（机械制造及其自动化专业论文）基于主要特征鞋楦参数化模型建立及其局部修改技术的研究.pdf

本论文 士学位论文 主席： 委员： 导师： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥目曼工些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学僦文储躲翟堍签字魄训哔叼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权盥王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 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、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：露l 墨匕磊 签字日期：训( f 牛 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：嘲小春 签字日期：夏。争2 7 电话： 邮编： 基于主要特征鞋楦参数化模型建立及其局部修改技术的研究 摘要 本文研究了基于鞋楦的主要几何特征进行鞋楦缩放、变形的鞋楦参数化设 计技术。分别建立了几种不同的处理方法和算法，从扫描的样楦三维数据中自 动提取鞋楦的主要几何特征，并编写程序予以实现。建立了后跟高与楦底中轴 线上各主要特征点之间的关系、鞋楦三围线与各楦高之间的关系，并在三维 c a d 软件中建立了基于特征的鞋楦参数化模型，实现了以前跷高、后跟高、跖 围、跗围、兜围为主控参数的鞋楦参数化设计。为提高楦表面的光顺性，对楦 表面局部修改技术进行了一定的研究，并提出一种利用过渡函数来控制楦表面 变化量的局部修改方法。最后指出今后工作中需要进一步提高与完善之处。 关键词：鞋楦几何特征自动提取参数化建模局部修改 r e s e a r c ho nm a i nf e a t u r eb a s e dp a r a m e t r i cm o d e l i n go f s h o e 1 a s ta n dl o c a lm o d i f i c a t i o n a b s t r a c t t h et h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c ho nt h ep a r m e t r i cs c a l i n ga n dd e f o r m a t i o no f s h o el a s t sb a s e do ni t sm a i ng e o m e t r i cf e a t u r e s v a r i e dm e t h o d sw e r eu s e dt o e x t r a c tt h em a i nf e a t u r e so fs h o el a s t sa u t o m a t i c a l l yf r o mt h es c a n e ds h o el a s td a t a t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e e lh e i g h ta n dt h em a i nf e a t u r e sp o i n t so nt h ec e n t r a l c u r v eo fs h o el a s tb o t t o m ，a n db e t w e e nt h et h r e eg i r t h sa n de a c ho fp i l e dh e i g h to f t h es h o el a s tw e r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y ap a r a m e t r i cs h o el a s tm o d e lw a sb u i l t b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pw i t hac a ds o f t w a r e ，f r o mw h i c hn e ws h o el a s tc o u l db e g e n e r a t e dw i t hi n p u tv a l u eo fm a i nf e a t u r e s ，i e ，t h et o et i ph e i g h t ，t h eh e e lh e i g h t ， t h em e t a t a r s a lc o n t o u r ，t h ei n s t e pc o n t o u ra n dt h ep o c k e tc o n t o u r , e t c l o c a l m o d i f i c a t i o nt e c h n i q u e so