專利名稱：一種三維鉆孔的裝置及其鉆孔方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種三維鉆孔的裝置及其鉆孔方法。
背景技術(shù)：
在光刻機(jī)領(lǐng)域中，設(shè)備的機(jī)械零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中以多孔特征的零件最為代表性，具體包括:曝光分系統(tǒng)中投影物鏡中鏡筒裝置和零件、工件臺(tái)分系統(tǒng)中硅片吸盤、微環(huán)境工件臺(tái)和掩模臺(tái)氣浴板、主基板和基礎(chǔ)框架安裝平面、硅片傳輸分系統(tǒng)中硅片溫度穩(wěn)定單元(Temperature Stabilize Unit, TSU)、諸多氣浮模塊和磁浮冷卻模塊等等。在這些零件的加工過(guò)程中由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，造成制造零件的效率低、成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題。為解決多孔難于加工的制造問(wèn)題，如專利US7054798所述提出一種結(jié)合旅行商問(wèn)題算法(Traveling Sales Problem, TSP)對(duì)平面內(nèi)單一沖孔路徑進(jìn)行近似計(jì)算,獲得一條最短的加工路徑，以此來(lái)提高加工效率。然而，上述方法針對(duì)的僅為單一鉆孔，而針對(duì)不同規(guī)格的加工孔相互之間的轉(zhuǎn)換和過(guò)渡，以及如何提高復(fù)雜三維零件的加工效率，仍然是困擾當(dāng)代機(jī)械加工行業(yè)的普遍問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本案設(shè)計(jì)人憑借從事此行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)，積極研究改良，于是有了本發(fā)明一種三維鉆孔的裝置及其鉆孔方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有的待加工零件的加工過(guò)程中由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，造成制造零件的效率低、成本高、周期長(zhǎng)等缺陷，以及針對(duì)不同規(guī)格的加工孔相互之間的轉(zhuǎn)換和過(guò)渡，以及如何提高復(fù)雜三維零件的加工效率等問(wèn)題仍未解決的現(xiàn)實(shí)提出一種三維鉆孔的裝置。本發(fā)明的另一目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種所述三維鉆孔裝置的鉆孔方法。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種三維鉆孔的裝置，所述三維鉆孔的裝置包括:加工單元，控制單元和三維機(jī)械手；所述的三維機(jī)械手可在三維空間中立體換刀；所述控制單兀包括信息輸入器、運(yùn)算器、第一信息輸出器和第二信息輸出器；所述第一信息輸出器與所述加工單元連接，控制加工單元運(yùn)作；所述第二信息輸出器與所述三維機(jī)械手連接，控制三維機(jī)械手運(yùn)作?？蛇x的，所述的加工單元包括:工件臺(tái)，用以承載待加工零件，所述待加工零件待加工以在其上形成各種不同的鉆孔；加工主軸和當(dāng)前使用刀具，設(shè)置在所述工件臺(tái)一側(cè)，用以加工承載在所述工件臺(tái)上的待加工零件；待用刀具，用于待加工零件后續(xù)加工；刀具中心庫(kù)，用于收容所述待用刀具?？蛇x的，所述工件臺(tái)上設(shè)置的待加工零件具有立方體結(jié)構(gòu)或者圓柱體結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的又一目的，本發(fā)明提供一種所述的三維鉆孔的裝置的鉆孔方法，所述控制單元包括下述控制方法:步驟S1:在信息輸入器中輸入信息；步驟S2:在運(yùn)算器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算；步驟S3:在第一信息輸出器輸出信號(hào)至加工單元；步驟S4:同時(shí)，第二信息輸出器輸出信號(hào)至三維機(jī)械手?？