（仪器科学与技术专业论文）皮鞋鞋楦cadcam系统中若干关键技术研究及实现.pdf

中文摘要 摘要 鞋楦是制鞋工业中一个重要模具，各种式样的皮鞋都依赖于鞋楦，鞋楦的生 产制造水平在皮鞋产业中起着非常重要的作用。西对皮鞋曰益增长的多变需求， 传统的作坊式生产已不能满足需要。因此将c a d c a m 技术引入鞋植的设计制造 中，用先进的计算机技术、信息技术改造传统制鞋业是未来的发展方向。我国在 这一领域的发展相对滞后，所以针对这一问题，受国家攻关项目( 编号8 5 6 0 4 2 0 ， 八五攻关计划，九五实施) 资助，本文对皮鞋鞋楦c a d c a m 技术进行深入研究， 研制实用的鞋楦c a d c a m 软件系统，使其能在实际的应用中与鞋楦三维轮廓测 量仪、数控刻楦机一起完成鞋楦测量、设计和制造，与鞋帮c a d c a m 系统结合 组成具有独立知识产权的先进制鞋设备。本文针对鞋楦c a d c a m 软件系统实现 的关键技术问题开展研究。 论文分析了皮鞋鞋楦c a d c a m 技术的国内外现状，从一般的建模技术出发， 经过分析和比较。用三次b 样条曲线连接楦面离散点来进行鞋面描述，提出了离 散数学模型，在数据格式上阐述了将复杂的楦面描述问题化为曲线描述问题并最 终简化为平面曲线的描述问题，大大简化了后续算法的复杂性。在此基础上确定 了整个鞋楦c a d c a m 系统研究的主基调，即用标准数据流的方法对测楦机、鞋 楦c a d 、数控刻楦机进行整体研究，为鞋楦c a d c a m 技术的实现打下了基础。 在介绍了鞋檀数据的二维、三维变换方法后，为实现后续算法灵活、方便以 及在保证精度的前提下尽可能简化算法。本文介绍了研究的主要数学方法：在楦 面上任意点的计算中，研究了细分线性化计算法；在楦体的各种变换中，研究了 用已知平面切割鞋楦求平面与鞋楦交线上交点的自适应求交法( a t 算法) ；在边 沿点计算( 边沿轮廓提取) 中，研究了用曲率平面识别法识别尖点所在区域，再 进行尖点插补的方法。这些主要的数学方法在软件涉及的算法中多次运用。 鞋楦设计包括鞋楦局部设计和楦体形状设计。为实现对楦面的局部修改，本 文通过对物体一般变形技术的分析研究，指出了这些方法应用到楦体存在的问题。 作者提出了根据曲面上曲线斜率的变化来决定变形强度的方法基于斜率变化 的自适应变形法( s a d 算法) ，根据楦体的形状变化进行局部修改，将复杂的修改 问题化为对主u 线或主v 线的修改，根据修改后的各点形成新的其它v 线或u 线 的修改点，并在此基础上，根据设计规范，实现了楦体形状( 如宽窄、长度、整 体缩放、变跷等) 的修改设计。对修改后的备特征点，用三次b 样条j i 1 线进行连 接并将数据格式化。对于楦面局部修改引起的楦体边沿点的变化，本文研究了先 修改边沿轮廓，再进行局部修改的混合修改方法。 重庆大学博士学位论文 在鞋楦c a m 系统的刀位点计算中，根据数控刻楦机要求，本文研究了加工轴 线和测量轴线不一致的调整方法及鞋楦加工模型生成方法。针对项目中提出的离 散曲面动态求交( d s d t ) 算法前期研究的不足，提出了完善d s d t 的三个技术问 题和相应解决方法：采用局部结构层和微观结构层调整投影区域，用特征点的计 算确定加工点的大致范围，用点邻域的处理确定最终加工点。研究了楦体旋转过 程中植体沿中心轴方向与刻刀的相对运动以及楦体旋转时投影区域数据的调整问 题，使鞋楦刻制过程中的干涉现象得到改善。 最后本文介绍了鞋楦c a d c a m 系统软件的设计框架和部份操作界面。论文 的研究圆满的完成课题的各项攻关技术指标，已研制出鞋楦c a d c a m 系统样机， 为皮鞋鞋楦c a d c a m 技术的实用化奠定了坚实的基础。课题已通过了重庆市计 委组织的技术鉴定。 关键词：皮鞋楦，c a d c a m 技术，自由曲面造型。鞋楦设计，离散盐面动态求交 i i 英文摘要 a b s t r a c t s h o el a s ti sa n i m p o r t a n tm o d e l t o o li ns h o e m a k i n g i t sp r o d u c i n gl e v e lp l a y sa k e y r o l ei ns h o ei n d u s t r y s oi ti st h et r e n di nt h ef u t u r et h a tt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e ss u c h a sc a d c a m c o m p u t e ra n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga r er e q u i r e dt oi m p r o v e t r a d i t i o n a l s h o ep r o c e d u r e ，b e c a u s ew e l a gc o n s i d e r a b l yb e h i n do f w e s t e r nc o u n t e r p a r