专利名称：测试头对接系统及方法
技术领域：
本发明涉及电子测试头对接的领域，更具体而言是涉及用于利用由一个或多个用 于对接致动的致动器驱动的凸轮进行的测试头对接的方法和设备。
背景技术：
在制造集成电路(ICs)和其它电子器件时，使用自动测试设备(ATE)在整个制造 过程的一个或多个步骤中进行测试。使用专用处理设备将待测试的器件安置就位以进行测 试。在某些情况下，当器件被测试时，该专用处理设备还可以使待测试的器件处于适当的温 度和/或保持适当的温度。该专用处理设备具有多种类型，包括用于测试晶片上的无封装 器件的“探针”以及用于测试封装部分的“器件处理装置”；在本文中，术语“处理设备”或“外 围设备”是用来表示各种类型的这类设备。电子测试本身是由大型且昂贵的ATE系统来执 行的，该ATE系统包括需要与处理设备连接和对接的测试头。被测器件(DUT)需要精确、高 速的信号以便进行有效的测试；因此，在ATE内的用于测试DUT的“测试电子元件”通常设于 必须尽可能靠近DUT设置的测试头中。测试头非常沉重，并且随着DUTs因电连接数量的增 多而变得越来越复杂，测试头的尺寸和重量从几百磅增长到目前的两千到三千磅。测试头 通常通过电缆连接到ATE的固定的主机，该电缆提供了信号、接地以及电力的传导路径。另 外，测试头可能需要被提供液体冷却剂，该液态冷却剂通过柔性管道供给到测试头，该柔性 管道通常被捆扎在电缆中。此外，某些现代的测试头是通过经由柔性管道吹入的空气或液 态冷却剂和空气的结合而冷却的。在过去，测试系统通常包括主机，用以容置供电装置、控 制器计算机等。在测试头中包含有将主机电子设备耦接于“引脚电子设备”的电缆。目前， 一些现代的系统将几乎所有的电子元件设置在可移动的测试头中，同时主机仍可被用来容 置冷却设备、电源等。在测试复杂的器件时，在测试头与DUT之间必须要设置数百到数千个电连接。这 些连接是由许多精细、密集并且相互隔开的触点来实现。在测试晶片上的无封装器件时，通 常由安装在探针卡上的针状的探针来实现与DUT的实际连接。在测试封装器件时，通常使 用安装在“DUT板”上的测试用插座。无论是测试无封装器件还是封装器件的情况，探针板 或DUT板通常被适当地固定到处理设备，由此使多个DUTs中的每一者依次地处于进行测试 的位置。无论是测试无封装器件还是封装器件的情况，探针板或DUT板还提供连接点，测试 头可通过这些连接点实现相应的电连接。测试头通常配备有接口单元(interface unit), 该接口单元包括用于实现与探针板或DUT板连接的触点元件。触点元件通常为弹簧加载的 “伸缩插脚”。总之，这种触点非常纤弱和精细，因而必须受到保护以免被损坏。可使用测试头操纵器来相对于处理设备操纵该测试头。这种操纵可跨越大约一米 或更高的量级的相对较大的距离。这样设置的目标是使得能够从一个处理设备迅速地转变 到另一处理设备、或者能够将测试头移离当前的处理设备以便维护和/或更换接口部件。 当测试头被保持在相对于处理设备的适当位置，使得测试头与探针板或DUT板之间的所有 的连接都已完成时，测试头称作“对接”到处理设备。为了成功地实现对接，测试头必须在相对于笛卡儿坐标系统的六个自由度上精确定位。最经常的是，使用测试头操纵器来操控测 试头到达位于对接位置的大约几厘米的范围内的粗略对准的第一位置，随后使用“对接设 备”完成最终的精确定位。通常，对接设备的一部分设置在测试头上，而其余部分设置在处 理设备上。由于一个测试头可用于多个处理设备，所以通常优选的是使对接设备的较昂贵 的部分设置在测试头上。对接设备可包括将待对接的两部分组合在一起的致动机构，由此 使测试头对接，这被称作“致动器驱动”的对接。对接设备或“对接”具有多个重要功能，包 括(1)将测试头与处理设备对准，(2)使测试头和处理设备组合在一起，然后将两者分离， (3)提供电接触的预对准保护，以及(4)将测试头和处理设备锁定和保持在一起。根据inTEST手册(第5版 1996，inTEST Corporation)，“测试头定位”是指“测试 头易于移动到处理设备”与“测试头和处理设备的精确对准”两者的结合，这是成功实现对 接和分离所需要的。测试头操纵器也可称作测试头定位器。与适合的对接装置相结合的测 试头操纵器执行测试头定位。这种技术例如在美国专利5，608，334,5, 450，766,5, 030, 869、 4，893，074,4, 715，574以及4，589，815中均有描述，鉴于这些专利在测试头定位系统领域 所做的教示，现将其全部内容通过援引方式纳入本文。先前的专利主要涉及致动器驱动的 对接。通过单个对接设备同时实现在相对大的距离上操纵测试头以及最终精确对接的测试 头定位系统也是公知的。例如，Holt等人的美国专利6，057，695以及Graham等人的美国 专利5，900, 373和5，600, 258 (全部以援引方式纳入本文)描述了一种定位系统，其中对接 是通过“操纵器驱动”而非“致动器驱动”来进行的。然而，致动器驱动的系统的使用更为 广泛，而本发明致力于驱动器驱动的系统。在典型的致动器驱动的定位系统中，操作者控制操纵器的移动以操纵测试头从一 个位置移到另一位置。这可以通过操作者直接施力于定位系统中的测试头来手动地完成对 接，在定位系统中，测试头在其运动轴线上完全地平衡，或者可使用由操作者直接控制的致 动器完成对接。在若干定位系统中，通过将沿一些轴线的直接手动力与通过沿其它轴线上 的致动器相结合来操纵测试头。为将测试头与处理设备对接，操作者必须首先操纵测试头到达“准备对接”位置， 该位置接近最终对接位置并与该最终对接位置大致对准。继续操纵测试头直到测试头到达 “准备动作”位置，在准备动作位置中，对接致动器能够控制对测试头的运动。随后致动器能 够将测试头牵拉到最终的完全对接位置。在该过程中，通过各种对准特征来提供测试头的 最终对准。对接操作可利用两组或多组不同类型的对准特征来提供从初始对接到最终对接 的不同的对准阶段。通常优选地，在纤弱的电触点进行机械接触之前测试头在5个自由度 上对准。随后，可迫使测试头沿相应于与接口的平面(通常为探针板或DUT板的平面)垂 直的第6自由度进行直线运动；在不发生可能损坏触点的任何侧部刮擦或力的情况下来进 行连接。在对接致动器工作时，如果并不是沿测试头的所有的轴线都能够进行最终对准 和定位，则测试头通常能够顺从地沿几个轴线移动。对于操纵器的被适当平衡但并非致 动器驱动的轴线，则不会成为问题。然而，致动器驱动轴线通常需要在其中设置从动机构 (compliance mechanism)。在Slocum等人的美国专利5，931，048以及Alden的美国专利 5，949，002中描述了一些典型的实例。普通的从动机构(特别是对于非水平的不平衡的轴 线)包含弹簧状机构，这种机构除了从动特性以外还加入了一定量的弹性或“回弹力”。而
