CN1425992A - 设计支持装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种支持包括加工工艺的设计的整体产品设计过程的系统。基于机加工操作准备包括机加工部分的立体形状和/或机加工属性数据的机加工部分模型200－1并将其存储在一个标准机加工部分信息库内。设计工程师指定应用到为显示在CAD装置上的立体模型产品模型300上的机加工部分模型200－1并设定应用位置和应用方向302。由此CAD装置找出一个表示完成机加工后形成的产品形状的产品模型320，每个机加工操作与所选机加工部分模型200－1相对应。通过将机加工部分模型顺序应用到坯料模型上形成产品模型320。由于生成的产品模型320包含有与每个机加工部分有关的三维立体数据和机加工属性数据，因此形成的数据可用于设计机加工工艺。

Description

设计支持装置和方法

发明领域

本发明涉及一种用于产品及产品零部件辅助设计的设计支持装置，在下文中，将产品及产品的零部件简称为产品。

相关技术的说明

在各种产品包括机加工产品的开发过程中，除了需要设计产品本身的形状、形式和结构(在下文中称为产品设计)外，还需要对产品的制造进行设计。例如，为了设计一台汽车发动机，在开始制造前，必须首先设计金属模具和切削或其它机加工工艺(称之为工艺设计)的流程，金属模具例如可以是用于制造坯料(blank material)的模具(称之为模具设计)。

上述的产品设计、模具设计和机加工工艺设计均需要专业技能，因此通常由专业的设计组来完成。通常，产品设计组设计产品的几何形状，接着，模具设计组和工艺设计组分别根据已设计好的产品几何形状来分别进行各自的设计活动。

近年来，利用计算机的设计支持系统，例如CAD(计算机辅助设计)已被广泛采用。例如，对于产品设计和模具设计而言，人们一直在尝试着利用三维CAD系统来提高设计效率。

即使每个设计组都通过使用CAD系统来努力提高其效率，但是对设计所需的全部时间而言，这种努力的效果十分有限，因为在(模具)设计和工艺设计开始之前，必须获得产品设计的结果。而最初的产品设计通常会在制造工艺方面产生问题，这样就经常需要对产品进行重新设计。尽管在变化十分微小时，模具设计组或工艺设计组可以对产品的设计结果进行修改，但在传统的设计中，产品设计组通常要被迫大范围修改其原始的产品设计。只要需要这样做，那么就必须付出很多、甚至巨大的劳动和时间。尽管三维CAD系统便于产品形状的设计，但是，传统的系统中没有一种具有在产品设计阶段结合有关机加工工艺的信息的功能。因此，现在，机加工工艺通常要根据印刷在纸张上的图纸进行设计。图纸在存放和设计信息的重新使用方面存在很多困难。

发明内容

针对上述问题提出的本发明旨在提供一种能够提高产品形状和机加工工艺的设计效率的设计支持装置。

为实现上述目的，根据本发明的设计支持装置包括一个机加工部分(部位)信息库(machined portion library)和一个模型管理器，其中在机加工部分信息库内存储有机加工部分(部位)模型(machined portion model)，在每个模型中都包括有关于由机加工部分模型所限定的机加工部分的形状数据和机加工属性数据，而模型管理器可从表示一个产品坯料的坯料模型和一个或多个记录在所述机加工部分信息库内的机加工部分模型的组合中构造出产品模型。

在本发明的一个方面中，设计支持装置还包括一个使用者界面，该界面用于向使用者提供作为待加工对象的坯料模型或产品模型，用于根据将被应用到待加工对象上的机加工操作从机加工部分信息库内选取机加工部分模型并接收输入的所选的机加工部分模型的安装数据。根据该方面，模型管理器可对通过所述的使用者界面的数据输入作出反应，将作为待加工对象的坯料模型或产品模型更新成处于已经基于安置数据(placementdata)进行了对应于所选机加工部分模型的机加工操作的这种状态下的产品模型。

在本发明的另一方面中，有关坯料模型和机加工部分模型的形状数据由三维立体模型来表示，产品模型的几何尺寸通过坯料模型的立体模型和所选的机加工部分模型的一组操作(a set operation)来形成。

在本发明的再一方面中，机加工部分模型包括相关机加工部分的形状数据的特征性截面形状的线状模型(wire model)。

在本发明的又一方面中，每个机加工部分模型都包括线状模型数据，线状模型数据限定了一个在完成施加于相关机加工部分上的加工操作时形成的表面。

在本发明的另一方面中，每个机加工部分模型还包括一个与相关机加工部分有关的设计要求数据。

在本发明的再一方面中，设计支持装置还包括机加工属性提供部分，用于向使用者提供包含在产品模型中的每个机加工部分模型的机加工属性数据。

在本发明的又一方面中，每个机加工部分模型都是通过将一个或多个单位加工模型(unit process model)组合到一起形成的，而每个单位加工模型都表示一个可由单个刀具加工出来的单位机加工部分。

上述的单位加工模型各包括关于单位机加工部分(unit machinedportion)的形状数据和加工属性数据。

在本发明的另一方面中，设计支持装置还包括：用于根据加工所用的刀具和机加工方向，对包含在产品模型中的单位加工模型进行分类的部分，以根据分类结果，获得单位加工模型的机加工顺序。

根据本发明的设计支持装置包括：一个刀具库，在该刀具库内，记录有钻孔刀具的属性数据，该数据包括钻孔刀具的形状数据；输入部分/装置(means)，用于接收由刀具库中选取的钻孔刀具的指定和由所选钻孔刀具来完成的有关机加工方向和机加工深度的数据输入；一个建模器，其能够根据输入到输入部分内的数据和所选钻孔刀具的形状数据产生一个表示通过所选钻孔刀具钻出的几何形状(尺寸)的模型。

在本发明的另一方面中，设计支持装置还包括一个钻孔部分模型的生成器，其能够将根据输入到输入部分中的操作顺序而由建模器产生的多个模型组合在一起来形成钻孔部分模型，每个模型都表示一个单个钻孔部分

在本发明的另一方面中，设计支持装置还包括基准显示器部分/装置(means)，该部分接收有关钻孔部分的横截面形状的数据输入并显示输入的横截面形状，将其作为输入到输入部分内的数据的基准线(guideline)。

