersten Aktors und des zweiten Aktors begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Antriebseinheit den Elastizitätsgebungsanschlag in einer ersten Richtung zu dem ersten Aktor antreibt, die Antriebseinheit den Elastizitätsgebungsanschlag in einer zweiten Richtung zu dem zweiten Aktor antreibt, die Antriebseinheit die Unterstützungsstruktur in der ersten Richtung antreibt, wenn der Elastizitätsgebungsanschlag mit dem ersten Aktor in Kontakt ist, und die Antriebseinheit die Unterstützungsstruktur in der zweiten Richtung antreibt, wenn die Elastizitätsgebungswelle mit dem zweiten Aktor in Kontakt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Antriebseinheit mit der Verriegelung gekoppelt ist, so dass die Antriebseinheit die Verriegelung innerhalb des Bewegungsbereichs antreibt, wenn die Verriegelung in einem nicht verriegelten Zustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen Kraftsensor (120), der eine von der Last (100) empfangene Kraft detektiert, wobei die aus der Last (100) resultierende Kraft in Bezug auf eine Achse der Last (100) im Ungleichgewicht ist; und eine Kraftquelle (128), um eine Gegenkraft relativ zu der Last (100) in Reaktion auf die durch den Kraftsensor (120) detektierte Kraft zu schaffen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elastizitätsgebungseinheit umfasst: einen Aktor, um die Unterstützungsstruktur in einer Richtung anzutreiben, wobei der Aktor als Folge davon, dass der Aktor die Unterstützungsstruktur antreibt, wenn die Verriegelung in einem verriegelten Zustand ist, den Ort des Bewegungsbereichs ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Elastizitätsgebungseinheit (140) an jedem Ende des Bewegungsbereichs einen Anschlag aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Aktor mit Leistung versorgt wird.