5且，连接测试头与ATE主机的电缆也是弹性的。当操作者尝试操纵测试头大致对准并到达 可被对接机构捕获的位置时，操作者必须克服定位系统的弹性，这在测试头非常大和非常 沉重的情况下通�？赡芎芾�。而且，如果操作者在对接机构被适当接合之前释放施加到 测试头的力，则从动机构的弹性会导致测试头移离对接位置。此情况有时被称作回弹效应。Smith的美国专利4，589，815披露了一种现有技术的对接机构。该美国专利 4，589，815中，如图5A、图5B、图5C中所示的对接机构使用两个导引销和导引孔的组合来提 供最终的对准并使用两个圆形凸轮。当通过附连到凸轮的手柄来转动凸轮时，对接的两个 半部被拉拽到一起，并且导引销完全地插入到与之相配的孔中。缆线(wire cable)将两个 凸轮连接以使它们同步转动。缆线的配置允许通过将力施加到两个手柄中的一个或另一个 上来操纵对接。因此，在这种情况中，手柄作为对接致动器。随着测试头变得更为庞大，美国专利4，589，815的基本构想已发展成为具有三组 或四组导引销并且通过缆线相连接的圆形凸轮的更大的对接。本申请的图1A、图1B、图IC 示出了作为现有技术的具有四个导引销和孔的组合以及四个圆形凸轮的对接设备，稍后将 更详细地描述这种对接设备。尽管这种四点对接结构使得致动器手柄附连到四个凸轮中的 每一个上，但所示的对接包含操纵缆线驱动器的单个致动器手柄。当通过手柄使缆线驱动 器旋转时，缆线被移动而使四个凸轮以同步的方式转动。这种设置将单个致动器手柄设于 方便操作者操作的位置。而且，通过适当地调节凸轮直径与缆线驱动器直径的比率，可获得 更大的机械效益。美国专利5，654，631和5，744，974中所述的对接设备利用导引销和导引孔来对准 两个半部。然而，对接设备由真空器件驱动，当施加真空时真空器件迫使两个半部靠拢。只 要维持真空，两个半部就会保持锁定在一起。然而，真空器件能够产生的力的大小局限于大 气压乘以有效面积。因此，这些对接设备的应用受到局限。美国专禾Ij 5，821，764,5, 982，182和6，104，202中披露的对接设备使用其它方法 (运动学联接)来提供两个半部之间的最终对准。也可使用粗定位销来实现最终对准。粗 定位销可设有捕获机构，该捕获机构使导引销保持在导引孔中并且防止导引销脱离。在美 国专利5，821，764和6，104，202中，捕获机构表现为自动地；而在美国专利5，982，182中， 三个粗定位销均利用马达驱动的器件。而且，在美国专利5，982，182中，三个马达可分别运 转以提供待对接的部件之间的平面性。在这三个美国专利中，最终通过线性致动器使两个 半部拉拽在一起。还披露了气动型式的线性致动器，在该气动型式的致动器中，必须使用另 一机构提供充分的预对准以防止损坏纤弱的电触点。为此，需要使用上述的粗定位销，由此 提高了总成本和复杂性。由此，设置两组对准特征，即(1)粗定位销和孔的组合，(2)关节 联接。先前已描述、并且也将在下文描述的凸轮驱动的对接结合了借助角撑板和凸轮实现 的预对准、借助导引销和容纳部实现的精确对准以及借助凸轮和凸轮随动件实现的机械效 益和机械锁定(三组简单的机构)。当驱动大型测试头的对接时，期望保留这种简单的被证 实的技术。更具体而言，关于关节联接，美国专利5，982，182披露了球和球窝的组合，，这种 组合由于实现了形成动力学联接所需的部分接触而被称作“运动学接触”。由于凹槽实现 了在一个点的接触，因此凹槽的每侧被称作“运动学表面”。由于球仅在一个点上与该动 力学表面接触，因此球被称作“运动学配合表面”。为满足运动学联接的操作，美国专利5，982，182表示不一定必须使用凹槽来形成运动学表面。也可使用其它的形状，例如尖拱 形。而且，不一定必须使用球作为关节配合表面。可使用其它的形状，诸如与一表面在一个 点上接触的锥体顶端。同样地，运动学接触不一定必须包括两个运动学表面。其它适合的 运动学接触的实例为球压靠平坦表面(每次接触同一个动力学表面)；球压靠四面体(每 次接触三个运动学表面)或者球压靠三个球(每次接触三个运动学表面)。可在一个运动 学联接中使用不同类型的接触，只要总共具有6个动力学表面即可。这里选择性地描述了图IA至图ID所示的现有技术的对接设备的结构和操作的细 节。本说明书包括美国专利4，589，815所述的较早的对接设备的多个方面，该美国专利以 援引方式纳入本文。图IA示出了保持在支架(cradle) 190上的测试头100的立体图，支架190则由测 试头操纵器(图未示)支撑。图IA还示出了处理设备108的局部视图，测试头100可与该处 理设备108对接。图IB示出了以稍许比例放大并且更详细的电子器件处理设备108(在该 具体的实例中，处理设备为封装的电子器件处理设备，测试头从下方对接到该处理设备)。 简要地参照图IC的截面图，可看到测试头100具有电接口 126，处理设备108具有相应的电 接口 128。电接口 1 和1 通常具有数百或数千个细小、纤弱的电触点(图未示)，当测 试头被最终对接时，这些电触点必须以可靠地对应于各自的电连接的方式精密地接合。如 在该示例的情况中所示的，处理设备108的下表面包含处理设备电接口 128，测试头100通 常通过自下而上的运动来与之对接。