t si nt h i s f i e l d s u p p o s e db yt h en a t i o n a lf u n dp l a n ，ap r o j e c ti sc a r r i e do u tb yo u rg r o u p ，w h i c h i n c l u d e st h ec a d c a ms o f t w a r e s y s t e m ，s h o e l a s t3 - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ea n ds h o el e a t h e rd e s i g n t h et h e s i sm a i n l y r e s e a r c h e sa b o u tt h ek e y t e c h n i q u e si nc a d c a m s o f t w a r es y s t e m a f t e r a n a l y z i n gt h et e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t s t a t u s q u o a n dc o m p a r i n gt h e m o d e l i n gt e c h n i q u e s ，t h ea u t h o rp r e s e n t sa d i s c r e t em a t h e m a t i cm o d e lf o rs h o el a s tb y u s i n gc u b i cb s a m p l i n gc u r v e t h ed e s c r i p t i o n o fac o m p l e xs h o el a s ts u r f a c ei s s i m p l i f i e dt oc u r v ee x p r e s s i o na n dt h e nt op l a n ec u r v e s ，w h i c h r e s u l t si nc o n s i d e r a b l e s i m p l i f i c a t i o no fa l g o r i t h m si ns h o ec a d c a m u n d e r t h i sd i s c r e t em o d e l ，t h ew h o l e s y s t e md a t aa r es t a n d a r d i z e da n dm a k e i te a s i e ra n d p o s s i b l e t or e a l i z em a n ys h o el a s t c a d c a m t e c h n i q u e s s e v e r a lm a t h e m a t i cm e t h o d sa r ed e s c r i b e di n c h a p t e r3 t h e ya r e ：1 ) l i n e a r f r a c t i o n i z a t i o ni n a n yp o i n tc a l c u l a t i o n o fs h o es u r f a c e 2 ) a d a p t i v et a n g e n c y ( a t ) m e t h o dw i t l lk n o w np l a n es e c t i o n i n gs h o el a s ti ns h o el a s tt r a n s f o r m 3 1c u r v a t u r eo f p l a n ed i s c r i m i n a t i o nt or e c o g n i z es h a r pp o i n t sr e g i o na n ds h a r pp o i n t si n t e r p o l a t i o ni n e d g e s d e t e c t i o n t h e s em e t h o d sa r e v e r yi m p o r t a n ta n d u s e f u li na l g o r i t h m sr e a l i z a t i o n s h o el a s td e s i g ni sd i v i d e di n t ol o c a lm o d i f i e dd e s i g na n dw h o l e s h a p ed e s i g n a s t r a d i t i o n a ld e f o r m a t i o nm e t h o d sa r en o ts u i t a b l et os h o el a s t ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r da n o v e lm e t h o dn a m