CN105067842B - 平面式飞针测试机夹具及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于PCB板夹具领域，提供了一种平面式飞针测试机夹具，包括对称设置的前夹具和后夹具，所述前夹具包括底板、竖直活动的置于底板上的夹紧组件、与夹紧组件活动连接的连接杆组件、驱动夹紧组件竖直活动的驱动装置；夹紧组件包括可在底板同一侧相互对称夹紧的上夹紧板和下夹紧板；连接杆组件包括上、下连接杆，上、下连接杆的一端分别与上、下夹紧板活动连接；另一端与驱动装置的水平方向的输出端三者公共活动连接。本发明提供的平面式飞针测试机夹具，通过上下对称开合方式，保证不同厚度PCB的中心平面一致，令平面式飞针测试机的探针与PCB各面的距离一致，实现夹持力的均匀。本发明还提供一种平面式飞针测试机夹具的设计方法。

Description

平面式飞针测试机夹具及其设计方法

技术领域

本发明属于印制电路板工装夹具领域，尤其涉及一种平面式飞针测试机夹具及其设计方法。

背景技术

飞针测试机是在X-Y轴上安装由电机驱动的可独立快速移动的探针，利用探针在Z方向的可控移动和固定在机器上的印制电路板(PCB)的焊点进行接触，并进行电气测量的设备。平面式飞针测试机的PCB与地面平行，可分为单面和双面测试机。单面测试机每次仅对PCB的一面测试，该机器夹具一般是真空吸附形式，夹具结构较简单。双面测试机每次均需要对PCB两面测试，PCB固定时一般由前夹具固定PCB的前端，后夹具固定PCB的后端，前后夹具的主体结构一般一样，前夹具基本上相当于将后夹具倒过来放置。双面平面式飞针测试机夹具本身及PCB的重力对其夹持效果影响较大，夹具结构原理较为复杂。在现有的平面式飞针测试机夹具中，夹具的夹持力不够均匀，导致夹持不可靠，夹具的开发周期长，制作成本偏高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种平面式飞针测试机夹具及其设计方法，以解决现有夹持力不够均匀，导致夹持不可靠的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种平面式飞针测试机夹具，包括对称设置在所述平面式飞针测试机上的前夹具和后夹具，所述前夹具包括：

底板；

竖直活动的设置于所述底板上的夹紧组件，所述夹紧组件包括可在所述底板同一侧相互对称夹紧的上夹紧板和下夹紧板；

连接杆组件，所述连接杆组件包括上连接杆和下连接杆，所述上、下连接杆的一端分别与所述上、下夹紧板活动连接；所述上、下连接杆的另一端分别与驱动装置水平方向的输出端活动连接。

进一步地，所述底板两端的上下侧面分别设有竖直导向轴；

所述上夹紧板和所述下夹紧板上分别设置有与所述竖直导向轴适配的竖直导向块。

进一步地，所述前夹具还包括与所述驱动装置水平方向的输出端固定连接的夹紧转接杆；所述连接杆组件一端与所述竖直导向块活动连接，另一端与所述夹紧转接杆活动连接；所述驱动装置的驱动方向与上、下夹紧板的夹紧方向垂直。