fs h o el a s ts u r f a c ew e r es t u d i e dt oi m p r o v et h es u r f a c e s m o o t h n e s so fs h o el a s t ，a n dat r a n s i t i o nf u n c t i o nw a sp r o p o s e df o rt h ep u r p o s e f i n a l l y , i tp o i n t so u tt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n tw o r ki nf u t u r e k e yw o r d s ：s h o el a s t ；g e o m e t r i cf e a t u r e s ；a u t o m a t i ce x t r a c t i o n ；p a r a m e t r i c m o d e l i n g ；l o c a lm o d i f i c a t i o n 致谢 在即将毕业之际，回首研究生生活，短暂却丰富多彩。三年的点滴成长， 离不开师友们的耐心指导与鼓励。在此，我对求学之路中给予我热心帮助和不 断鼓励的师友们表示衷心的感谢和致以最诚挚的祝福。 本文是在导师胡小春教授的悉心指导下完成的。从论文的选题，具体研究 到论文的书写，每一步都凝聚着导师的心血与智慧。胡老师渊博的学识、活跃 的学术思维，严谨的治学态度及精益求精的工作作风在我心中留下了深刻的印 象，是我坚持不懈，刻苦学习的榜样和不断追求进步的动力。两年多来，胡老 师不仅教给我大量的科学文化知识，同时也教给我很多做人做事的道理，它是 我人生中的宝贵财富使我终生受益。在这即将毕业之际，祝愿胡老师：身体健 康、工作顺利、全家幸福! 感谢我的父母，他们不仅给予我物质上的支持，为我提供接受教育的机会， 同时也教给做人的道理，在精神上给予我安慰。使我对以后的人生充满信心， 我将一如既往的实践着自己的人生价值。您们的关心和支持是我不断努力的动 力与信心的源泉，使我的人生更加的充实和成功。 感谢曾亿山、张晔、曹剑老师在我的日常学习生活中给予我热心的帮助。 感谢施豪亮、万孝军、王刚、董亮、胡志星师兄弟及师妹周福静；感谢我的同 学刘涛、王向东、赵强、赵锦及我的窒友张伯平，他们在我的学习和生活中， 特别是论文完成期间给予我很大的帮助与鼓励。 最后，向在百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家 表示衷心地感谢! 作者：翟亚磊 2 0 1 1 年4 月 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 第四章： 4 1 4 2 第五章： 5 1 5 2 第六章 6 1 6 2 参考文献 攻读硕士 附录 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 4 8 两曲面体图一31 4 9 楦底曲面图3 2 4 1 0 底心凹度测量示意图3 3 4 1 1 底心凹度表示图3 3 4 1 2 特征点拟合曲线图3 5 4 1 3 中轴线点云图3 6 4 1 4 楦中轴面骨架图3 6 4 1 5 楦面纵截面示意图3 6 4 1 6 楦表面各楦高纵剖面图3 7 4 1 7 生成曲面示意图一3 8 4 1 8 鞋楦模型图3 9 4 1 9 三围线点云图3 9 4 2 0 特征参数关系式对话框4 1 4 2 1 修改主控参数后模型对比图4 2 4 2 2 三围线改变后模型与原始模型对比图一4 2 5 1 区域分布示意图4 4 5 2 原函数图像4 5 5 3 一阶导数图像：一4 5 5 4p r 0 t o o l k i t 安装示意图4 6 5 5 设置包含文件对话框图4 7 5 6 项目属性设置图4 7 5 7 程序调试图一4 8 5 8 编程思路流程图4 9 5 - 9 模型调入示意图一5 1 5 1 0 曲面选择示意图5 1 5 1 1 曲面上布网格示意图5 2 5 1 2 重新生成曲面图5 2图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表3 1 男女鞋前跷与后跟高的关系1 7 表4 1 楦底各部位尺寸2 9 表4 2求g 点y 坐标值己知条件3 4 表4 3 楦底中轴线上特征点值一3 5 表4 4 楦面各纵截面尺寸3 7 表4 5鞋楦三围线尺寸4 2 第一章绪论 我国是世界上最大的鞋类和鞋用附件生产国和出口国。高速发展的制鞋业， 不仅极大地满足我国人民穿鞋的消费需求，而且也己成为一个重点出口创汇产 业，在国民经济中占有不可替代的重要地位。鞋楦是制鞋的模具，现在普遍使 用的鞋楦多以塑料鞋楦为主【lj 。鞋的款式和品种的变化直接依托于鞋楦的造型 设计，而母楦的制作是由相当熟练、经验丰富的技工手工刻制而成，再配合“靠 模 的方式仿形加工鞋楦。这种制楦的方法生产周期长且质量也不稳定、加工 精度低，尤其是鞋楦的级放精度难以保证。