蛇x的，所述步驟SI中輸入的信息包括待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息及加工單元的信息；所述待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息包括鉆孔的位置、鉆孔數(shù)量和鉆孔規(guī)格；所述加工單元的信息包括采用基于三維加工、主要的加工面以及工件臺(tái)和加工主軸的自由度、運(yùn)動(dòng)速度、精度。可選的，所述的步驟S2還包括下述步驟:步驟S21:選擇鉆孔路徑的優(yōu)化方式；步驟S22:根據(jù)選擇的優(yōu)化方式進(jìn)行算法計(jì)算和程序計(jì)算；步驟S23:重復(fù)步驟S21和步驟S22得出每個(gè)優(yōu)化方式下的結(jié)果；步驟S24:比較并選擇結(jié)果?？蛇x的，所述步驟S21中鉆孔路徑的優(yōu)化方式有:單一規(guī)格的鉆孔加工優(yōu)化、局部混合優(yōu)化，以及全局混合優(yōu)化?？蛇x的，所述全局混合優(yōu)化鉆孔路徑，針對(duì)同一孔徑但是不同鉆孔角度的孔，在算法統(tǒng)一規(guī)劃；針對(duì)不同孔徑規(guī)格采用刀具交換的混合進(jìn)行規(guī)劃?？蛇x的，在算法處理上，為滿足約束條件，增加懲罰函數(shù)來(lái)控制。可選的，所述懲罰函數(shù)的設(shè)置是根據(jù)加工單元換刀具的效率來(lái)確定，待設(shè)定參數(shù)為換刀具的效率和工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度?？蛇x的，所述算法計(jì)算為基于旅行商TSP算法，計(jì)算規(guī)劃最短的加工路徑?？蛇x的，所述程序計(jì)算設(shè)置并考慮換刀的效率成本作為一種約束條件，在工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)和主軸運(yùn)動(dòng)之間達(dá)到效率的平衡和匹配。綜上所述，本發(fā)明將CNC工件臺(tái)和加工主軸所需的重復(fù)運(yùn)動(dòng)里程降低到了最低，同時(shí)通過(guò)三維機(jī)械手在刀具中心庫(kù)和加工主軸間往返運(yùn)動(dòng)，以提供換刀的效率，使得CNC加工中心的加工效率達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同規(guī)格的加工孔相互之間的轉(zhuǎn)換和過(guò)渡，以及提高復(fù)雜三維零件的加工效率。
圖1所示為本發(fā)明三維鉆孔的方法的鉆孔路徑優(yōu)化程序和流程圖；圖2(a)所不為第一待加工零件的底部視圖不意圖；圖2(b)所示為第一待加工零件的底部視圖的A處局部放大圖；圖2(c)所示為第一待加工零件的頂部視圖示意圖；圖3所示為第一待加工零件鉆孔加工示意圖；圖4所示為所述第一待加工零件鉆孔優(yōu)化路徑三維圖；圖5所示為所述第一待加工零件鉆孔優(yōu)化路徑二維圖；圖6所示為CNC加工中心換刀和加工方式示意圖；圖7所示為第二待加工零件的三維模型圖；圖8所示為第二待加工零件的鉆孔加工示意圖；圖9所示為第二待加工零件鉆孔優(yōu)化路徑三維圖；圖10所示為第二待加工零件鉆孔優(yōu)化路徑二維圖。
具體實(shí)施方式
為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實(shí)施例并配合附圖予以詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明三維鉆孔的裝置包括:加工單元，控制單元和三維機(jī)械手；所述的三維機(jī)械手可在三維空間中立體換刀；所述控制單元包括信息輸入器、運(yùn)算器、第一信息輸出器和第二信息輸出器；所述第一信息輸出器與所述加工單元連接，控制加工單元運(yùn)作；所述第二信息輸出器與所述三維機(jī)械手連接，控制三維機(jī)械手運(yùn)作。所述的加工單元包括:工件臺(tái)，用以承載待加工零件，所述待加工零件待加工以在其上形成各種不同的鉆孔；加工主軸和當(dāng)前使用刀具，設(shè)置在所述工件臺(tái)一側(cè)，用以加工承載在所述工件臺(tái)上的待加工零件；待用刀具，用于待加工零件后續(xù)加工；刀具中心庫(kù)，用于收容所述待用刀具。