其它可能的和已知的取向包括但不限于通过向下的 运动与上表面对接；通过水平的运动与竖直的平面对接；以及对接到与水平和竖直方向成 角度的平面。返回参照图IA和图1B，其示出了整个四点对接设备；该对接设备的一部分附连到 处理设备108或者附连到测试头100。面板106附连到测试头100。四个导引销112附连 到面板106的四个角部并设置在四个角部的附近。面板106具有中心开口并附连到测试头 100以使得测试头电接口 126(图IA和图IB中未示出)穿过该开口突出，导引销112限定 了 一个大致的矩形，该矩形具有与电接口 1沈大体共同的中心。角撑板114附连到处理设备108的下表面。角撑板114具有中心开口并附连到处 理设备108以使处理设备电接口 1 穿过该开口突出。四个角撑部116附连到角撑板114， 角撑部分别设置在角撑板的四个角部附近。每个角撑部116具有钻设于其上的导引销容纳 部或导引销孔11加。每个导引销孔11 与各个导引销112相对应。这些导引销孔被设置 成使得当测试头完全对接时每个导引销112完全地插入到其相应的导引销孔11 中。每 个导引销112与其相应的导引销孔11 的配合为紧配合。因此，通过导引销112和导引销 孔11 使测试头100与处理设备108之间对准。四个对接凸轮110可转动地附连到面板106。凸轮110为圆形凸轮并类似于美国 专利4，589，815中描述的凸轮。具体而言，每个凸轮具有围绕其圆周的侧部螺旋槽129，并 且其上表面具有上部切口 125。每个对接凸轮110靠近相应的导引销112设置，使得对接凸 轮大体居中地设置于大致从测试头电接口 126的中央经过各个导引销112延伸的直线上， 使导引销112位于凸轮110与测试头电接口 1 之间。角撑部116和角撑板114的角部具 有圆形切口，使得当测试头完全插入到角撑部中的导引销孔11 中时，每个凸轮110的圆 周邻接各自的角撑部116中的圆形切口并与该圆形切口同心。当首先将测试头100操纵到达与处理设备108进行对接的位置时，这种配置提供了对接部件之间的初始粗略对准。还 可通过将导引销112的锥形端部插入其相应的容纳部11 中来实现初始粗略对准。角撑部 116、凸轮110以及导引销112被设置成使处理设备电接口 1 与测试头电接口 126(图IA 和图IB中未示出)保持分离，直到导引销112被实际地容纳于其相应的导引销孔112中。 由此，为电触点提供了预对准保护。因此，提供了两组对准特征，S卩(1)角撑部116相对于凸轮110的配合，以及⑵ 导引销112和容纳部112a的组合。并且，附连有对接手柄135的圆形缆线驱动部132可转动地附连到面板106。对接 缆线115附连到每个凸轮110并附连到缆线驱动器132。滑轮137适当地引导缆线往返于 缆线驱动件132的路径。可通过施力于手柄135来使缆线驱动器132转动。当缆线驱动器 132转动时，将力传递到缆线115，缆线115则使凸轮110同步地转动。从每个角撑部116的圆形切口中延伸的是凸轮随动件111。凸轮随动件111配合 到各个凸轮110的上表面的上部切口中。图IC示出了在测试头100和处理设备108的对接 过程中的一个阶段的截面图。此处，导引销112部分地插入到角撑板116的导引销孔11 中。在该示例的情况中，导引销112的远端呈锥形，并且导引销112在较靠近其与面板106 的附连点的位置处具有恒定的直径。在图IC中，导引销112插入到导引销孔11 中并到 达使恒定直径的区域刚好进入到导引销孔11 中的位置。同样在图IC中，每个凸轮随动 件111插入到各个凸轮110的上表面的上部切口 125中并到达位于螺旋凸轮凹槽129的最 上端的深度。在这种配置下，通过施力于手柄135(图IC中未示出)并使凸轮110转动来 准备致动。因此，这种配置可称作“准备致动”位置。重要的是，注意在该位置中已完成了 五个自由度的对准。具体而言，如果处理设备电接口 1 的平面是三维接口的X-Y平面，则 整个直径插入到容纳部中的导引销112实现了 X、Y、Z对准。此外，通过将凸轮随动件111 完全插入到所有的切口 125中，实现了处理设备电接口 1 与测试头电接口 1 之间的平 面化。图ID示出了充分转动凸轮110得到的最终状态的截面图。测试头100此时与处 理设备108 “完全对接”。可以看到凸轮110已被转动，并促使凸轮随动件111顺沿螺旋凹 槽1 到达更接近面板106的位置。另外，导引销112完全插入到其相应的导引销孔11 中。注意到导引销112的恒定直径区域与各个导引销孔11 的侧部之间的配合紧密度决 定了操纵设备电接口 1 与测试头电接口 1 之间的最终对准。因此，紧密配合通常需要 提供0. 003到0. 007英寸范围内的对接位置可再现性。而且，一旦角撑板114被附连到处 理设备108，导引销112必须相对于角撑部精确地设置在面板106上。为此，导引销112可 被以能够调整其位置的方式附连。在美国专利4，589，815中描述了这种被广泛应用的附连 方式。回顾有关凸轮随动件的运动的某些信息是有益的。图2示出了在凸轮110运动的 各个位置、凸轮随动件11的竖直位置。图2中使用了例如在由ReidAshman制造公司制造 的特定对接设备中使用的圆形(或圆柱形)凸轮以及线性凸轮。凸轮凹槽1 和切口 125 的形状被示意性地示出；因为图2的目的仅作为示例，因此图2不是按比例绘制的。凸轮 随动件11能够进入或离开凸轮凹槽的切口区域以点0表示。凸轮随动件111(其以凸轮槽 1 各处的虚线圆来示出)在位置400进入切口 125中，随后到达与“准备致动”位置相对应的位置。切割区域连接到凹槽1 在点0与点A之间的大致水平的区域。该水平区域的 长度大致相当于凸轮随动件直径的一到两倍，并仅代表了整个凸轮的运动的一小部分(几 度)。一旦凸轮随动件111插入到切口 125的底部时，凸轮可转动以“捕获”该水平区域中 的凸轮随动件。凸轮随动件111在位置420被“捕获”。在点A，随着凸轮进一步移动，水平 凹槽转变为倾斜凹槽。