目前，拥有此技术的高级技工已呈 现出严重的老龄化现象。因而，母楦的制作工艺已成为制约我国制鞋业快速发 展的瓶颈【2 3 】。随着科学技术的迅速发展，计算机技术也越来越普遍地应用到制 鞋业。国外已有一些大公司开发出了鞋楦曲面的重构建模、数字化级放以及数 控加工的成套技术，并且已将此技术应用于制鞋业的实际生产中。这不仅大大缩 短了产品的设计、生产周期，而且也在很大程度上提高了生产效率和产品质量。 随着经济全球化的快速发展，我国制鞋业面对的市场竞争更加激烈，因此要想在 激烈的市场竞争中占有优势、促进国内制鞋又快又好地发展，必须大力开发拥 有自主产权的鞋楦曲面数字化建模、数字化级放以及自动生成数控加工程序的 软硬件系统，为实现鞋楦的完全c a d c a m 奠定基础。数字化鞋楦技术主要包括鞋 楦模型数据的数字化采样、数据的数字化预处理、曲面数字化建模重构、数字 化级放以及自动生成n c 加工程序等。 1 1 鞋楦的发展过程 纵观鞋楦设计的发展过程，可将其分为：手工制楦和数字化制楦这两个主 要阶段【1 , 2 , 4 - 6 j ： ( 1 ) 手工制楦阶段 手工制楦是最原始的制造鞋楦的方法，在这一时期制做一个鞋楦楦模一般 要分为三步。第一步是构思鞋楦的整体造型，其包括构思楦体、楦底的形状和 确定各部分造型尺寸的大小；第二步是根据构思的整体造型及确定的尺寸来进 行鞋楦造型的具体设计及绘制造型设计所需要的图纸；第三步是根据造型图纸 及确定的尺寸用手工刻制鞋楦造型。由于鞋楦是不规则、复杂的几何体，很难 一次完成鞋楦的造型，因此需要多次重复此步直到刻制出所需的造型为止。手 工刻制鞋楦造型的基本工艺程序如图1 - 1 所示： 图1 - 1 刻楦工序图 手工刻楦对操作工人的要求比较高，要求操作者有着丰富的实际操作经验。但 它采用的测量设备及测量方法却比较简单，因而这种制楦方法的不足之处是产 品的生产效率比较低并且也难以保证产品的造型精度。 ( 2 ) 鞋楦数字化设计阶段 随着科学技术的迅速发展，鞋楦c a d c a m 技术、激光技术、数控技术等越来 越多地应用到鞋楦的设计、制造过程中。鞋楦数字化设计与制造的一般过程如 图卜2 所示。参考相关文献，鞋楦数字化技术具有如下优点： a 在鞋楦加工过程中不再使用母楦，直接根据设计出的鞋楦造型，加工出 所需的楦型，减少对母楦的磨损，提高母楦的使用寿命，同时降低生产成本。 b 越来越多地引进先进的开放式数控系统，以数控系统为底层平台进行鞋 楦数字化设计与制造，使鞋楦加工效率也得到显著的提高。 c 越来越高科的三维扫描设备投入到鞋楦数据采集过程中，可以对扫描的 鞋楦曲面精确数据做适当的修改，设计出新款式鞋楦。 d 鞋楦级放相对精准方便，可以实现多级级放。 e 利用逆向工程技术，扫描的样楦三维数据精度更高。 母楦三维数据的测量 0 鞋楦三维模型的建立 上 鞋楦模型的修改与变形 上 数控技术加工 上 鞋楦产品 图卜2 鞋楦数字化技术的一般过程 1 2 鞋楦相关技术的国内外研究现状 数字化技术应用到鞋业设计、生产过程中，能很好地提高鞋楦制作质量、 缩短鞋楦设计和生产周期、加快产品更新换代的速度、提高市场的竞争力，同 时也能很好地满足人的穿着舒适性及合脚性的需求。从2 0 世纪7 0 年代以来，以 美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋先进国家，在鞋楦的设 计和制造方面作了很多研究，并致力于对先进制楦设备的研制。发展至今，欧 洲已有多个公司专门研究和开发数字化制鞋系统【7 】。如：加拿大的v o r u m 系统 8 】 该系统通过立体激光扫描能自动测量出楦( 脚) 体的全长、底宽、拓围、后跟 2 曲线等主要的轮廓线，并能将扫描的数据与系统数据库中存储的数据进行参数 对比并修正，确定出被测量对象的楦型加工参数，最后得到鞋楦c a d 模型。 英国达尔康( d e l c a m ) 公司【9 】是集成系统的专业供应商，在c a d c a m 三维系 统研究上有比较大的优势。该系统主要应用在鞋楦、鞋底三维c a d c a m 方面。 该系统软件可以在中文w i n d o w s 平台下进行安装，可根据不同的鞋尖、鞋跟的 组合设计出新的鞋楦，其自动放码并不是简单缩放，而是在保持鞋底的徽标或 标志不被扩缩的情况下而进行的缩放，因此在鞋底参数设计方面有较强的实用 性，并且设计出的楦底花纹美观，徽标清晰。 英国的s h o e m a s t e r 系统【l o 】是英国c l a r k s 公司的作品，利用该系统可以在 计算机上进行楦型的修改，同时在楦头的打样方面设计人员可以预览打样的结 果，并且该系统在上色与材质套用方面拥有强大功能，这也是其较大的优势之 一。s h o e m a s t e r 系统的鞋样设计可以设计出二维和三维鞋楦模型，并且设计人 员对模型的修改也比较方便可以多次重复修改直到设计出满意的模型为止。 意大利n e w l a s t 公司【l l 】己经实现了集鞋楦自动测量、c a d 技术设计及数控加 工为一体的数字化鞋楦设计系统。