CN103192110B - 二维钻孔的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种二维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和二维机械手；所述控制单元包括信息输入器、运算器、第一信息输出器和第二信息输出器；所述第一信息输出器与所述加工单元连接；所述第二信息输出器与所述二维机械手连接。所述控制单元包括下述控制方法：在信息输入器中输入信息；在运算器内进行计算；在第一信息输出器输出信号至加工单元；第二信息输出器输出信号至二维机械手。本发明将CNC工件台和加工主轴所需的重复运动里程降低到了最低，同时通过二维机械手在刀具中心库和加工主轴间往返运动，以提供换刀的效率，使得CNC加工中心的加工效率达到最优，实现了针对不同规格的加工孔相互之间的转换和过渡，以及提高复杂零件的加工效率。

Description

二维钻孔的装置及其方法

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，尤其涉及一种二维钻孔的装置及其方法。

背景技术

在光刻机领域中，设备的机械零件结构复杂，其中以多孔特征的零件最为代表性，具体包括：曝光分系统中投影物镜中镜筒装置和零件、工件台分系统中硅片吸盘、微环境工件台和掩模台气浴板、主基板和基础框架安装平面、硅片传输分系统中硅片温度稳定单元(TemperatureStabilizeUnit，TSU)、诸多气浮模块和磁浮冷却模块等等。在这些零件的加工过程中由于设计的复杂性，造成制造零件的效率低、成本高、周期长等问题。

为解决多孔难于加工的制造问题，如专利US7054798所述提出一种结合旅行商问题算法(TravelingSalesProblem，TSP)对平面内单一冲孔路径进行近似计算，获得一条最短的加工路径，以此来提高加工效率。然而，上述方法针对的仅为单一钻孔，而针对不同规格的加工孔相互之间的转换和过渡，以及如何提高复杂三维零件的加工效率，仍然是困扰当代机械加工行业的普遍问题。

针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种二维钻孔的装置及其方法。

发明内容

本发明是针对现有技术中，现有的待加工零件的加工过程中由于设计的复杂性，造成制造零件的效率低、成本高、周期长等缺陷，以及针对不同规格的加工孔相互之间的转换和过渡，以及如何提高复杂零件的加工效率等问题仍未解决的现实提出一种二维钻孔的装置。

本发明的另一目的是针对现有技术的缺陷，提供一种所述二维钻孔装置的钻孔方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种二维钻孔的装置，所述钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和二维机械手；所述二维机械手可在二维平面内换刀；所述控制单元包括信息输入器、运算器、第一信息输出器和第二信息输出器；所述第一信息输出器与所述加工单元连接，控制加工单元运作；所述第二信息输出器与所述二维机械手连接，控制二维机械手运作。

可选的，所述加工单元包括：工件台，用以承载待加工零件，所述待加工零件待加工以在其上形成各种不同的钻孔；加工主轴和当前使用刀具，设置在所述工件台一侧，用以加工承载在所述工件台上的待加工零件；待用刀具，用于待加工零件后续加工；刀具中心库，用于收容所述待用刀具。

可选的，所述钻孔的装置进一步包括伴随所述加工主轴和当前使用刀具运动的待用刀具和主轴随动平台。

为实现本发明的又一目的，本发明提供一种所述的二维钻孔的装置的钻孔装置，所述控制单元包括下述控制方法：步骤S1：在信息输入器中输入信息；步骤S2：在运算器内进行计算；步骤S3：在第一信息输出器输出信号至加工单元；步骤S4：同时，第二信息输出器输出信号至二维机械手。

可选的，所述步骤S1中输入的信息包括待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息及加工单元的信息；所述待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息包括钻孔的位置、钻孔数量和钻孔规格；所述加工单元的信息包括采用基于二维加工、主要的加工面以及工件台和加工主轴的自由度、运动速度、精度。

可选的，所述的步骤S2还包括下述步骤：步骤S21：选择钻孔路径的优化方式；步骤S22：根据选择的优化方式进行算法计算和程序计算；步骤S23：重复步骤S21和步骤S22得出每个优化方式下的结果；步骤S24：比较并选择结果。

可选的，所述步骤S21种的优化方式包括：单一规格的钻孔加工优化、局部混合优化，以及全局混合优化。

可选的，所述单一规格的钻孔加工优化是以同一规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工一种同规格的孔时所需要遍历的最短路径。

可选的，所述局部混合优化以两个规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工所述两种规格的钻孔时所需要遍历的最短路径。