在本发明的另一方面中，设计支持装置还包括一个检验器，其用于检查所产生的钻孔部分模型是否与横截面形状相一致并然后提供检验结果。

在本发明的另一方面中，设计支持装置还包括一个具有下述功能的部分/装置(means)：用于将记录在刀具库中并与输入部分所选的钻孔刀具有关的预定属性数据与由建模器生成的模型的机加工属性数据合并。

根据本发明的设计支持装置包括：一个记录有与平面加工刀具的属性数据有关的刀具数据库；用于接收基准线的输入数据的部分，其中基准线限定了一个在完成加工时的平面位置；用于输入由刀具数据库中选取的平面加工刀具的指定并将由所选平面加工刀具加工的加工深度设定为一个相对基准线的偏移量的输入部分；一个用于产生单位加工模型的模型生成器，每个单位加工模型都表示根据输入到输入部分内的数据由平面加工刀具加工而成的机加工几何形状；平面机加工部分模型生成器，用于将根据输入到输入部分内的顺序通过模型生成器生成的多个单位加工模型组合到一起而产生平面加工部分模型，每个模型都限定了一个平面加工部分。

根据本发明的设计支持方法帮助完成产品形状和加工工艺的计算机辅助设计(CAD)。该设计支持方法包括下述步骤：向使用者提供一个表示待加工对象的模型；接收由一机加工部分信息库中选取的机加工部分模型的指定，该模型表示将对待加工对象所要进行的加工操作，而在机加工部分信息库内，记录有机加工部分模型，每个所述的机加工部分模型都包括与相关机加工部分有关的形状数据和加工属性数据；接收用于将所选机加工部分模型安装到待加工对象上的安放数据的输入；生成一个表示待加工对象处于下述状态下的模型：即对应于所选机加工部分模型及其安装数据和待加工对象的模型，执行与所选机加工部分模型相对应的机加工操作。

本发明还提供一种使计算机能够执行下述步骤的程序：向使用者提供一个待加工对象的模型；接收由一机加工部分信息库中选取的机加工部分模型的指定，该模型表示将对待加工对象所要进行的加工操作，而在机加工部分信息库内，记录有机加工部分模型，每个所述的加工部分模型都包括与机加工部分有关的形状数据和加工属性数据；由使用者接收用于将所选机加工部分模型安装到待加工对象上的输入安装数据；生成一个表示待加工对象处于下述状态下的模型：基于所选机加工部分模型及其安装数据和待加工对象的模型，执行与所选机加工部分模型相对应的加工操作。

附图的简要说明

图1示出了根据本发明的设计支持系统的整体结构的一个实例；

图2示出了有关钻孔部分模型的数据内容的实例；

图3示出了模型识别数据的实例；

图4A和4B分别为用于说明一个钻孔部分的加工部分形状数据和设计要求数据的图示；

图5A和5B为用于说明钻孔部分的单位加工模型和机加工属性数据的图示；

图6示出了有关平面加工部分模型的数据的一个实例；

图7A和7B为用于说明平面加工部分的加工部分形状数据和设计要求数据的图示；

图8A和8B为用于说明有关平面加工部分的单位加工模型和加工属性数据的图示；

图9为用于说明将一钻孔部分定位在一个产品模型中的设计活动的图示；

图10为用于说明将一平面加工部分定位在一个产品模型中的设计活动的图示；

图11为用于说明钻孔部分模型的形成流程图；

图12为说明平面加工部分模型的生成流程图。

对优选实施例的说明

现参照附图，对本发明的优选实施例进行说明。

图1示出了根据本发明的设计支持系统的总体结构的一个实例。该设计支持系统用于同时对产品形状进行设计和生成用于实际加工产品形状的机加工工艺信息。

图1的系统中示出的CAD装置10是通过将处理机加工部分模型(machined portion model)的功能添加到传统的三维立体建模器(modeler)上而构成。该机加工部分模型是一种表示制造一个物体所需机加工操作的模型，而且广义上讲，包括与加工形状(即通过机加工操作形成的几何形状)有关的数据和限定机加工操作的各种机加工属性数据。机加工部分模型的细节如下所述。CAD装置10具有通过设定用于组合三维立体形状的操作表示复杂的三维几何形状的功能-与传统的立体建模器一样，还能够处理除形状数据外还包括属性数据如机加工属性数据的机加工部分模型。

一个标准的机加工部分信息库20是一个保存有标准机加工部分模型的数据库。标准的机加工部分模型通常被用作一个组织，例如公司-利用这种设计支持系统的团队所在的机构-中的标准。另外，一个临时机加工部分信息库22是一种记录有使用设计支持系统制成的非标准机加工部分模型的数据库。

在根据该实施例的系统中，设计活动基本上利用存储在标准机加工部分信息库20内的标准机加工部分模型来进行。但是，不能由标准机加工部分模型表示的机加工操作可用一个新生成并被输入到临时机加工部分信息库22内的机加工部分模型来表示。

产品模型24是可由CAD装置10设计和制造的对象的模型。产品模型24由三维立体模型的坯料模型和机加工部分模型来表示，而三维立体模型限定了被用作待加工对象的坯料的几何形状，而每个机加工部分模型都限定了作用于坯料模型上的机加工操作。这种产品模型的表示方法可与一种通过将机加工操作应用到通过铸造或锻造制成的坯料上而形成产品的最终形状的工艺相联系。产品形状可通过一系列操作(a set operation)来得到，这些操作将施加到坯料模型上的机加工部分模型的每个立体形状与坯料模型的立体形状结合。应该注意到：由于坯料模型的立体形状表示一种实物(材料体)，而机加工部分模型的每个立体形状都表示将通过机加工操作而被除去部分的形状，因此能够得到产品形状的设定操作是通过从坯料的形状中减去机加工部分的几何形状而进行的。