该系统的一般流程为：首先在专用的鞋楦测 量机上对样楦进行测量，然后根据测量的样楦数据直接驱动数控刻楦机进行刻 楦；也可以直接通过鞋楦的三维设计部分对楦头、楦跟进行设计以及进行多级 级放的操作，利用数控加工部分进行数控编程最后实现鞋楦的自动化加工。 除以上介绍的成熟鞋楦系统外，还有德国的t i b i s 系统【i 引、法国的w o r k n c 2 系统【1 3 】、日本的c l i c k s 系统【1 4 】和韩国的z m a s t e r 系统【1 5 】等。 以上这些系统主要集中在鞋楦的测量与提取、鞋楦的等级缩放、楦底的参 数化控制及鞋楦的数控加工等，但这些系统关于自动提出鞋楦的主要几何特征 及鞋楦整体参数化控制与楦表面局部修改技术的研究较少。 在国内，对鞋楦和鞋业数字化技术的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，集中表现 为高校及科研单位与鞋楦或鞋业厂家合作，来进行这方面的研究。主要有：上 海大学与福州皮革工业研究所研制的“p f s l 微机辅助优化设计系统【l6 】；四 川大学光学系研制的“l m a 一1 0 0 鞋楦三维面自动测量系统【l7 j ；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在福建省科委资助下 联合研制鞋楦三维测量系统【1 8 , 1 9 1 ：重庆皮鞋工业研究所与重庆大学光电信系、 轻工业部制鞋研究所联合研制的三维s c a d 一1 0 0 鞋帮c a d 系统 2 0 , 2 1 】；浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室和浙江大学人工智能研究所，联合温州市鹿艺鞋材有 限公司、温州市飞翔鞋业等共同研制开发了“基于人脚动力学原理的个性化皮 鞋c a d 软件系统”；重庆大学承担了国家“八五 攻关项目“实用型鞋帮鞋楦 c a d c a m 系统 【2 2 1 。湖南奥斯曼鞋博士三维鞋楦设计系统【2 3 1 ，该系统在曲 跷处理和交互式设计方面功能比较强大，软件通过采集母楦三维数据，建立丰 富的楦形库，可进行楦形的参数化自由改型设计。设计师可以利用楦形的围度、 底样长、楦全长等数十项控制参数，可对楦头部分割进行处理以及对楦形进行 三维扩缩。王剑【2 4 】利用扫描的脚部数据来构建鞋楦模型，并对所构建好的模型 进行长度和宽度方面的扩缩及利用调整控制点的算法( 改变控制点的可调参数) 进行楦表面局部修改；黄志华 2 副进行了由三维扫描鞋楦数据的预处理获得数字 化三维鞋楦模型，并对模型进行曲面生成和变形等设计，最后将设计好的鞋楦 数据输入到快速成型机上加工出鞋楦的研究；郑辅鸣1 2 6 等利用扫描的鞋楦三维 数据生成鞋楦模型，基于约束最优化方法对楦表面进行局修改，该方法是通过 特征点构造特征线驱动楦表面局部变形；黄建行【27 j 利用a c e s s ( 数据库管理系 统) 和o d b c ( 开放数据库互连接口) 将鞋楦的类型和大量的关键尺寸如楦底 长度、宽度、围度和楦体的各个尺寸编制成关联数据库，这样能很好地解决在 鞋楦设计时所涉及大量标准尺寸和关系尺寸的数据储存和处理的问题，同时也 很好的实现标准样楦的放码。 本研究室近几年在进行足部生物力学研究的基础上，进行了有关鞋楦技术 的研究。个性化鞋楦设计技术方面有：赵海君、王希杰基于足部c t 数据构建足 部模型，根据足部模型及鞋楦设计手册相关标准建立鞋楦模型，所建的模型能 实现基于后跟高和鞋头宽度的参数化驱动 2 s , 2 9 万孝军利用逆向工程技术建立 基于足部模型的鞋楦模型，并对鞋楦楦面进行局部修改，满足鞋楦个性的需要 【1 1 。基于足部压力鞋楦模型的研究：施豪亮利用测量的足底压力数据来构建鞋 楦楦底模型，利用三维激光扫描义进行足部扫描，根据测得足部数据构建面向 个体的鞋楦设计【圳；王刚利用获得的处理过足底压力数据，建立足底压力分布 与楦底部曲面之间的参数关系以及鞋楦主要特征尺寸之间的参数关系，实现由 多个主参数对鞋楦楦体的整体控制以及足底压力参数对鞋楦底面的控制【3 。 本研究室目前正在进行“基于足部生物力学的鞋楦c a d 技术研究与应用 项目的研究，该项目包括以下主要内容：( 1 ) 根据扫描的鞋楦和脚的三维测量数 据，进行数据模型的特征点和特征值的自动识别与提取；( 2 ) 对构建好的鞋楦模 型，进行鞋楦曲面局部修改的参数化控制；( 3 ) 基于脚底压力分布的楦底曲面建 模；( 4 ) 基于中国人群脚型分布规律的鞋楦普适性判定。 1 3 课题研究的目的和内容 国外在鞋楦c a d c a m 技术方面有着比较成熟的系统，这些系统能实现对 鞋楦的测量并测量出楦体的全长、底宽、拓围等主要轮廓线、对鞋楦进行等级 缩放及比较先进的系统能进行鞋楦三维测量、设计和加工为一体的系统。然而 在公开的文献及信息中，还没有将鞋楦的三维测量、鞋楦主要几何特征的自动 提取及对鞋楦密集数据进行规则稀释；基于提取主要特征及稀释过数据，建立 鞋楦参数化模型；对楦表面进行局部修改为一体的系统。