郭華忠

摘 ? 要：鞋子的制造主要依靠鞋楦的設(shè)計(jì)，目前我國(guó)大部分制鞋企業(yè)鞋楦設(shè)計(jì)制造主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手工反復(fù)修改制作而成，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，而且制造出的鞋子質(zhì)量很難保證。因此，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)提高鞋楦的設(shè)計(jì)制造水平具有非常重要的意義。首先，采用3D激光腳型掃描測(cè)量?jī)x，掃描獲得鞋楦云圖以及腳型相關(guān)數(shù)據(jù);其次，通過建立實(shí)體模型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋楦的數(shù)字化管理;最后，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，根據(jù)需要留有適當(dāng)?shù)膸湍_和襯腳度對(duì)楦型做部分修改，實(shí)現(xiàn)鞋楦的再設(shè)計(jì)過程。也可通過3D打印技術(shù)制作出鞋楦模型以及鞋底模型，作為模具為加工方便后期對(duì)于切割出來的鞋楦二維展開材料進(jìn)行鞋靴制作。因此，文章基于個(gè)體腳型的數(shù)字化鞋楦的設(shè)計(jì)與制造過程，進(jìn)行研究分析，并運(yùn)用CAD/CAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鞋楦設(shè)計(jì)的數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：鞋楦;CAD/CAM技術(shù);3D打印

1 ? ?制鞋行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前制鞋企業(yè)及工廠大批量制作的鞋楦是按照有關(guān)鞋楦型號(hào)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)制作的，這些鞋楦設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中所給出的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)而制定。這樣就造成了同一型號(hào)鞋楦制作出來的同一型號(hào)的鞋靴，有些人穿上合腳而有些人穿上不合腳的情況，而長(zhǎng)期穿不合人腳生理情況的鞋，既會(huì)產(chǎn)生不舒服感又會(huì)嚴(yán)重影響人腳骨骼的發(fā)育和成形，對(duì)于有足部疾病的人，不合適的鞋靴甚至?xí)夯浒Y狀，帶來嚴(yán)重后果。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員等特殊群體來講，不合腳的鞋可能會(huì)顯著地影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)。另外，鞋靴逐漸成為一種時(shí)尚潮流，是美感的呈現(xiàn)體和承載體，在設(shè)計(jì)鞋靴款式時(shí)，既要滿足其舒適性，又需要滿足靴鞋作為日用產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)美感呈現(xiàn)的需求[1]，但在目前的鞋楦制作中尚缺乏將美感量化的途徑，在客觀上難以實(shí)現(xiàn)理想中的設(shè)計(jì)。隨著人們生活水平的逐漸提高，對(duì)鞋靴等也相應(yīng)地有了更高的要求，時(shí)尚化、個(gè)性化已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

2 ? ?數(shù)字化鞋楦設(shè)計(jì)制造過程

鞋楦是一個(gè)復(fù)雜的、多向不規(guī)則扭曲的自由封閉曲面，邊緣線長(zhǎng)，特征區(qū)域多，曲率變化劇烈[2]，造成其設(shè)計(jì)過程中的困難包括：（1）外在外形不好控制，密集度差。（2）不利于鞋楦的局部快速修改，不方便根據(jù)特殊腳型來設(shè)計(jì)個(gè)性化鞋楦。因此，鞋楦的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)在近年來成為討論的難題與熱點(diǎn)問題，綜合鞋楦的特征與傳統(tǒng)制鞋工藝的經(jīng)驗(yàn)，本文將鞋楦的設(shè)計(jì)制造過程大致歸納為以下幾個(gè)步驟。

（1）以人腳為設(shè)計(jì)原型，先利用3D激光掃描測(cè)量?jī)x器測(cè)得人腳形體數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，形成鞋楦云圖模型，完成人腳的數(shù)字化。

（2）根據(jù)需求對(duì)人腳模型進(jìn)行修改后，將數(shù)據(jù)傳輸至CAM生成數(shù)控程序，并傳輸至切割機(jī)控制計(jì)算機(jī)中，采用振動(dòng)切割機(jī)進(jìn)行裁剪，即可加工出2D展開的鞋楦版塊。

（3）由CAD生成各種文件格式（例如stl，iges文件格式），利用先進(jìn)制造技術(shù)CAM可切割出鞋楦，也可由3D打印機(jī)制作出鞋楦模型，據(jù)此制作相應(yīng)的鞋楦模具，用模具再成型鞋楦[3]。