当凸轮移动时，凸轮随动件被相应地在垂直方向上提升或降低。在 倾斜部分下端的点B，凹槽转变为大体水平的区域，该水平区域的长度通常至少相当于凸轮 随动件的直径的一到两倍。在最后提到的这一区域中，凸轮随动件处于其行进的极限点，并 且对接设备被完全对接。当凸轮随动件位于凹槽的最深处的点C(以凸轮随动件111位于 440的位置表示)时，对接设备视作被闩住(或者完全对接并锁定)。从点A到点B的区域 可称作“中间”区域(以凸轮随动件111位于位置430示出)，从点B到点C的区域可称作 对接区域。依据前文的论述，现在适合更全面地论述对接过程并定义某些特定术语。对接的 目的是使测试头电接口 126与操控主设备电接口 1 精确配合。每个电接口 1 和128限 定一个平面，该平面通常、但并非必须在法向上平行于电触点的远端。当对接时，这两个平 面必须相互平行。为了防止电触点损坏，优选的是在允许电触点相互机械接触之前，首先使 两个接口 1 和1 在五个自由度上对准。如果在对接位置中接口的所限定的平面平行于 三维笛卡尔坐标系统的X-Y平面，则必须沿X轴和Y轴进行对准并围绕与X轴和Y轴正交 的Z轴线(Theta Ζ，ΘΖ)转动，以使相应的触点彼此对齐。另外，通过沿X轴和Y轴的转动 运动使这两个平面平行。使两个电接口平面相互平行的过程称为接口的“平面化”；当该过 程完成时，接口被称作被“平面化”或“共面”。一旦被平面化并沿X、Y、Theta Z上对准，则 通过引起沿正交于处理设备电接口 1 平面的Z方向的运动来执行对接。在对接过程中， 首先操控测试头100到达靠近处理设备108的位置。继续操控测试头使角撑部116的圆形 切口与凸轮110到达第一对准位置。该位置、或刚好处于该位置之前的位置可被视为“准备 对接”位置。更一般地，“准备对接”表示这样的位置在该位置中，一部分第一粗略对准装 置近似位于待接合的位置。在该阶段中，依据细节设计，导引销的远端准备插入其相应的导 引销容纳部中。继续进一步操控测试头将会使其到达“准备致动位置”，在前文已结合图IA 至图ID定义了 “准备致动位置”。更一般地，“准备致动”表示测试头达到了可以使对接设 备被致动的位置。在准备致动的位置已经完成了近似的平面化和沿X、Y、Theta Z的对准。 当对接被致动，并且导引销112完全插入到其相应的导引销孔112中时，对准和平面化变得 更为精确。应注意的是，在操纵器驱动的对接时，如美国专利5，600，258和5，900，373中所 述的，为了从粗略定位模式变换到精细定位模式，传感器检测“准备致动位置”的等效量。因 此，对于本领域一般技术人员而言，在致动器驱动的对接中检测“准备致动位置”是美国专 利5，600，258和5，900，373教导和披露的自然延伸(可预见且显而易见的)。上述类型的对接已成功地应用于重量达到和超过一百磅的测试头。然而，随着测 试头变得越来越大并随着电触点数量的增多时，会产生一些问题。首先，随着电触点数量的 增多，使电触点接合所需的力也会增大。通常，每次接触需要几盎司的力；因此，对接具有 1000磅或更大重量的测试头需要额外的100或200磅的力来实现该目的。在测试头具有近 似一立方米或更大的体积的情况下，对于操作者而言，则越来越难以通过观察所有的角撑 部和凸轮来确定测试头何时处于准备对接位置以及准备致动位置。而且，由于测试头操纵器中的从动机构和缆线具有弹性，因此回弹效应使得测试头难以在保持于准备致动位置的 同时启动致动。由于致动机构要克服更大的力所导致的另一个困难是，凸轮可能因缆线被 拉长而非同步地运动。已知在使用实心杆和曲柄的对接技术中存在着类似的机械变形的问 题。如上所述的对接设备的特征在于所使用的导引销和容纳部的数量。在美国专利 4，589，815中所述的设备的特征在于两点对接，而如图IA至图ID所示的设备为公知的四点 对接。遵循相同的基本原理的三点对接也是公知的并被普遍使用。本发明将依照四点构造 进行描述，但不限制本发明应用于其它的构造。
发明内容
在本发明的示例性实施例中，提供了一种用于将电子测试头与处理设备对接的系 统和方法。提供用于使电子测试头和处理设备至少部分地对准，并随后使电子测试头和处 理设备组合在一起(bring together)的组件。动力驱动的致动器使得电子测试头和处理 设备组合在一起。在另一示例性实施例中，本发明还提供了一种用于将电子测试头与处理设备对接 的系统和方法。提供了一种用于使电子测试头和处理设备组合在一起的组件。本发明还提 供了用于操作该组件的机构以及用于操作该机构的至少一个致动器。在另一示例性实施例中，本发明还提供了一种用于将电子测试头与处理设备对接 的系统和方法。提供用于使电子测试头和处理设备组合在一起的组件。在测试头和处理设 备两者中的一者上设置多个凸轮。这些凸轮用于操作该组件。在测试头和处理设备两者中 的另一者上设置多个角撑部。每个角撑部用于对准邻接多个凸轮中的至少一个凸轮。至少 一个动力驱动的致动器提供凸轮的动力操作。在另一示例实施例中，本发明提供了一种用于将电子测试头和处理设备对接的系 统，该系统包括用于使电子测试头和处理设备组合在一起的组件。提供用于操作所述组件 的机构。该机构包括设置在测试头和处理设备两者中的一者上并用于操作该组件的多个凸 轮。提供至少一个致动器用以操作所述机构。在至少一个致动器与至少两个凸轮之间延伸 设置有一连杆组件，该连杆组件包括与该致动器关联设置的至少一个连杆体并包括至少一 个伸长的槽，该伸长的槽容置与连杆组件的第二连杆构件枢转接合的枢转销。 在又一示例实施例中，本发明同样提供了 一种用于将电子测试头与处理设备对接 的系统。在测试头和处理设备两者中的一者上设置多个凸轮。这些凸轮由至少一个致动器 驱动。为将测试头与处理设备对接，在测试头和处理设备两者中的另一者上设置多个角撑 部用以与凸轮接合。凸轮随动件附连到用于与凸轮接合的角撑部。