e ds l o p ea d a p t i v ed e f o r m a t i o n ( s a d ) ，b a s e do nc u r v es l o p ec h a n g e f o rd e f o r m a t i o nq u a n t i t y , l o c a lm o d i f i c a t i o ni sc o n v e r t e dt oc h a n g em a i nul i n e sa n dv l i n e sc o o r d i n a t e st of o r mn e wul i n e sa n dv l i n e s a c c o r d i n gt od e s i g ns t a n d a r d i z a t i o n ， s u c hm o d i f i c a t i o n sd e s i g na ss h o el a s tw i d t h ，l e n g t h ，w h o l ea m p l i f i c a t i o na n dr e d u c t i o n a r e i m p l e m e n t e da n dt h e n t h en e wc h a r a c t e r i s t i c p o i n t d a t aa r er e c o m b i n e da n d s t a n d a r d i z e db yc u b i cb s a m p l i n gc u r v e a sl o c a lr e v i s i o nb r i n g st oe d g e s p o i n tc h a n g e ， ac o m b i n e dm e t h o di sg i v e nt oo v e r c o m et h ee x i s t e d p r o b l e m i nt h ec a l c u l a t i o no fk n i f ep o s i t i o np o i n ti ns h o el a s tc a m s y s t e m ，w ef i r s ta d j u s t t h es h o e sm a c h i n e da x e l1 i n et om a k ei tc o n s i s t e n tt om e a s u r i n ga x e ll i n e a n dt h e n i l i 重庆大学博士学位论文 f o r mt h em a c h i n i n gd a t a a i m i n ga tt h ed e f e c t i o no fd i s c r e t es u r f a c ed y n a m i c t a n g e n c y ( d s d t ) ，w ep o i n to u tt h r e ee x i s t e dp r o b l e m sa n dg i v ec o r r e s p o n d i n gs o l v i n g m e t h o d s ，i e a d j u s t i n gp r o j e c t e dr e g i o nb yu s i n g l o c a ls t r u c t u r e l a y e r a n dm i c r o 。 s t r u c t u r e l a y e r , e s t i m a t i n g t h e p o s i t i o nr e g i o n o fm a c h i n i n gp o i n t b yc a l c u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i cp o i n ts t e pb ys t e p ，a n do b t a i n i n gf i n a la c c u r a t em a c h i n i n gp o i n t st h r o u g h p o i n t n e i g h b o r h o o dp r o c e s s i n g i n s h o el a s t m a c h i n i n g ，r e l a t i v e m o t i o nd a t ai s c o n s t a n t l ya d j u s t e dt oa v o i di n t e r f e r e n c eo c c u r r e n c e f i n a l l yt h ed e v e l o p e d s h o el a s tc a d c a m s y s t e ms o f t w a r ew i t hf r i e n d l y i n t e r f a c e a n df u l lf u n c t i o n si si n t r o d u c e d b a s e do na l lr e s