（机械电子工程专业论文）基于特征和约束的逆向建模技术在鞋楦设计中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，以技术为主题的产品设计正转向以技术为客体、面向特定顾客的个性 化设计。传统的设计方法已经难以快速响应消费群体对产品的个性化需求。针对 人们对个性化鞋的需求，本文在逆向工程的基础上，在鞋楦的设计过程中首次提 出了一种基于特征和约束的新思路来进行脚模的制取，并侧重于脚模特征模型的 建立、脚型数据的简化和脚模曲面的重建等内容的研究，开发了用于重建脚模曲 面的原型系统。 本文首先采用基于逆向工程的特征和约束的方法来构建脚模曲面，建立脚模 特征参数模型。在这个过程中，对曲面的表达形式进行了分析和讨论，选用b 样 条曲面来表达脚模曲面，还分析了脚模和鞋楦的关系，指出了它们的特征点，结 合脚模的特殊形状，本文首次提出建立能够体现脚模变化趋势的参数，并提出对 脚模曲面进行了自由曲面的特征划分，给出了曲面之间的拓扑关系和连续性条 件，从而建立了脚模的特征模型；其次，采用a t o s 系统获取原始脚型数据，抓 住脚数据的特点，对脚数据特别是脚趾部分的点数据进行修补和简化处理。再次， 在建立了脚模特征模型的基础上，进行了脚模曲面的重构和鞋楦的制作，主要研 究了点云和曲面匹配技术、曲面的连续性条件的建立、点云的分块和参数化方法 等相关理论和技术。开发了针对脚模的特征建模原型系统- - f b f e s 。最后还介绍 了从脚模到鞋楦的制作理论。 关键词：逆向工程，特征建模，数据处理，曲面重构，约束，脚模 江苏人学硕十学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p r o d u c td e s i g n ，w h i c hu s e dt of o c u s0 nt e c h n o l o g i e s ，i st u r n i n g a r o u n di n d i v i d u a l i z e dd e s i g nw i t he m p h a s i so ns p e c i f i cc u s t o m e ro rc u s t o m e rg r o u p t r a d i t i o n a lf e a t u r e b a s e dd e s i g nc a n tr e s p o n dt op e o p l e sd e m a n ds p e c i a l l ya n df a s t t os a t i s f yt h ep e o p l e sd e m a n df o rt h es p e c i a ls h o e so ft h e m s e l v e sa n ds o l v et h i s c o n t r a d i c t i o n ，o nt h eb a s i so f r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，am e t h o dt od e s i g nt h es h o e t r e e ， w h i c hb a s e do nf e a t u r ea n dr e s t r i c t i o n ，i sp r o p o s e d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rp l a c e s e m p h a s i so nc o n s t r u c t i n gt h ef e a t u r e - b a s e dm o d e lo ff o o t ，p r e d i g e s t i n g t h ed a t ao f f e e t ，r e c o n s t r u c t i n gt h en e wm o d e lo ft h es p e c i a lf e e ta n dd e v e l o p i n gt h ep r o t o t y p e s y s t e m f i r s t l y , b a s e do i lf e a t u r ea n dr e s t r i c t i o ni nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ，c o n s t r u c t a l l p u r p o s es u r f a c eo ff e e ta n df o u n dp a r a m e t e r i z e dm o d e l ，i nt h i ss t e p ，a f t e rs u r f a c e e x p r e s s i o ni sa n a l y z e d ，d e c i d et oa d o p tb s p l i n es u r f a c et oe x p r e s s i n gt h es u r f a c e a t t h es a m et i