（机械制造及其自动化专业论文）面向个体鞋楦的cadcam技术研究.pdf

面向个体鞋楦的c a d c a m 技术研究 摘要 本文提出了以足部c t 图像建立的人类足部骨骼肌肉模型为参考并结合国 家制鞋标准，实现鞋楦c a d c a m 的技术方法，并进行了初步实验。文中首先 在了解和分析了国内外鞋楦设计制造现状的基础上，讨论了研究面向个体的鞋 楦c a d c a m 技术的必要性和意义，然后针对目前的各种鞋楦设计制造方法及 各自的优缺点，提出了以足部骨骼肌肉小平面模型创建鞋楦的思想。由一套人 体足部c t 图像，利用逆向工程原理与技术分别建立了足部骨骼和肌肉的小平 面模型。在此基础上，根据鞋楦与人脚的关系，建立了面向个体的鞋楦三维特 征数字模型，并在同时兼顾制鞋标准和人脚模型的基础上实现了模型样式( 鞋 跟高度和鞋头宽度) 的参数化。之后介绍了利用通用的c a d c a m 软件进行参 数化鞋楦设计和计算机辅助编程获得数控加工代码的方法，并以使用鞋楦模型 设计和制造一款注塑拖鞋模具作为鞋楦模型的应用实例。最后给出了有关结论 和讨论。 关键词：鞋楦，c a d c a m 技术，c t 图像，基于特征的，参数化 r e s e a r c ho nc a d c a mt e c h n i q u eo fc u s t o m i z e ds h o el a s t a b s t r a c t t h et h e s i sp r o m o t e dac a d c a mt e c h n i c a lm e t h o do ft h es h o el a s t ，w h i c hi s b a s e do nt h eh u m a nf o o ts k e l e t o na n dm u s c l em o d e lt h a tc o m e sf r o mh u m a nf o o tc t i m a g e s i t f i r s td i s c u s s e dt h e n e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c e o fr e s e a r c ho nt h e c a d c a mt e c h n i q u eo ft h ec u s t o m i z e ds h o el a s t ，t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no nt h e c u r r e n tt e c h n i q u e so fd o m e s t i ca n dw o r l d w i d e t h e nb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ec u r r e n tm e t h o do ft h es h o el a s td e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g , an e wm e t h o do fc o n s t r u c t i n gap a r a m e t e r i z e ds h o el a s tm o d e lr e f e r t ot h eh u m a nf o o ts k e l e t o na n dm u s c l em o d e lw a sp r o m o t e d w i t ht h et e c h n i q u eo f r e v e r s ee n g i n e e r i n g , t h ef o o ts k e l e t o nm o d e la n dm u s c l em o d e lw e r eb u i l t r e s p e c t i v e l yb a s e do nag r o u po ff o o tc ti m a g e s f u r t h e r m o r e ，t h ef e a t u r e - b a s e d s h o el a s t d i g i