进一步地，所述夹紧转接杆的两端固定设有连接头，所述上、下连接杆远离所述竖直导向块一端分别与所述连接头活动连接。

进一步地，所述驱动装置为气缸。

进一步地，所述底板延驱动装置的驱动方向上设置有前后导向单元，所述前后导向单元至少两组，分别对称的设置于所述驱动装置的两侧。

进一步地，所述上夹紧板和所述下夹紧板相对的一面设置有具有弹性的夹紧条。

进一步地，所述夹紧条的表面设有粗糙层。

进一步地，所述夹紧条为绝缘材料制成。

本发明实施例还提供一种平面式飞针测试机夹具的设计方法，所述平面式飞针测试机夹具为上述任意一项实施例所述的平面式飞针测试机夹具，所述设计方法包括：

根据设计目标，确定所需夹持PCB板的厚度、宽度、平面式飞针测试机夹具的最大厚度；

根据PCB板的厚度、宽度，确定所述气缸的输出力；

根据平面式飞针测试机夹具的最大厚度，确定所述气缸的输出端的行程。

进一步地，所述气缸的输出力的确定满足：F1＝2*F2*(L^2-(L-K)^2)^0.5/(L-K)，

其中，

F1为气缸的输出力；

F2为平面式飞针测试机夹具的夹持力的一半；

L为所述上连接杆或下连接杆的长度；

K为平面式飞针测试机夹具夹持PCB板时的单边行程。

进一步地，当K取夹持最大厚度的PCB板时的行程和所述上连接杆或下连接杆的长度取最大值时，F2最大。

进一步地，当夹持的PCB厚度最大时，判断F2与0.5αG的大小，取最大值作为新的F2；

其中，1.8≤α≤3；G为PCB板最重时的重量。

进一步地，所述气缸的输出端的行程的确定满足：S＝(L^2-(L-K)^2)^0.5；

其中，S为气缸输出端的行程。

进一步地，当K取夹持最小厚度的PCB板对应的行程时，S最大。。

本发明提供了平面式飞针测试机夹具及其设计方法，通过为上下对称开合方式，保证不同厚度PCB的中心平面一致，进而令平面式飞针测试机双面的测试探针与PCB各面的距离一致，进而避免因PCB厚度的不同而需要调整飞针测试机的其它硬件，实现了夹持力的均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的平面式飞针测试机夹具的前夹具的立体图；

图2是本发明实施例一提供的前夹具的上夹紧组件分解后的立体示意图；

图3是本发明实施例二提供的平面式飞针测试机夹具的设计方法的流程图；

图4是本发明实施例二提供平面式飞针测试机夹具的设计方法的受力图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明实施例提供一种平面式飞针测试机夹具，包括对称设置在所述平面式飞针测试机上的前夹具100和后夹具，所述前夹具包括底板110、竖直活动的设置于所述底板110上的夹紧组件120、与所述夹紧组件活动连接的连接杆组件130、以及在水平方向驱动所述连接杆组件130带动所述夹紧组件竖直活动的驱动装置140；其中，所述夹紧组件120包括可在所述底板110同一侧相互对称夹紧的上夹紧板121和下夹紧板122；所述连接杆组件130包括上连接杆131和下连接杆132，所述上、下连接杆的一端分别与所述上、下夹紧板活动连接；所述上、下连接杆的另一端与驱动装置140的水平输出端三者公共活动连接。

本实施例的平面式飞针测试机夹具的前、后夹具皆为上下对称开合方式，相对于单边开合，所述平面式飞针测试机夹具能够保证不同厚度PCB的中心平面一致，进而令平面式飞针测试机双面的测试探针与PCB各面的距离一致，进而避免因PCB厚度的不同而需要调整飞针测试机的其它硬件，实现了夹持力的均匀。

进一步地，如图2，所述底板110两端的上下侧面分别设有竖直导向轴111，所述上夹紧板121和所述下夹紧板122上分别设置有与所述竖直导向轴111适配的竖直导向块123，即，本实施例中包含4个竖直导向轴111，所述上夹紧板121上两个，所述下夹紧板122上两个，4个所述竖直导向轴111分别上下对称和左右对称设置。

为了能够保证驱动力的均匀，所述驱动装置140设置于所述底板110中间部位，即，所述底板110左右两侧的竖直导向轴111分别对称设置在所述驱动装置140两侧。

具体的，所述驱动装置130气缸。

进一步地，如图1所示，还包括与所述驱动装置140的水平输出端(图未示)固定连接的夹紧转接杆141；所述连接杆组件130一端与所述竖直导向块123活动连接，另一端与所述夹紧转接杆141活动连接；所述驱动装置140的驱动方向与上、下夹紧板的夹紧方向垂直。

具体的，所述上、下连接杆的一端分别与所述竖直导向块123铰接，所述上、下连接杆的另一端与所述夹紧转接杆141公共铰接；所述驱动装置140的驱动方向与所述上、下夹紧板的夹紧方向(竖直方向)垂直。

将水平方向的驱动力通过两端活动连接的连接杆组件130转换为竖直方向的驱动力，实现上、下夹紧板在竖直方向的相互夹紧，由于驱动装置140不直接对所述上、下夹紧板进行驱动，使得力的传递得到缓冲，避免了PCB板的夹伤。

进一步地，所述竖直导向块123上设置有可适配容纳所述竖直导向轴111的导向通孔124。

当所述气缸的输出端伸出时，驱动所述夹紧转接杆141水平向前运动，通过所述连接杆组件130使得多个所述竖直导向块123产生向前的运动趋势，但由于所述竖直导向块123被限制在所述竖直导向轴111上，使得所述竖直导向块123产生竖直方向的运动(上夹紧板121及其相连的所述竖直导向块123向下运动，下夹紧板122及其相连的所述竖直导向块123向上运动)，最终实现所述上夹紧板121和所述下夹紧板122相互靠近并夹紧。同理，当所述气缸的输出端收缩时，所述上夹紧板121和所述下夹紧板122分别延竖直相反的方向运动，呈张开状态。