一个刀具模型库26是一个存放有用于机加工操作的刀具的模型(在下文中称之为刀具模型)的数据库。一个刀具模型可包含有关刀具名称和几何形状的数据，有关可通过该刀具来加工的机加工部分的几何形状的数据(例如立体形状数据)，有关利用该刀具进行加工操作而产生的尺寸公差和表面粗糙度的数据，有关能够使用用该刀具的机器的机器识别数据。该刀具模型可用于形成机加工部分模型，和用于相对产品形状检验刀具干涉(tool interference)。相反，当仅利用标准机加工部分信息库20内的机加工部分模型进行设计(即无需生成新的机加工部分模型)和不检验刀具干涉时，就不需要刀具模型库26(及临时机加工部分信息库22)。

有关机加工部分模型的数据内容如下所述。在图2中，示出了关于限定一个钻孔部分的机加工部分模型200-1的数据实例。机加工部分模型200-1表示一个形状复杂的钻孔部分280，如图9所示。该钻孔部分模型280由三个不同的钻孔操作构成，并由机加工部分模型200-1表示。具体如下所述。

如图2所示，机加工部分模型200-1包含模型识别数据210、机加工部分的形状数据220和一个单位模型组件230。尽管图2示出了存储于标准机加工部分信息库20内的机加工部分模型的一个实例，但是，存储在临时机加工部分信息库22内的机加工部分模型也可具有相同的数据结构。

模型识别数据210包括用于识别和检索出机加工部分模型200-1的信息。图3示出了模型识别数据210的一个实例。图3所示的模型识别数据210包含一个识别码2102，工件类型2104，施用位置2106，机加工部分的名称2108和关键词2110。识别码2102是一个唯一分配给机加工部分模型200-1的代码，并被设计支持系统用来识别机加工部分模型。另外，工件类型2104，施用位置2106，机加工部分的名称2108和关键词2110主要在使用者查找一个特定的机加工部分模型才被使用。

工件类型2104是一个有关工件(待加工对象)类型的数据。作为工件类型2104，例如可用于具体表示一个工件类型，例如“直列四缸发动机组”、“V6发动机组”等。施用位置2106是关于将机加工部分施加到工件上的位置的数据。例如，一信息项如在工件上的位置指定，例如上表面、下表面、侧面等可被指定为施用位置2106。机加工部分的名称2108是一个表示机加工部分的名称，最好采用一个暗示机加工部分的一个特征的名字，例如“打孔钻进(knock hole drilling)”，“斜面倒角(bank chamfering)”等表示机加工部分的名称2108。上述数据之外的用于查找机加工部分模型的关键词被记录为关键词2110。

除上述的数据项外，有关机加工部分类型的数据，例如该实例中的平面机加工部分和钻孔部分可包括在模型识别数据210中。

机加工部分形状数据220为描述钻孔部分的横截面形状的线状数据(wire data)，如图4A所示。由于钻孔部分的几何形状可由沿孔的中心线的横截面形状来区分，有关横截面形状(线状数据)的绘线图(line drawing)被作为机加工部分的形状数据220。机加工部分的形状数据220能够使习惯于二维设计图的设计工程师容易地判断出机加工部分模型的几何形状。也可以-如下所述-从包含在单位模型组件230中的立体形状数据推导出横截面形状。为能够快速查询(referencing)，横截面形状在该系统中被预先记录为有关机加工部分模型的信息。

机加工部分模型200-1还包含与机加工部分的形状数据220有关的设计要求数据225。设计要求数据225是对由机加工部分模型200-1限定的机加工部分在产品设计方面关于设计要求的数据。

设计要求数据225包括：例如，尺寸公差226，表面粗糙度227，几何公差-如图4B所示，其中位置偏差228被表示为该公差的一个实例。此外，设计要求数据225可包括机加工部分的尺寸的所有数值。尺寸数据是从在利用CAD装置生成线状数据220的过程中确定的尺寸中获得的，并包含在线状数据220中。设计要求数据225作为二维图形数据结合到机加工部分模型200-1内，如图4B所示，并根据需要或要求而显示在CAD装置10上。或者，设计要求的每一项，例如尺寸公差或其它项可与线状数据220内的对应点相链接，以能够通过点击线状数据220上的链接点而显示出来。为使设计工程师能够识别指定给机加工部分模型200-1的设计要求数据的每项，设计要求数据225以可显示的数据形式存在。这里，应该注意：尺寸公差和在图2中被表示为设计要求数据225项的其它项是示例性的，许多其它项也可被包括在设计要求数据225中。无需对机加工部分上的每个对应点的所有设计要求进行设定，但是最好对从设计角度要求上所需的所有或部分项进行设定。

加工模型组件230包括一个或多个单位加工模型240，每个模型都表示利用一个刀具由一个机器完成的一单位机加工操作。加工模型组件230包括所有的单位加工模型240，每个单位加工模型都表示加工与机加工部分模型200-1相对应的整个机加工部分所需的单位机加工操作。每个单位加工模型240都由三维立体数据来表示，其中三维立体数据是关于由单位机加工操作形成的机加工几何形状的数据。在该实例中，形成钻孔部分280(参照图9)需要三个单位机加工操作：“定心(centering)”、“倒角+准备孔钻(prepare hole drilling)”和“精加工”。因此，加工模型组件230包括单位加工模型240-1、240-2和240-3(见用于这些模型的立体形状的图5A)，其分别与各单位机加工操作相对应。由于钻孔部分280的形成需要按“定心”、“倒角+准备孔钻”和“精加工”的顺序执行单位机加工操作，有关对应于执行顺序的单位加工模型240-1至240-3顺序的数据包括在加工模型组件230中。