m e ，a f t e rd i s c u s s i n gt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nf e e ta n ds h o e t r e e sa n d p o i n t i n go u tt h e i rf e a t u r ep o i n t s ，c o n s t r u c tt h em o d e lo ff e e t ，w h i c hc a ns h o wt h ef e e t m o d e l sf e a t u r e sa n dt r e n d o t h e r w i s e ，d i v i d et h ef e e ts u r f a c ei n t op i e c e so nt h eb a s i s o ft h e i rf e a t u r e ，p r o v i d et o p o l o g i c a lc o n n e c t i o na m o n gt h e ma n dc o n d i t i o na b o u t c o n t i n u i t y a f t e rd o i n gs om u c hw o r k ，t h ef e a t u r e b a s e dm o d e li sc o n s t r u c t e d ； s e c o n d l y , g a t h e rt h ed a t ao ff e e tb ya t o ss y s t e m ，p r e d i g e s tt h ed a t aa c c o r d i n gt ot h e s h a p eo ff e e tt h i r d l y , o nt h eb a s i so ft h ef e a t u r e - b a s e dm o d e l ，r e c o n s t r u c tt h ef e e t m o d e l ss u r f a c e i nt h i ss t e p ，t h ec o n t e n ti sm a i n l ya b o u tm a t c h i n gb e t w e e nd a t aa n d s u r f a c e ，f o u n d i n gt h ec o n d i t i o ne q u a t i o na b o u tc o n t i n u i t y , d i v i d i n gt h ed a t a ，e t c f i n a l l y ，d e v e l o pt h ef b f r e s as y s t e mi su s e dt op r o d u c et h ef e e tm o d e ls p e c i a l l y k e yw o r d ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，r e s t r i c t i o n ，m o d e lo ff e e t y 8 2 6 9 2 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：勰 州r 年占月1 日 指导教师签名：弓青( 悄寿兰) h 才年；月日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 江苏人学硕士学位论文 1 1 逆向工程概述 第一章绪论 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 也称为反求工程，是针对消化吸收先进 技术的一系列分析方法和应用技术的结合。起源于精密测量和质量检验，它是设 计下游向上游反馈信息的回路。 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向 工程( 或顺向工程) ，正向工程的流程图： 概念设计一c a d c a m 系统一制造系统一新产品 而产品的逆向工程是根据零件( 或者原型) 生成图样，再制造产品。它是以 产品或设备的实物、软件( 包括图样、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片 等) 作为研究对象，应用现代设计方法学生产工程学等有关专业知识进行系统分 析和研究探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。 逆向工程的流程图：产品样件一数据采集一数据处理c a d c a e c a m 系统 一模型重构一制造系统一新产品。其具体的技术路线可用下图1 一l 表示： 制造一件新产品通常始于设计者的思维，并且在生产的初级阶段就利用c a d 技术进行产品设计并生成图纸。但在有些情况下该方法却行不通。一种情况是利 用快速成型技术( p r o t o t y p i n g ) 获得产品，然后对其进行严格的检验，此时需 要做的是如何获得满足要求的实物的数据。