e a r c hw o r k ，t h ew h o l es y s t e mh a s r e a c h e do re x c e e d e dt h ei n i t i a l s p e c i f i c a t i o n sa n dt h es y s t e mp r o t o t y p ei sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y ，w h i c he s t a b l i s haf i r mf o u n d a t i o nf o rs h o el a s tc a d c a mt e c h n o l o g y p r a c t i c e k e y w o r d s ：s h o el a s t ，c a d c a mt e c h n o l o g y , f r e e - s u r f a c em o d e l i n g , s h o el a s td e s i g na n dm o d i f i c a t i o n ，d i s c r e t es u r f a c ed y n a m i c t a n g e n c y i v 1 概述 1 概述 1 1 皮鞋制造业引入c a d c a m 的重要性和迫切性 c a d c a m 这一技术概念于1 9 6 8 年在美国国防与工业会议上被正式采纳以 来，使c a d c a m 进入应用时期。7 0 年代，集成电路的发展大大推动了计算机硬 件的发展，同时三维计算机图形学有了重要的发展和应用，使c a d c a m 技术进 入了蓬勃发展的应用时期。随着大规模集成电路技术突飞猛进的发展，个人计算 机和图形工作站也迅猛发展，使c a d c a m 技术在8 0 年代进入了成熟化、标准 化时期。现正在向集成化、网络化、智能化、多媒体技术化方向发展f l 】。 c a d c a m 技术将计算机高速而精确的计算能力、大容量存贮和处理数据能 力与人的逻辑判断能力、综合分析能力以及创造性思维结合起来，从而产生巨大 的威力，应用范围极广。据资料统计，采用c a d c a m 技术可以显著地缩短设计 周期，提高设计质量，减少成本，提高劳动生产率。c a d c a m 技术是加速产品 更新换代的有效手段，是改造传统生产过程的必由之路，是衡量一个国家工业水 平的重要标志。因此，该技术已经从发达国家向发展中国家扩展，从大中企业向 小企业发展，从用于产品设计到用于工程设计。 随着c a d c a m 技术的发展，目前发达国家已经形成了关于c a d c a m 的研 究、开发、制造、销售以及咨询服务的产业。我国计算机图形学与c a d c a m 研 究自7 0 年代开始以来【1 ，现已推广应用到航空航天、建筑、船舶、轻工、汽车等 众多工业部门。目前国内外制鞋厂家也在大力应用c a d c a m 技术，以加快设计 水平和产品质量的提高，增强市场竞争能力。随着改革开放的日益深入，我国己 逐渐成为世界上最大的鞋业生产国及出口国。飞速发展的制鞋业不仅极大地满足 了我国人民穿鞋的消费需要，而且已经成为我国的一个重要出口创汇产业，在国 民经济中占有不可替代的重要地位。 但是，我国的制鞋业和一些发达国家和地区相比，还有很大差距，c a d c a m 技术的研究和应用相对滞后。在激烈的市场竞争面前，已越来越显出它的缺点。 主要表现在由于设计和生产工艺的相对落后，造成鞋档次低、质量不过硬，花色 品种少等一系列问题。一方面，随着人民生活水平的逐步提高，消费者对穿鞋的 要求越来越高，尤其是要求款式新颖、质量好、价格适中，这就迫使鞋的设计与 生产周期越来越短。另一方面，随着社会需求水平的提高，在鞋的结构与款式设 计上要有美学、心理学、人体工程学、数学等诸多方面的高度辩证统r 一。生产鞋 的原材料也更加多样化，各种专业鞋也越来越多。面对这综合的、多变的技术要 求，我国那种传统的设计与生产手段已无法胜任。因此，从关键工艺入手，尽快 重庆大学博士学位论文 用先进的c a d c a m 技术武装我国的制鞋业，提高设计生产的质量和速度，缩短 产品的更新换代周期，使我国制鞋业对内加快传统产业改造，适应国内市场的需 求：对外参与国际竞争，增强产品的出口创汇能力等诸方面都具有十分重要的意 义。 皮鞋c a d c a m 系统主要由皮鞋鞋楦c a d c a m 系统和皮鞋鞋帮c a d c a m 系统两部分组成。 1 2 皮鞋鞋楦与皮鞋楦c a d c a m 如图1 1 所示，鞋楦是制鞋生产中 的主要模具，而皮鞋楦是鞋楦的主要组 成部份，以后如不作特殊说明，本文中 的鞋楦均指皮鞋楦。 根据现代制鞋业生产技术要求，不 论鞋的种类和式样，在加工过程中都必 须使用鞋楦成型。可以说鞋楦是鞋的主 体，各类鞋都脱胎于鞋楦。在整个制鞋 设计与生产中，鞋楦体的造型决定了鞋 的式样与型号，鞋的花色品种和款式的 翻新也是基于鞋楦来设计的。因此，鞋 楦的结构和造型设计及加工的正确与否， 图1 1 皮鞋鞋楦 f i g 1 1s h o e1 a s t 会直接影响鞋的定型及穿着的舒适和美 观。