可选的，所述全局混合优化针对同一孔径但是不同深度的孔，在算法统一规划；对不同孔径规格采用刀具交换的混合算法进行规划。

可选的，在算法处理上，为满足约束条件，增加惩罚函数来控制。

可选的，所述惩罚函数的设置是根据加工单元换刀具的效率来确定，待设定参数为换刀具的效率和工件台的平均运动速度。

可选的，所述算法计算为基于旅行商TSP算法，计算规划最短的加工路径。

可选的，所述程序计算设置并考虑换刀的效率成本作为一种约束条件，在工件台运动和主轴运动之间达到效率的平衡和匹配。

综上所述，本发明将CNC工件台和加工主轴所需的重复运动里程降低到了最低，同时通过二维机械手在刀具中心库和加工主轴间往返运动，以提供换刀的效率，使得CNC加工中心的加工效率达到最优，实现了针对不同规格的加工孔相互之间的转换和过渡，以及提高复杂零件的加工效率。

附图说明

图1所示为本发明二维钻孔的方法的钻孔路径优化程序和流程图；

图2(a)所示为待加工零件的顶部视图钻孔和分布示意图；

图2(b)所示为待加工零件的顶部视图钻孔和分布的局部放大图；

图2(c)所示为待加工零件的底部视图钻孔和分布示意图；

图3所示为待加工零件中钻孔二维布置图；

图4所示为钻孔单一优化路径二维图；

图5所示为第一CNC加工中心换刀和加工方式示意图；

图6所示为钻孔二类混合优化路径二维图；

图7所示为局部混合优化中第二CNC加工中心换刀和加工方式示意图；

图8所示为全局优化中钻孔全局混合优化路径二维图；

图9所示为第三CNC加工中心换刀和加工方式示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，图1所示为本发明二维钻孔的方法的钻孔路径优化程序和流程图。所述二维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和二维机械手；所述二维机械手可在二维平面内换刀；所述控制单元包括信息输入器、运算器、第一信息输出器和第二信息输出器；所述第一信息输出器与所述加工单元连接，控制加工单元运作；所述第二信息输出器与所述二维机械手连接，控制二维机械手运作。

其中，所述控制单元包括下述控制方法：

步骤S1：在信息输入器中输入信息；

步骤S2：在运算器内进行计算；

步骤S3：在第一信息输出器输出信号至加工单元；

步骤S4：同时，第二信息输出器输出信号至二维机械手。

其中，所述步骤S1中输入的信息包括待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息及加工单元的信息；所述待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息包括钻孔的位置、钻孔数量和钻孔规格；所述加工单元的信息包括采用基于二维加工、主要的加工面以及工件台和加工主轴的自由度、运动速度、精度。

所述的步骤S2还包括下述步骤：

步骤S21：选择钻孔路径的优化方式；

步骤S22：根据选择的优化方式进行算法计算和程序计算；

步骤S23：重复步骤S21和步骤S22得出每个优化方式下的结果；

步骤S24：比较并选择结果。

所述步骤S21种的优化方式包括：单一规格的钻孔加工优化、局部混合优化，以及全局混合优化。

所述单一规格的钻孔加工优化是以同一规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工一种同规格的孔时所需要遍历的最短路径。

所述局部混合优化以两个规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工所述两种规格的钻孔时所需要遍历的最短路径。

所述全局混合优化针对同一孔径但是不同深度的孔，在算法统一规划；对不同孔径规格采用刀具交换的混合算法进行规划。

在算法处理上，为满足约束条件，增加惩罚函数来控制。

所述惩罚函数的设置是根据加工单元换刀具的效率来确定，待设定参数为换刀具的效率和工件台的平均运动速度。

所述算法计算为基于旅行商TSP算法，计算规划最短的加工路径。

所述程序计算设置并考虑换刀的效率成本作为一种约束条件，在工件台运动和主轴运动之间达到效率的平衡和匹配。

所述程序还包括应用多种有效的近似搜索算法，包括但不限于贪婪算法、二对交换、三对交换、启发式算法、模拟退火、蚁穴算法，以及遗传算法。

表1待加工零件中需钻孔的类型

请参阅图2(a)、图2(b)、图2(c)，以及图3，图2(a)所示为待加工零件1的顶部视图钻孔和分布示意图；图2(b)所示为待加工零件1的顶部视图钻孔和分布的A处局部放大图；图2(c)所示为待加工零件1的底部视图钻孔和分布示意图。图3所示为待加工零件1中钻孔二维布置图。在本发明中，所述待加工零件1具体为硅片温度稳定单元气浮模块。如表1所示，所述待加工零件1包括四种不同规格的钻孔，具体为第一种孔11，所述第一种孔11为正压孔；第二种孔12，所述第二种孔12为负压孔；第三种孔13，所述第三种孔13为盖板孔，以及第四种孔14，所述第四种孔14为连接孔。所述第一种孔11、第二种孔12、第三种孔13，以及第四种孔14以圆心为中心，等间距的分列在不等半径的圆周上。