进一步地，为了能够使得所述竖直导向块123在所述竖直导向轴111上运动平滑，所述竖直导向块123上的导向通孔124内设置有与所述竖直导向轴111适配的轴承125。

进一步地，如图2所示，所述底板110上设置有对所述竖直导向块123限位的凹槽112，防止所述竖直导向块123及与其连接的上夹紧板121或下夹紧板122左右晃动。

进一步地，所述夹紧转接杆141的两端固定连接有连接头142，所述连接头142远离所述夹紧转接杆141的一端与所述连接杆组件140远离所述竖直导向块123一端铰接。

参阅图2，在本实施例中，所述上、下连接杆分别为条形，其两端开设有通孔(图未示)，通过铰链销143分别与所述竖直导向块123和所述连接头142进行铰接。当然所述上、下连接杆也可以是其他形状，只要保证两端可以与所述竖直导向块123和所述连接头142活动连接即可。

进一步地，为了对所述气缸在水平方向的输出力进行导向和防止所述夹紧转接杆141的偏移，所述底板110上、延所述气缸的输出端运动方向设置有前后导向单元150，所述前后导向单元150包括前后导向轴151和与所述前后导向轴151适配的直线轴承152，所述直线轴承152固定于于所述底板110上，所述前后导向轴151一端与所述夹紧转接杆141固定连接，另一端穿设于所述直线轴承152内。

进一步地，为了保证所述夹紧转接杆141两端的平衡，所述前后导向单元150为两组，分别对称的设置于所述气缸的两侧。

如图1所示，所述上夹紧板121和所述下夹紧板122相对的一面设置有具有弹性性能的夹紧条126。当所述上、下夹紧板相互接近夹紧PCB板时，由于所述夹紧条126具有弹性，上、下夹紧板会微弱动作，直至夹紧条126变形结束，此时PCB也被夹紧。所述夹紧条126的弹性能令凹凸不平的PCB表面与其接触面积尽可能大，夹持力分布很均匀。

进一步地，所述夹紧条126的表面设有粗糙层(图未示)，具有一定粗糙度的夹紧条126能令PCB夹持更加可靠。

进一步地，所述夹紧条126为绝缘材料制成，如塑胶制作的夹紧条126的变形特性不仅能令PCB表面避免被刮伤，也可以起到绝缘的作用。

进一步地，所述平面式飞针测试机夹具的前、后夹具以所述夹紧条126所在侧相互面向的方式设置在平面式飞针测试机上。

如图3所示，本发明实施例还提供一种针对上述任意一项实施例所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，由于所述前、后夹具对称，所以，只需要对前夹具进行设计，即可得到整个平面式飞针测试机夹具，具体的，所述设计方法包括：

步骤S310，根据设计目标，确定所需夹持PCB板的厚度、宽度、平面式飞针测试机夹具的最大厚度；

根据实际需要测试的PCB板的大小，以及前夹具100的安装空间，确定平面式飞针测试机夹具的最大允许厚度。

步骤S320，根据PCB板的厚度、宽度，确定所述气缸的输出力；

由于图4可得：

S^2+(L-K)^2＝L^2 (1)

tanθ＝S/(L-K)＝0.5*F1/F2 (2)

则：F1＝2*F2*S/(L-K) (3)

结合公式(1)和(3)可得出，所述气缸的输出力满足：

F1＝2*F2*(L^2-(L-K)^2)^0.5/(L-K) (4)

其中，

F1为气缸输出力；

F2为平面式飞针测试机夹具的夹持力的一半；

L为所述上连接杆或下连接杆的长度；

K为平面式飞针测试机夹具夹持PCB板时的单边行程。

由于PCB厚度及宽度的不同对于夹持力也就不同，PCB越厚则需要越大的力才能将其夹持住。根据经验或实验确定PCB厚度与夹持力F2的关系，初始设计时根据夹持力最大的一种情况来进行设计，后面再对各种情况进行校核。

如图4所示，M为前夹具100夹紧状态，N为前夹具100打开状态。

重力是平面式飞针测试机夹具设计必须考虑的问题，平面式飞针测试机夹主要对夹持结构影响的是夹持时需要运动的部件的重力，当连接头142向一个方向运动时，会令上、下夹紧板产生相反方向的外力，由于前夹具100呈基本对称的结构，上、下夹紧板的质量相当，每个竖直导向块123的质量也基本一致。由于重力的作用，在气缸未施加外力时上夹紧板121及竖直导向块123和下夹紧板122及竖直导向块123均有向下运动的趋势，由图可知，这时上夹紧板121及竖直导向块123会连接头142有向前运动的趋势，而下夹紧板122及竖直导向块123会令连接头142有向后运动的趋势。由于两个力相当，则气缸未施加外力时夹具运动部件由重力而产生额外外力能自行抵消，即能保持相对平衡。所以，整个夹具的运动部件的重力均由前后导向单元150上的前后导向轴151和直线轴承152来承受，即使气缸未工作，夹具也能在任何位置保持相对平衡。