另外，加工模型组件230存储着与由单位加工模型240-1至240-3限定的单位机加工操作有关的加工属性数据245-1至245-3。加工属性数据245-1至245-3分别与加工模型组件230中的单位加工模型240-1至240-3相关联。加工属性数据245-1至245-3可包括多个项，例如公差，刀具模型指定(名称)，指定的机器，切削条件，加工循环(maching cycle)等。参照图5B，对其作详细说明。尺寸公差是单位机加工操作所需的数据，而且是按需要作出设定的数据。“刀具模型名称”是表示执行单位机加工操作所用的刀具模型的识别名称。在该实例中，分别表示一个用于加工的刀具的刀具模型可被存储在刀具模型库26内，有关每个刀具的数据可从刀具模型中获取。因此，刀具模型库26内的每种刀具模型的识别名称都被用作加工属性数据245中的刀具模型名称。“指定的机器”是被指定用于执行单位机加工操作的一个机器的识别数据。“切削条件”是设定在执行单位机加工操作时的条件的项，其包含有关例如刀具的转数、进送速度等参数的数据。“加工循环代码”是一个在执行单位机加工操作时所采用的加工循环的代码。加工循环(maching cycle)是限定刀具运动模式的数据(规则)，例如“第一，以高速进送刀具，直到到达钻孔的开始位置，接着从钻孔的起始位置以低速将刀具送进预定的深度，增加进给速度，接着，当达到需要加工的深度时停止刀具的进刀并使刀具暂时旋转”或“以一个预定量前后反复进刀(步进移动pecking movement)”。对于机加工操作而言，即使当使用同一刀具对同一孔进行加工时，刀具仍然有许多种运动方式，而且所要达到的质量可能会根据刀具的移动模式的不同而变化。在该实施例中，刀具的各种运动模式(即机加工循环)预先用指定给刀具移动模式的代码记录下来，以允许用于单位加工模型240的加工循环由该代码来表示。机加工属性数据245还可包括其它机加工属性项，例如在机加工操作过程中所用的冷却剂。单位加工模型240的尺寸可包括在机加工属性数据245中。由于被加工部分的尺寸是在利用CAD装置生成单位加工模型240的过程中所设定的尺寸中得到的并包含在与单位加工模型240有关的数据中，因此就可以由单位加工模型240推导出尺寸的数值。应该注意：本发明无需设定单位加工模型240中的所有机加工属性项，最好对单位加工模型240所必需的项加以设定。

现参照图6，对关于平面加工部分的机加工部分模型200-2的内容加以说明。平面机加工部分模型200-2也包括模型识别数据210、机加工部分形状数据250和一个单位模型组件260。模型识别数据210的结构可与钻孔部分模型200-1的模型识别数据的结构相类似。

平面加工部分的机加工部分的形状数据250是一个线状数据，该数据限定了一个平面，该平面与通过机加工操作形成的产品的精加工表面(平面)相匹配。

图7A示出了线状数据(wire data)的一个实例。该实例中的线状数据利用矩形线框(wire line)对产品的精加工表面作出了说明，在矩形线框内包含有精加工表面。线状数据不只是一个二维的绘线型图(linedrawing)，而是包含了线框(wire line)在用于机加工操作中的三维基准坐标系内的位置(例如，矩形顶点的坐标系)。因此，当坯料模型被放置在基准坐标系上的预定基准位置上时，由线框限定而成的平面就成为一个表示产品的精加工表面的平面，而产品的精加工表面是在根据相应的机加工部分模型在坯料模型上完成表面研磨后形成的。图10所示的机加工部分模型200-2的示意图示出了通过将一个待加工对象的模型292加工成由机加工部分的形状数据250的线框290限定而成的平面，而形成产品294的精加工表面。

尽管在钻孔部分模型中，钻孔操作的形状的横截面形状被用作机加工部分的形状数据220，但在该实例中，产品的精加工表面就是平面加工操作的形状并由机加工部分的形状数据250来表示。尽管很多种数据表示都可以用于描述产品的精加工表面(平面)，但是在该实例中采用了线状数据，因为线状数据与表示钻孔部分的机加工部分数据220的数据相一致。采用线状数据的另一原因在于线框(wire line)可应用于自动生成刀具路径(toolpath)的基准。具体而言，尽管在图7所示的实例中，在一个矩形中形成线框，但通过将线框形成与产品的实际精加工表面的轮廓相一致，就有可能根据线框在机加工过程中生成刀具路径。

机加工部分模型200-2保存着与机加工部分的形状数据250相关的设计要求数据255。设计要求数据255包含有关机加工部分(即产品的精加工表面)的表面粗糙度、几何公差和待加工区域(见图7B)的尺寸的数据。待加工区域的尺寸是与机加工部分形状数据250(线框)的各个段有关的尺寸数据。在图7B的实例中，产品的精加工表面的平面度被表示成几何公差的实例。

平面机加工部分的加工模型组件260还包括一个或多个单位加工模型270。加工模型组件260包含所有的单位加工模型270，每个单位加工模型都表示加工与加工部分模型200-2相对应的整个加工部分所需的单位机加工操作。每个单位加工模型270都由关于将被单位机加工操作所加工的几何形状的三维立体数据来表示。在常规的平面加工中，分多个步骤加工一个平面，同时还要更换刀具，在最后一个步骤，利用能够实现所需表面粗糙度或精度的机器和刀具的组合来完成精密切削。该实例中的单位模型组件260描述了能够以一个两步骤的次序形成具有所需精加工表面的产品的程序，其中首先进行“粗”加工，然后进行“精”加工。用于“精加工”的单位加工模型270-1和用于“粗加工”的模型270-2可由立体形状来表示，每个立体形状都可通过将机加工部分的形状数据250的线框用作底部形状并将需要通过机加工除去的厚度(切削深度)用作高度而形成-如图8A所示。或者，用由机加工部分的形状数据250(相对精加工表面的高度)给出的相对产品的精加工表面的偏移量来设定平面机加工部分的单位加工模型270。通过从表示待加工对象的立体模型中减去由单位加工模型270限定的立体形状，该待加工对象可被表示成处于已经完成与单位加工模型270相对应的单位机加工操作的状态。

平面机加工部分的单位模型组件260还包括有关单位加工模型270的应用顺序的数据(换言之，执行单位加工操作的顺序)，这与钻孔部分的单位模型组件230的情况相同。

单位模型组件260还存储有机加工属性数据275-1至275-2，这些数据与由单位加工模型270-1至270-2所限定的单位机加工操作有关。机加工属性数据275-1至275-2与单位模型组件260中的各个单位加工模型270-1至270-2有关。与钻孔部分的机加工属性数据245相同，机加工属性数据275-1至275-2可包括下列有关项的数据：例如，刀具模型的指定(名称)，指定的机器，切削条件和切削周期。每个项都与钻孔部分的项相似(见图8B)。单位加工模型270的切削深度值(或相对产品的精加工表面的偏移量)可被结合到机加工属性数据275中去。

