CN103192114A - 一种三维钻孔的装置及其钻孔方法 - Google Patents

Abstract

一种三维钻孔的装置，包括：加工单元，控制单元和三维机械手；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三维机械手连接。所述的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；同时，第二信息输出器输出信号至三维机械手。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，同时通过三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，以及提高复杂三维零件的加工效率。

Description

一种三维钻孔的装置及其钻孔方法

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，尤其涉及一种三维钻孔的装置及其钻孔方法。

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(Temperature Stabilize Unit，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(Traveling Sales Problem，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三维钻孔的装置及其钻孔方法。

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，以及如何提高复杂三维零件的加工效率等问题仍未解决的现实提出一种三维钻孔的装置。

本发明的另一目的是针对现有技术的缺陷，提供一种所述三维钻孔装置的钻孔方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种三维钻孔的装置，所述三维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和三维机械手；所述的三维机械手可在三维空间中立体换刀；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三维机械手连接，控制三维机械手运作。

可选的，所述的加工单元包括：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，所述工件台上设置的待加工零件具有立方体结构或者圆柱体结构。

为实现本发明的又一目的，本发明提供一种所述的三维钻孔的装置的钻孔方法，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三维机械手。

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三维加工、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中钻孔路径的优化方式有：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，所述全局混合优化钻孔路径，针对同一孔径但是不同钻孔角度的孔，在算法统一规划；针对不同孔径规格采用刀具交换的混合进行规划。

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，同时通过三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，以及提高复杂三维零件的加工效率。

附图说明

图1所示为本发明三维钻孔的方法的钻孔路径优化程序和流程图；

图2(a)所示为第一待加工零件的底部视图示意图；

图2(b)所示为第一待加工零件的底部视图的A处局部放大图；

图2(c)所示为第一待加工零件的顶部视图示意图；

图3所示为第一待加工零件钻孔加工示意图；

图4所示为所述第一待加工零件钻孔优化路径三维图；

图5所示为所述第一待加工零件钻孔优化路径二维图；

图6所示为CNC加工中心换刀和加工方式示意图；

图7所示为第二待加工零件的三维模型图；

图8所示为第二待加工零件的钻孔加工示意图；

图9所示为第二待加工零件钻孔优化路径三维图；

图10所示为第二待加工零件钻孔优化路径二维图。

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。

本发明三维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和三维机械手；所述的三维机械手可在三维空间中立体换刀；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三维机械手连接，控制三维机械手运作。

所述的加工单元包括：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。所述工件台上设置的待加工零件具有立方体结构或者圆柱体结构。

请参阅图1，图1所示为本发明三维钻孔装置钻孔方法的钻孔路径优化程序和流程图。所述三维钻孔装置钻孔方法的钻孔路径优化程序和流程包括：

执行步骤S1：在信息输入器中输入信息；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等；其中，所述待加工零件的设计特征、设备待加工数据和信息包括但不限于钻孔的位置、钻孔数量和钻孔规格；所述加工单元的信息包括采用基于三维加工、主要的加工面以及工件台和加工主轴的自由度、运动速度、精度等。

执行步骤S2：在运算器内进行计算；包括：

步骤S21：选择钻孔路径的优化方式；根据待加工零件的复杂性和加工要求，结合S1中输入信息，选择优化方式。所述优化方式包括：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；

步骤S22：根据选择的优化方式进行算法计算和程序计算；

其中，算法计算基于旅行商TSP算法，计算规划最短的加工路径。所述程序计算可设置并考虑换刀的效率成本作为一种约束条件，在工件台运动和加工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；

步骤S23：重复步骤S21和步骤S22得出每个优化方式下的结果；

所述每个优化方式下计算的结果包括但不限于总里程、路径可视化、加工效率和运行时间；

步骤S24：比较并选择结果。

比较上述多有优化方式下的计算结果，选择在工件台运动和主轴运动之间达到效率的平衡和匹配最优状态下的优化方式。

执行步骤S3：在第一信息输出器输出信号至加工单元；

执行步骤S4：同时，第二信息输出器输出信号至三维机械手。

请参阅图2(a)、图2(b)、图2(c)，以及图3，图2(a)所示为第一待加工零件1的底部视图示意图；图2(b)所示为第一待加工零件1的底部视图的A处局部放大图；图2(c)所示为第一待加工零件1的顶部视图示意图。图3所示为第一待加工零件1钻孔加工示意图。在本发明中，所述第一待加工零件1具体立方体状结构或圆柱体状结构。所述第一待加工零件1承载在加工工装或台阶2上，且被加工单元工件台吸盘3所吸附。

第一实施方式

第一实施方式为一种基于三维全局规格钻孔混合优化的路径。所述基于三维全局规格钻孔混合优化是以全部四种不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工过程中所需要遍历的最短路径。