另一种情况是需要对某种机器零件进 行维修或改进，但是该零件的图纸已经丢失。 利用实物逆向技术就可以满足以上特殊情况的要求。图l 一2 表示了逆向技 术在工业领域中的应用。1 2 概括起来说，逆向工程可分为如下几步：【3 | 【4 【5 】 ( 1 ) 数据获取( d a t ac a p t u r i n g ) 利用各种接触式和非接触式数据获取设备，按照某种规则进行数据获取，获 得的数据经半径补偿等一系列操作以某种格式存入计算机。 ( 2 ) 数据处理( d a l ap r o c e s s i n g ) 获得的数据为了进行拟合，需要进行去除噪声、精简等处理。 江苏大学硕十学位论文 r 吨0 鐾墓 _ 巾i 曩数撼震整 卤一 j 封装l 紧j ；0 _ 覃f恒卜甲 l 鬻粪惩烈翻 。_ 陋够蘸姆l i 雾鼹赣潮蘩姆j j _ j 譬 悝呻 图l 一1 逆向一口基具体技术路线 快速成型产品。 己有产品p 磨损或断裂的部 件p 需检测的部件 更新设计_ 修改原设计- ， 制造p 零件尺寸评估。 图l 一2 逆向技术在工业领域中的应用 ( 3 ) 分块及曲线曲面拟合( s e g m e n t a t i o na n ds u r f a c ef i t t i n g ) 对大量散乱数据按某种规则进行分块处理，分别进行曲面拟合，并进行曲面 延拓、拼接等操作，形成复杂曲面。 ( 4 ) c a d 建模( c a dm o d e le r e a t i n g ) 对产生的曲面进行误差检验、光顺处理等后，进行拉伸、旋转、缝合、切割 实体、实体之问的交、并、差运算等获得满意的实体模型。 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代处分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研 究所及美国u v p 公司提出并研制开发成功的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，逆向工 程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争力的重要地位上。特别 是在家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空航天、兵器等行业中得到广泛 的推广，并取得重大的经济效益。 江苏大学硕士学位论文 1 2 逆向工程在制鞋业中的应用 1 2 1 鞋楦的制作工艺及其作用 企业制作新鞋楦主要有以下几种方法【6 l ： ( 1 ) 鞋楦的拼接和光顺 在设计新型鞋楦时，设计着经常要取一只鞋楦的前面部分，再取另一只鞋楦 的后面部分，把这两部分拼接在起，这样的方法基本上不可能保证拼接处的大 小和形状完全吻合，有的甚至差别很大，这就要求对拼接处进行光滑处理工作。 目前鞋楦厂流行的做法是有经验的师傅用手工截取鞋楦，再把它们拼接并光顺。 ( 2 ) 交互式调整 楦形的交互式调整是指设计师在现有标准样楦的基础上通过选取楦体上的 部分区域，对这一部分进行自由调整，从而设计出合乎要求的新楦形。 ( 3 ) 逆向工程 在已有鞋楦实物的基础上，进行逆向建模，方便批量生产。主要过程是通过 三维测量仪得到点数据( 截面数据或者散乱点云数据) ，运用专业软件来进行。 ( 4 ) 参数化方法 现在国际上通用的做法是，先通过三维测量设计输入尽可能丰富的参考母 楦，需要把这些母楦参数化。当需要设计新楦型时，则从楦型库中调入相似的母 楦，提取出其特征线、面等，进行重新构型。这种方式可以达到一定的效果，但 和手工改楦比起来，意义不大，速度方向和操作的方便性方面都不会有本质的改 变，只有可能是精度会高一点。比如说，如果有一个圆头型的楦，要改为方头型， 则要加上楦边棱线，对于这样的改型处理，需要修正的地方就会比较多，在三维 空间上，要精确控制某一条三维线，某一个三维面都是有相当的难度的，操作不 好很容易出问题，对操作员的素质要求很高。 中国的制鞋业经过多年的发展后，已经有了相当的基础，但是技术含量的欠 缺正越来越成为其发展的桎梏。鞋植c a d c a m 技术代表着世界制鞋研究方面的 最新科技发展水平，和制鞋发达国家相比，中国在这个方面还有较大差距，但别 无选择，惟有迎头赶上才有超越的机会，这也就是本文开展这一研究的终极意义 所在。 江苏大学硕十学位论文 如图1 3 所示，鞋楦是皮鞋设计和制造的依托，它是制鞋生产过程中根据 人们的脚型及制鞋工艺的要求设计加工而成的制鞋模具，是制鞋的基础和先行 官，它主要是以木材、塑料或金属为原料、我国制鞋楦用的材料主要是木材和金 属，近年来逐步采用塑料生产鞋楦的新技术正在获得重视和推广，为制楦材料开 辟了新的途径。 1 2 2 鞋楦的主要功能 图1 3 鞋植 鞋楦在制鞋过程中是必不可少的模具，制鞋时鞋面必须紧贴鞋楦，并用小铁 钉将其固定，经烘烤后鞋面就依照鞋楦式样定型了，这时再拔取底部的小铁钉， 贴上鞋底，鞋就这样完成了。要做各种款式的鞋，首先要有各种款式的鞋楦，鞋 楦的样式决定了鞋的式样，要有一个新款的鞋，必须要有新款的鞋楦 7 j 。 由于皮鞋楦是鞋楦的主要组成部分，所以本文将其作为主要研究对象。