第一实施方式

所述第一实施方式为对单一规格的钻孔加工优化，其加工配置平台为CNC垂直加工中心或CNC五轴联动加工中心。所述基于单一规格的钻孔加工优化是以同一规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工一种同规格的孔时所需要遍历的最短路径。

请参阅图4，图4所示为钻孔单一优化路径二维图。所述钻孔包括四种不同规格的钻孔，对四种不同规格的钻孔依次优化并获得优化路径，在所有的第一种孔11加工完成后，进行CNC主轴刀具的调换，随后加工第二种孔12；当第二种孔12加工完成后，再进行CNC主轴刀具的调换，然后加工第三种孔13，依此类推。

请参阅图5，并结合参阅图2，图5所示为第一CNC加工中心换刀和加工方式示意图。其中，所述第一CNC加工中心2作为钻孔装置，包括承载所述待加工零件1的工件台21、设置在所述工作台21一侧并用以加工承载在所述工件台21上的待加工零件1的加工主轴和当前使用刀具22、用于待加工零件1后续加工的待用刀具23，以及用于收容所述待用刀具23的刀具中心库24。所述待加工零件1待加工以在其上形成各种不同的钻孔。所述钻孔单一优化方式基于设备的配置平台简单，易于实现。如CNC垂直加工中心或CNC五轴联动加工中心均能实现。所述刀具中心库24为第一CNC加工中心2的静止平台，每次任一种孔加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22运动到刀具中心库24附近，进行刀具替换，随后加工下一种孔。

第二实施方式

所述第二实施方式为局部混合优化，即不同规格的钻孔两两混合优化，其加工配置平台为CNC加工中心、刀具随运和切换装置。第二实施方式与第一实施方式相同的部分采用相同的编号进行阐述。

所述局部混合优化为一种基于局部两两不同规格钻孔混合优化的路径。所述局部混合优化以两个规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工所述两种规格的钻孔时所需要遍历的最短路径。

请参阅图6，图6所示为钻孔二类混合优化路径二维图。所述钻孔具有四种不同规格的加工孔，在局部混合优化的过程中，对四种孔依次进行两次优化并获得优化路径，所述四种不同规格的钻孔分为第一批次孔15和第二批次孔16。在本发明中，列举第一批次孔15包括第一种孔11和第二种孔12；第二批次孔16包括第三种孔13和第四种孔14。在任一批次孔加工完成后，进行CNC主轴刀具和随动刀具的全部调换，随后加工另一批次孔。

以此提出拓宽应用旅行商问题钻孔序列路径的应用方法，其中针对同一孔径但是不同深度的孔，可在算法统一规划。此外，对不同孔径规格采用刀具交换的混合算法进行规划。

在算法处理上，为满足特定的约束条件，增加惩罚函数来控制这种关系。惩罚函数在此处的应用是对旅行商问题中距离的一种权重。如果符合惩罚的条件，就在这一距离上施加惩罚值；如果不符合这一条件，就不施加惩罚值。

在本实施例的问题中不应该将“第一种孔11”和“第二种孔12”分开考虑，因为它们都是优化问题中的一个局部问题。仅仅优化一个局部问题那只能获得一个局部最优解，需要将“第一种孔”和“第二种孔”放在一起全局考虑，仅区别对待，以获得满足特定条件下的全局最优解。

在本实施例中，惩罚函数的设置是根据CNC加工中心换刀具的效率来确定，待设定参数为换刀具的效率和工件台的平均运动速度。

为详细阐述本发明，不烦如下列举：如果换刀具的效率是2秒/次，然后根据工件台的平均运动速度，例如1米/秒，可知换刀一次相当于工件台能运动2米，由此设置惩罚函数为在原来的运动距离基础上在增加2米。通过TSP算法来判断究竟是选择跨越几次第一批次孔15和第二批次孔16工作总路程最短，还是选择跨越一次性加工完所有类型的孔，然后换刀再加工下一种孔，这种路径方式更短。以此将时间转化为路程，算法再以统一的路程单位对换刀效率和增加工件台路程进行权重和评估。依所述方法完成对第三种孔13和第四种孔14的加工路径的规划。