请继续参阅图3，并结合参阅图4与图5，图4所示为所述第一待加工零件1钻孔优化路径三维图。图5所示为所述第一待加工零件1钻孔优化路径二维图。在第一实施方式中，所述第一待加工零件1呈立方体结构。所述第一待加工零件1具有四种不同特征的钻孔，为使讨论不失一般性，在此对随机产生的钻孔和位置进行估算。所述钻孔具体包括第一种孔11，所述第一种孔11为顶部开孔，所述顶部开孔由位于所述第一待加工零件1顶部的第一主轴钻孔刀具111加工形成；第二种孔12，所述第二种孔12为底部开孔，所述底部开孔由位于所述第一待加工零件1底部的第二主轴钻孔刀具121加工形成；第三种孔13，所述第三种孔13为四周侧向开孔，所述四周侧向开孔由位于所述第一待加工零件1四周侧向的第三主轴钻孔刀具131加工形成。进一步地，所述第三种孔13包括后侧开孔132和右侧开孔133。

由于共有四种不同特征的钻孔，对四种钻孔进行优化并获得优化路径，在每种钻孔完成加工后，由三维机械手进行加工单元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”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11”和“第二种孔12”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。

首先，将所有的待加工钻孔根据它们的位置分为三组，不凡列举如下，第一组待加工孔，所述第一组待加工孔为若干第一种孔11；第二组待加工孔，所述第二组待加工孔为若干个第二种孔12；第三组待加工孔，所述第三组待加工孔为若干第三种孔13。随后，分别将惩罚函数应用到算法模块中并设置约束条件，惩罚函数的设置则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。

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再增加2米，如果加工主轴选择90°变化加工方向的效率是1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1米，由此设置惩罚函数为在原来的运动距离基础上再增加1米。通过TSP算法来判断究竟是选择跨越几次第一组待加工孔和第二组待加工孔，或任意两组间的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。

本质上，三维混合优化钻孔路径的惩罚函数的大小取决于两个因素：换刀具的效率与加工主轴偏转的效率。如果惩罚函数越小，对优化的约束也就越小，算法会倾向于找到路程短、而效率高的加工路径。反之，如果惩罚函数越大，对优化的约束也就越大，算法会倾向于找到符合约束的路程较长、而效率较低的加工路径。由此可见，提高换刀具的效率与加工主轴偏转的效率是问题的关键所在。

在加工过程中，为减少加工主轴往返于刀具中心库的运动。刀具三维机械手通过程序控制，提前至刀具中心库准备下一步加工所需的刀具，在距离加工主轴中心较近处等待。待加工主轴加工完成后，同加工主轴进行换。

请参阅图6，图6所示为加工单元换刀和加工方式示意图。所述加工单元4作为三维钻孔装置，包括承载所述第一待加工零件1的工件台41、设置在所述工作台41一侧并用以加工承载在所述工件台41上的第一待加工零件1的加工主轴和当前使用刀具42、用于第一待加工零件1后续加工的待用刀具43、用于收容所述待用刀具43和后续待用刀具44的刀具中心库45，以及用于调换加工主轴和当前使用刀具42与待用刀具43的换刀三维机械手46，三维机械手46可在三维空间中立体换刀。所述第一待加工零件1待加工以在其上形成各种不同特征的钻孔。

在加工过程中，当一个或几个第一种孔11加工完成后，进行主轴刀具和当前使用刀具42同和三维机械手46相互调换刀具，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，进行主轴刀具和当前使用刀具42同和三维机械手46相互调换刀具，加工下一种孔。依此类推，直至所有的孔都加工完毕后。由于加工主轴和当前使用刀具42与三维机械手46至刀具中心库45换刀和取刀可并行同时进行，大大缩短了加工主轴因刀具更换所需要的行程和时间。

采用三维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加工单元所需加工路径的特点，而将不同特征间工件台和加工主轴所需的重复运动里程降低到了最低。换言之，一次性加工完所有的特征，同时通过三维机械手46在刀具中心库45与加工主轴和当前使用刀具42间往返运动，以提供换刀的效率。以使得加工单元4的加工效率达到最优。

第二实施方式

第二实施方式为一种基于三维全局规格钻孔混合优化的路径。所述三维全局规格钻孔混合优化是以全部三种不等数量的钻孔作为优化条件，计算并获得在加工过程中所需要遍历的最短路径。

请参阅图7、图8，图7所示为第二待加工零件5的三维模型图。图8所示为第二待加工零件5的钻孔加工示意图。在第二实施方式中，所述第二待加工零件5具有圆柱状结构，具体为圆柱状物镜镜筒。所述第二加工零件5承载并吸附在加工工装或台阶或工作台吸盘6上。所述第二待加工零件5具有三种不同特征的钻孔，具体包括第一钻孔51，所述第一钻孔51为顶部开孔，由位于第二待加工零件5上方的第四主轴钻孔刀具511加工形成；第二钻孔52，所述第二钻孔52为底部开孔，由位于第二待加工零件5底部的第五主轴钻孔刀具521加工形成，以及第三钻孔53，所述第三钻孔53为圆周开孔，由位于第二待加工零件5圆周外侧的第六主轴钻孔刀具531加工形成。为使讨论不失一般性，在此随机产生的钻孔和位置进行估算。