在又一示例实施例中，本发明同样提供了 一种用于将电子测试头与处理设备对接 的系统。提供用于使电子测试头和处理设备组合在一起的组件。在测试头和处理设备两者 中的一者上设置至少两个凸轮，这些凸轮用于操作该组件。在测试头和处理设备两者中的 另一者上设置多个角撑部。每个角撑部用于对准邻接多个凸轮中的至少一个凸轮。至少一 个动力驱动的致动器为这些凸轮提供动力驱动。在测试头和处理设备两者中的一者上设置 多个对准特征。在测试头和处理设备两者中的另一者上设置用于容纳这些对准特征的多个 对准特征容纳部。
图IA是现有技术的对接设备的立体图。图IB是现有技术的对接设备的附连至处理设备的部分的立体图。图IC是处于准备致动位置的现有技术的对接设备的示意图。图ID是处于完全对接位置的现有技术的对接设备的示意图。图2是示出在一现有技术的对接设备的凸轮随动件的竖直位置与其凸轮的旋转 角度的对应关系的非按比例绘制的示意图。图3是根据本发明的对接设备的立体图。图4A是对接设备的测试头侧的立体图。图4B是对接设备的处理设备侧的立体图。图5A是根据本发明一实施例的示例性致动器的俯视图。图5B是图5A所示的致动器相对于其在面板(face plate)上的正常位置旋转 90°示出的立体图。图6是对接设备的处理设备侧的立体分解图。图7A是在对接操作开始时处于分离位置的对接设备的处理设备侧的俯视图。图7B是图7A所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。图8A是处于从分离位置到对接位置的中间行程(mid travel)的对接设备的处理 设备侧的俯视图。图8B是图8A所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。图9A是刚好到达对接位置之后的对接设备的处理设备侧的俯视图。图9B是图9A所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。图IOA是在分离操作开始时对接设备的处理设备侧的俯视图。图IOB是图IOA所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。图IlA是处于从分离位置到对接位置的中间行程的对接设备的处理设备侧的俯 视图。图IlB是图IlA所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。图12A是刚好到达对接位置之后的对接设备的处理设备侧的俯视图。图12B是图12A所示的对接设备的处理设备侧的一侧的放大的俯视图。
具体实施例方式本发明致力于改进如上文所述的简单的手动对接。具体而言，本发明致力于对具 有数百到数千个电触点、需要数百到数千磅致动器力的大型沉重的测试头的对接进行简 化。本发明还提供了用以使准备致动位置与完全对接位置之间的对接的过程完全自动化的
直ο图3是根据本发明的一个示例性实施例的改进的对接的立体图。图4A示出了图 3所示的对接设备的测试头侧的放大视图，图4B示出了图3所示的对接设备的处理设备侧 的放大视图。如图IA所示，图3中的对接设备包括附连到处理设备的角撑板114以及附连 到测试头的面板106。四个角撑部(gusset) 116各自具有一导引销容纳部112a(guide pinreceptacle)和一凸轮随动件111，这些角撑部116附连到角撑板114。例如，每个角撑部可 利用安装螺栓199附连到角撑板114。相应地，四个凸轮110和四个导引销112设置在面 板106上。因此，图3所示的对接设备是一种四点对接。然而，所描述的概念也可应用于两 点、三点或其它的配置。进一步地，所描述的概念还可应用于具有其它凸轮结构(包括线性 凸轮)的对接。面板106和角撑板114均具有中心开口，用以容纳测试头和处理设备的电接口 (图未示)，如前文参照图IA至图ID所述。导引销112设置在一个近似的正方形的四个 角部，该正方形的中心大致位于测试头的电接口的中心。凸轮110、角撑部116和导引销孔 112a的位置由导引销112的位置决定。具体而言，每个凸轮110近似居中设置于从上述的 正方形的中心穿过导引销112延伸的直线上，并且比导引销112更远离正方形中心。如参 照图IA描述的，角撑部116成形为具有一圆形切口(cut out)Ml，在测试头完全对接时该 圆形切口 241与凸轮110近似同心，并且一凸轮随动件111附连到每个角撑部116的每个 圆形切口 241的表面。如图3所示，角撑板114具有与角撑部切口 241相一致的圆形切口。 而且，如参照图IA描述的，图3中的每个凸轮110具有围绕其周面的侧部螺旋槽129，并且 凸轮的上表面具有上部切口 125。每个角撑部116具有钻设于其中的容纳部导或引销孔 112a0同样是在图3中，每个导引销孔11 对应于各个导引销112。这些导引销孔被布 置成当测试头完全对接时，使每个导引销112完全地插入到其各自的导引销孔11 内。每 个导引销112与其相应的导引销孔11 的配合为紧配合。因此，通过导引销112和导引销 孔11 提供了测试头100与处理设备108之间的对准。继续参照图3，每个凸轮110具有位于其侧部的一个或多个螺纹孔212。一个或多 个对接手柄135由适合的杆制成并旋拧到一端，因而每个对接手柄可通过螺纹旋入适当的 孔212中而附连到凸轮110。尽管此处示出的是手柄135，但这种手柄通常被设置为在例如 本文中所述的致动器组件因流体源损失而不能正常工作的情况下使凸轮110转动的备用
直ο四个粗定位销(coarse alignment pin) 210附连到角撑板114的四个角部附近。 衬有衬套210a的四个粗定位导引孔设置在面板106的相应的位置上。粗定位销210非常 宽松地配合入相应的粗定位衬套210a中。粗定位销210比凸轮110的高度更高。因此，通 过将粗定位销210插入到与其相应的衬套210a中，为测试头提供与处理设备的第一预先粗 对准(coarse pre-alignment)。应该注意的是，为了从本发明的其它方面获益，对接设备不 需要具有这种特征。还应该注意的是，导引销112和粗定位销210都执行对准功能，并且导 引销112和粗定位销210通常均被称作“定位销”。本文使用术语“定位销”来表示诸如导 引销和粗定位销的对准特征。如全面并入本文的美国专利7，109，733中所述的，本发明的对接设备中可结合有 传感器(图未示)。传感器的输出端可连接到系统控制器(图未示)的适当的输入端，该系 统控制器还可控制定位系统的其它功能，包括例如控制选定的操纵器(manipulator)运动 轴线。本发明所克服的另一问题是较大型的测试头所需的对接力的增大。当测试头对接 时，电连接被接合并且弹性触点(例如，弹簧伸缩插脚)被压缩。对于需要数百至数千的电