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。 鞋楦的功能主要表现在以下三个方面： l 、鞋楦是皮鞋帮样设计的依据。迄今为止，人们所见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 、鞋楦是皮鞋底部件和鞋的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、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、主跟压型模具、鞋跟注塑模具等。它 们的设计都是依靠楦体而进行的。 3 、鞋楦是制作皮鞋和固定皮鞋造型的依据。在皮鞋的生产过程中，无论是手 工绷植还是机器绷楦，皮鞋都必须经过一段时问的干燥，才能出楦。在皮鞋的干 1 概述 燥过程中，由于有了鞋楦在鞋腔内的支撑，皮鞋的造型才能坚固。 因此，鞋楦是制鞋的基础，鞋楦的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依据，又是鞋在加工过程中的支撑体。同时，鞋楦是一种 易“损耗”品。这是因为在皮鞋的生产过程中，二维鞋帮必须在鞋楦上强烈挤压、 敲打钉钉才能变为三维皮鞋。而强力挤压和敲打都会引起鞋楦本身的快速损坏， 故一只鞋楦只能制作有限的数1 0 只鞋。全世界每年的鞋产量达几十亿只，每年至 少需要数千万只鞋楦 1 ”。随着人民生活的日益提高，人们对皮鞋无论从数量上， 样式上的需求都日益增长。因此对鞋植要求是种类越多越好，楦的翻新制作速度 越快越好。 我国是一个皮鞋生产大国，对鞋楦的需求可想而知。经调研，现我国部份制 鞋企业已经从国外进口刻楦机械进行鞋楦制作。这些机械主要是依赖标样楦进行 “仿形造”。其它制鞋企业大多向这些进口了制鞋楦机械的厂商购买。但这远远满 足不了需求。一是因为鞋楦需求量太大；二是鞋楦种类繁多，更新变化快，很难 配备合适的标样楦，三是现在根据鞋楦设计标准 5 1 成型的标准楦，虽已系列化， 但是它们是根据人们大量的脚型规律和特点进行统计和计算，结合经验而设计制 作的【5 j 。对于标准楦上的局部修改，以适应某些地区或某些人的脚型特点，还只 能靠“制楦师”人工制作标样楦【1 。制作时间长、精度低，一只标样楦需反复制作 多次才能成功。因此，研究鞋楦c a d c a m 技术，集楦体设计、局部修改、制造 为一体，快速设计、快速成楦，显得非常急迫。一方面为满足我国鞋楦需要，另 一方面为尽快推出我国自己研制的鞋楦c a d c a m 设备，参与国际竞争。 1 3 鞋楦c a d c a m 发展现状 目前国内外许多制鞋企业公司和研究机构为了提高设计制造技术水平、产品 质量、增强市场竞争能力，都在竭力把c a d c a m 技术引入制鞋业。 一、国外现状 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5 0 多家采用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 年普 及率几乎达1 0 0 【7 】吼以美国、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主机， 硬件规模大，设备先进。如加拿大c i o 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 c a 系统，英国的c r i s p i n 系统，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 v 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等7 嘲【2 0 】。美国专利“脚型测量及 制楦的集成系统”( i n t e g r a t e ds y s t e m f o r f o o t m e a s u r e m e n ta n d l a s t m 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 d m a c h i n e f o r s h o e l a s t p r o d u c t i o n ) 【”， 重庆大学博士学位论文 都对数控刻楦机及原理作了论述。法国克雷奥公司推出的“定做皮鞋系统”，从商 店里进行脚型测量开始到工厂定做一双皮鞋需要三天时间【】”，意大利一家公司研 制的一种鞋楦测量与鞋楦c a d c a m 系统，主要用于鞋楦的采样、测定，并将采 样的数据经计算机处理后生成一种三维鞋楦c a d c a m 系统，数据修改方便，可 实现快速成型与制造【7 】。c s m 3 d 公司2 0 0 1 年以后推出的新产品包括【8 j ：s h o e m a s t e r o s 软件f o o t i fm k l i 足部扫描仪以及用于单一鞋楦的o f m 1 旋转车床。此外， 该公司能提供最先进的鞋楦数字化设备( 三维鞋楦激光测量仪、刻楦机等) 和相 关生产机械，其专家级的产品有s h o c m a s t e rq sf o r m a ( 鞋楦制作软件) ，s h o 锄a s t e r q sd i s g n a ( 设计软件) 。