t a l m o d e lw a sb u i l t ，c o n s i d e r i n gb o t ht h es t a n d a r do f s h o e m a n u f a c t u r i n ga n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o o tm o d e la n dt h es h o el a s t t h e f e a t u r e - b a s e ds h o el a s tm o d e lc o u l db ep a r a m e t r i c a l l yc o n t r o l l e d a f t e rt h a t ，t h e p a p e rd i s c u s s e dt h ec a m m e t h o do f s h o el a s t a n dt o o kt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e o fat y p eo fs l i p p e rm o l du s i n gt h es h o el a s tm o d e la sa l le x a m p l eo ft h ea p p l i c a t i o n o ft h es h o el a s t t h ec o n c l u s i o na n dt h ep e r s p e c t i v eo ff u t u r ew e r eg i v e na tt h ee n d k e yw o r d s ：s h o el a s t ，c a d c a m ，c ti m a g e ，f e a t u r eb a s e d ，p a r a m e t e r i z e d 插图清单 图1 - 1本文设计方案流程图5 图2 - 1沿鞋楦底样长度方向的关键点和主要尺寸6 图2 2 鞋楦的主要围度6 图2 3 鞋楦宽度与人脚宽度的关系7 图2 4 鞋楦和脚上的对应点lo 图2 5 头势造型的基本形式。13 图3 1鞋楦建模的造型确定原理。1 4 图3 2 足部c t 断层扫描图片1 5 图3 3 逆向工程基本过程18 图3 4 基于c t 的c a d 建模过程18 图3 5m e d g r a p h i c s 工作界面19 图3 - 6 在m e d g r a p h i c s 中对骨骼每一截面的c t 图像进行分割处理1 9 图3 7 在m e d g r a p h i c s 中同时提取出内外轮廓线19 图3 8 基于m e d g r a p h i c s 软件提取骨骼边缘轮廓数据流程图2 0 图3 - 9 足部骨骼边缘轮廓线模型。2 l 图3 1 0 光顺前后的边缘轮廓曲线。2 2 图3 1 1 第一跖骨中间相似的轮廓曲线2 2 图3 1 2 预处理后的足部骨骼边缘轮廓线模型2 2 图3 13 边界混成法建立的人体足部骨骼模型2 3 图3 1 4 自由曲面造型法建立的人体足部肌肉模型。2 3 图3 15 人体足部骨骼截面的点云数据。2 5 图3 1 6 未经小平面处理的足部骨骼模型2 5 图3 1 7 经过小平面处理的2 5 图3 1 8 人体足部肌肉轮廓点云数据2 7 图3 1 9 人体足部肌肉小平面模型2 7 图3 2 0 经过透明化处理的人体足部骨骼肌肉复合模型2 7 图3 2l 平面数据结构描述示意图3 0 图3 2 2 圆柱面数据结构描述示意图- 3 0 图3 2 3 圆锥面数据结构描述示意图3 1 图3 2 4 圆环面数据结构描述示意图3 2 图3 2 5 一般旋转曲面数据结构描述示意图3 2 图3 2 6 规则曲面数据结构描述示意图3 3 图3 2 7 投影柱面数据结构描述示意图3 4 图3 2 8c o o n s 曲面数据结构描述示意图3 4 图3 2 9 倒角曲面数据结构描述示意图3 5 图3 3 0s p l i n e 曲面数据结构描述示意图3 5 图3 3 1n u r b s 曲面数据结构描述示意图3 6 图3 3 2 鞋楦封闭曲面3 7 图3 3 3 鞋楦体的纵剖面划分3 7 图3 3 4 鞋楦体的等后身划分3 8 图3 3 5 楦底中轴曲线走势示意图3 9 图3 3 6b 点高度随a 点高度的变化规律。