请参阅图9、图10，图9所示为第二待加工零件5钻孔优化路径三维图。图10所示为第二待加工零件5钻孔优化路径二维图。由于共有三种不同特征的加工孔，对三种孔进行优化并获得优化路径，在每种孔加工完成后，由三维机械手进行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“第一钻孔51”和“第二钻孔52”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“第一钻孔51”和“第二钻孔52”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。

首先，将所有的待加工钻根据它们位置属性分成三组，不凡列举如下，第四组待加工钻孔，所述第一组待加工钻孔为若干个顶部开孔；第五组待加工钻孔，所述第五组待加工钻孔为若干个底部开孔；第六组待加工孔，所述第六组待加工孔为若干四周侧向开孔。随后，分别将惩罚函数应用到算法模块中并设置约束条件。惩罚函数的设置是根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。

为详细阐述本发明，不凡列举如下，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再增加2米。如果加工主轴选择90°变化加工方向的效率是1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1米，由此设置惩罚函数为在原来的运动距离基础上再增加1米。通过TSP算法来判断究竟是选择跨越几次第四组待加工孔和第五组待加工孔，或任意两组间的钻孔，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。

本质上，三维混合优化钻孔路径的惩罚函数的大小取决于两个因素：换刀具的效率和加工主轴偏转的效率。如果惩罚函数越小，对优化的约束也就越小，算法会倾向于找到路程短、而效率高的加工路径。反之，如果惩罚函数越大，对优化的约束也就越大，算法会倾向于找到符合约束的路程较长、而效率较低的加工路径。由此可见，提高换刀具的效率和加工主轴偏转的效率是问题的关键所在。

在加工过程中，为减少加工主轴往返于刀具中心库的运动，刀具三维机械手通过程序控制，提前至刀具中心库准备下一步加工所需的刀具，在距离加工主轴中心较近处等待。待加工主轴加工完成后，同加工主轴进行换。

请继续参阅图6，图6所示为加工单元换刀和加工方式示意图。所述加工单元4作为三维钻孔装置，包括承载所述第一待加工零件1的工件台41、设置在所述工作台41一侧并用以加工承载在所述工件台41上的第一待加工零件1的加工主轴和当前使用刀具42、用于第一待加工零件1后续加工的待用刀具43、用于收容所述待用刀具43和后续待用刀具44的刀具中心库45，以及用于调换加工主轴和当前使用刀具42与待用刀具43的三维机械手46。所述第一待加工零件1待加工以在其上形成各种不同特征的钻孔。

在加工过程中，当一个或几个第一种孔11加工完成后，进行主轴刀具和当前使用刀具42同和三维机械手46相互调换刀具，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，进行主轴刀具和当前使用刀具42同和三维机械手46相互调换刀具，加工下一种孔。依此类推，直至所有的孔都加工完毕后。由于加工主轴和当前使用刀具42与三维机械手46至刀具中心库45换刀和取刀可并行同时进行，大大缩短了加工主轴因刀具更换所需要的行程和时间。

通过采用三维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加工单元所需加工路径的特点，而将不同特征间工件台和加工主轴所需的重复运动里程降低到了最低。换言之，一次性加工完所有的特征，同时通过三维机械手46在刀具中心库45与加工主轴和当前使用刀具42间往返运动，以提供换刀的效率。以使得加工单元4的加工效率达到最优。

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)

1.一种三维钻孔的装置，其特征在于，所述三维钻孔的装置包括：加工单元，控制单元和三维机械手；所述的三维机械手可在三维空间中立体换刀；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三维机械手连接，控制三维机械手运作。

2.一种如权利要求1所述的三维钻孔的装置，其特征在于：所述的加工单元包括：

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。

3.如权利要求2所述的三维钻孔的装置，其特征在于，所述工件台上设置的待加工零件具有立方体结构或者圆柱体结构。

4.如权利要求1-3任一权利要求所述的三维钻孔的装置，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三维机械手。

5.如权利要求4所述的三维钻孔的装置，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三维加工、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。

6.如权利要求4所述的三维钻孔的装置，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。

7.如权利要求6所述的三维钻的装置，其特征在于，所述步骤S21中钻孔路径的优化方式有：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。

8.如权利要求7所述的三维钻孔的装置，其特征在于，所述全局混合优化钻孔路径，针对同一孔径但是不同钻孔角度的孔，在算法统一规划；针对不同孔径规格采用刀具交换的混合进行规划。

9.如权利要求6所述的三维钻孔方法，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所述的三维钻孔方法，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6、7、8、9、10任一权利要求所述的三维钻孔方式，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6、7、8、9、10任一权利要求所述的三维钻孔方式，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。

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