到现在为止，已经对机加工部分模型作出了说明。在根据该实施例的CAD装置10中，上述机加工部分模型被布置到一个坯料的立体模型上，以形成一个产品模型。这里，应该注意到：通过将一个或多个机加工部分模型布置在坯料模型上而形成的模型被称为产品模型。换言之，术语“产品模型”并非局限于产品的最终形式，而是可表示在设计过程中形成的中间模型。因此由CAD装置完成的设计操作可被认为是对产品模型的更新，这种更新是通过将机加工部分模型顺序安装到产品模型上形成的。产品模型的几何形状是将通过设计形成的机加工部分模型的每个立体形状结合到坯料模型的立体形状中形成的。

作为这种设计操作的使用者界面部件(user interface means)，CAD装置10包括一个显示屏和输入部分，当前产品模型的立体形状显示在显示屏上，输入部分例如可以是键盘和一个点击部件。CAD装置10提供了一个检索工具，以选择特安装的机加工部分模型。作为检索工具，可以采用一种能够接收用于模型识别数据210项的搜索条件的(名称)指定(见图3)并从标准机加工部分信息库20和/或临时机加工部分信息库22内搜索满足特定检索条件的机加工部分模型的工具。检索结果可以满足特定检索条件的机加工部分模型的清单形式显示出来。例如，当“直列四缸发动机组”和“上表面”被分别指定为工件类型和应用位置时，在数据库内被标记为位于“上表面”上的“直列四缸发动机组”的机加工部分模型将被调出并在显示器上列出。在显示器上，工件类型、应用位置和识别数据例如机加工部分的名称可与单位加工模型220和250的线状模型一起被基于机加工部分模型而显示。由于许多设计工程师能够特别是通过其横截面形状来区分钻孔部分，因此线状模型的显示有利于设计工程师识别所需的机加工部分模型。此外，通过进一步显示机加工部分模型的设计要求数据225和255和单位模型组件230和260中的单位加工模型240和机加工属性数据245，就能够向设计工程师提供用于确定机加工部分模型是否为所需模型的多个元素。最好按照设计工程师或使用者的指示来显示详细的信息，例如设计要求数据和单位模型组件。

当通过上述检索工具得到所需的机加工部分模型时，设计工程师在产品模型的显示屏上利用点击设备例如鼠标或光笔设定一个机加工部分模型需要应用的位置(安装位置)。如果需要，设计工程师还可以设定应用的方向(安装方向)。这种操作能够使设计工程师感觉就好象在真正的工件上进行机加工操作一样构成产品模型。

下面将通过具体的实例对利用CAD装置10的上述设计操作加以说明。

图9为用于说明将钻孔部分安装到产品模型上的实例的图示。参照图9所示的实例，对用于将钻孔部分模型200-1安装到产品模型300上的程序及其结果加以说明。产品模型300表示产品处于下述状态下：已经完成了机加工部分A(钻孔操作)、机加工部分B(平面加工操作)和机加工部分C(钻孔操作)。设计工程师利用上述检索工具或类似工具从标准的机加工部分信息库20和/或临时机加工部分信息库22内调出所需的机加工部分模型200-1，并设定机加工部分模型200-1在产品模型300上的应用(安放)位置302和应用(安放)方向304。在图9所示的实例中，在两个位置采用了相同的机加工部分模型200-1。在接受这些指令后，CAD装置10执行一组操作，以将两个安放的机加工部分模型200-1的立体形状结合到产品模型300的立体形状上，从而得到通过将机加工部分模型200-1(机加工部分)安装到位而被更新的产品模型320的几何形状，接着显示形成的形状。

参照图10，下面将对在图9所示的程序后，用于将平面机加工部分模型200-2安装到已更新的产品模型320上的设计程序加以说明。在该实例中，设计工程师利用检索工具找到所需的平面机加工部分模型200-2并给出指令，将模型应用(安装)到CAD装置10上。由于平面机加工部分模型200-2包含有关于产品的精加工表面在基准坐标系中的位置数据，因此可通过将产品模型320安装到基准坐标系中的预定参考位置上并设定将被应用的平面机加工部分模型200-2，就可以限定所设定的平面机加工部分模型需要应用的位置。应用位置无需特别指定。在图10的实例中，与机加工部分模型200-2相对应的平面机加工操作从附图中的模型右侧应用到形成机加工部分C的表面上。在平面机加工完成后，产品模型320就成为一个具有机加工部分E的产品模型340。

对于平面机加工部分而言，当待加工对象的尺寸大于由机加工部分的形状数据250的线框形成的几何形状(尺寸)，那么就不可能正确表示平面加工操作应用到待加工对象上的状态，因为单位加工模型275的立体形状取决于这些线框。此外，当机加工的刀具路径相对这些线框自动生成时，需要能够将由这些线框形成的几何形状调整为所需的形状。因此，在将机加工部分模型200-2应用于产品模型上时，机加工部分形状数据250的线框最好采用可调的尺寸和形状。为实现这种可调性，CAD装置10可将与机加工部分形状数据250(线框)的尺寸和形状变化有关的数据及能够识别加工部分模型的数据保存为与所用设计程序有关的历史信息。对于单位加工模型240的立体形状而言，在一个以线框为最终几何形状的实例中，可以仅通过改变线框的尺寸和形状的方式获得所需的立体形状。

如上所述，用于应用钻孔部分和平面加工部分的每个设计程序都是一设计程序单位。设计工程师可由坯料模型开始通过以上述方式顺序添加设计程序来限定产品模型。

在上述的情况下，产品模型可由坯料模型和应用到坯料模型上的设计程序的历史记录的联合表示。这种历史记录可具有下述结构：能够以清单的方式按照程序的应用顺序列出由各个设计工程师执行的设计程序。每个设计程序都可包括例如设定机加工部分模型的数据和设定机加工部分模型的应用位置和应用方向的数据的组合(平面加工部分不需要与应用位置和应用方向有关的数据)。CAD装置10可通过将存储在上述历史记录中的程序应用到坯料模型上来计算产品模型的立体形状。

上面已对根据该实施例的产品模型的设计方式(design scheme)进行了说明。下面，将对应用于设计方式中的机加工部分模型的产生过程的实例加以说明。通过将一个能够完成下述机加工部分模型的产生方式的生成支持工具结合到CAD装置10内或另一个与标准机加工部分信息库22或临时机加工部分信息库22可存取连接的计算机上，使用者就能够根据需要利用生成支持工具生成机加工部分模型。