4 0 图3 3 7c 点高度随a 点高度的变化规律4 1 图3 3 8d 点高度随a 点高度的变化规律4 1 图3 3 9f 点高度随a 点高度的变化规律4 2 图3 4 0g 点高度随a 点高度的变化规律4 3 图3 - 4 1 楦底边沿轮廓线4 3 图3 4 2 确定楦头宽度变化的数学模型4 4 图3 4 3 鞋楦体主要框架曲线4 5 图3 4 4 楦底曲面造型4 5 图3 4 5 鞋楦体曲面的构造线。4 6 图3 4 6 不同曲面连续级别的斑马线分析图4 7 图3 4 7 鞋楦体曲面的斑马线分析结构。4 8 图3 4 8 不同鞋跟高度的鞋楦模型4 8 图3 - 4 9 不同鞋头宽度的鞋楦模型4 9 图4 - 1鞋楦制造自动编程流程图。5 1 图4 2 鞋楦注塑模具的上下模。5 2 图4 3 常见立式三轴联动数控铣床。5 3 图4 4 三轴联动铣床粗铣鞋楦时的仿真效果5 4 图4 5 经过后处理得到的三轴数控铣床粗铣鞋楦曲面的数控加工代码5 4 图4 6 带有旋转轴b 的卧室四轴联动数控铣床5 5 图4 7四轴联动数控铣床粗铣鞋楦曲面时的仿真效果一5 6 图4 8 经过后处理得到的四轴数控铣床粗铣鞋楦曲面的数控加工代码5 6 图4 9 常见的数控刻楦机加工鞋楦的切削方式5 7 图4 10 鞋样的设计过程5 8 图4 - 1 1 模具成型部件合模( a ) 开模( b ) 图5 9 图4 1 2 模具的合模( a ) 与开模( b ) 图。5 9 图4 1 3 内怀面型腔的n c 加工仿真过程6 0 图4 1 4 经过后处理得到的加工内怀面型腔的数控加工代码6 0 表格清单 表2 - 1 后跷高高度等差规定8 表2 2 全国成年男、女及儿童脚型规律表1 2 表3 1调整后的舟骨某一层的边缘轮廓数据2 0 表3 2 楦底中轴曲线上各个特征点的位置数据3 9 表3 3 楦底中轴曲线上各个特征点的高度变化规律3 9 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 金壁王些太堂 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。 学位论文作者签名：二i 匕磊j 毛一 签字日期：阳讴年争月孑日学位论文作者签名：陟确、七一签字日期：阳讴年争月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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。本人授她 筵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： 磁点 i 签字日期：7 卯召年中月i1 日 学位论文 工作单位 通讯地址 识彳 i 号 导师签名： 么t ，萨 签字日期：a 咿年年月f 日 邮编： o 碍2 弓幻l 乞z o 1 t0 6 s 致谢 为期两年半的在合肥工业大学的研究生学习生活即将结束，值此论文完成 之际，想借此机会向两年来在学习和生活上对我有过莫大帮助的人表示感谢。 首先，我衷心地感谢我的导师胡小春教授! 在研究生学习期间，胡教授不 仅在具体理论研究上耐心地给予我指导，并帮我端正良好的科学研究态度，而 且在生活上对我们百般照顾、无微不至，使我们能够把更多的时间和精力投入 到学习中去。导师严谨的学术作风、平易近人的师长风范给我们留下了深刻的 印象并给我们树立了良好的学习榜样。 感谢机械与汽车工程学院机械电子工程教研室的曾亿山、宋守许、朱华炳、 尹志强等各位老师在我读研期间在学习方面给予的帮助。 感谢师兄郭松青、师姐孙波在学习上给我的指导以及他们在课题方面做的 大量的前期工作使我在论文完成上或得很大的帮助。感谢赵海君、万孝军、施 豪亮、俞辉、陈波、崔洪坤等师兄弟在很多方面给予我的帮助和支持。同时也 感谢程汀、张家库、陈景、陈彦夫、方荣兆等同学在各方面对我的照顾和帮助。 千言万语一句话，感谢合肥工业大学对我的培养，感谢合肥工业大学的教 师和同学对我的培养和帮助! 作者：王希杰 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 。