除非 特别说明，凡是以下提到的鞋楦均指皮鞋楦。 1 鞋楦是皮鞋帮样设计的依据。迄今为止，人们所见到的皮鞋帮样设计方法， 还没有不依靠鞋楦的具体造型而凭空想象来设计的。设计人员在设计皮鞋帮样时 无论是使用平面设计方法、立体设计方法，还是计算机辅助设计方法，都必须依 据鞋楦的具体造型进行设计。 2 皮鞋楦是皮鞋底部件和鞋成型模具设计的依据。皮鞋底部件包括内底、半 内底、外底、鞋跟、主跟和内包头等。皮鞋成型模具包括模压皮鞋模具、硫化皮 鞋模具、注塑皮鞋模具、胶粘皮鞋模具、内底压型模具、主跟压型模具和鞋跟注 塑模具等【9 】。它们的设计都是依据楦体的具体造型数据而进行的。 3 皮鞋楦是制作皮鞋和固定皮鞋造型的依据。在皮鞋的主产过程中，无论是 手工绷楦还是机器绷楦，皮鞋都必须经过一段时问的干燥，才能出楦。在皮鞋的 干燥过程中，由于有了皮鞋楦在鞋腔内的支撑，皮鞋的造型才能坚固。在整个制 江苏犬学硕士学位论文 鞋设计与生产中，鞋楦体的造型决定了鞋的式样和型号，鞋的花色品种和款式的 翻新也是基于鞋檀来设计的，根据现代制鞋工业生产技术的要求，不论鞋的种类 和式样，在加工过程中都必须使用鞋植成型。可以说鞋楦是鞋的母体，各类鞋都 脱胎于鞋楦。因此鞋楦的结构和造型设计及加工的正确与否，会直接影响鞋的定 型及穿着的舒适和美观。用造型优美的鞋楦制造的皮鞋穿着起来既能美化人们的 生活，又能增强市场竞争力。如果楦型设计不合理或定型加工不正确，就会破坏 鞋的原始式样，甚至还会给鞋的加工造成困难。如果人们长期穿着用不合理鞋楦 制成的鞋，会使脚逐渐变成畸形，最终造成脚疾。 由此可见，鞋楦造型设计及生产是制鞋业的关键工艺，它既是各种款式鞋产 品的设计依据，又是鞋在加工过程中的支撑体，其地位在制鞋过程中无可替代。 因此，用计算机辅助设计等现代化设计手段取代落后的手工设计方式在制鞋业中 是十分必要的。 1 2 3 制揎c a d c 棚技术的国内外发展现状 随着c a d c 心技术的出现和发展，目前国内外制鞋厂家都开始应用c a d c a m 技术，以加快设计及产品质量的提高，增强市场竞争能力。 目前国内制鞋企业有一大部分主要以外销为主，而外销企业为了紧跟国际时 尚长流，其生产有以下几个特点：1 时间紧，为了紧跟国际时尚，抢占市场，从 来样到出样不到一个星期；2 款式多，批量小；3 客户要求高。 6 0 年代以来，国外许多厂商都致力于制鞋先进设备的研究，这大大推进了 制鞋设备的机械化和自动化程度。 以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋楦 c a d c a m 方面做了许多研究，都以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资 规模大，设备先进，主要在鞋楦测量、帮样扩缩、色彩、帮样加工自动化控制和 数控刻楦等方面发挥优势。如：加拿大c i m t e c h 公司推出的d e s c o m 系统、美国 的g e r b e r c a m s e a 公司、英国的c r i s p i n 系统、原西德大陆公司的下样机、意大 利的p r e s t i g e 扩缩样c a d c a m 系统及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等 1 0 i “j 。自1 9 7 6 年欧美第一台制鞋c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋 厂采用，而到1 9 8 6 年竟达五十多家采用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 江苏大学硕士学位论文 鞋设计与生产中，鞋檀体的造型决定了鞋的式样和型号，鞋的花色品种和款式的 翻新也是基于鞋植来设计的，根据现代制鞋工业生产技术的要求，不论鞋的种类 和式样，在加工过程中都必须使用鞋檀成型。可咀说鞋楦是鞋的母体，各类鞋都 脱胎于鞋楦。因此鞋檀的结构和造型设计及加工的正确与否，会直接影响鞋的定 型及穿着的舒适和美观。用造型优美的鞋楦制造的皮鞋穿着起来既能美化人们的 生活，又能增强市场竞争力。如果楦型设计不合理或定型加工不正确，就会破坏 鞋的原始式样，甚至还会给鞋的加工造成困难。如果人们长期穿着用不合理鞋楦 制成的鞋，会使脚逐渐变成畸形，最终造成脚疾。 由此可见，鞋楦造型设计及生产是制鞋业的关键工艺，它既是各种款式鞋产 品的设计依据，又是鞋在加工过程中的支撑体，其地位在制鞋过程中无可替代。 因此，用计算机辅助设计等现代化设计手段取代落后的手工设计方式在制鞋业中 是十分必要的。 1 2 _ 3 制楦c a d c , m j 技术的国内外发展现状 随着c a d c a m 技术的出现和发展，目前国内外制鞋厂家都开始应用c a d c a m 技术，以加快设计及产品质量的提高，增强市场竞争能力， 目前国内制鞋企业有大部分主要以外销为主，丽外销企业为了紧跟国际时 尚长流，其生产有以下几个特点：i 时间紧，为了紧跟国际时尚，抢占市场，从 来样到出样不到一个星期i2 款式多，批量小；3 客户要求高。 6 0 年代以来，国外许多厂商都致力于制鞋先进设备的研究，这大大推进了 制鞋设备的机械化和自动化程度。 