图11为用于说明钻孔部分模型之形成方式的一个实例的示意图。根据该方式，如图(a)所示，用于形成机加工部分模型的支持工具显示一个用于限定机加工部分模型的坯料模型400。使用者可将表示钻孔部分横截面形状的线状数据410放置在显示器中的待钻孔目标位置上，如图(b)所示。线状数据410由使用者生成，并作为机加工部分模型200-1的机加工部分形状数据220而被存储，而且作为用于放置单位加工模型240的基准线(基准几何形状)而被显示出来。参照基准线，使用者顺序放置单位加工模型240，每个单位加工模型都表示形成钻孔部分的一单位机加工操作。此外，当线状数据410被放置到位时，支持工具从使用者处接收到例如“产品的尺寸公差”的输入数据并将数据输入到相应机加工部分模型200-1的设计要求数据225中。

对于单位加工模型的安放而言，首先将作为钻孔基准的“定心”模型240-1安装到位，如图(c)所示。在将“定心”模型240-1安装到位后，支持工具执行一致性检查，以确定已经放置到位的“定心”模型240-1的中心线是否与线状数据410的中心线对齐，接着通知使用者中心线是否相配。这种通知有利于使用者将“定心”模型240-1正确地放置在与线状数据410对准的位置上。根据放置的结果，支持工具找出“定心”模型240-1的立体形状和坯料模型400的立体形状之间的共同部分并作为中心钻孔后的几何形状(见图(d))。

在上述的程序中，“定心”模型240-1本身被视为与使用者指定的“定心”用刀具相对应。有关刀具的数据被记录在刀具模型信息库26内。当使用者从刀具模型信息库26内选择一个所需的刀具时，就可根据设定刀具的几何形状确定一个表示要定心加工的立体的锥形形状。支持工具与设定的刀具模型相对应地将待加工几何形状(立体形状)作为第一单位加工模型240-1输入到单位模型组件230内，接着检索并然后存储所有的机加工属性数据245-1同时存储单位加工模型(立体形状)240-1与坯料模型400的相对位置有关的数据。机加工属性数据245-1中的“刀具模型指定(名称)”和“指定的机器”可从有关使用者设定的刀具模型的数据中获得。对于“尺寸公差”、“切削条件”或“加工循环”而言，支持工具促使使用者录入一些项并将输入数据记录到机加工属性数据245-1中。作为“切削条件”、“加工循环”等，使用者输入经实验、原型制造(prototype)和/或技术工程师的常识证实是合适的数据。公差数据无需由使用者输入，因为有许多从刀具或切削条件中获取数据的机会。

在下一步骤中，使用者将一个用于“倒角+准备钻孔”的模型240-2安置在与线状数据410对齐的位置上，如图(c)所示。接着，支持工具执行一致性检查，以确定已放置的模型240-2的横截面形状是否与线状数据410相匹配并通知使用者其是否相匹配。这种通知有利于使用者将用于“倒角+准备钻孔”的模型240-2正确地放置到与线状数据410对准的位置上。(f)示出了已安装的模型240-1和240-2与坯料模型400之间的共同部分。

在该步骤中，与“定心”模型240-1相似，支持工具也要根据使用者选择的刀具模型找到一个用于“倒角+准备钻孔”模型240-2的立体形状并将已经找到的立体形状及其相对坯料模型400的相对位置记录在单位模型组件230内作为第二单位加工模型240-2，同时检索获取机加工属性的项并将其存储在机加工属性数据245-2中。

接下来，使用者将一个“精加工”模型240-3安装在与线状数据410相互对齐的位置上，见图(g)。此时，支持工具通过执行一致性检查，从而确定模型240-3的横截面形状是否与线状数据410相匹配，并将检查结果通知使用者，从而帮助使用者将模型240-3正确安置在与线状数据410对齐的位置上。(h)示出了已安置到位的模型240-1、240-2和240-3与线状数据400的坯料模型的公共部分的几何形状。与“定心”模型240-1相同，支持工具也从使用者所选的刀具模型中找出“精加工”模型240-3的立体模型，接着将有关立体模型与坯料模型400的相对位置的数据记录到单位模型组件230内，作为第三单位加工模型240-3，同时获取有关机加工属性中的每一项的数据，并将这些数据输入到机加工属性数据245-3中。

此外，该支持工具将一个唯一的识别代码2102分配给输入单位加工模型200-1，接收作为模型应用目标的工件类型2104的指定和其它来自使用者的输入指定数据，接着将这些接收到的数据记录在模型识别数据210中(参见图3)。

上述步骤构成了钻孔部分模型的形成过程。现参照图12，对用于平面机加工部分模型的形成方式加以说明。

根据该形成方式，支持工具将用于限定一机加工部分模型的坯料模型400显示在显示屏上，如图(a)所示。在显示出来的模型上，使用者将表示产品精加工表面的线状数据420显示在一个位置上，在该位置上，产品的精加工表面通过平面机加工法被加工，如图(b)所示。已安置到位的线状数据420及其安置位置的数据被保存为机加工部分模型200-2的机加工部分形状数据250并被显示为用于安置单位加工模型270的基准线(参考几何形状)。支持工具接收象“产品的尺寸公差”这样的输入数据，并将这些输入数据与线状数据420联系起来，以将输入数据记录在机加工部分模型200-2的设计要求数据255中。

当单位加工模型被安置到位时，如图(c)所示，首先将单位加工模型270-1的“粗”机加工模型安装到位。此时，使用者设定一个刀具和单位加工模型270-1的安装位置。对于平面机加工部分模型而言，单位加工模型270-1的安置位置可利用相对线状数据420的偏移量来设定。具体而言，通过相对由线状数据420限定的产品之精加工表面而设定加工的起始点和结束点高度，就能够确定模型270-1的立体形状，而模型270-1的底面取自线状数据420的几何形状。(d)示出了在坯料模型400上加工出“粗”加工模型270-1的一个区域后得到的形状。支持工具将与最终形状的立体几何形状有关的数据作为平面机加工部分模型200-2的第一单位加工模型270-1记录在单位模型组件260中，同时获取机加工属性数据275-1的各个项，以将其保存起来。机加工属性数据275-1可与钻孔部分的数据一样被记录。