1c a d c a m 技术在制鞋业中的应用 近三十年来，c a d c a m 技术有了飞速的发展，其发展和应用水平已成为 衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。在当今这个高效 率、高效益、高技术竞争的时代，要想适应瞬息万变的市场需求，促使产品更 新换代，就必须采用c a d c a m 技术。 鞋靴是人们日常生活必须品，它既是满足生理及运动需要的功能性实体， 也是服饰美的组成部分，对于保证人体健康和增进美感有重要意义。而鞋楦又 是皮鞋及其它鞋类设计和制造的依托，它是在制鞋过程中根据人们的脚型和制 鞋工艺的要求设计加工而成的制鞋模具，是制鞋的基础。鞋靴款式的变化在很 大程度上依赖于鞋楦的造型设计，并且鞋楦的质量直接影响鞋靴的质量。无论 是仿制鞋样还是设计新式皮鞋，首先要刻制母楦( 标样楦) ，它体现了人脚的特 点和设计者的设计意图，是鞋楦的样本。按照传统的制楦方法，母楦一直是由 有相当经验的老师傅手工刻楦的，这种方法存在很多问题【l 】： ( 1 ) 在设计和仿制中，必须先由工人以倒石膏模或凭经验斧砍手挫等方法 制作母楦，送到鞋厂试绷合格后才可以投入批量生产。鞋楦是由复杂的曲面构 成的，手工制作对工人的技术经验有很大的依赖性，生产实践中往往凭“眼看 手摸尺子量”来实现设计意图，精度很难保证，生产效率非常低。 ( 2 ) 鞋楦的形状不能用初等解析办法描述，目前只能靠离散点和围度等尺 寸来描述。国家标准给出的数据中，多为根据生理分析、统计结果或经验给出 的，且大多数是楦底样投影于平面后的平面尺寸。然而鞋靴本身是美感的承载 实体，款式设计也同样需要定义大量的点以满足鞋靴作为工业产品进行生产时 美感传递的需要。目前鞋楦制作中尚缺乏将美感量化的途径，在客观上难以实 现理想中的设计要求。 ( 3 ) 鞋楦的设计必须符合解剖学和运动生理学理论的要求，因而需要对脚 型进行大量的统计和分类，形成一套鞋楦设计的理论和几何描述及设计方法。 但是传统的鞋楦设计和制作方法以人工为主，很多知识是作为经验口耳相传， 缺乏系统的分析记录，难以满足优化设计的要求。 ( 4 ) 由于模具的设计制作周期比较长，市场应变能力较差，难以提高经济 效益。 因此，从关键工艺入手，采用先进的计算机技术武装我国的制鞋业，在提 高设计生产质量和速度，缩短产品的更新换代周期等诸多方面都有十分重要的 现实意义。c a d c a m 技术在制鞋业中的应用，开创了制鞋业发展的新局面。 这一技术将计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据能力与人的 逻辑判断、综合分析能力以及创造性思维有机结合起来，从而产生了巨大的威 力，应用范围广阔，经济效益显著，得到了突飞猛进的发展。采用c a d c a m 技术可以显著的缩短设计周期，提高设计质量，减少错误，降低成本，提高劳 动生产效率。因此，c a d c a m 技术也是加速产品更新换代的有效手段，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。鞋业 c a d c a m 系统的目标是实现制鞋工业的设计无纸化、数据科学化和生产数字 化。设计无纸化，在计算机终端上显示鞋样设计效果图和鞋楦效果图，生产观 察等工作，并实现基于计算机网络的数据传递，这将使得设计者无须绘制图纸、 制作实体模型或样品就能完成设计的全过程。数据科学化，以鞋楦测量结果作 为鞋楦造型的几何描述数据，以解剖学、运动生理学、人机工程学等学科的理 论分析与实测数据作为鞋类设计的数据库、专家库基础，使经验规律和测试结 果量化。再进一步结合材料、有限元、计算机图形学等相关学科的进步，在计 算机上实现鞋的静态与运动仿真模拟，使所设计的每一种鞋都尽可能符合生理、 运动等多方面的要求，并具有设计者理想中的美感，真正从经验设计转变围以 大量科学合理的数据和科学的分析方法为基础的优化设计，实现制鞋经验和制 鞋技术的量化存储与传承。生产数字化，建立几何体的数学模型就可以相应的 得到曲面上的点和其它几何信息，将这些信息传递给后置的数控编程等模块， 可以进行干涉校验、生产规划并编制出相应的数控加工程序，从而实现鞋楦加 工、帮样展平和裁减的数字化。 