12触点的情况，所需的直接力(direct force，接触力)能够高达一千(1000)或两千(2000) 磅。对接致动器(无论其是手动的还是动力驱动的)必须克服这种力以及使测试头移动所 必需的力，并克服任何从动机构的制约。必须要由致动器施加的实际作用力是由致动机构 的机械效益所确定的上述直接力。在例如具有圆形凸轮的对接设备中，机械效益部分上是 通过凸轮槽129的斜度确定的。可提供具有非固定斜度的凸轮槽1 从而使机械效益随着 凸轮位置而变化。这可以用于在所要克服的直接力随着电接口之间的间隔而改变的情况下 要求在整个运动范围上致动器力大体恒定的对接。由于测试头随电触点数量的增多而变得 越来越大和越来越沉重，提供手动操作的致动器愈加成为一个问题。参照图3、图4A、图5A、图5B以及图6，设置致动器组件220以协助凸轮110转动。 致动器组件220通常包括至少一个线性致动器222和一组连杆230、231以及232。本实施 例被示出为具有两个线性致动器222，但也可以设置一个或者多于两个的线性致动器222。 如参照本文描述的示例实施例所述的，致动器222为双作用气动缸。然而，任何基于流体的 缸，包括液压缸都可以适合于实施本发明。再者，本发明不局限于双作用缸。例如，其它类型 的线性致动器也可以适合于实施本发明，包括但不限于电动机驱动的致动器或电动螺线管 和/或电磁螺线管。或者，可加入旋转马达和适合的齿轮传动装置，以将旋转动力供给到具 有圆形凸轮的对接设备中的其中一个圆形凸轮或缆线驱动器(如果设有这些装置的话)， 或者供给到结合有线性凸轮和连杆的对接设备中的曲柄。旋转马达可以为例如电动、液动 或气动马达。参照图5A和图5B，示例性线性致动器222为气动缸，并具有穿伸于其中的活塞杆 2M和一对入口 225、227。通过经由入口 225供给流体促使活塞杆2M移动到图5A的右侧， 通过经由入口 227供给流体使活塞杆2 移动到图5A的左侧。如上文所述，致动器222不 一定非要具有双作用特性，而是可由相反的单作用(single-acting)气动缸来替代，例如 在面板106的每侧设置单作用汽缸。每个连杆体226附连到活塞杆224的每一端。每个连 杆体2 包括一伸长的槽228，该槽的长度1大于宽度W。参照图6，每个槽2 被配置成用以容置一枢转销234，且围绕枢转销234设置一 衬套235。衬套235设置在槽2 中，枢转销234延伸穿过衬套235并延伸穿过对应的短的 连杆230、231—端上的枢转孔。衬套235的直径与槽228的宽度w大体相同，使得衬套235 可在槽228中轴向移动。这样，连杆体2 和各自的短连杆230、231绕枢转销234相对于 彼此枢转，同时枢转点可被轴向调整，下文将对此进行更详细的描述。尽管本文描述了通过 槽来协助枢转和轴向调整，但也可使用其它机构如本文所述地通过拉力来移动每个连杆构 件。例如，可将短的连杆(图未示)以其各端部可枢转地连接到连杆体226与短连杆230、 231之间。在本实施例中，致动器组件220还包括使从杆2 延伸并可枢转地附连到短连杆 231的连杆体2 从图6中的线性致动器22 以顺时针方向移动(从该图的下方观察)。 短连杆231的相对端通过枢转销236可枢转地连接到凸轮IlOa的第一凸缘221。第一凸 缘221被固定到凸轮110a，使得在致动器222的作用下第一凸缘221的运动促使凸轮IlOa 转动。当凸轮IlOa转动时，促使附连到凸轮IlOa的第二凸缘223与凸轮一起转动。尽管 这里示出的是第一凸缘221和第二凸缘223，但它们可被具有伸长的槽的单个凸缘(图未 示)替代。长连杆232的各端可枢转地连接在下一凸轮IlOb的第二凸缘223与第一凸缘221之间。短连杆230可枢转地连接在该第二凸轮IlOb的第二凸缘223和从致动器22 的杆224的一端延伸的连杆体2 之间。类似的连杆连接型式从致动器222b经由一对凸 轮IlOc和IlOd并延续至连接到致动器22 的杆2 的相对端的连杆体226。尽管该系统 优选地为对称设置，但并非必须如此。在本实施例中，每个致动器222借助螺纹250之类附连到面板106。可在面板106 中设置用于容纳每个致动器222的一部分的凹部107，以减小致动器222突出于面板106的 表面之上的高度。如图所示，每个致动器被固定到面板106，并且在操作过程中不会相对于 面板106枢转或移动。在致动器222被固定的情况下，连杆体226中的槽2 使枢转点能 够轴向运动以顺应固定的致动器222与枢转的凸缘221、223之间的距离和取向的变化，下 文中将对此进行更详细的描述。由于汽缸可以为气动缸(即，利用诸如空气的可压缩气体操作)或液压缸(S卩，利 用不可压缩的液体操作)，下文的描述将假设为适用气动缸或液压缸中的任一者，并结合词 语“流体”来表示液体或气体。参照图3和图4A，致动器222所使用的流体可以通过从控制器270延伸的一对软 管260和262来传送。控制器270具有从流体源(图未示)接收加压流体的入口 272。控 制器270优选包括调节器，使得可通过软管260或262供给期望压力的流体。控制器270 具有开关(图未示)，例如三向拨动开关，其使操作者能够控制流体流经通向入口 225的软 管沈0、控制流体流经通向入口 227的软管沈2、或者不使流体流经软管260和沈2中的任 一者。本实施例包括流体分离器264，以将来自控制器270的流体同时供给到两个致动器 222。或者，可以为每个致动器222设置单独的控制器。