接着，使用者安置“精”加工模型270-2，如图(e)所示。在该安装步骤中，使用者设定了模型270-2的机加工最终高度，该高度相对产品的精加工表面处于高度为0的位置上，因为这就是“最终”的加工步骤。模型270-1的前加工终止高度的值自动被支持工具所接受作为加工起始高度。自动接受将保持单位加工模型之间的一致性。(f)示出了在加工出“精加工”模型270-2的一个区域后得到的形状。支持工具将所得到的立体形状作为平面加工部分模型200-2的第二单位加工模型270-2存储在单位模型组件260内，同时获取机加工属性数据275-2的各个项(的数据)。

该支持工具将一个唯一的识别代码2102给予输入单位加工模型200-2，并接收作为模型的应用目标的有关工件类型2104的指示和使用者的其它指示；接着，将接收到的数据记录到模型识别数据210(参见图3)中。

至此，已经对机加工部分模型的形成方法的示例作了说明。在根据这些方法生成的机加工部分模型中，实际性能特征较佳的机加工部分模型被用作利用设计支持系统的标准模型并保存在标准加工部分信息库20内。当类型足够多的机加工部分模型被预先准备好时，就可以仅利用已存的标准机加工部分模型来设计产品。但是，由于仅利用标准机加工部分模型不能解决产品模型设计操作中的所有实际问题，因此，上述的生成支持工具被提供给CAD装置10和其它在本实施例中的装置以能够用生成支持工具生成设计现场所需的机加工部分模型。通过利用生成支持工具，产品的设计工程师和工艺设计工程师就能够相互合作，从而通过综合其知识创造出合适的机加工部分模型。在设计现场创制出来的机加工部分模型被存储在临时机加工部分信息库22内，以便于已形成的机加工部分模型的再利用。存储在临时机加工部分信息库22内的机加工部分模型可在已经积累了有关机加工部分模型的实际性能的信息后被移动到标准机加工部分信息库20内。

上面已经对本发明的最佳实施例作出了说明。根据该实施例，由于结合到产品模型中的每个机加工部分模型都包括机加工属性数据(或称为存储在信息库20或22内的相应的机加工部分模型的机加工属性数据)，因此从产品模型中可获得每个机加工部分模型的加工属性数据。换言之，由于利用该设计支持装置生成的产品模型保留了其三维立体形状和机加工部分的机加工属性数据245、247，因此工艺设计工程师能够参考一系列机加工属性数据来高效地设计机加工工艺。例如通过提供一种支持工具，它能够将产品模型24的几何形状在显示屏上显示出来从而使使用者能够利用象鼠标这样的设备选择显示出来的机加工部分，以示出与所选机加工部分相关联的有关机加工部分模型200的数据(例如设计要求数据225、255和单位模型组件230、260(参照图6及其它附图))，这样工艺设计工程师就能够利用支持工具检查所有与机加工部分有关的数据。由于工艺设计工程师无需确定单个的加工属性项，因此提高了工作效率。

此外，根据本发明，由于机加工部分模型包括有关加工程序的数据，因此通过利用根据本实施例的CAD装置10来设计产品模型就能够在完成产品模型的设计的同时完成绝大部分加工工艺的设计工作。

具体而言，由于单位加工模型240和270的顺序(即单位机加工操作进行的顺序)已在每个机加工部分模型200中被确定，因此就可通过参照单位加工模型的顺序来获得每个机加工部分模型中的单位机加工操作的顺序。

因此，当图9所示的两个机加工部分D被加工时，其顺序如下：首先是单位加工模型240-1，然后是单位加工模型240-2，最后是单位加工模型240-3，这样对两个机加工部分模型进行加工。对于以待加工的区域不相互重叠(例如，以图9所示的两个机加工部分D之间的关系相类似的关系)的方式安置的机加工部分模型而言，机加工部分模型的应用顺序原则上可任意确定。因此，所有从不同机加工部分模型上分出的单位加工模型都可被以一个总体的加工顺序排列。当总体加工顺序被确定时，可根据所用的机床、所用的刀具和在整个机加工部分模型上进行机加工的方向将单位加工模型有效分组并在同一组中连续处理单位加工模型。在这种情况下，组的顺序可根据单位加工模型在各个机加工部分模型上的应用顺序来确定。

如上所述，根据本实施例，可由在产品模型24内的数据自动生成非常详细的加工工艺。因此，通过将能够根据上述方式确定与机加工部分模型相关的单位加工模型之机加工顺序的功能块(utility)结合到CAD装置10内或结合到其它由工艺设计工程师使用的计算机内，就可以极大地简化工艺设计工程师的设计工作。因为所有单位加工模型的顺序不一定需要通过自动生成而确定，因此对于那些未(自动)确定的单位加工模型的顺序，也可通过接收由使用者输入的顺序指令来设定。

通过本实施例的系统生成的产品模型24可通过包括一组单位加工模型240、270在内的机加工部分模型的组合构造而成。在本文中，应该理解：单位加工模型是参照刀具的几何形状生成的。因此，生成的单位加工模型总是可以制造的，即，在该实施例中，设计出来的模型不可能需要一种不能得到的刀具。

此外，根据本实施例，由于模型24包括产品的立体形状，而且设置了用于存储刀具模型的刀具模型信息库26，因此也能够使用模型执行刀具干涉检查并自动生成用于NC加工(NC machining)的刀具路径。

上述的设计支持系统通常采用能够执行一种程序的计算机系统，而这些程序能够使计算机具备上述的能力。

尽管在上面的说明中以钻孔和平面加工部分作为机加工部分的实例对本发明作出了说明，但是机加工部分并非局限于上述的部分，而且该系统可被应用于对其它机加工部分建模。

本领域的技术人员应该理解：上面对本发明最佳实施例的说明仅是示例性的，而且在本发明的构思和范围内，可对本发明作出各种不同的修改和变型。

Claims (18)