1 2 制鞋业的发展现状 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 时尚潮流，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制鞋 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，主要在制楦测量、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 样帮 c a d 系统等【2 】【”。自1 9 7 6 年欧美第一台c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展 2 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 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 系统已遍及世界各地鞋厂；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。在数控刻楦方面业涌现了大 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 m f o rf o o tm e a s u r e m e n ta n dl a s tm a n u f a c t 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 ) 【4 j ，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 、 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制的“p f s 1 微机辅助优化设计系统 【5 】，主要有帮样样扩缩、楦体展平等功能。 四川大学光电系研制的“l m a - 1 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。 从上面的介绍中我们可以看出，制鞋c a d c a m 的研究与应用主要是为了 提高鞋靴的生产效率，降低生产成本，对于鞋靴舒适性及足部健康的关注不够。 近些年来人们对于人的足底压力分布，有限元模型等的研究越来越多，如文献 【6 】【7 1 ，同时对制鞋c a e 的发展越来越关注【8 1 。总之，从最早c a d 被引入制鞋 业开始，c a m 、c a e 也随着人们要求的越来越高被逐渐引入到制鞋业中，这样， 就可以将先进的计算机技术尽可能多的引入制鞋行业中，从而实现鞋靴的快速、 高效生产，且能基本满足消费者审美与舒适性的要求。 1 3 课题的提出 前已提及，制鞋业的发展与人们的生活息息相关。然而长期以来消费者对 鞋靴的关注主要是价格和质量，而生产商主要关注的是成本和效益。随着社会 现代化程度和物质生活水平的不断提高，人们对自己所穿的鞋子的舒适性和个 性化要求日益增强，尤其是从事特定职业的人员( 如运动员、舞蹈演员等) 或 特殊人群( 如有足患的人群) 对个性化鞋子的需求更加迫切。由于世界上不存 在两个人的脚形完全相同的情况，即使对于穿同一个鞋号的两个人来说，由于 他们( 或她们) 的脚的长短不同、胖瘦不同、足弓高度不同等，因此，传统的 基于标准鞋楦生产的鞋子在很大程度上无法满足客户对鞋子个性化和人性化需 3 求。面向个体的鞋类c a d c a m 技术就是针对这种需求而提出的。核心问题是 如何根据特定的人脚设计和制造出既经济合理，又符合个性化要求的鞋楦。 目前的制楦c a d c a m 方法用的最多的是逆向工程方法，其又主要包含直 接根据对成楦的表面测量重建数字模型的逆向工程方法【9 】和利用对人体足部表 面轮廓的测量重建人脚数字模型，再结合人脚与鞋楦的关系来构建鞋楦的数字 模型的逆向工程方法【1 0 】。测量的工具多用三维激光扫描仪。前者主要目的是要 得到已有鞋楦的数字模型，以方便后续的存储、调用、进一步编辑、n c 代码的 生成等等，其特点是高效、标准、易行，但缺乏创新，只能得到已有成楦的复 制品。后者主要是进行新鞋楦的设计。