但是，当PCB放在夹具下夹紧板122时，PCB重力会使连接头142有向后运动的趋势，由公式(4)可知，随着连接头142的向前运动，下夹紧板122产生向上的夹持力会越来越小，所以PCB的重力必须小于气缸令下夹紧板122产生的向上夹持力，否则PCB不可能与上夹紧板121相接触，并在运动过程中均处于平衡状态。为此，同时需要估计最大厚度及最大版面PCB的重量G(PCB板最重时的重量)，单个夹具(上夹紧板121或下夹紧板122)分担的重力为0.5*G，所以F2应大于0.5*αG，α为安全系数，其中，1.8≤α≤3。

进一步地，确定选取安全系数α，得出0.5*αG的值后，与最大夹持力F2进行对比，选取二者中较大值作为新的最大夹持力F2，以保证能够对PCB板最重的PCB板进行夹持。

本实施例中，确定PCB厚度与夹持力F2的关系，可以采用具有夹持功能的夹具水平夹持不同厚度的PCB板，取得对应的夹持力。具体的，只取夹持力最大的值作为F2的值参与后面的设计。

由PCB最大厚度可以确定前夹具100夹持PCB板时的单边行程(单侧行程K)，即前夹具100由初始状态到夹持状态上、下夹紧板的上下运动的距离，在夹持厚度最小的PCB时夹具行程最大。

由公式(4)可以知当其他数值确定时，前夹具100夹持PCB板时的单边行程K越小，F2越大，则前夹具100的夹持力越大，气缸的输出力也越大，所以在设计时，为了提高气缸输出力F1转化效率，则需要尽可能减小K值。

由公式(4)也可以知道当其他数值确定时，上、下连接杆长度L越大，F2越大，前夹具100的夹持力也就越大，所以在设计时，为了提高气缸输出力F1转化效率，则需要尽可能使L越大。由于L决定了夹具整体的厚度，所以根据所允许的夹具厚度确定连接杆杆长L。

即，为了获得最大F2，K取最小值(夹持最大厚度的PCB板时的行程最最小)；所述上连接杆或下连接杆的长度L取最大值。

步骤S330，根据平面式飞针测试机夹具的最大厚度，确定所述驱动装置的输出端的行程；

由公式(1)得出，所述气缸输出端的行程满足：

S＝(L^2-(L-K)^2)^0.5 (5)

其中，S为气缸输出端的行程。

为了能够保证对最小厚度的PCB板的夹持，需要保证S的足够大，当平面式飞针测试机夹具的行程最大时，所述输出端的行程S最大，则气缸输出端的行程S取夹持最小厚度的PCB板时的行程。

进一步地，还包括步骤S340，多个竖直导向块123位置的确定；

各种参数(受力大小、行程、长度等等)确定后，也就知道夹具的各个主要零部件所受力为最大时情况，初步确定夹具的两个竖直导向块123位置，并对各个受力部件进行初始设计。

进一步地，还包括步骤S350，有限元仿真分析；

根据受力大小、位置等对各个受力部件进行有限元仿真，设定各个受力部件所允许的变形大小、变形均匀度、制造成本等目标，若仿真结果满足上述要求，则确定夹具受力点位置以及各个受力部件的初步结构。若不满足，则需判断是受力部件的问题还是受力点位置的问题，并进行相应的修改，直到满足要求。最后在根据夹具其它要求进行夹具的详细设计，最终达到夹具设计目标。

进一步地，在步骤S340之前还包括参数核算步骤；

当气缸的输出力和行程确认后，需：核算各种PCB厚度的夹持力是否满足要求，核算气缸安装空间是否满足夹具所允许的厚度要求，核算气缸的其它参数是否满足前夹具100的要求。