注意到当处于对接位置时，由于流体被收集在相应的软管沈0、262和控制器270 中，因此动力损失或流体供给损失将不会导致凸轮转动以及导致对接错位。这样，即使凸轮 随动件111并未完全地就位于各自的螺旋槽1 中，也能够提供安全的锁定。在控制器270 遇到流体压力损失的情况下，可通过例如利用阀释放收集的流体或通过割断相应的软管来 手动进行对接操作。上文已描述了本发明的对接设备的示例性实施例的部件，下面将参照图7A至图 12B描述其操作。图7A和图7B示出了在对接操作的开始处于非对接位置的致动器组件220。为执 行对接操作，凸轮110必须沿图中的顺时针方向转动。为启动对接操作，操作者启动控制器 270以将加压流体供给到入口阀227，由此促使杆2M沿箭头A1的方向移动。当杆2M移 动时，连杆体226a与该杆一起移动，枢转销234接触槽228的端部而使得连杆体226a的轴 向运动如箭头A2所示地传递到短连杆231a。短连杆231a的运动则促使第一凸缘221a和 第二凸缘223a如箭头A3所示地与凸轮IlOa —起转动。第二凸缘223a的转动促使长连杆 23 如箭头A4所示移动，从而促使位于其相对端的凸轮IlOb开始转动。长连杆23 由于 其两端连接到相应的大体沿相同路径移动的凸缘223a、221b，因此不需要槽。从图7B中应注意到，当杆22 沿箭头A1的方向移动时，由于系统开始处于松弛 状态，具体而言，由于在连杆体226b的槽228b中开始进行枢转销234b的初始轴向运动， 因此杆22 能够轻柔地推压短连杆230a。短连杆230a和长连杆232b则通过线性致动器 222b的杆224b的运动而以类似于上文与致动器22 相关地描述的方式被牵拉(如箭头B所示)。这样就避免了折弯之类的现象，而如果任一连杆被推压并由此处于压缩状态而不是 像本发明一样被牵拉而处于张紧状态，则可能发生弯曲。即使在仅使用一个致动器222的 情况下，例如用一长连杆代替致动器222b，长连杆232b和短连杆230仍会被致动器222经 由其余各连杆和凸缘而施加于连杆体226a上的连续力牵拉，并由此处于张紧状态。由于连 杆在操作过程中始终处于张紧状态，所以连杆不会受到将不利地导致连杆弯曲的压缩力的 作用。因此，连杆可由具有足够的抗拉强度的相对薄的材料或可压缩的材料制成。实际上， 连杆原则上可由钢丝绳或钢缆制成。参照图8A和图8B，其示出了处于从非对接位置到对接位置的中间行程的致动器 组件220。杆22 如箭头A1所示地继续行进，并且每个合力均存在。同时，杆224b也以类 似的方式行进。如此处所示，现已通过凸轮IlOd和第二凸缘223d的转动而使短连杆230a 移动，而凸轮IlOd和第二凸缘223d则是通过施加于长连杆232b上的拉力来驱动的(如 箭头B所示)。第二凸缘223d的转动促使短连杆230a同时进行轴向移动和枢转。枢转销 234b可沿槽228b的长度自由地轴向移动，由此顺应连杆体226b与第二凸缘223d的枢转点 之间的距离的变化。在杆22 的相对端，枢转销23 不能在槽228a中进一步移动，因此 连杆体226a牵拉短连杆231a和第一凸缘221a，并且枢转角度顺应了相对位置的变化。参照图9A和图9B，其示出了刚好到达对接位置后的致动器组件220。杆22 如箭 头A1所示地继续行进，并且每个合力均存在。同时，杆224b也继续以类似的方式行进。如 此处所示，现已通过凸轮IlOd和第二凸缘223d的转动而使短连杆230a移动，而凸轮IlOd 和第二凸缘223d则是通过施加于长连杆232b上的拉力来驱动的(如箭头B所示)。第二 凸缘223d的转动亦促使短连杆230a同时进行轴向移动和枢转。枢转销234b可沿槽228b 的长度自由地轴向移动，使得当连杆体226b与第二凸缘223d的枢转点之间的距离再次改 变时，枢转销234b沿槽228b轴向移动到例如近似中间点的位置。在杆22 的相对端，枢 转销23 仍不能在槽228a中进一步移动，因此连杆体226a牵拉短连杆231a和第一凸缘 221a直到凸缘IlOa处于对接位置为止。分离过程按与对接步骤相反的顺序执行。参照图IOA和图10B，其示出了在分离操 作开始时的致动器组件220。为启动分离操作，操作者启动控制器270以将加压流体供给 到入口阀225，由此促使杆22 沿箭头A1的方向移动。同时，杆224b也以类似的方式沿相 反的方向移动。当杆22 移动时，连杆体226b与该杆一起移动，枢转销234b接触槽228b 的端部而使得连杆体226b的轴向运动如箭头A2所示地传递到短连杆231a。短连杆231a 的运动则促使第一凸缘221a和第二凸缘223a如箭头A3所示地与凸轮IlOa —起转动。第 一凸缘221d的转动促使长连杆232b如箭头A4所示地移动，从而促使位于其相对端的凸轮 IlOc开始转动。并且，长连杆232b由于其两端连接到相应的大体沿相同路径移动的凸缘 221d、223c，因此不需要设置槽。从图IOB中应注意到，当杆22 沿箭头A1的方向移动时，由于系统开始处于松弛 状态，具体而言，由于在连杆体226a的槽228a中开始进行枢转销234b的初始轴向运动， 因此杆22 能够轻柔地推压短连杆231a。短连杆231a和长连杆23 则通过线性致动器 222b的杆224b的运动而以类似于上文与致动器22 相关地描述的方式被牵拉(如箭头 B所示)。无论在对接操作还是分离操作中，各个连杆230、231、232均会被牵拉而不会被 推压。例如，在对接操作中，由致动器22 牵拉长连杆23 ，在分离操作中，则是由致动器222b牵拉长连杆23加。并且，即使在仅有一个致动器的情况下，致动器222也将牵拉而不 是推压各个连杆。图IlA和图IlB示出了处于从对接位置到非对接位置的中间行程的致动器组件 220，图12A和图12B示出了刚好到达对接位置后的致动器组件220。其操作仍与对接操作 类似，这些图中示出了连杆和处于槽228内的枢转销234的相对位置。因此，如先前所述， 所有的连杆均如所期望地和有利地保持为张拉(而非压缩)的状态。尽管结合特定的具体实施例示出和描述了本发明，但本发明绝不局限于所示的细 节。相反地，可在不背离本发明原理的情况下，在权利要求的等效范围和界限内对这些细节 做出各种变型。