所述工件臺(tái)上設(shè)置的待加工零件具有立方體結(jié)構(gòu)或者圓柱體結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖1，圖1所示為本發(fā)明三維鉆孔裝置鉆孔方法的鉆孔路徑優(yōu)化程序和流程圖。所述三維鉆孔裝置鉆孔方法的鉆孔路徑優(yōu)化程序和流程包括:執(zhí)行步驟S1:在信息輸入器中輸入信息；輸入的信息包括待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息及加工單元的信息等；其中，所述待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息包括但不限于鉆孔的位置、鉆孔數(shù)量和鉆孔規(guī)格；所述加工單元的信息包括采用基于三維加工、主要的加工面以及工件臺(tái)和加工主軸的自由度、運(yùn)動(dòng)速度、精度
坐寸ο執(zhí)行步驟S2:在運(yùn)算器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算；包括:步驟S21:選擇鉆孔路徑的優(yōu)化方式；根據(jù)待加工零件的復(fù)雜性和加工要求，結(jié)合SI中輸入信息，選擇優(yōu)化方式。所述優(yōu)化方式包括:單一規(guī)格的鉆孔加工優(yōu)化、局部混合優(yōu)化，以及全局混合優(yōu)化；所述單一規(guī)格的鉆孔加工優(yōu)化是以同一規(guī)格、不等數(shù)量的鉆孔作為優(yōu)化條件，計(jì)算并獲得在加工一種同規(guī)格的孔時(shí)所需要遍歷的最短路徑；所述局部混合優(yōu)化以兩個(gè)規(guī)格、不等數(shù)量的鉆孔作為優(yōu)化條件，計(jì)算并獲得在加工所述兩種規(guī)格的鉆孔時(shí)所需要遍歷的最短路徑；所述全局混合優(yōu)化針對(duì)同一孔徑但是不同深度的孔，在算法統(tǒng)一規(guī)劃；對(duì)不同孔徑規(guī)格采用刀具交換的混合算法進(jìn)行規(guī)劃；步驟S22:根據(jù)選擇的優(yōu)化方式進(jìn)行算法計(jì)算和程序計(jì)算；其中，算法計(jì)算基于旅行商TSP算法，計(jì)算規(guī)劃最短的加工路徑。所述程序計(jì)算可設(shè)置并考慮換刀的效率成本作為一種約束條件，在工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)和加工主軸運(yùn)動(dòng)之間達(dá)到效率的平衡和匹配；所述程序還包括應(yīng)用多種有效的近似搜索算法，包括但不限于貪婪算法、二對(duì)交換、三對(duì)交換、啟發(fā)式算法、模擬退火、蟻穴算法，以及遺傳算法；步驟S23:重復(fù)步驟S21和步驟S22得出每個(gè)優(yōu)化方式下的結(jié)果；所述每個(gè)優(yōu)化方式下計(jì)算的結(jié)果包括但不限于總里程、路徑可視化、加工效率和運(yùn)行時(shí)間；步驟S24:比較并選擇結(jié)果。比較上述多有優(yōu)化方式下的計(jì)算結(jié)果，選擇在工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)和主軸運(yùn)動(dòng)之間達(dá)到效率的平衡和匹配最優(yōu)狀態(tài)下的優(yōu)化方式。執(zhí)行步驟S3:在第一信息輸出器輸出信號(hào)至加工單元；執(zhí)行步驟S4:同時(shí)，第二信息輸出器輸出信號(hào)至三維機(jī)械手。請(qǐng)參閱圖2 (a)、圖2 (b)、圖2 (C)，以及圖3，圖2 (a)所示為第一待加工零件I的底部視圖示意圖；圖2(13)所示為第一待加工零件I的底部視圖的A處局部放大圖；圖2((:)所示為第一待加工零件I的頂部視圖示意圖。圖3所示為第一待加工零件I鉆孔加工示意圖。在本發(fā)明中，所述第一待加工零件I具體立方體狀結(jié)構(gòu)或圓柱體狀結(jié)構(gòu)。所述第一待加工零件I承載在加工工裝或臺(tái)階2上，且被加工單元工件臺(tái)吸盤3所吸附。第一實(shí)施方式第一實(shí)施方式為一種基于三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化的路徑。