以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋植 c a d c 蹦方面做了许多研究，都以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资 规模大，设各先进，主要在鞋楦测量、帮样扩缩、色彩、帮样加工自动化控制和 数控刻楦等方面发挥优势。如：加拿大c i m t e c h 公司推出的d e s c o m 系统、美国 的g e r b e r c a m s e a 公司、英国的c r i s p i n 系统、原西德大陆公司的下样机、意大 利的p r e s t i g e 扩缩样c a d c a m 系统及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等 呻1 m 1 。自1 9 7 6 年欧美第一台制鞋c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋 厂采用，而到1 9 8 6 年竞达五十多家采用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 厂采用，而到1 9 8 6 年竞达五十多家采用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 江苏大学硕士学位论文 年普及率几乎已达到1 0 0 。 此外，近年来，美德、意等国在鞋楦c a m 技术方面进行了大量研究。用电脑 控制的绷帮、上底等c a m 系统己遍及世界各地鞋厂；如英国的u s m 、德国的g c o 捷 克的z d a 以及美国的c a m s c o 等鞋业部门相继开发了交互式的计算机辅助设计鞋 系统和相应的辅助加工系统。在数控刻楦方面也涌现了大量新的技术和专利，如： 美国专利“脚型测量及制楦的集成系统”( i n t e g r a t es y s t e mf o rf o o t m e a s u r e m e n ta n dl a s tm a n u f a c t u r i n g ) ，德国专利“数控刻楦机”( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n ef o rs h o el a s tp r o d u c t i o n ) 呻1 ，对数控刻楦机及其原理 都作了论述，但实用化的商品却非常鲜见。一般单机在2 0 万美元以上，系统在 5 0 万美元甚至1 0 0 万美元以上，国内制鞋厂家一般难以承受。 在国内，有很多高校及科研单位都在研究c a d c a m 在制鞋业中的应用。但 这些研究局限于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少，而且c a d 和c a m 技术往往是各自封闭孤立的，各系统之间不能实现数据传递和通讯；妨碍了其应 用和推广。 8 6 年上海大学与福州皮革工业研究所研制的“p f s 一1 ”微机辅助优化设计 系统 1 3 1 ，主要有帮样扩缩、楦体展平等功能。 四川大学光电系研制的“l m a i 0 0 鞋楦三维面形自动测量系统”应用光电技 术，以激光作为基准进行鞋楦三维测量，可获得高精度楦体三维数据，解决了鞋 楦的数据测量问题。 1 2 4 逆向工程技术在鞋楦制造中的应用 一般情况下，在制作品鞋时，首先要出样楦，目前国内的企业一般是以外商 提供的样品鞋来出样，传统的做法是先将样品鞋送到鞋楦厂，用石膏浇注办法来 将石膏注入鞋内，待其干硬后将鞋子破坏取出石膏模，最后依照石膏模用手工制 造样楦。这个传统制作工艺存在以下缺点：原样被破坏，影响以后一系列打样工 作；速度慢，影响产品开发的速度；失真大，经反复修改有时还是难达到客户的 要求。 随着计算机性能的提高和软件技术的发展，将计算机( 特别是微机) 用于皮 鞋设计、加工及生产管理技术( 皮鞋c a d c a m ) ，以及用干皮鞋内腔、脚形的测 江苏大学硕士学位论文 试技术( c a t ) 0 m 1 1 皆己逐渐成熟和实用。将这些高新技术用于制鞋业即组成所 谓的“集成制鞋系统”。在鞋楦的制作过程中利用逆向工程进行鞋楦曲面的重构， 取得了很好的效果。具体的过程为：利用三坐标或者激光测量仪器获得鞋楦的扫 描数据，再经过点处理，最后用三维软件直接进行造型。其中的关键就是需要先 得到鞋楦实体，才能得到c a d 模型。 成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手工测量的方法获取鞋楦特征部分 的三维数据，用双三次b 样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展平、 曲跷处理。但构造的曲面不能保证精度1 1 ”。 国家轻工部于8 7 年下达给重庆皮革工业科研所与重庆大学光机所“皮鞋鞋 帮c a d 系统”研究开发项目，拟开发出性能好，实用性强，易于推广的现代化皮 鞋设计技术装备。该项目干1 9 9 0 年圆满完成，并通过部级鉴定。