权利要求
1.一种用于将电子测试头与处理设备对接的系统，所述系统包括用于将所述电子测试头和所述处理设备组合在一起的组件；用于操作所述组件的机构，所述机构包括设置在所述测试头和所述处理设备两者中的 一者上的至少两个凸轮，所述凸轮用于操作所述组件；用于操作所述机构的至少一个致动器；以及连杆组件，其包括在所述至少两个凸轮之间延伸的至少两个连杆构件，其中，所述致动 器机构在对接操作和分离操作中是可操作的，并且所述连杆组件的每个连杆构件在对接操 作和分离操作中均通过牵拉张力而被移动。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个致动器包括手柄，该手柄与所述凸轮 的其中一个关联并被配置成用以在对接操作和分离操作中操作该凸轮。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个致动器是由流体或电致动的线性致 动器或旋转致动器。
4.如权利要求1所述的系统，包括至少两个致动器，每个致动器是由流体或电致动的 线性致动器或旋转致动器。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个致动器是流体致动器，并且流体从流 体源到所述流体致动器的流动是通过控制器来控制。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述控制器被配置成用以防止当发生动力损失或 所述流体源的流体供给损失时所述流体致动器发生流体损失。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述流体致动器为双作用缸，并且所述控制器被配 置成用以在对接操作过程中将流体供给到所述双作用缸的第一侧，以及在分离操作过程中 将流体供给到所述双作用缸的相对侧。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个致动器为具有一杆的线性致动器，并 且所述连杆构件中的至少一个连杆构件为连接到所述杆的第一端的第一连杆体。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第一连杆体包括至少一个伸长的槽，所述槽容 置与其它的连杆构件中的一个连杆构件枢转接合的枢转销。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述杆的第二端连接具有伸长的槽的第二连杆体。
11.如权利要求8所述的系统，其中，所述线性致动器相对于所述测试头和所述处理设 备两者中的其上设有所述至少两个凸轮的一者而被固定。
12.如权利要求8所述的系统，其中，所述线性致动器被固定在一凹部中。
13.如权利要求1所述的系统，其中，每个凸轮包括从该凸轮延伸的至少一个凸缘，并 且至少一个连杆构件枢转连接到所述凸缘。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述连杆组件以闭环方式连接到所述凸轮。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个致动器是线性致动器，该线性致动 器设置在所述闭环内，并且该线性致动器的各端部分别连接到所述连杆构件中相应的一个 连杆构件。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述线性致动器被固定就位，并且所述连杆构件 被配置为在所述致动器沿朝向相应的连杆构件的方向被操作时，所述连杆构件提供一定 范围的枢转自由度和轴向自由度。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述线性致动器被配置为在对接操作过程中沿 第一方向牵拉每个所述连杆构件，并且在分离操作过程中沿第二方向牵拉每个所述连杆构 件。
18.如权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个致动器是设置在所述闭环内的由 第一线性致动器和第二线性致动器构成的一对致动器，每个线性致动器的各端部上分别连 接所述连杆构件中相应的一个连杆构件。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一线性致动器被配置为在对接操作过程 中沿第一方向牵拉所述连杆构件的第一部分，所述第二线性致动器被配置为在对接操作过 程中沿第一方向牵拉所述连杆构件的其余部分，并且其中，所述第二线性致动器被配置为 在分离操作过程中沿第二方向牵拉所述连杆构件的第一部分，并且所述第一线性致动器被 配置为在分离操作过程中沿第二方向牵拉所述连杆构件的其余部分。
20.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一线性致动器被配置为在对接操作过程 中沿第一方向牵拉每个所述连杆构件，并且所述第二线性致动器被配置为在分离操作过程 中沿第二方向牵拉每个所述连杆构件。
全文摘要
本发明提供一种用于将电子测试头与处理设备对接的系统。该系统包括用于将电子测试头和处理设备至少部分地对准并随后将两者组合在一起的组件。该系统包括动力驱动的致动器，该致动器用于以动力驱使电子测试头和处理设备相组合。
文档编号G01R31/26GK102150055SQ200980135954
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月10日 优先权日2008年7月14日
发明者布莱恩·M·波什, 詹姆斯·B·伍德 申请人:Intest公司
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