f o o t w a r ec a d c a ms y s t e m 等，这些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。 二、国内情况 我国在皮鞋鞋楦c a d c a m 研究方面相对滞后。经调研，国内许多大学和科 研机构近年来都在致力于研究将c a d c a m 技术用于制鞋业的方法和技术。四川 大学光电系研制的“l m a 一1 0 0 鞋楦三维自动测量系统”，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。轻工部制鞋研究所研制 的“皮鞋c a d c a m 系统”仅解决了用测植数据控制刻楦机功能，缺少鞋楦c a d 功能，也不能进行修改设计。1 9 9 0 年重庆皮鞋工业科研所与重庆大学光电工程学 院、轻工部制鞋研究所研究出“s c a d 1 0 0 皮鞋鞋帮c a d 系统”，在技术上实现 了鞋帮三维曲面展平处理和采用菲接触式测量方法对鞋楦进行测量等功能，但仍 缺少鞋楦c a d 功能。 近年来，国内的一些高校和科研机构对鞋楦c a d c a m 系统在理论、方法、 结构等方面都在做进一步的研究。四川大学光电科学技术系提出了鞋楦3 c ( c a m e c a d c a m ) 集成技术的概念和系统组成 2 l i 以及以测量数据构建鞋楦的 方法，着重研究楦形测量，鞋楦c a d 技术、鞋楦c a m 技术在制楦工业的应用： 西北轻工业学院研究了鞋楦的三维造型的方法，通过测量鞋楦型值点，获得经坐 标变换和拓展的三维型值点阵列，采用双三次b 样条曲面进行曲面拟合【2 ”，对鞋 楦曲线、髓面连接的端点条件、边界条件、反算等问题进行了研究 2 ”。基于同样 原理，哈尔滨科学技术大学采用b e z i e r 曲线曲面来描述楦面 25 1 ，清华大学数控开 发部、华南理工大学机电系、福州大学机械工程学院采用测头自适应扫描测量， 利用接触式测头对标准鞋楦进行三坐标的跟踪扫描测量从而实现鞋楦三维测量 【2 7 】 2 9 ，但这种球型测头对异形曲面测量须进行接触点轨迹计算，在数据量大 的情况下，计算工作量太大。另外，四川大学光电科学技术系、北京林业大学工 学院、精华大学精仪系、华东理工大学机械工程学院分别采用不同的方法对刻楦 机刀位点进行了计算研究【2 l 】 4 0 】 4 1 。以上情况在很大程度上反应了国内在皮鞋鞋棺 4 1 概述 c a d c a m 方面的研究现状。各种研究各具特色。但是研究方法局限于理论方面 居多，具有实用化价值的较少。主要表现在各个技术、各种方法研究相对独立， 难以将各系统有机联系。由于鞋楦表面由复杂的异形曲面构成，无法用解析函数 的方法统一描述，因而对于系统中的曲面描述方法具有多样性。某算法在某模 块显得优越，但在另一模块中又受到局限。对于计算机进行楦体设计特别是局部 修改设计，在本文所做的调研和文献检索中，未见报道。 经过调研、文献奄询和分析，将鞋楦三维轮廓测量仪、鞋楦设计( 包括楦体 设计和局部修改设计) 数控刻楦机及其c a m 系统融为一个整体进行研究，并最 终加工鞋楦的技术方法，目前尚未见公开的国内外文献报道。 1 4 课题的提出及论文研究内容 1 4 1 课题的提出 从前面的分析可知，虽然国内外都在大力开展皮鞋c a d c a m 研究，但从制 鞋设计和生产总的要求来看，尚没有一个从鞋楦测量到鞋帮鞋楦设计和加 二全过 程的较为完整的c a d c a m 系统。国家轻工部于】9 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，希望开发出性能好， 实用性强，易于推广的先进制鞋设备。项目于1 9 9 0 年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，采用无接触式对鞋楦高速准确测量，性能价格比高以及使用维护方 便等优势而达到国内领先水平 1 ”。但缺少c a d c a m 系统。面对我罔众多皮鞋生 图1 2 皮鞋鞋帮鞋楦c a d c a m 系统模块示意图 f i g l2s h o eu p p e ra n ds h o el a s tc a d c a ms y s t e mr n o u d e 重庆大学博士学位论文 产厂家的需求，缩小我国在皮鞋c a d c a m 方面与国外先进水平的距离，尽快推 出我国自行研制的皮鞋“集成制造系统”，国家计委于1 9 9 6 年7 月向重庆大学和重 庆皮革工业公司正式f 达到了“实用型鞋帮鞋楦c a d c a m 系统”的八五二级重点 科技攻关( 编号8 5 6 0 4 2 0 ，八五计划，九五实施) 课题。整个系统要求采用计算 机技术、信息技术、光电技术、曲线曲面生成技术、自动控制技术等领域的先进 技术，组成，+ 套完整而实用的制鞋c a d c a m 系统。如图1 2 所示。 系统组成分为鞋楦c a d c a m 系统和鞋帮c a d ，c a m 系统，其中鞋楦 c a d c a m 系统如图1 f 3 所示。