从国内的研究现状也 可以看出有的学者对采集的鞋楦三维数据进行处理也提取出了一些鞋楦的几何 4 特征，但他们所提取的特征还不能很好地满足建立模型的需求，也有对鞋楦模 型参数化及楦表面局部修改的研究，但这些研究是分开。本文主要研究目是基 于采集的鞋楦数据，自动提取出鞋楦的主要几何特征：前跷高、后跟高、中轴 线、楦底轮廓线及三围线；根据这些几何特征及稀释过的鞋楦数据，建立鞋楦 的参数化模型；并对所建立的模型进行楦表面局部修改。这些研究在很大程度 上缩短鞋楦的设计周期，提高企业快速适应市场需求变化的能力及满足用户的 个性化需求，提高产品在市场上的竞争力。本课题为正在做的温州市科技计划 项目中的前两个主要内容，后期基于足底压力分布的楦底曲面建立是在该课题 的基础上进行的，课题所建立的鞋楦模型表面的光顺程度对后期基于足底压力 所建曲面的效果有着直接影响，该课题在项目中，起着比较重要的作用，在一 定程度上也关系到项目最终所取得的结果。 本文的内容主要分为三大部分，一是基于采集的鞋楦三维模型数据，利用软 件对数据进行处理，编写程序实现鞋楦主要特征的自动化提取。二是充分了解 自由曲面特点后，综合一般参数化特征曲线和自由曲线两种曲线各自的特点， 基于鞋楦主要特征和稀释后的点云进行鞋楦参数化模型的建立，实现以前跷高、 后跟高、跖围、跗围、兜围为主控参数的鞋楦整体参数化设计。三是对鞋楦进 行局部修改，提出一种利用过渡函数来控制楦表面变化量的方法进行局部修改， 同时保持曲面的光顺性，最终实现鞋楦局部修改的参数化控制。 本文的设计方案流程图如图卜3 所示 5 图1 - 3 本文设计方案流程图 6 第二章鞋楦c a d 技术 2 1 逆向工程技术 2 1 1 逆向工程概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r in g ) 也称为反求工程，是一门跨学科、跨专业 的综合性系统工程；是在没有设计图纸或设计图纸不完整的情况下，对实物产 品进行测量及三维几何建模的方法，将实物产品转化为三维数字模型的先进技 术。其关键技术主要包括：三维物体表面数字化测量技术、三角网格剖分技术、 三维曲面模型重构技术。其一般流程图如图2 1 所示。 图2 - 1 逆向工程流程图 其具体的技术路线如图2 2 所示： - l 磊2 藉薰h 测量数据重整i l 激光扫描r _ 1 测量数据重整 i 产品实物 封 鹭1r 一l 图形矢量i ： - l 三维重构hc a d 模型 逐层切割 化处理i j f 霎 图像处理f i 一”i- i 直接生成s t l 文件i i i 图2 2 逆向工程具体技术路线 2 1 2 逆向工程的数字化测量技术 目前逆向工程的数字化测量方法，一般可分为接触式测量和非接触式测量 两类3 2 , 3 3 1 ： ( 1 ) 接触式数字化测量仪。最早的接触式三维数字化测量仪是探针式的， 它一般由3 至1 j 6 个自由度的杆式机构和末端的探针组成，通过运动学原理来计算 得到末端探针触点的三维坐标信息。f a r o 公司的f a r oa r m 系列和i m m e r s i o n 公 司的m i c r o s c r i b e - 3 d 是这种接触探针式的三维物体数字化测量仪的典型代表， 其技术已经比较成熟。在逆向工程应用的初期，这种接触探针式的三维数字化 测量仪是逆向工程数据采集的主要设备，具有测量精度高、适应性强的优点。 但一般接触式测头测量效率低，数据需进行测头半径补偿，而且由于测量力的 存在，对些软质表面或易损伤物体无法进行测量。 ( 2 ) 非接触式数字化测量仪。非接触式测量根据测量原理的不同，有光学 测量、超声波测量、电磁测量等方式。较为成熟的是光学测量方法，该方法 具有测量速度快、精度高、自动化程度高的特点，在逆向工程中得到广泛的应 用。目前常用的一些数据测量方法如下图2 3 所示。 图2 - 3 数据测量方法 无论是接触式或非接触式测量方法，它们都有各自的特点和应用范围，在 应用时具体选择何种方法应根据被测物体的形状特征和应用目的来决定。另外 在测量过程中测量技术的具体使用与产品本身的形状特征以及用户对于采集数 据的精度要求有很大的关系，影响选择测量技术的因素有： ( 1 ) 产品的尺寸大小及外形几何特征； ( 2 ) 测量数据所要求的精度与密度； ( 3 ) 对测量速度的要求； ( 4 ) 产品表面特征，比如反射程度、硬度等。 在实际工程应用时，应根据以上四个因素来确定使用何种测量技术，以便 获得最佳的三维数据。 2 2 鞋楦三维测量数据 本文所采用的样楦三维数据是由浙江工贸职业技术学院提供的，通过三维 扫描设备获得样楦三维数据，该数据由一圈一圈的扫描点组成的，每圈有3 6 0 点，共有2 9 1 环1 0 4 7 6 0 个点。