其特点是创新、个性化突出，但过程复 杂、效率低，尤其是在测量人脚表面轮廓时，由于人脚的活体特性难以保证其 精度 1 l 】。所以本文综合考虑了两种方法的优缺点提出以人体足部的c t 图象为 基础，提取人脚骨骼和肌肉轮廓数据，建立个体足部骨骼肌肉三维模型，结合 鞋楦设计标准，设计出面向个体的鞋楦，并通过修改鞋头与鞋跟处相关参数来 改变楦体的式样。不但解决了利用扫描仪很难准确测量人脚的问题，也解决了 鞋楦式样单一的问题。最重要的是，c t 方法既能提取肌肉轮廓数据，也能提取 被肌肉包裹着的骨骼截面数据，这样就可以利用从同一组c t 片中提取的骨骼 和肌肉轮廓数据建立足部的小平面特征复合模型来确定足部特征点的具体位 置，而且用这些数据还可以建立足部三维实体复合模型及有限元分析模型，保 证了后续研究足部受力情况( 如文献 1 2 ， 1 3 ， 1 4 ) 及解决患有足部疾病 的人群穿鞋等问题时的骨骼、肌肉数据的一致性，以利于进一步的相关研究。 虽然个性化的鞋楦严格上讲只适合一个个体对象，但是适合一个人穿的鞋 子样式也可以设计的丰富多彩，即面向个体基础上的参数化、多样化设计。综 观鞋靴发展史，不难发现头势的变化配合跟底的变化是主流，所以这里在构建 出面向个体的原始鞋楦模型的基础上，通过修改控制鞋跟高度和鞋头头势的参 数来修改鞋楦模型，从而直接生成用来制作新式样鞋靴的鞋楦模型。 进行鞋类设计制作研究的人不少，但是很少有人在鞋类研究中同时运用到 c a d c a m ，本文将比较系统的阐述在通用c a d c a m 软件环境下，基于人体 足部c t 图像的鞋楦c a d c a m 方法。 综上所述，本文的研究具有三大特点： ( 1 ) c a d c a m 技术在鞋楦制作中的有机结合。即从鞋楦设计到鞋楦制造 整个过程中，充分利用现有的计算机技术，从根本上提高设计和制造的效率及 精度。并使整个过程实现“无纸化 。 ( 2 ) 鞋楦个性化与制鞋标准的有机结合。由于足部的c t 图像来自一个具 体对象，所以在此基础上构建的足部模型及设计的鞋楦具有面向个体的意义， 但任何一个具体对象的足部也必须符合一定的国家制鞋标准。所以本文在兼顾 具体对象和国家制鞋标准的基础上设计并制造鞋楦，使鞋楦本身既符合国家制 4 鞋标准中共性的规定，又在一些具体特征上符合个体对象的特点。 ( 3 ) 鞋楦个性化与参数化的有机结合。面向个体的鞋楦其各重要特征点位 置及楦体主要参数，诸如跖围、跗围和兜围应该是在对象确定后即固定下来， 不可修改，然而鞋楦的样式，如鞋跟高度和鞋头样式是可以，而且有必要进行 参数化控制的。本文的工作即力求在符合个体对象足部特征的同时，实现鞋楦 c a d 模型样式的参数化控制。 本文的设计方案流程如图1 1 所示。 采集c t 断 层扫描图 构建可参数 化控制样式 的鞋楦三维 数字化模型 提取骨骼和肌肉 边缘轮廓线数据 分别导入c a d 系 统优化数据 相关制鞋标准 确定鞋楦上特征 点的位置和各边 沿线的走势，建 立鞋楦相关部位 变化的数学模型 分别重构足部骨 骼和肌肉三维数 字模型并装配得 到足部骨骼肌肉 复合模型 不同鞋型的变化规律 利用通用c a m 软件进行鞋楦制造 设计，生成加工刀位数据并进行数 控加- t 仿真，检查无误后，进行刀 位数据后处理生成数控加工代码 以所设计得到的鞋楦 作为型j 苍进行一款注 塑拖鞋的设计及加工 图1 1本文设计方案流程图 5 第二章鞋楦的几何建模理论和设计的基本原理 2 1 人脚与鞋楦【1 川 2 1 1 鞋楦的基本结构及术语 鞋楦是人脚的模型，是一个空间自由曲面体，为了表达出鞋楦的空间结构， 一般有两组数据：一组为沿着鞋楦底样长度的尺寸，另一组为沿着底样长纵剖 面面积或周长( 围度) ，表示鞋楦的肥瘦。沿鞋楦底样长度方向的关键点和主要 尺寸如图2 - 1 所示： a 楦体前端点；b 脚趾端点， b 前掌着地点；d - t l 体后端点， e _ 后跟凸点；f - - _ 统口后点i g _ 统口前点 1 楦斜长；2 一楦底样长， 3 谁底长；4 一楦全长i 5 楦头厚度；6 一统口长 7 后身c 高；8 一后跷高i 9 - 前跷高；1 0 - 后容差i h i 蝴口宽 图2 - 1沿鞋楦底样长度方向的关键点和主要尺寸 沿鞋楦纵剖，还有三个围度，如图2 2 所示： 2 1 2 人脚与鞋楦的关系 图2 2 鞋楦的主要围度 l 一跖围 2 一跗围 3 一兜围 ( 1 ) 长度关系 鞋楦的造型是根据脚型的特点、尺度及人们对鞋的使用需要结合审美因素 设计加工而成的，是对脚型的抽象和升华。