所述基于三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化是以全部四種不等數(shù)量的鉆孔作為優(yōu)化條件，計(jì)算并獲得在加工過(guò)程中所需要遍歷的最短路徑。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖3,并結(jié)合參閱圖4與圖5,圖4所示為所述第一待加工零件I鉆孔優(yōu)化路徑三維圖。圖5所示為所述第一待加工零件I鉆孔優(yōu)化路徑二維圖。在第一實(shí)施方式中，所述第一待加工零件I呈立方體結(jié)構(gòu)。所述第一待加工零件I具有四種不同特征的鉆孔，為使討論不失一般性，在此對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的鉆孔和位置進(jìn)行估算。所述鉆孔具體包括第一種孔11，所述第一種孔11為頂部開(kāi)孔，所述頂部開(kāi)孔由位于所述第一待加工零件I頂部的第一主軸鉆孔刀具111加工形成；第二種孔12，所述第二種孔12為底部開(kāi)孔，所述底部開(kāi)孔由位于所述第一待加工零件I底部的第二主軸鉆孔刀具121加工形成；第三種孔13，所述第三種孔13為四周側(cè)向開(kāi)孔，所述四周側(cè)向開(kāi)孔由位于所述第一待加工零件I四周側(cè)向的第三主軸鉆孔刀具131加工形成。進(jìn)一步地，所述第三種孔13包括后側(cè)開(kāi)孔132和右側(cè)開(kāi)孔133。由于共有四種不同特征的鉆孔，對(duì)四種鉆孔進(jìn)行優(yōu)化并獲得優(yōu)化路徑，在每種鉆孔完成加工后，由三維機(jī)械手進(jìn)行加工單元主軸刀具和待用刀具的調(diào)換。在算法處理上，為滿足特定的約束條件，增加懲罰函數(shù)來(lái)控制這種關(guān)系。懲罰函數(shù)在此處的應(yīng)用是對(duì)旅行商問(wèn)題中距離的一種權(quán)重。如果符合懲罰的條件，就在這一距離上施加懲罰值；如果不符合這一條件，就不施加懲罰值。在本實(shí)施例的問(wèn)題中不應(yīng)該將“第一種孔11”和“第二種孔12”分開(kāi)考慮，因?yàn)樗鼈兌际莾?yōu)化問(wèn)題中的一個(gè)局部問(wèn)題。僅僅優(yōu)化一個(gè)局部問(wèn)題那只能獲得一個(gè)局部最優(yōu)解，需要將“第一種孔11”和“第二種孔12”放在一起全局考慮，僅區(qū)別對(duì)待，以獲得滿足特定條件下的全局最優(yōu)解。首先，將所有的待加工鉆孔根據(jù)它們的位置分為三組，不凡列舉如下，第一組待加工孔，所述第一組待加工孔為若干第一種孔11 ;第二組待加工孔，所述第二組待加工孔為若干個(gè)第二種孔12 ;第三組待加工孔，所述第三組待加工孔為若干第三種孔13。隨后，分別將懲罰函數(shù)應(yīng)用到算法模塊中并設(shè)置約束條件，懲罰函數(shù)的設(shè)置則是根據(jù)加工單元換刀具的效率來(lái)確定，待設(shè)定參數(shù)為換刀具的效率和工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度。為詳細(xì)闡述本發(fā)明，不煩如下列舉:如果換刀具的效率是2秒/次，然后根據(jù)工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度，例如I米/秒，可知換刀一次相當(dāng)于工件臺(tái)能運(yùn)動(dòng)2米，由此設(shè)置懲罰函數(shù)為在原來(lái)的運(yùn)動(dòng)距離基礎(chǔ)上再增加2米，如果加工主軸選擇90°變化加工方向的效率是I秒/次。然后根據(jù)工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度，例如I米/秒，可知換刀一次相當(dāng)于工件臺(tái)能運(yùn)動(dòng)I米，由此設(shè)置懲罰函數(shù)為在原來(lái)的運(yùn)動(dòng)距離基礎(chǔ)上再增加I米。通過(guò)TSP算法來(lái)判斷究竟是選擇跨越幾次第一組待加工孔和第二組待加工孔，或任意兩組間的孔的工作總路程最短，還是選擇跨越一次性加工完所有類型的孔，然后換刀再加工下一種孔這種路徑方式更短。以此將時(shí)間轉(zhuǎn)化為路程，算法再以統(tǒng)一的路程單位對(duì)換刀效率和增加工件臺(tái)路程進(jìn)行權(quán)重和評(píng)估。