如图2 4 所示( 其中每一行表示每点的三个坐标值) ： 文件哩) 编嫱哩) 格式q ) 查看帮助 一8 2 1 1 6 9 88 7 0 0 曩66 9 卑7 8 5 - 8 2 1 3 9 68 7 0 n 2 | 6 9 | 1 7 8 5 - 8 2 2 口9 38 7 0 0 5 56 9 4 7 8 5 - 8 2 2 7 98 7 口口9 76 9 | 1 7 8 5 - 8 2 3 8 68 7 9 1 s 2 6 9 4 7 8 5 - 0 2 j 1 1 8 18 7 8 2 1 96 9 上1 7 8 5 8 2 如8 7 58 7 0 2 9 86 9 4 7 8 4 - 0 2 5 5 6 78 7 0 3 9 96 9 4 7 8 5 - 0 2 6 2 5 78 7 0 l 9 26 9 | 1 7 8 5 - 0 2 6 9 1 1 6b 7 目1 6 盼6 9 4 7 8 5 - 8 2 7 6 3 28 7 0 7 3 5 6 9 4 7 8 5 - 0 2 8 3 1 68 7 明7 | l6 9 4 7 8 s - 0 2 8 9 9 88 7 1 0 2 56 9 4 7 8 5 - 8 2 9 6 7 78 7 1 1 8 86 9 乓7 8 5 - 0 a 0 3 5 38 7 1 3 6 3 6 9 4 7 9 5 图2 - 4 鞋楦三维数据 2 3 课题所用软件的介绍 在第一章中已讲到本文共分为三大部分：第一鞋楦主要特征数据的自动化 提取；第二鞋楦参数化模型的建立；第三鞋楦楦表面局部修改。这三个部分所 要用到的软件及语言工具，主要有： m a t l a b 、c 语言、p r o e 及其插件 p r o t o o l k i t 、v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 、u g 及其二次开发插件。下面就简单地介绍 一下这些软件及语言工具： 2 3 1m a t l a b ： m a t l a b 软件是由美国m a t hw o r k s 公司开发的集数值计算、绘图、符号运算、 数据可视化及动态仿真为一体的科学与工程计算软件。m a t l a b 的名字由m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两个单词的前三个字母所组合而成的。该软件自1 9 8 0 年问世以来， 以其先进的设计开发思路及其不断更新的工具箱，尤其是其完善的专业体系使 其在控制领域及数值分析领域、图像处理、金融分析、神经网络、数字信号处 理、虚拟现实等许多领域得到广泛的应用。 m a t l a b 初期的版本是用f o r t r a n 语言编写的，虽然其功能比较简单，但由于 此时该软件是免费的，在当时也仍然吸引了大量的学者使用该软件。经过几年 的交流，在j o h nl i t t l e 的推动下，并与s t e v eb a n g e r t 和c 1 e v em o l e r 合作，在 1 9 8 4 年成立m a t hw o r k s 公司，并推出了m a t l a b 第一个版本。该版本的核心是采 用c 语言编写的，从那时起，m a t l a b 的核心就一直采用c 语言编写直到现在仍然 如此，到现在该软件己更新到r 2 0 0 8 b ( m a t l a b 7 7 ) 版本了 3 4 , 3 5 】。 2 3 2c 语言： c 语言是近年来在国内外得到迅速推广应用的一种计算机语言，c 语言是目 前世界上最流行和使用最广的一种计算机高级程序设计语言。它适合于作为系 统描述语言，既可以用来编写系统软件，也可以用来编写引用软件。最初的c 9 语言只是用来描述和实现u n i x 操作系统提供的一种工作语言而设计的，1 9 7 3 年，k t h o m p s o n 和d m r i t c h i e 两人合作把u n i x 的9 0 以上用c 改写，即u n i x 第5 版。后来，对c 语言多次做了改进，但主要还是在贝尔实验室内部使用。直 到19 7 5 年u n i x 第6 版公布后，c 语言的突出优点才引起人们的普遍注意。c 语言 同时具有汇编语言和高级语言的优势，它可以对内存地址进行读写，可直接对 硬件、二进制进行操作。它把高级语言面向过程和低级语言与硬件关系密切的 优点有机的结合起来，广泛应用于系统软件、应用软件、数据处理以及科学计 算等领域。现在c 语言已风靡全球，成为世界上应用最广泛的几种计算机语言 专 3 6 1 “一 o 2 3 3p r o e 及其插件p r o t 0 0 l k i t ： ( 1 ) p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 由美国参数技术公司( p t c ) 推出的一套功 能强大的三维c a d c a m c a e 一体化的并拥用较强的参数化功能的三维软件。集零 件的绘制与设计、产品模型的装配、模具的设计与开发、机构仿真、n c 程序代 码的生成及动态模拟、产品数据管理、钣金设计、逆向工程、应力分析等功能 于一体，由于该软件拥有以上较强的功能，其广泛应用于机械、航空航天、汽 车、工业设计、功能仿真、电子、辅助制造等领域，特别是从事模具设计和机 械产品设计的技术人员最为普遍使用三维设计软件。p r o e 自从被引进到中国以 后，在中国也得到了广泛的应用，在许多中国优秀企业也得到成功的应用，如： 一汽、东风汽车、上海大众、中国一拖、沈阳飞机厂、联想、华为、海尔、美 的、格力等名牌企业。