具体的，本实施例提供的设计方法针对的平面式飞针测试机夹具的前夹具100如图1～2所示，在本实施例所要夹持PCB厚度范围为1～8mm，宽度为35～610mm。

根据多次试验，确定当最大单侧夹持力F2(前夹具100的夹持力的一半)为225N，能将厚度为8mm的PCB夹持可靠。

确定PCB重力最大为70N，取安全系数为2，则F2>70N。可知最大夹持力F2满足要求。

设夹具最大开合行程为9mm，则夹持8mm厚PCB时夹具单侧行程K为0.5mm。

本实施例中，前夹具100所允许的厚度45mm，由于上下连接杆大小一致，且对称，以及安装空间的考虑，则上、下连接杆长度L都约取为21mm。

综上，由公式(4)，则有气缸的输出力F1为100N。

由公式(5)，夹持厚度最小PCB所需气缸的行程最大，则可知夹持厚度为1mm时，气缸的行程为12.3mm。

故根据一般负载时气缸输出力为100N、行程大于12.3mm条件进行气缸选型，本实施例中，考虑到其他未知因素，选取了一般负载时气缸输出力为110N、行程最大为15mm的气缸。

然后按照气缸输出力为110N来进行各种厚度PCB的夹持力核算，核算结果认为都能满足要求。

接着初步确定夹具的两个竖直导向块的位置，并对各个受力部件进行初始设计。

有限元仿真结果表明各个受力部件满足相关要求。最后，根据前夹具100的其它要求对整个前夹具100的结构进行细化，最终设计出如图1～2所示的前夹具100。

本发明实施例的设计方法，保证了气缸的夹持可靠，提高了飞针测试机夹具夹持力的均匀度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种平面式飞针测试机夹具，包括对称设置在所述平面式飞针测试机上的前夹具和后夹具，其特征在于，所述前夹具包括：

底板；

竖直活动的设置于所述底板上的夹紧组件，所述夹紧组件包括可在所述底板同一侧相互对称夹紧的上夹紧板和下夹紧板；

连接杆组件，所述连接杆组件包括上连接杆和下连接杆，所述上、下连接杆的一端分别与所述上、下夹紧板活动连接；所述上、下连接杆的另一端分别与驱动装置水平方向的输出端活动连接；所述底板两端的上下侧面分别设有竖直导向轴；所述上夹紧板和所述下夹紧板上分别设置有与所述竖直导向轴适配的竖直导向块；所述前夹具还包括与所述驱动装置水平方向的输出端固定连接的夹紧转接杆；所述连接杆组件一端与所述竖直导向块活动连接，另一端与所述夹紧转接杆活动连接；所述驱动装置的驱动方向与上、下夹紧板的夹紧方向垂直。

2.如权利要求1所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述夹紧转接杆的两端固定设有连接头，所述上、下连接杆远离所述竖直导向块一端分别与所述连接头活动连接。

3.如权利要求1所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述驱动装置为气缸。

4.如权利要求1所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述底板延驱动装置的驱动方向上设置有前后导向单元，所述前后导向单元至少两组，分别对称的设置于所述驱动装置的两侧。

5.如权利要求1所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述上夹紧板和所述下夹紧板相对的一面设置有具有弹性的夹紧条。

6.如权利要求5所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述夹紧条的表面设有粗糙层。

7.如权利要求5所述的平面式飞针测试机夹具，其特征在于，所述夹紧条为绝缘材料制成。

8.一种平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，所述平面式飞针测试机夹具为权利要求3所述的平面式飞针测试机夹具，所述设计方法包括：

根据设计目标，确定所需夹持PCB板的厚度、宽度及平面式飞针测试机夹具的最大厚度；

根据PCB板的厚度及宽度，确定所述气缸的输出力；

根据平面式飞针测试机夹具的最大厚度，确定所述气缸的输出端的行程；

确定所述竖直导向块的位置；

对各受力部件进行有限元仿真分析。

9.如权利要求8所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，所述气缸的输出力满足：F1＝2*F2*(L^2-(L-K)^2)^0.5/(L-K)，

其中，

F1为气缸的输出力；

F2为平面式飞针测试机夹具的夹持力的一半；

L为所述上连接杆或下连接杆的长度；

K为平面式飞针测试机夹具夹持PCB板时的单边行程。

10.如权利要求9所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，当K取夹持最大厚度的PCB板时的行程和所述上连接杆或下连接杆的长度取最大值时，F2最大。

11.如权利要求10所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，当夹持的PCB厚度最大时，判断F2与0.5αG的大小，取最大值作为新的F2；

其中，1.8≤α≤3；G为PCB板最重时的重量。

12.如权利要求9所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，所述气缸的输出端的行程满足：S＝(L^2-(L-K)^2)^0.5；

其中，S为气缸输出端的行程。

13.如权利要求12所述的平面式飞针测试机夹具的设计方法，其特征在于，当K取夹持最小厚度的PCB板对应的行程时，S最大。