本質(zhì)上，三維混合優(yōu)化鉆孔路徑的懲罰函數(shù)的大小取決于兩個(gè)因素:換刀具的效率與加工主軸偏轉(zhuǎn)的效率。如果懲罰函數(shù)越小，對(duì)優(yōu)化的約束也就越小，算法會(huì)傾向于找到路程短、而效率高的加工路徑。反之，如果懲罰函數(shù)越大，對(duì)優(yōu)化的約束也就越大，算法會(huì)傾向于找到符合約束的路程較長(zhǎng)、而效率較低的加工路徑。由此可見(jiàn)，提高換刀具的效率與加工主軸偏轉(zhuǎn)的效率是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。在加工過(guò)程中，為減少加工主軸往返于刀具中心庫(kù)的運(yùn)動(dòng)。刀具三維機(jī)械手通過(guò)程序控制，提前至刀具中心庫(kù)準(zhǔn)備下一步加工所需的刀具，在距離加工主軸中心較近處等待。待加工主軸加工完成后，同加工主軸進(jìn)行換。請(qǐng)參閱圖6,圖6所示為加工單元換刀和加工方式示意圖。所述加工單元4作為三維鉆孔裝置，包括承載所述第一待加工零件I的工件臺(tái)41、設(shè)置在所述工作臺(tái)41 一側(cè)并用以加工承載在所述工件臺(tái)41上的第一待加工零件I的加工主軸和當(dāng)前使用刀具42、用于第一待加工零件I后續(xù)加工的待用刀具43、用于收容所述待用刀具43和后續(xù)待用刀具44的刀具中心庫(kù)45，以及用于調(diào)換加工主軸和當(dāng)前使用刀具42與待用刀具43的換刀三維機(jī)械手46，三維機(jī)械手46可在三維空間中立體換刀。所述第一待加工零件I待加工以在其上形成各種不同特征的鉆孔。在加工過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)第一種孔11加工完成后，進(jìn)行主軸刀具和當(dāng)前使用刀具42同和三維機(jī)械手46相互調(diào)換刀具，然后加工第二種孔12。當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)第二種孔12加工完成后，進(jìn)行主軸刀具和當(dāng)前使用刀具42同和三維機(jī)械手46相互調(diào)換刀具，加工下一種孔。依此類推，直至所有的孔都加工完畢后。由于加工主軸和當(dāng)前使用刀具42與三維機(jī)械手46至刀具中心庫(kù)45換刀和取刀可并行同時(shí)進(jìn)行，大大縮短了加工主軸因刀具更換所需要的行程和時(shí)間。采用三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化是一種最優(yōu)路徑，這種路徑僅保留了因零件加工特征而產(chǎn)生的對(duì)加工單元所需加工路徑的特點(diǎn)，而將不同特征間工件臺(tái)和加工主軸所需的重復(fù)運(yùn)動(dòng)里程降低到了最低。換言之，一次性加工完所有的特征，同時(shí)通過(guò)三維機(jī)械手46在刀具中心庫(kù)45與加工主軸和當(dāng)前使用刀具42間往返運(yùn)動(dòng)，以提供換刀的效率。以使得加工單元4的加工效率達(dá)到最優(yōu)。第二實(shí)施方式第二實(shí)施方式為一種基于三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化的路徑。所述三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化是以全部三種不等數(shù)量的鉆孔作為優(yōu)化條件，計(jì)算并獲得在加工過(guò)程中所需要遍歷的最短路徑。請(qǐng)參閱圖7、圖8，圖7所示為第二待加工零件5的三維模型圖。圖8所示為第二待加工零件5的鉆孔加工示意圖。在第二實(shí)施方式中，所述第二待加工零件5具有圓柱狀結(jié)構(gòu)，具體為圓柱狀物鏡鏡筒。所述第二加工零件5承載并吸附在加工工裝或臺(tái)階或工作臺(tái)吸盤6上。所述第二待加工零件5具有三種不同特征的鉆孔，具體包括第一鉆孔51，所述第一鉆孔51為頂部開(kāi)孔，由位于第二待加工零件5上方的第四主軸鉆孔刀具511加工形成；第二鉆孔52，所述第二鉆孔52為底部開(kāi)孔，由位于第二待加工零件5底部的第五主軸鉆孔刀具521加工形成，以及第三鉆孔53，所述第三鉆孔53為圓周開(kāi)孔，由位于第二待加工零件5圓周外側(cè)的第六主軸鉆孔刀具531加工形成。