p r o e 具有如下一些特征： a3 d 实体模型：对设计者设计好的二维图形，在p r o e 操作窗口中能以最真 实的实体模型显示在窗口中，便于设计者设计出更理想化的模型产品。同时设 计者也可以对实体模型进行体积、重量、面积等属性进行同步测量和计算。这 样能很好地提高设计者的设计效率也可以降低生产成本，另外也便于设计者与 管理人员之间的交流。 b 单一数据库：所谓的单一数据库就是p r o e 所有的功能模块共享一个系统 数据库，这也说明设计者无论是在二维或三维的任意一个模块( 实体造型模块、 工程图模块、数控加工模块以及模型装配模块) 对图形进行修改的操作，模型 都会进行时时更新，这样可以确保工程数据的完整和避免对模型反复修改的耗 时，很大程度上提高了设计者的修正效率。 c 父子关系：所谓的父子关系就是在模型的设计过程中对于一些必要性的 特征，系统会自动将这些特征优先于其它多种从属性的特征，并且这些从属性 的特征要从属于先前为尺寸和几何参照所定义的那些必要性的特征。如果对父 特征进行操作或修改，子特征也会随之进行同样的操作或修改。父子关系在模 型的设计过程中提供了一种强大的捕捉方法，它能够为模型加入特定的设计意 图和约束关系。 1 0 d 参数化设计：该设计是c a d 技术在实际生产应用中提出的一个重要的问 题，利用参数化设计手段不仅可以开发专用产品设计系统及实现交互式制图的 功能，还可以对一些常用、主要的产品进行产品的参数化设计，设计者只需对 一些主要参数进行修改，就能实现所绘制图形也随之作用相应的变化，实现设 计工作的一致性，减轻设计者繁重而琐碎的设计和修改的工作量，从而提高设 计效率以及减少对模型信息的存储量，缩短产品的设计和制造周期，增强新产 品的设计与开发能力，同时也能提高产品在市场中的竞争力【3 7 , 3 8 。 ( 2 ) p r o t o o l k i t 插件 随着计算机辅助设计技术( c a d ) 迅速的普及和应用，人们在设计的过程中 逐渐发现c a d 技术虽然功能很强大，但对不同的应用领域来说，现有的技术仍然 有不足之处。尤其是机械专业，因为机械专业所涉及的面太广太大，现有的c a d 技术无法应付所有机械分支专业。对于出现的这种情况，很多c a d 软件在设计时 都对设计者提供二次开发的功能，让设计者根据自己所需的功能进行编写程序 来实现所需的功能。这样以来，对于c a d 系统来说就犹如如虎添翼，大大提高了 c a d 软件的功能，同时也使c a d 技术的应用范围也越来越广。 p r o t o o l k i t 是美国p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ( p t c ) 公司p r o e 定制的开发工具包，它提供了应用程序接口( a p i ) ，其主要目的是让用户或第 三方具有对p r o e 扩展功能的能力，开发基于p r o e 系统的应用程序模块，从而 更好地满足用户的特殊要求。p r o t o o l k i t 使用目前使用较为广泛应用的c 语言 编程，并且提供了一个丰富的c 语言函数库和头文件，不仅如此，用户还可以利 用p r o t o o l k i t 提供的菜单及可视化界面技术和u i 对话框，设计出方便实用的人 机交互界面，从而大大提高用户的设计效率及该系统的使用效率【3 9 ，4 0 1 。 2 3 4v i s u a ls t u d i 02 0 0 5 v is u a ls t u d i o2 0 0 5 由一系列高效、智能的开发工具组合而成，它为用 户提供了很多全新的、强大的功能；v is u a ls t u d i o2 0 0 5 是一个集成开发环境， 用户可以在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 里面使用c + + n e t 、v b n e t 、c # 、j a v a 等语言编 程，是目前编写语言程序较为普遍应用程序编写平台 4 1 1 。 2 3 5u g 及其二次开发插件： ( 1 ) u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是美国u g s 公司推出的具有强大功能的集计算机 辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程分析为一体的软件系统，这也是 该软件被技术人员及高校广泛地采用的主要原因之一。自1 9 9 0 年进入中国以来， 该软件被广泛的应用在航空航天、通用机械、模具、汽车、造船、医疗设备和 电子等领域。u g 具有如下一些主要功能： a 工业设计和风格造型功能：工业设计师利用u g 建模功能可以快速地建立 和完善复杂的产品形状，同时设计者也可以使用渲染和可视化工具来观察产品 的造型效果以便最大限度地满足设计者的审美要求。 b 产品设计功能：u g 包含了当今最庞大，最丰富的产品设计模块。其具较 强的机械设计和绘图功能，能很好地满足设计者设计的任何复杂产品的要求。 