研制成功的s c a d 一1 0 0 系统因具备以个人微机为系统主机，并在鞋帮三维曲面展平处理准确率高、 采用无接触方式对鞋楦高速准确测试、性能价格比高及使用维护方便等优势而达 到国内领先水平。并受到国内广大鞋厂的欢迎、但从皮鞋系统设计要求上看，尚 需进一步研制皮鞋帮样c a d 系统及其配套设备，包括提高c a d 的性能、配置鞋帮 下样c a m 系统、加工鞋楦的数控刻楦机等c a m 系统以实现鞋帮鞋楦从设计到加工 的计算机处理，即鞋帮鞋楦c a d c a m ，以满足国内众多制鞋厂的需求，加速缩 小与国外鞋帮鞋楦c a d c a m 先进水平的差距，故在前期技术开发基础上，于 “八五”和“九五”期间继续安排攻关，进一步开发一般鞋厂易于接受，性 能好，实用性强，造价低和易推广使用的鞋楦c a d c a m 系统，从而普遍提高国 内制鞋企业技术水平，产生良好的社会经济效益。 基于逆向工程的方法和传统的方法相比有很大的优越性，特别适合批量生 产，大大提高了生产效率。但是这样生产出来的鞋是大众化的，只能满足一般情 况下的使用要求。这里称这种方法为普通的逆向工程的方法。 由于个性化鞋檀有特定的使用对象，不可能在已有的鞋楦中找到一摸一样的 鞋楦来设计新鞋，因此这种方法并不适用。随着人们消费水平和对生活质量要求 的提高，对个性化鞋子的需求也在日益扩大。如何更快更好的制作个性化鞋子如 今已经成为世界制鞋业特别是发达国家的一个热门话题。 在国内，在如何制作个性化的鞋楦的研究上，基本是一片空白。还是使用比 江苏大学硕士学位论文 较原始的纯手q - , t j 作方法，分为两种方式：( 1 ) 手工测量人脚的些主要尺寸， 如全长、跖围、跗围等，然后根据这些主要尺寸来制作鞋楦。( 2 ) 第二种方式是 先做一个l ：l 的脚模石膏模型。然后根据石膏模型绷檀。 但是在国外，有些技术比较先进的制鞋企业已经在考虑这个问题，利用计算 机来进行如上工作，并且已经取得了一定的成效。近年由法国克雷奥公司推出的 “定做皮鞋系统”，从在商店里进行脚型测量开始到工厂定做出一双皮鞋需要三 天的时间【6 】。可以认为这种集成制鞋系统集中地代表了目前国内外制鞋工业的水 平和发展方向。 这种逆向方法和前面提到的普通逆向方法相比，有一个突出的优点，就是可 以更加方便有效地用来制作个性化的皮鞋。与个性化制鞋中的传统方法相比，其 可以在计算机上进行，从而提高了速度、精度，减少了制鞋的平均成本。 1 3 课题的提出及主要研究内容 1 3 1 课题的提出 脚是人体的一个重要器官，担负着运动身体的功能。脚像平台一样支撑人的 躯体，但是它远不止一块平板那样简单。脚是由多种结构组成的复杂的系统，包 括二十六块骨头、关节、韧带、肌肉、神经及血管。在行走过程中，脚内部的各 个构件必须协同运作，否则脚部就会疼痛并有可能产生脚畸形。另外当躯体的重 量以不同的方式施压到脚部时，脚系统内部各结构随之动态调整。当躯体的重心 加到脚部时，脚弓降低，脚成为一个弹性结构，可适应脚行走的各种地貌产生的 高低变化。人们行走并不总是穿鞋或是在平整的地面上，今天许多人的脚病正是 由此产生的。当我们从双脚站立状态转为单脚轮流着地的行走状态时，躯体重量 从整个脚部支撑变为仅脚趾区支撑，脚由弹性体转为刚体。在闩常行走过程中， 脚部作为一个复杂的髂肌复合体受到地面反力作用。脚跟着地，脚底面接触地而 脚跟脱离，脚趾部抬起，虽然这只是人行走时脚部运作简单化的过程，但它基本 说明脚是如何行走的。据统计，当前美国有4 0 人的脚部问题与行走时某个环节 功能失调有关。虽然脚属于外科器宫，但某些内科病可导致严重的脚畸形、脚部 感觉功能的迟钝甚至丧失等疾病；如西方国家患病率很高的被称为“富贵病”的 江苏大学硕士学位论文 糖尿病可能使脚部感知痛觉能力的降低，随着病情发展将恶化为被脚医学界称为 “c h a r c o t ”脚的脚畸形病。严重患者的脚不再有如正常人的平滑的脚底平面， 在经常受力的部份将长出一些异常突起，这些异常突起造成脚行走时正应力和剪 应力增大。根据临床记录，脚部溃疡的病源与此有关，而脚部溃疡可发展为脚感 染、坏疽，最严重可导致截肢。如何更有效的保护脚、改善脚的功能成为脚医学 界一个十分迫切的任务j 。 在日常制鞋的过程中，采用的是通用的标准鞋楦。这种方法在一般的情况下 是能够满足人们的需要的，如各类商店里出售的鞋类，在这里大多数人都能找到 相对适合自己的鞋。但是其中有一个问题，每个人的脚型是不可能完全相同的， 但是不同的两个人往往会穿着同型号同款式的鞋，在这种情况下，鞋的某些部分 必然和人的脚型不是完全适合的。 目前，有很多人提出并且研究了通过脚支撑来解决这难题。把根据客户脚 型定制的脚支撑放入鞋内，支撑脚底平面。通过脚支撑能够明显降低引起脚疾的 各种异常外力作用，脚支撑可以减小脚、脚支撑、鞋三者之问相互滑动的机率， 使脚部各机能达到最佳理想状态。同时可以减少脚疾产生的可能和缓解其进一步 发展恶化，对手术后的脚疾病人可以防止脚疾再度复发。脚支撑在体育领域也有 巨大的发展前景，根据对运动员的检测，当人类参加大多数体育运动时，脚部承 担的负荷是躯体总重的2 5 倍至5 倍之多，大大增加脚部外伤和畸形的产生机会。 而专用的脚支撑的使用可通过增大脚部受力面以减小易受伤部位最大应力值，减 少甚至完全排除脚部因外力损伤的可能。