為使討論不失一般性，在此隨機(jī)產(chǎn)生的鉆孔和位置進(jìn)行估算。請(qǐng)參閱圖9、圖10，圖9所示為第二待加工零件5鉆孔優(yōu)化路徑三維圖。圖10所示為第二待加工零件5鉆孔優(yōu)化路徑二維圖。由于共有三種不同特征的加工孔，對(duì)三種孔進(jìn)行優(yōu)化并獲得優(yōu)化路徑，在每種孔加工完成后，由三維機(jī)械手進(jìn)行主軸刀具和待用刀具的調(diào)換。在算法處理上，為滿足特定的約束條件，增加懲罰函數(shù)來(lái)控制這種關(guān)系。懲罰函數(shù)在此處的應(yīng)用是對(duì)旅行商問(wèn)題中距離的一種權(quán)重。如果符合懲罰的條件，就在這一距離上施加懲罰值；如果不符合這一條件，就不施加懲罰值。在本實(shí)施例的問(wèn)題中不應(yīng)該將“第一鉆孔51”和“第二鉆孔52”分開(kāi)來(lái)考慮，因?yàn)樗鼈兌际莾?yōu)化問(wèn)題中的一個(gè)局部問(wèn)題。僅僅優(yōu)化一個(gè)局部問(wèn)題那只能獲得一個(gè)局部最優(yōu)解，需要將“第一鉆孔51”和“第二鉆孔52”放在一起全局考慮，僅區(qū)別對(duì)待，以獲得滿足特定條件下的全局最優(yōu)解。首先，將所有的待加工鉆根據(jù)它們位置屬性分成三組，不凡列舉如下，第四組待加工鉆孔，所述第一組待加工鉆孔為若干個(gè)頂部開(kāi)孔；第五組待加工鉆孔，所述第五組待加工鉆孔為若干個(gè)底部開(kāi)孔；第六組待加工孔，所述第六組待加工孔為若干四周側(cè)向開(kāi)孔。隨后，分別將懲罰函數(shù)應(yīng)用到算法模塊中并設(shè)置約束條件。懲罰函數(shù)的設(shè)置是根加工單元換刀具的效率來(lái)確定，待設(shè)定參數(shù)為換刀具的效率和工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度。為詳細(xì)闡述本發(fā)明，不凡列舉如下，如果換刀具的效率是2秒/次，然后根據(jù)工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度，例如I米/秒，可知換刀一次相當(dāng)于工件臺(tái)能運(yùn)動(dòng)2米，由此設(shè)置懲罰函數(shù)為在原來(lái)的運(yùn)動(dòng)距離基礎(chǔ)上再增加2米。如果加工主軸選擇90°變化加工方向的效率是I秒/次，然后根據(jù)工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度，例如I米/秒，可知換刀一次相當(dāng)于工件臺(tái)能運(yùn)動(dòng)I米，由此設(shè)置懲罰函數(shù)為在原來(lái)的運(yùn)動(dòng)距離基礎(chǔ)上再增加I米。通過(guò)TSP算法來(lái)判斷究竟是選擇跨越幾次第四組待加工孔和第五組待加工孔，或任意兩組間的鉆孔，工作總路程最短，還是選擇跨越一次性加工完所有類型的孔，然后換刀再加工下一種孔這種路徑方式更短。以此將時(shí)間轉(zhuǎn)化為路程，算法再以統(tǒng)一的路程單位對(duì)換刀效率和增加工件臺(tái)路程進(jìn)行權(quán)重和評(píng)估。本質(zhì)上，三維混合優(yōu)化鉆孔路徑的懲罰函數(shù)的大小取決于兩個(gè)因素:換刀具的效率和加工主軸偏轉(zhuǎn)的效率。如果懲罰函數(shù)越小，對(duì)優(yōu)化的約束也就越小，算法會(huì)傾向于找到路程短、而效率高的加工路徑。反之，如果懲罰函數(shù)越大，對(duì)優(yōu)化的約束也就越大，算法會(huì)傾向于找到符合約束的路程較長(zhǎng)、而效率較低的加工路徑。由此可見(jiàn)，提高換刀具的效率和加工主軸偏轉(zhuǎn)的效率是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。在加工過(guò)程中，為減少加工主軸往返于刀具中心庫(kù)的運(yùn)動(dòng)，刀具三維機(jī)械手通過(guò)程序控制，提前至刀具中心庫(kù)準(zhǔn)備下一步加工所需的刀具，在距離加工主軸中心較近處等待。待加工主軸加工完成后，同加工主軸進(jìn)行換。