具體設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

3 ? ?測(cè)量方法及數(shù)據(jù)處理

從人腳到鞋楦屬于一種逆向工程，即以人腳作為設(shè)計(jì)對(duì)象，反過來設(shè)計(jì)與制造得到鞋楦[4]。在這一過程中，有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：（1）人腳表面相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取方法。（2）基于人腳數(shù)據(jù)的鞋楦曲面構(gòu)造技術(shù)，以及需要解決將測(cè)量獲得的原始數(shù)據(jù)傳遞給CAD/CAM系統(tǒng)中的技術(shù)問題。目前，腳型幾何形體相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法有兩種：接觸式測(cè)頭測(cè)量（如機(jī)械式測(cè)量?jī)x器三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）和非接觸式測(cè)頭測(cè)量（如光電掃描儀和激光掃描儀）[5-6]，考慮到人腳肌體的特殊性，采用激光掃描儀測(cè)量更合適，其特點(diǎn)是掃描速度快，測(cè)量腳型尺寸方便，可以對(duì)人腳表面進(jìn)行密集掃描測(cè)量，從而獲得大量“點(diǎn)云”原始數(shù)據(jù)值點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷并剔除測(cè)量原始數(shù)據(jù)中的無用點(diǎn)及壞點(diǎn);其次，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)文件進(jìn)行程序化處理，提取CAD建模所需要的有用數(shù)據(jù)并交由CAD系統(tǒng)進(jìn)行曲線、曲面和實(shí)體造型;最后，得到原型的CAD數(shù)字模型，如圖2所示。

4 ? ?鞋楦建模設(shè)計(jì)分析

分析人腳結(jié)構(gòu)可知，其腳掌面較平坦，但非完全平面，人腳面是凸凹不平且完全非規(guī)則的。那么，作為人腳的模型，鞋楦形體上的曲面處處不同而且曲率變化大，既有平滑曲面的部分，也有尖角和棱邊，所以是典型的不可展自由型曲面，對(duì)于如此復(fù)雜的形體，顯然，如果完全按照人腳的形狀進(jìn)行幾何建模[7]，在技術(shù)上相當(dāng)困難，實(shí)際上也是沒有必要的，可對(duì)過程適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，一般來說，人腳長(zhǎng)度和圍長(zhǎng)（一般為拓趾圍長(zhǎng)及前跗骨圍長(zhǎng)）是鞋楦兩個(gè)主要設(shè)計(jì)控制參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于一個(gè)確定的人的腳型來說，各種鞋型所要求的鞋楦的變化，主要是根據(jù)楦頭、鞋跟高度等的變化而做相應(yīng)改變，如圖3所示。這兩者變化均將引起楦體曲面的改變，描述楦體曲面的點(diǎn)線面將隨之改變。由此，確定鞋頭型、鞋跟高度為主參數(shù)變量。在建模時(shí)，可將鞋楦面劃分成不同的曲面片，比如楦底面、前幫曲面片、后幫曲面片等。分別建模后，再將各個(gè)曲面片拼接起來形成鞋楦形體。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到鞋子會(huì)刮到腳踝，為了后期制作出來的鞋靴實(shí)體腳踝處不受鞋后跟的摩擦造成傷害，針對(duì)鞋楦后跟處的弧度和幫腳度進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)不同人腳的特征和需求修改后跟弧線及幫腳線，從而能預(yù)留適當(dāng)?shù)幕《群蛶徒嵌萚8]，如圖4所示。通過軟件制作得到的鞋款3D效果如圖5所示。

5 ? ?結(jié)語

本文基于逆向工程和反求設(shè)計(jì)方法的思想，利用現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)，對(duì)個(gè)體腳型的鞋楦數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與研究，此種3D鞋楦設(shè)計(jì)具有精確的測(cè)量工具、支持多種數(shù)據(jù)輸入方式、快速精確的楦面展平、直接在鞋楦上進(jìn)行3D鞋款設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但還需要逐步解決人腳的測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確性、數(shù)字化鞋楦的自動(dòng)化加工方法和裁切精度等關(guān)鍵問題，如再加上鞋靴造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)從人腳到鞋楦，再?gòu)男傅窖バ娜嬗?jì)算機(jī)化、數(shù)字化。本文所提出的方法也適用于對(duì)當(dāng)今流行鞋靴以及鞋楦的反求設(shè)計(jì)與制造。

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