如图7所示，图7所示为局部混合优化中第二CNC加工中心换刀和加工方式示意图。在加工过程中，为提高换刀效率可在CNC垂直加工中心或CNC五轴联动加工中心的基础上，配置一种刀具随加工主轴运动和切换装置。所述第二CNC加工中心3作为钻孔装置，包括承载所述待加工零件1的工件台21、设置在所述工作台21一侧并用以加工承载在所述工件台21上的待加工零件1的加工主轴和当前使用刀具22、用于待加工零件1后续加工的待用刀具23、用于收容所述待用刀具23的刀具中心库24，以及伴随加工主轴和当前使用刀具22运动的待用刀具和主轴随动平台25。所述待加工零件1待加工以在其上形成各种不同的钻孔。

在同一轮中，当几个第一种孔11加工完成后，进行加工主轴和当前使用刀具22同待用刀具和主轴随动平台25相互调换，然后加工第二种孔12。当一个或几个第二种孔12加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同待用刀具和主轴随动平台25再次相互调换，加工第一种孔11。依此类推，当第一种孔11和第二种孔12都加工完毕后，进入第二批次孔16的加工。其中第二批次孔16也包括两种规格的孔，具体为第三种孔13和第四种孔14。当第三种孔13加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同待用刀具和主轴随动平台25相互调换，然后加工第四种孔14。

第三实施方式

第三实施方式为全局混合优化，其加工配置平台为CNC加工中心、主轴和刀具中心库，以及刀具传递和切换二维机械手。第三实施方式与第一实施方式相同部分采用相同的编号进行阐述。

所述全局混合优化为一种基于全局规格钻孔混合优化的路径。所述全局混合优化以全部四种规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工所述多种规格的孔时所需要遍历的最短路径。

请参阅图8，图8所示为全局优化中钻孔全局混合优化路径二维图。由于共有四种不同规格的加工孔，对四种孔依次进行优化并获得优化路径，在每种钻孔加工完成后，由刀具二维机械手进行CNC主轴刀具和待用刀具的调换。

在算法处理上，为满足特定的约束条件，增加惩罚函数来控制这种关系。惩罚函数在此处的应用是对旅行商问题中距离的一种权重。如果符合惩罚的条件，就在这一距离上施加惩罚值；如果不符合这一条件，就不施加惩罚值。

在本实施例的问题中不应该将“第一种孔11”、“第二种孔12”、“第三种孔13”和“第四种孔14”分开来考虑，因为它们都是优化问题中的一个局部问题。仅仅优化一个局部问题那只能获得一个局部最优解，需要将四种孔放在一起全局考虑，仅是区别对待，以获得满足特定条件下的全局最优解。

在本实施例中，惩罚函数的设置是根据CNC加工中心换刀具的效率来确定，待设定参数为换刀具的效率和工件台的平均运动速度。

为详细阐述本发明，不烦如下列举：如果换刀具的效率是0.2秒/次，然后根据工件台的平均运动速度，例如1米/秒，可知换刀一次相当于工件台能运动0.2米，由此设置惩罚函数为在原来的运动距离基础上在增加0.2米。通过TSP算法来判断究竟是选择跨越几次多组孔的工作总路程最短，还是选择跨越一次性加工完所有类型的孔，然后换刀再加工下一种孔，这种路径方式更短。以此将时间转化为路程，算法再以统一的路程单位对换刀效率和增加工件台路程进行权重和评估。

请参阅图9，并结合参阅图2，图9所示为第三CNC加工中心换刀和加工方式示意图。所述第三CNC加工中心4作为钻孔装置，包括承载所述待加工零件1的工件台21、设置在所述工作台21一侧并用以加工承载在所述工件台21上的待加工零件1的加工主轴和当前使用刀具22、用于待加工零件1后续加工的待用刀具23、用于收容所述待用刀具23和后续待用刀具26的刀具中心库24，以及用于调换加工主轴和当前使用刀具22与待用刀具23的换刀二维机械手27。所述待加工零件1待加工以在其上形成各种不同的钻孔。