c 产品功能分析功能：该功能能很好地满足设计者的设计仿真和设计验证 及关键工程计算的需求，以最短的设计周期构思出安全、可靠和完善的设计。 d 数控( n c ) 加工工能：它为用户提供一个同步的、人机交互的操作窗口， 实现用户可以时时地观测刀具运行的轨迹，同时用户也可以对轨迹进行图形化 修改。u g 软件的所有模块都能实现对实体模型直接生成数控加工程序，并且保 持与模型全相关【4 2 4 3 | 。 ( 2 ) u g 二次开发插件：通过上述的介绍我们了解到u g 是当今世界是最先进 的集计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程分析为一体的软件， 其也有较为广泛的应用领域。但由于不同的专业领域对该软件需求的侧重点不 同，如：数据处理、产品管理和专门的算法，这些领域的需求，u g 的现有功能 还不能很好地满足用户提出的要求。因此，需要对其进行二次开发以扩展其功 能让其很好地满足用户的需求，同时也提高该软件的功能使其在更多的领域得 到充分的应用。 u g 为用户提供了多种二次开发的接口以扩展其功能，但目前最为常用的二 次开发语言有o p e ng r i p 和o p e na p i 两种。这里主要介绍一下o p e na p i ，它的编 程语言采用的是标准的c 或c + + ，两种目前编程者普遍掌握的语言作为其开发语 言，这也是被广泛的应用的主要原因之一。a p i 的核心拥用大约2 0 0 0 个c 函数， 这些函数分别用来实现u g 的大部分操作。用户通过调用这些函数，可以实现对 u g 的实体对象进行编辑、查询、修改等操作，实现人机的交互。在u g 系统中通 过o p e na p i 编程，能实现该系统中绝大部分通过交互方式所实现的功能【4 4 , 4 5 】。 根据m a t l a b 拥有强大的数据处理功能，利用该软件对所采集的鞋檀三维数 据进行处理，编写程序自动提取鞋楦的主要几何特征；利用c 语言编写程序实现 自动提取出鞋楦的跖围、跗围、兜围三围线。根据已提出的楦表面局部修改的 方法利用p r o e 及其插件p r o t o o l k i t 对已构建好的鞋楦模型的楦表面进行局部 修改；根据u g 所具有的特点，利用该软件构建鞋楦参数化模型为后期利用其插 件进行楦表面局部修改作准备。 1 2 第三章鞋楦主要特征的自动化提取 3 1 鞋楦的基本结构及术语 在我国2 0 0 8 年9 月1 日正式实施的中国鞋楦系列中，选择3 2 个能够控制 楦体及关键部位位置的尺寸，包括长度、宽度、围度等，作为楦体特征尺寸。 大致可将它们分为两类：一类为沿着鞋楦底样长度方向的尺寸，包括长度和宽 度尺寸；另一类为沿着底样长纵剖面面积或周长，用来表示鞋楦的肥瘦，包括 围度和楦体尺寸4 6 1 。 长度方向 楦底长度方向包括： ( 1 ) 楦底样长：楦底轴线的曲线长度； ( 2 ) 放余量：楦底轴线上，脚趾端点到楦底前端点的长度； ( 3 ) 脚趾端点部位：楦底轴线上，后跟端点到脚最长脚趾前端点部位的长 度； ( 4 ) 拇趾外突点部位：楦底轴线上，后跟端点到脚大拇趾最突点部位的长 度； ( 5 ) 小趾外突点部位：楦底轴线上，后跟端点到脚小趾最突点部位的长度； ( 6 ) 第一跖趾部位：楦底轴线上，后跟端点到脚的第一跖趾关节部位的长 度； ( 7 ) 第五跖趾部位：楦底轴线上，后跟端点到脚的第五跖趾关节部位的长 度； ( 8 ) 腰窝部位：楦底轴线上，后跟端点到脚的第五跖骨粗隆部位的长度； ( 9 ) 踵心部位：楦底轴线上，后跟端点到脚后跟受力中心部位的长度； ( 1 0 ) 后容差：楦底后端点与后跟突点间的投影距离。 鞋楦底样长度方向尺寸( 1 ) 一( 9 ) 如图3 1 所示。 f 弋 ( 1 2 ) 了 ( 1 3 ) f 俐 口6 ( 1 7 ) 7 。j 图3 - 1 沿鞋楦底样长宽方向的主要尺寸 1 3 宽度方向 宽度方向包括： ( 11 ) 基本宽度：楦底的第一跖趾里宽( 1 4 ) 加上第五跖趾外宽( 1 5 ) 的 尺寸； ( 1 2 ) 拇趾里宽：楦底的拇趾最突点部位楦底里段的宽度； ( 1 3 ) 小趾外宽：楦底的小趾外突点部位楦底外段的宽度； ( 1 4 ) 第一跖趾里宽：楦底的第一跖趾部位楦底里段的宽度； ( 1 5 ) 第五跖趾外宽：楦底的第五跖趾部位楦底外段的宽度； ( 1 6 ) 腰窝外宽：楦底的腰窝部位楦底外段的宽度； ( 1 7 ) 踵心全宽：楦底的踵心部位与分踵线垂直的全部宽度。 鞋楦底样宽度方向尺寸如图3 一l 所示。 围度 沿鞋楦纵剖，有跖围、跗围、兜围三个围度尺寸： ( 1 ) 跖围：楦的第一跖趾内宽点与第五跖趾外宽点间围长； ( 2 ) 跗围：楦腰窝外宽点绕过楦背一周的围长； ( 3 ) 兜围：楦底后跟端点绕过楦背一周的围长。 楦体三围围长方向尺寸如图3 2 所示。 1 - - 跖围 2 - - 跗围 3 一兜围 图3 2 鞋楦的三围度 楦体 鞋楦的楦体尺寸包括：总前跷、前跷高、后跷高、头厚、后跟突点高、后 身高、前掌凸度、底心凹度、踵心凸度、统口宽、统口长、楦斜长。具体概念 这里就不再一一介绍了，主要介绍一下