由以f 三个三级攻关项目构成，分别是： 1 、鞋楦c a d 系统( 8 5 6 0 4 2 0 0 2 ) 2 、鞋楦三维轮廓测量仪。( 8 5 6 0 4 2 0 0 3 ) 3 、数控刻楦机及其c a m 系统。( 8 5 6 0 4 2 0 0 6 ) f 哩l 鞋 楦 钡u 量 数 娶 j l a 数 i 计算机。 。 软控 j 一 l 17件 亥 1 t 设 楦 计 机 l 鞋体设计i 图1 3 鞋楦c a d c a m 系统示意图 f i g1 , 3s h o e l a s tc a d c a m s y s t e m 由测楦机提供数据，由c a d 部份完成建模、楦体设计，局部修改设计和向 数控刻楦机提供刻刀刀位点数据。数控刻楦机建立控制模型进行刻楦。 1 4 2 论文的研究内容 由以上三个子项目构成的鞋楦c a d c a m 系统已于2 0 0 1 年1 2 月2 8 日通过 重庆市计委组织的鉴定。项目的完成较好地完成了拟定的研究内容，较好地解决 了项目中的关键技术问题，完成了合同中的攻关目标和技术指标，证明了本系统 实现的技术可行性。项目完成的技术指标如表1 1 所示。 1 概述 表1 1 技术指标对照表 t a b l e1 1t a b l eo f c o m p a r i s i o no f t e c h n i c a li n d e x 系统内容合同指标内容台同指标完成指标 从测量开始，经过设计到加 4 - 6 小时4 - 6 小时 系统指标工出标样撼 加工光洁度达到常规制楦要求达到常楦制楦要求 测量精度0 2 r r m j0 1 m m 鞋楦三维轮廓 测量时间1 0 分钟以内最大1 2 分钟 测量仪 测量数据量3 0 0 0 0 个测量点以上最大4 9 0 0 0 测点 刻楦机精度0 1 m m0 1 1 m m 数控 刻楦时间1 0 1 5 分钟只1 0 分钟以内，刀 亥n 楦机 刻楦光洁度达到常规制楦要求达到常规制楦要求 生成断面数1 0 0 以内大于1 0 0 鞋楦每个断面的数据不小于2 4 0 个点3 6 0 个点 c a d c a m 系数据分辩率0 0 5o 0 5 统软件指标软件运行时间 1 小时以内l 小时以内 刀具控制数据5 0 一个点1 0 一个点 鞋楦数据输入，鞋楦造型，鞋揎 除完成合瞬叻能外，增加f 矗体 c a d c a m 功缩放，鞋楦修改，数据转换， 旋琏话氲加楦头，楦尾，予 能数据输出 值加工参数，建立鞋崖# 螺瘴 项目完成了攻关目标，但还存在如下问题，主要表现在： 1 、离散数学模型中只依赖于激光测楦机数据。测楦机测量原理使鞋楦各面交 界点数据不准，交界面之点不在角度的整数上，因而使鞋楦各面交界处轮廓不分 明，必须研究搜索算法进行插补，从而修改离散数学模型。 2 、项目中许多算法以楦面上点足够多为前提而用线性或二次曲线( 抛物线) 插值进行楦面上所需点的插值以减少计算量。事实上，由于楦面上的点在我们的 离散模型下，每一截面上是按角度分配，这样在楦面上点问隔不均匀。对统口高 的楦更是如此，用以上处理由于精度问题适应性受限。 3 、局部修改只限于鞋楦各个面的修改。无法适应市场修改因素繁多、随机的 需求，必须研究园修改而引起相邻面的同时修改( 如变跷等) 的方法。 4 、刻刀轨迹计算对投影区域点沿中心轴螺旋运动的调整研究不够深入。对进 刀( 或退刀) 距离较大( 速度快) 的刀位点，没有考虑运动过程中刻刀与楦面的 重庆大学博士学位论文 接触情况，虽然满足了项目中光洁度要求，但有明显的刻刀痕迹，还达不到美观、 光洁的市场需求。 本文所研究的内容包括在完成攻关项目过程中针对关键技术问题的理论和方 法以及项目鉴定后对存在的问题进一步的研究。 论文研究所涉及的主要关键技术问题包括： 1 】鞋楦建模 由于鞋楦表面是一个无法用数学公式描述的三维轮廓表面。现在曲面造型、 建模的方法种类很多。如何建立我们系统所需的模型，成为本项目实施的关键。 因为它将成为我们设计中各模块算法的基础，甚至整个系统完成的基础。 1j建立三个组成部份的有机联系 如何将测植、设计、制楦作为一个有机整体迸行研究，建立系统研究的主基 调。 【1 楦体设计和局部修改设计 应用现有的信息技术、计算机技术、曲线曲面生成等技术研究不脱离鞋楦实 际应用要求的设计技术和局部修改技术。 ( 1 鞋楦c a m 中的刻刀刃位点的计算和分析 1 5 本章小结 本章从c a d c a m 的发展应用阐述了我国皮鞋：业采用该技术的迫切性和必 要性。结合论文研究的主线，从皮鞋生产中的重要模具鞋楦的功能和作用上 叙述了作为制鞋基础的鞋楦设计、制作的要求和在生活中的巨大需求。在对国内 外研究现状的基础上，指出我国在鞋楦c a d c a m 技术上和国外的差距和存在的 主要问题。介绍了本论文所从事研究的背景和以鞋楦建模，楦体设计和局都修改 设计及刻刀刀位点计算、分析为主线展开的研究内容。 2 皮鞋鞋楦的几何造型方法 2 皮鞋鞋楦的几何造型方法 2 1 几何造型技术 三维空间中的任何实际存在的有形实体，无论多么复杂或简单都是有界的。 因此，都可以用某种数据结构的模型来描述它的外观的几何形状与特性。几何造 型技术是用计算机及其图形系统表示、分析、处理和显示几何形体的技术。