另外，专用的脚支撑可明显改善脚的运 动机能，对提高运动员的体育成绩大有裨益。总得说来，这种方法就是在利用标 准鞋檀的基础上，再附加上一个脚部支撑，来满足人们的要求。 除了增加脚支撑之外，还有另外一种方法，那就是定做皮鞋。一般的过程为 先制作l ：l 的脚模，然后根据脚模通过手工绷楦得到想要的鞋楦。可是在制作皮 鞋的过程中，脚模实物只能通过手工的方法逐个得到，效率非常低，不但费时， 而且完全依赖于制作工人的经验和熟练程度，因此定做皮鞋的价格也不菲。 同时上述方法也存在着一些不足：脚支撑的设计只能看作是对鞋的一个补 充，不但要考虑不同个体的脚型，还要考虑所穿鞋的内部形状，这样的设计方法 就有滞后性；定做皮鞋的方法基本可以一次解决问题，但同样存在工作效率低下， 9 江苏人学硕士学位论文 对每个设计对象都要通过手工先制作脚模，不但浪费了工作时间也消耗了顾客的 时间。这种情况在国内体现的尤其明显。 因此，上文提到的克雷奥公司的“定做皮鞋系统”才。是制鞋企业特别是国内 企业研究和发展的方向。为了提高生产精度和效率，找到一个能够快速、经济的 制作个性化鞋楦的方法，就是本文的最终目的。本文在传统个性化鞋楦设计的基 础上，注重脚模的制取，在鞋楦的设计过程中，采用参数化方法和逆向工程中的 特征建模这一新技术在计算机上进行脚模曲面的重建，从而提高了脚模制作的精 度和速度，为鞋楦的后继设计做好准备。设计的流程为：一般参数特征脚模的建 立；脚数据的测量和处理：一般参数特征模型的变形、曲面和点云的对齐及最终 拟合。 本课题的研究具有很强的实用价值，将先进的设计和制造理论应用于鞋楦的 设计，不断提高我国人民的脚健康水平，同时还提高了企业制鞋的效率，降低了 制鞋成本。同时通过本课题的研究进一步拓宽了c a d c a m 和逆向工程技术的应 用范围，促进工业制造技术与脚医学的横向交叉。 1 3 2 课题主要研究内容 本课题的主要研究内容是在分析传统制楦方法和普通逆向方法的基础上，在 制楦的过程中，采用特征建模技术和参数化方法来建立脚模型。从而最终提高鞋 楦的精度来满足人们的需求，同时缩短企业的工作时间，提高工作效率。 本文在制作个性化鞋子时，先建立一个l ：l 的脚模特征模型；然后根据测 得的实际脚数据，将数据经过简化处理；在所测数据的基础上，通过控制特征模 型预定参数来获取所需脚模曲面的初步形状；再进一步将特征模型和脚数据进行 对齐和拟合，得到新的脚模c a d 模型。这样就大大减少了脚模制作的时间，提高 了工作效率，并且根据脚模数据得到的鞋楦可以和脚特别是脚底部相吻合。 具体章节安排如下： 第一章：绪论。首先叙述了逆向工程的定义，该技术包括的内容、现状及其 在不同领域中的应用。然后讲述了鞋檀的功能及其制作现状，以及逆向工程在制 作鞋植过程中的应用。最后讨论了课题的选题背景和研究意义。 第二章：脚模特征参数模型的建立。主要分为两部分：一是对脚模曲面的表 1 0 江苏大学硕十学位论文 达形式进行了讨论和选择，选用b 样条曲面构造特征模型。二是讨论了脚模和鞋 楦的关系，指出它们的特征点，采用合适的参数融入到脚模特征模型当中，同时 对脚模曲面进行了特征划分，给出其拓扑关系。 第三章：脚数据的获取和处理。主要描述了逆向工程中数据的获取和处理的 方法，抓住脚数据的特点，应用软件对脚数据进行修补和简化处理，同时提取所 需的特征点云。 第四章：脚模曲面的重构和鞋楦的制作。本章详细介绍了脚模曲面的重构。 其分为两个部分：点云和曲面的对齐、点云和曲面的最小二乘拟合。在对齐的过 程中还研究了点云和曲面匹配技术。在拟合的时讨论了曲面的连续性条件、点云 的分块和参数化方法。丌发了引对脚模的特征建模原型系统一f b f r e s 。最后介绍 了从脚模到鞋楦的制作理论。 第五章：总结和展望。对本文全部内容和研究结果进行综合概括，论述了自 己研究工作的价值和不足，指出今后需要进一步深化研究的工作。 江苏大学硕士学位论文 第二章脚模特征参数模型的建立 2 1 特征建模的研究现状 从1 9 7 8 年特征的概念首次在麻省理工学院提出以来，其发展经历了一个 逐步成熟的过程，不论是在国内还是在国外都取得了一定的研究成果。 国外具有代表性的系统为亚利桑那州立大学jjs h a n 教授等丌发的f b m s 基 于特征的造型系统1 8 】f 1 。该系统由两大部分组成，第一部分为特征造型 ( f e a t u r em o d e li n gs h e l l ) ，用于产生产品模型定义数据；第二部分为特征映 象( f e a t u r em a p p i n gs h e l l ) ，针对不同的应用可以提取相应的特征信息。系统 所反映的信息形式为四层数据结构，最高层为特征间的关系信息；第二层为形状 特征型定义信息和例示( i n s t a n c i n g ) 信息；第三层为形状特征的c g s 构造信息； 最低层为实体的几何、拓扑信息( b - r e p ) 。 在国内，华中理工大学构造的基于特征的产品模型定义系统f b p d l z o 】【2 1 】，利 用面向对象的继承机制对形状特征进行分类，其结果作为形状特征库的组织结 果，减少了属性表达的重复性。