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖6,圖6所示為加工單元換刀和加工方式示意圖。所述加工單元4作為三維鉆孔裝置，包括承載所述第一待加工零件I的工件臺(tái)41、設(shè)置在所述工作臺(tái)41 一側(cè)并用以加工承載在所述工件臺(tái)41上的第一待加工零件I的加工主軸和當(dāng)前使用刀具42、用于第一待加工零件I后續(xù)加工的待用刀具43、用于收容所述待用刀具43和后續(xù)待用刀具44的刀具中心庫(kù)45，以及用于調(diào)換加工主軸和當(dāng)前使用刀具42與待用刀具43的三維機(jī)械手46。所述第一待加工零件I待加工以在其上形成各種不同特征的鉆孔。在加工過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)第一種孔11加工完成后，進(jìn)行主軸刀具和當(dāng)前使用刀具42同和三維機(jī)械手46相互調(diào)換刀具，然后加工第二種孔12。當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)第二種孔12加工完成后，進(jìn)行主軸刀具和當(dāng)前使用刀具42同和三維機(jī)械手46相互調(diào)換刀具，加工下一種孔。依此類推，直至所有的孔都加工完畢后。由于加工主軸和當(dāng)前使用刀具42與三維機(jī)械手46至刀具中心庫(kù)45換刀和取刀可并行同時(shí)進(jìn)行，大大縮短了加工主軸因刀具更換所需要的行程和時(shí)間。通過(guò)采用三維全局規(guī)格鉆孔混合優(yōu)化是一種最優(yōu)路徑，這種路徑僅保留了因零件加工特征而產(chǎn)生的對(duì)加工單元所需加工路徑的特點(diǎn)，而將不同特征間工件臺(tái)和加工主軸所需的重復(fù)運(yùn)動(dòng)里程降低到了最低。換言之，一次性加工完所有的特征，同時(shí)通過(guò)三維機(jī)械手46在刀具中心庫(kù)45與加工主軸和當(dāng)前使用刀具42間往返運(yùn)動(dòng)，以提供換刀的效率。以使得加工單元4的加工效率達(dá)到最優(yōu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員均應(yīng)了解，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變型。因而，如果任何修改或變型落入所附權(quán)利要求書及等同物的保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為本發(fā)明涵蓋這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述三維鉆孔的裝置包括:加工單元，控制單元和三維機(jī)械手；所述的三維機(jī)械手可在三維空間中立體換刀；所述控制單元包括信息輸入器、運(yùn)算器、第一信息輸出器和第二信息輸出器；所述第一信息輸出器與所述加工單元連接，控制加工單元運(yùn)作；所述第二信息輸出器與所述三維機(jī)械手連接，控制三維機(jī)械手運(yùn)作。
2.一種如權(quán)利要求1所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于:所述的加工單元包括: 工件臺(tái)，用以承載待加工零件，所述待加工零件待加工以在其上形成各種不同的鉆孔； 加工主軸和當(dāng)前使用刀具，設(shè)置在所述工件臺(tái)一側(cè)，用以加工承載在所述工件臺(tái)上的待加工零件； 待用刀具，用于待加工零件后續(xù)加工； 刀具中心庫(kù)，用于收容所述待用刀具。
3.如權(quán)利要求2所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述工件臺(tái)上設(shè)置的待加工零件具有立方體結(jié)構(gòu)或者圓柱體結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述的控制單元包括下述控制方法: 步驟S1:在信息輸入器中輸入信息； 步驟S2:在運(yùn)算器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算； 步驟S3:在第一信息輸出器輸出信號(hào)至加工單元； 步驟S4:同時(shí)，第二信息輸出器輸出信號(hào)至三維機(jī)械手。