它在 c a d c a m 、计算机图形学、动画片制作、动态模拟、计算机视觉和机器人等领 域，扮演了一个不可缺少的角色。几何造型技术的产生和发展，大大促进了这些 领域的发展。许多专家预言：随着人工智能学科的发展，几何造型将构成高级 c a d c a m 系统的底层部份，而高层则将引入复杂的人工智能技术。这就要求几 何造型系统的覆盖域更广，为应用所提供的手段迅速和有效。三维造型的理论和 技术尚处在不断发展和完善过程中，线框造型、曲面造型、实体造型是三维几何 造型的三个里程碑【5 0 j 。 2 1 1 线框造型 线框造型是用顶点和边的有限集合来表示和建立的计算机模型。线框造型关 注的是形体边界的棱线，如图2 1 所示。 ，呜t ，岛 争l 钱l 气屯， 图2 1 线框造型 f i g 2 1l i n ef r a m em o d e l i n g 图2 2 一个无意义的线框造型 f i 醇2ai n s i g n i f i c a n c ef r a i l em o d e l i n g 线框造型开始于6 0 年代初期，当时主要是为了解决自动化绘图中的形体在计 算机内部的表示问题。线框造型中的棱线，面框和独立框模型，就是这一时期三三 维几何造型的主流模型【5 0 l ，线框造型在计算机辅助绘图中普遍采用。这是因为计 算机能准确地计算线框图的顶点和边在显示屏和绘图纸面上的位置；可容易地得 到物体的正投影、轴侧投影、透视投影等视图，顶点和边的数据容易获得；造型 9 重庆大学博士学位论文 方法简单，容易实现。但是也存在以下主要缺点：第一，缺乏有效性，按线框要 求定义点表和边表，但定义的对象可能不是一个有效物体，因而是无意义的，如 图2 2 所示。关键在于对物体的描述和约束不充分。第二，存在多义性，即一个 线框模型可能被解释为不止一1 个有效实体。第三，不能在任意视点位置输出曲面 物体的轮廓线。第四，线框造型对于平面型体十分有效，但对于含有曲面的形体 局部有明显不足。 2 1 2 曲面造型 曲面造型技术主要研究曲面的表示、分析和控制，以及由多个曲面块组成曲 面等问题。曲面造型包括规则曲面和不规则曲面。规则曲面如：各种常用二次曲 面包括椭球面、马鞍面、抛物面等；高次盐面包括圆环面、水波纹曲面等。如图 2 3 所示【5 2 】。( a ) 为球面，( b ) 为马鞍面，( c ) 为水波纹曲面。不规则曲面( 又称离散 曲面，如b 样条，b e z i e r , c o a n s 曲面等) 如图2 4 所示。 “礴一 墙 强蒜鼍如，术照搜羹鬻 图2 3 二次曲面和高次曲面造型 f i g 2 3s q u a r ec u l v ea n dh i g hs u r f a c em o d e l i n g 图2 4 不规则曲面造型 f i g 2 4i r r e g u l a rs u r f a c em o d e l i n g 在曲面描述的实际应用中，一般是首先找出曲线的形式，由曲线的描述自然 地推演出参数曲面的描述。这样，参数曲面模型是在一个确定的域内，用一组离 散的型值点和一组约束条件来描述曲面，在满足给定约束条件下可以把参数曲丽 1 0 2 皮鞋鞋楦的几何造型方法 看作是由许多曲面片拼合而成。通常，曲线的表示方法有两种，即 一般形式 y = f ( x x ) l 算= l z = g ( x ) f x = x ( t ) 和参数形式 y = _ y ( f ) i z = z ( f ) 在上面的两种曲线形式中，参数形式较为常见。对于有限区域内的曲线段， 一般用三次参数方程就可以很好描述。如果令t 满足0 蔓t l ，则可以得到三次曲 线的参数方程为： 工o ) = a x t 3 + 6 ；t 2 + c ，f + d ， y o ) = d y t 3 + 6 y t2 + q f + 以 z ( f ) = a z t 3 + 6 ：t 2 + c ：t + d z 这里，要解决的问题是找出某种约束下方程的系数。根据实际情况，这种约 束条件一般描述为： 1 ) 分段连接的曲线在端点处连续，即c ) 连续； 2 ) 分段连接的曲线在端点处一阶导数连续，即c 0 ) 连续； 3 ) 分段连接的曲线在端点处二阶导数连续，即c ( 劭连续； 关于曲线的描述推演曲面的描述在下节有针对性地叙述。 2 1 3 实体造型 线框造型和曲面造型都着眼于物体的表面，而不考虑实体的内部结构。实体 造型系统可把物体的无二义性的几何和拓扑信息贮存到计算机中，采用立方体、 圆柱体和锥等体素做“积木块”，通过交、并、差、补正则结合运算拼合的方法构 造复杂实体。以此为契机，实体造型的理论和技术迅速发展。目前在实体造型中 常用的模型有：扫描变换模型、边界表示模型、体素拼合模型和单元切分模型等。 由于在本文所研究的鞋楦实体中，鞋楦表面是由复杂的不规则的异形曲线和 曲面所组成的自由型闭合曲面体，主要关心的是鞋面数学建模问题。所以下主要 讨论鞋楦表面的非规则曲面( 离散曲面) 造型问题。对于线框造型和实体造型只 做了简单介绍，不作为详细讨论内容。 2 2 曲线、曲面造型及方法 2 2 1 常用的曲线、曲面造型技术 有些产品的外形设计涉及大量的曲线和曲面，