形状特征属性和语义的表达，采用框架知识，反 映语义关系运用的继承、邻接、从属和引用的四种关系。产品模型信息的反映具 有层次性：形状特征图表达高层的形状特征间的联系信息，实体模型表达低层的 几何、拓扑信息。形状特征、c g s 表达和b - r e p 的联系是利用体素一元素数据表 实现的。 北京航空航天大学唐荣锡教授知道丌发的基于线框和曲面的特征造型原型 系统p 2 i ：“，以自主丌发的p a n d a a 4 几何造型系统为执政，采用以线框、曲面为 主的混合建模方法。针对特征造型的产品建模需要，设计了新颖的虚面表示法， 每个特征都有显式表示的面表存贮边框信息，利用线框模型操纵和显示特征，因 此具有轻巧、处理方便的优点。在以面为核心的数据结构中，通过贴合面建立和 检索特征之间的组装关系。 国内的其它一些研究机构，如东南大学机械系，合肥工业大学c i m s 研究 江苏大学硕士学位论文 所【2 5 1 2 6 】，对特征造型技术的研究也做了许多开创性的有益的工作。 2 2 逆向工程中的特征建模 逆向工程中的模型重建是通过插值或拟台系列离散点，利用原型的几何及 拓扑信息，构建一个近似模型来逼近原型。因此，如何有效地重建产品模型成为 反求工程研究的一个重要课题，国内外学者从不同的侧面提出了不少模型重建技 术。但纵观这些建模技术我们发现，研究主要集中在曲面拟合方法上，不论是基 于边【2 7 1 是基于面的方法【2 8 】【2 9 3 ”，都存在着这样一个缺陷，即将模型重建分割为 孤立的表面造型，忽略了产品模型的整体属性。 大多数产品外形都是按一定特征设计制造的，几何特征是几何造型的关键要 素，它对控制几何形体的形状有极为重要的作用。同时特征之间还具有确定的几 何约束关系，一个产品零件的设计过程可视为约束满足的过程，设计活动本质上 是通过提取有效的约束来建立其约束模型并进行约束求解【3 ”。因此，在产品的 模型重建过程中，一个重要的目标即是还原这些特征以及它们之问的约束。在模 型重建时，仅还原特征而忽略它们之间的几何约束，得到的产品模型是没有意义 或是不准确的，据此，本章从产品工程设计实际出发，根据产品几何特征及定义 关系，通过特征及约束识别型重建的实现方法。 本文中，特征的识别是首先输入被测量人体的参数到建模系统，生成该尺寸 下的大致的脚模c a d 模型，然后将经过处理后的脚模点云数据与一般特征模型对 齐粗略识别出特征，在反复的基于约束的重构过程中细识别出曲面并完成重构过 程。 2 3 脚模曲线曲面表达形式的讨论和选择 针对脚模的特征模型的建立主要又分为两部分：一是该采用何种方式来表达 曲面，二是如何将参数融入到模型之中，如何进行特征曲面片的划分。这里，首 先讨论和选择曲线曲面的表达形式。 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 形状数学及其发展 形状数学是为了解决自由型曲面的精确描述问题而发展起来的，与主要研究 曲线、曲面上一点邻近性质即微分性质的微分几何相比，形状数学主要研究曲线 曲面的函数表示，即采用某种数学方法唯一地定义自由型曲线曲面的形状。 1 9 6 3 年，美国波音( b o e i n g ) 飞机公司的弗格森( f e r g u s o n ) 首先提出了将曲线 曲面表示成参数矢函数的方法d 2 j 1 3 ”，引入参数三次曲线，构造出弗格森双三次 曲面片。弗格森所采用的曲线曲面的参数形式从此成为形状数学描述的标准形 式。 1 9 6 4 年美国麻省理工学院( m i t ) 的孔斯( c o o n s ) 发表了被称为孑l 斯曲面的一 般性的曲面描述办法【3 4 ”5 1 ，提出围成封闭曲线的任意四条边就可以定义一张曲 面，并于1 9 6 7 年迸一步推广了他的构想。目前，c a g d 实践中应用广泛的只是它的 一种特殊形式一孔斯双三次曲面片。 1 9 6 4 年由舍思伯格( s c h o e n b e r g ) 提出的样条函数提供了解决曲线曲面连接 问题的一种技术d 6 。在构造整体达到某种参数连续的插值曲线、曲面等方面， 采用样条函数是很方便的，但不存在局部形状调整的自由度，样条曲线和曲面的 形状难以预测 1 9 7 1 年法国雷诺( r e n a u l t ) 汽车公司的贝齐尔( b e z j e r ) 发表了贝齐尔方法 印3 8 l f 3 ”，实现了只要移动控制顶点就可以方便地修改曲线形状，且形状的变化 完全在预料之中这种方法简单易用，但仍存在连接问题。稍早于贝齐尔，法国 雪铁龙( c i t r o e n ) 公司的德卡斯特( d e c a s t e l j a u ) 也曾经独立研究过同样方法，但 从未公开发表过。 1 9 7 2 年德布尔( d eb o o r ) 给出了关于b 样条的一套标准算法【柏1 。1 9 7 4 年美国 通用汽车公司的戈登( g o r d o n ) 和里森费尔德( r i s e n f e l d ) 将b 样条理论应用于形 状描述f 4 ”，提出了b 样条曲线曲面，它几乎继承了贝齐尔方法的切优点，克服 了贝齐尔方法的缺点，较成功地解决了局部控制问题，在参数连续性的基础上解 决了连接问题。 1 9 7 5 年美国锡拉丘兹( s y r a c u