5.如權(quán)利要求4所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述步驟SI中輸入的信息包括待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息及加工單元的信息；所述待加工零件的設(shè)計(jì)特征、設(shè)備待加工數(shù)據(jù)和信息包括鉆孔的位置、鉆孔數(shù)量和鉆孔規(guī)格；所述加工單元的信息包括采用基于三維加工、主要的加工面以及工件臺(tái)和加工主軸的自由度、運(yùn)動(dòng)速度、精度。
6.如權(quán)利要求4所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述的步驟S2還包括下述步驟: 步驟S21:選擇鉆孔路徑的優(yōu)化方式； 步驟S22:根據(jù)選擇的優(yōu)化方式進(jìn)行算法計(jì)算和程序計(jì)算； 步驟S23:重復(fù)步驟S21和步驟S22得出每個(gè)優(yōu)化方式下的結(jié)果； 步驟S24:比較并選擇結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的三維鉆的裝置，其特征在于，所述步驟S21中鉆孔路徑的優(yōu)化方式有:單一規(guī)格的鉆孔加工優(yōu)化、局部混合優(yōu)化，以及全局混合優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求7所述的三維鉆孔的裝置，其特征在于，所述全局混合優(yōu)化鉆孔路徑，針對(duì)同一孔徑但是不同鉆孔角度的孔，在算法統(tǒng)一規(guī)劃；針對(duì)不同孔徑規(guī)格采用刀具交換的混合進(jìn)行規(guī)劃。
9.如權(quán)利要求6所述的三維鉆孔方法，其特征在于，在算法處理上，為滿足約束條件，增加懲罰函數(shù)來(lái)控制。
10.如權(quán)利要求9所述的三維鉆孔方法，其特征在于，所述懲罰函數(shù)的設(shè)置是根據(jù)加工單元換刀具的效率來(lái)確定，待設(shè)定參數(shù)為換刀具的效率和工件臺(tái)的平均運(yùn)動(dòng)速度。
11.如權(quán)利要求6、7、8、9、10任一權(quán)利要求所述的三維鉆孔方式，其特征在于，所述算法計(jì)算為基于旅行商TSP算法，計(jì)算規(guī)劃最短的加工路徑。
12.如權(quán)利要求6、7、8、9、10任一權(quán)利要求所述的三維鉆孔方式，其特征在于，所述程序計(jì)算設(shè)置并考慮換刀的效率成本作為一種約束條件，在工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)和主 軸運(yùn)動(dòng)之間達(dá)到效率的平衡和匹配。
全文摘要
一種三維鉆孔的裝置，包括加工單元，控制單元和三維機(jī)械手；所述控制單元包括信息輸入器、運(yùn)算器、第一信息輸出器和第二信息輸出器；所述第一信息輸出器與所述加工單元連接；所述第二信息輸出器與所述三維機(jī)械手連接。所述的控制單元包括下述控制方法在信息輸入器中輸入信息；在運(yùn)算器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算；在第一信息輸出器輸出信號(hào)至加工單元；同時(shí)，第二信息輸出器輸出信號(hào)至三維機(jī)械手。本發(fā)明將CNC工件臺(tái)和加工主軸所需的重復(fù)運(yùn)動(dòng)里程降低到了最低，同時(shí)通過(guò)三維機(jī)械手在刀具中心庫(kù)和加工主軸間往返運(yùn)動(dòng)，以提供換刀的效率，使得CNC加工中心的加工效率達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同規(guī)格的加工孔相互之間的轉(zhuǎn)換和過(guò)渡，以及提高復(fù)雜三維零件的加工效率。
文檔編號(hào)B23B41/02GK103192114SQ20121000508
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者吳飛, 王邵玉, 袁志揚(yáng), 朱書才, 王洪尊, 陳軍 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司