1、一种设计支持装置，包括：

一个机加工部分信息库，在该信息库内记录有多个机加工部分模型，每个模型都包括与机加工部分有关的形状数据和机加工属性数据，

一个模型管理器，该模型管理器由一表示产品坯料的坯料模型和一个或多个记录在所述的机加工部分信息库内的机加工部分模型的组合构造出一个产品模型。

2、根据权利要求1的设计支持装置，其特征在于：

所述设计支持装置还包括一个使用者界面，该使用者界面用于向使用者提供被用作待加工对象的所述坯料模型或所述产品模型，并接收由所述机加工部分信息库中选取的与将被应用到待加工对象上的机加工操作相对应的机加工部分模型，还用于接收与所选机加工部分模型有关的放置数据的输入，

所述模型管理器通过基于所述安置数据(placement data)将作为待加工对象的所述坯料模型或产品模型更新为一个处于下述状态下的产品模型的方式对借助于所述的使用者界面输入的数据作出反应：即在该状态下，已经进行与所选机加工部分模型相对应的机加工操作。

3、根据权利要求1或2的设计支持装置，其特征在于：有关所述坯料模型和所述机加工部分模型的形状数据被表示成一个三维的立体模型，所述产品模型的形状是通过对所述坯料模型和一个或多个所选机加工部分模型的立体模型进行一组操作后生成的。

4、根据权利要求1至3之一的设计支持装置，其特征在于：每个所述的机加工部分模型都还包括相关机加工部分的形状数据的特征横截面形状的线型模型。

5、根据权利要求1至3之一的设计支持装置，其特征在于：每个所述的机加工部分模型都还包括一个线型模型数据，该线型模型数据限定了一个在完成应用到相关机加工部分上的机加工操作后而形成的表面。

6、根据权利要求1至5之一的设计支持装置，其特征在于：每个所述的机加工部分模型都还包括与相关机加工部分的设计要求有关的数据。

7、根据权利要求1至6之一的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括机加工特征提供装置，其用于向使用者提供与包含在所述产品模型中的每个机加工部分模型有关的机加工属性数据。

8、根据权利要求1至7之一的设计支持装置，其特征在于：每个所述的机加工部分模型都是通过将一个或多个单位加工模型组合到一起构造而成的，每个单位加工模型都表示可由单个刀具加工的一单位机加工部分。

9、根据权利要求8的设计支持装置，其特征在于：每个所述的单位加工模型包括与所述单位机加工部分相关的形状数据和加工属性数据。

10、根据权利要求8或9的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括用于根据机加工所用的刀具和机加工的方向对包含在所述产品模型中的单位加工模型进行分类的部分(means)，从而基于分类结果得到单位加工模型的机加工顺序。

11、一种设计支持装置，其包括：

一个刀具信息库，在该信息库内，用属性数据记录了多个钻孔刀具，所述属性数据包括钻孔刀具的形状数据；

一个使用者界面，该使用者界面用于接收从所述刀具信息库内选取的钻孔刀具的指示和有关由所选钻孔刀具进行的加工方向和加工深度的数据输入；和

一个建模器，其根据通过所述输入部分输入的数据和所选钻孔刀具的形状数据形成表示由所选钻具钻出的形状的模型。

12、根据权利要求11的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括一个通过将多个由所述建模器根据输入所述输入部分内的输入数据的执行顺序生成的模型组合到一起而生成钻孔部分模型的钻孔部分模型生成器，每个模型都表示一个单个钻孔部分。

13、根据权利要求11或12的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括接收有关钻孔部分的横截面形状的输入数据并将输入的横截面形状作为基准线显示出来的基准显示部分。

14、根据权利要求13的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括一个检验器，该检验器用于检查生成的钻孔部分模型是否与所述横截面形状相一致，并随后提供检验结果。

15、根据权利要求11的设计支持装置，其特征在于：所述设计支持装置还包括用于将记录在所述刀具信息库内并与通过所述输入部分选取的钻具相关的预定属性数据结合到与由所述建模器产生的模型有关的机加工属性数据中的部分。

16、一种设计支持装置，其包括：

一个刀具数据库，该数据库内记录有关于平面加工刀具的属性数据；

用于接收基准线的输入数据的部分，其中基准线限定了一个在完成加工时的平面位置；

输入部分，该输入部分用于输入由所述刀具数据库内选取的平面加工刀具的指定并将由所选平面加工刀具完成的加工深度设定为相对所述基准线的偏移量；

一个用于根据所述输入部分输入的数据而生成单位加工模型的模型生成器，每个单位加工模型都表示一个由所述平面加工刀具制成的机加工几何形状；

一个用于通过将多个由所述模型生成器根据与经所述输入部分输入的数据相对应的加工步骤之执行顺序而生成的单位加工模型组合到一起而生成平面机加工部分模型的平面机加工部分模型生成器，每个平面机加工部分模型都限定一个平面机加工部分。

17、一种利用计算机系统辅助产品形状和机加工工艺设计的设计支持方法，包括下述步骤：

向使用者提供一个表示待加工对象的模型；

接收由一机加工部分信息库内选取的机加工部分模型的指定，机加工部分模型表示一种将被应用到待加工对象上的机加工操作，而机加工部分信息库内记录有多个机加工部分模型，每个机加工部分模型都包括与相关机加工部分有关的形状数据和机加工属性数据；

接收与将所选机加工部分模型安置到所述待加工对象上有关的输入安置数据；

生成一个表示所述待加工对象处于下述状态下的模型：其中已经基于所选的机加工部分模型及其安置数据和所述待加工对象的模型进行与所选机加工部分模型相对应的加工操作。

18、一种用于使计算机系统执行下述步骤的程序：

向使用者提供一个表示待加工对象的模型；

接收由一机加工部分信息库内选取的机加工部分模型的指定，机加工部分模型表示一种将被应用到待加工对象上的机加工操作，而机加工部分信息库内存储有多个由使用者录入的机加工部分模型，每个机加工部分模型都包括与一机加工部分有关的形状数据和机加工属性数据；

从使用者接收用于将所选机加工部分模型安置到所述待加工对象上的输入安置数据；

生成一个表示所述待加工对象处于下述状态下的模型：其中已经基于所选的机加工部分模型及其安置数据和所述待加工对象的模型完成与所述机加工部分模型相对应的加工操作。

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