在加工过程中，为减少加工主轴和当前使用刀具22往返于刀具中心库24的运动，提高换刀效率，所述换刀二维机械手27通过程序控制，提前至刀具中心库24准备下一步加工所需的刀具，并在距离加工主轴和当前使用刀具22中心较近处等待，待加工主轴和当前使用刀具22加工完成后，所述加工主轴和当前使用刀具22与所述换刀二维机械手27相互调换刀具。在加工过程中，当一个或几个，例如，第一种孔11加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同换刀二维机械手27相互调换刀具，然后加工下一种孔，例如，第三种孔13。当前一种孔加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同换刀二维机械手27再次相互调换刀具，再加工下一种孔，例如，第二种孔12。当前一种孔加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同换刀二维机械手27相互调换刀具，再加工下一种孔，例如，第三种孔1。当前一种孔加工完成后，加工主轴和当前使用刀具22同换刀二维机械手27相互调换刀具，再加工下一种孔，例如，第四种孔14。依此类推，直至所有的孔都加工完毕。由于加工主轴和当前使用刀具22同换刀二维机械手27换刀和取刀可并行同时进行，大大缩短了加工主轴和当前使用刀具22因刀具更换所需要的行程和时间。

如错误！未找到引用源。所示，为采用以上三种实施例所带来的对加工路径缩短的对比估算和总结。

通过采用全局规格钻孔混合优化是一种最优路径，这种路径仅保留了因零件加工特征而产生的对CNC所需加工路径的特点，而将不同规格间CNC工件台和加工主轴所需的重复运动里程降低到了最低。即，一次性加工完所有的特征，同时通过二维机械手在刀具中心库和加工主轴间往返运动，以提供换刀的效率，使得CNC加工中心的加工效率达到最优。

表2多种钻孔方法和路径的对比和总结

规划方法	总里程mm	提高效率	刀具切换	切换频率
					经验性规划	16000.0	0.00％	每种刀具需切换一次	低
钻孔单一孔优化	14239.6	11.00％	每种刀具需切换一次	低
					钻孔二类混合优化	10583.6	33.85％	两种刀具间需要多次切换	中
钻孔全局混合优化	7336.8	54.15％	多种刀具间需要多次切换	高

本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。

Claims (12)

1.一种二维钻孔的装置，其特征在于，所述二维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和二维机械手，

所述加工单元包括：

工件台，用以承载待加工零件，所述待加工零件待加工以在其上形成各种不同的钻孔；

加工主轴和当前使用刀具，设置在所述工件台一侧，用以加工承载在所述工件台上的待加工零件；

待用刀具，用于待加工零件后续加工；

刀具中心库，用于收容所述待用刀具；

所述二维机械手可在二维平面内换刀；所述控制单元包括信息输入器、运算器、第一信息输出器和第二信息输出器；所述第一信息输出器与所述加工单元连接，控制加工单元运作；所述第二信息输出器与所述二维机械手连接，控制二维机械手运作；

所述二维钻孔的装置进一步包括伴随所述加工主轴和当前使用刀具运动的待用刀具和主轴随动平台。

2.如权利要求1所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述的控制单元包括下述控制方法：

步骤S1：在信息输入器中输入信息；

步骤S2：在运算器内进行计算；

步骤S3：在第一信息输出器输出信号至加工单元；

步骤S4：同时，第二信息输出器输出信号至二维机械手。

3.如权利要求2所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述步骤S1中输入的信息包括待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息及加工单元的信息；所述待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息包括钻孔的位置、钻孔数量和钻孔规格；所述加工单元的信息包括采用基于二维加工、主要的加工面以及工件台和加工主轴的自由度、运动速度、精度。

4.如权利要求2所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述的步骤S2还包括下述步骤：

步骤S21：选择钻孔路径的优化方式；

步骤S22：根据选择的优化方式进行算法计算和程序计算；

步骤S23：重复步骤S21和步骤S22得出每个优化方式下的结果；

步骤S24：比较并选择结果。

5.如权利要求4所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述步骤S21种的优化方式包括：单一规格的钻孔加工优化、局部混合优化，以及全局混合优化。

6.如权利要求5所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述单一规格的钻孔加工优化是以同一规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工一种同规格的孔时所需要遍历的最短路径。

7.如权利要求5所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述局部混合优化以两个规格、不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工所述两种规格的钻孔时所需要遍历的最短路径。

8.如权利要求5所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述全局混合优化针对同一孔径但是不同深度的孔，在算法统一规划；对不同孔径规格采用刀具交换的混合算法进行规划。

9.如权利要求4所述的二维钻孔的装置，其特征在于，在算法处理上，为满足约束条件，增加惩罚函数来控制。

10.如权利要求9所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述惩罚函数的设置是根据加工单元换刀具的效率来确定，待设定参数为换刀具的效率和工件台的平均运动速度。

11.如权利要求4所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述算法计算为基于旅行商TSP算法，计算规划最短的加工路径。

12.如权利要求4所述的二维钻孔的装置，其特征在于，所述程序计算设置并考虑换刀的效率成本作为一种约束条件，在工件台运动和主轴运动之间达到效率的平衡和匹配。