鞋楦底样长与人脚长应满足下式： 楦底长= 脚长+ 放余量一后容差 6 这里，放余量是针对人脚在鞋内运动时须留有活动余地，以免鞋紧紧地箍 住人脚，妨碍人脚发挥功能而确定的。 后容差是为了使鞋能包跟，使人行动时合脚，避免出现拖跟、塌跟和坐跟 等毛病而确定的。 放余量与后容差数值的确定是根据意念中的造型而设计的，并根据数值的 情况决定鞋靴的造型美感。 ( 2 ) 脚围长与楦围长的关系 一般规律是脚的围长不等于楦的围长，确定的围度主要依据跗围和跖围两 部位。 跖围是人行走时发生弯曲的部位，这一部位的肌肉比较圆滑饱满，楦体这 一部位的围长及肉体安排应同人脚的实际接近，穿着才舒服。 跗围指脚心、脚背的围长。倘若鞋楦跗围太小，成鞋会挤压脚背；太大， 成鞋后不跟脚，行走时容易脱落。鞋楦跗围基本上与脚跗围相等或因意念造型 的需要略小或略大些，鞋穿起来才舒服。 对于兜围，一般规律为楦兜围须大于脚兜围，便于活动和穿脱。 ( 3 ) 脚型宽度与选型宽度的关系 鞋楦的宽度不等于人脚的宽度，如图2 3 所示。 l 一桓底样轮廓线 2 一脚轮廓线 3 一脚印 图2 - 3鞋楦宽度与人脚宽度的关系 楦型宽度指楦底盘的宽度，它与人脚宽度的关系是楦底盘各部位宽度必须 在脚印与轮廓线之间，各边距的数值应根据造型设计的诸因素取最佳值确定基 本宽度。宽度过窄，成鞋夹脚，过宽则“太旷”，且不经济。 脚型腰窝里段肉体呈拱形向上过渡，而脚底面很窄，外踝面的活动量较小。 该部位曲线圆滑，曲面犹如半个球面的一半。 脚踵心宽度略小于楦踵心宽度以确保人在直立和劳动时受负荷变形的容 量。 2 2 鞋楦的国家标准 人脚因人而异，根据大量统计、分析归类，形成了一个关于人脚的统计规 7 律，由此制定了统一的鞋号国家标准。这里简要介绍一下g b 3 2 9 3 8 2 中国鞋 号及鞋楦系列、鞋楦尺寸检测方法的有关规定： ( 1 ) 号型定义 “号”：鞋的长度标志，以脚长为基础制定。 “型 ：鞋的肥瘦标志，以跖围为基础制定。 ( 2 ) 中间标准楦样 各档鞋号中，居中鞋号的鞋楦称为中间号标准楦样。如男鞋的中间楦样号 码为2 5 号。 ( 3 ) 鞋楦尺寸系列及等差的规定 1 ) 鞋楦尺寸系列：以中间号标准楦样为中心，按规定号型等差进行扩缩的 成套鞋楦尺寸成为鞋楦尺寸系列。 2 ) 长度号差：号差为1 0 m m ，半号差为5 m m 。 3 ) 跖围号差：号差为7 m m ，半号差为3 5 m m 。 4 ) 型差：型差为7 m m ，半型差为3 5 m m 。 ( 4 ) 后身统一部位的规定 对于同类、同品种和同后跷高的楦体，不论头势如何变化，其第五跖趾部 位以后的楦体造型与尺寸应保持不变。 ( 5 ) 后跷高及其有关规定 后跷高：楦底前掌凸点在水平面上，后端点跷起的高度。 后跷高高度等差规定：各种中间号后翘高的高度等差为5 m m ，其范围如表 2 1 所示。 表2 1后跷高高度等差规定 平2 0 m l t l 以下 男 中2 5 3 5m l n 高 4 0 5 0m i l l 平 2 5i l l 1 1 以下 女 由 3 0 - 5 0m i l l l 局 5 5 8 0m i n 2 3 楦体上点的名称 楦体是由三部分组成的：相对于脚弯或脚腕部位，鞋楦横向界面是扁长形 的，叫做鞋楦的统口；相对于脚面、脚背和脚后跟的侧面部位，形似脚罩的整 个曲面，叫做鞋楦的楦面；相对于脚底板的鞋楦底部曲面，叫做鞋楦的楦底。 2 3 1 楦体上特定的点线 鞋楦的统口与楦面相交，构成一条空间性质的封闭曲线，叫做统口边沿线， 这条曲线的中间是长条形的，前后两端成圆弧形。 鞋楦的楦面与楦底相交，形成的一条空间曲线，叫做楦底边沿曲线，其形 态比较复杂，它的前后两端近似圆弧线，外怀中部属偏直一些的缓坡曲线，内 怀中部是与脚底弯近似的自由曲线。 在鞋楦后身端正的条件下，通过楦底前后两端圆弧曲线和统口前后两端边 沿曲线中点的平面，从正中将鞋楦分成内、外两部分，分别叫做内怀和外怀。 鞋楦体与这一个平面的相交处，构成一条平面曲线，由这条封闭曲线围成的图 形，叫做鞋楦纵剖图。这个纵剖图所在的平面，叫做鞋楦的纵剖面。 在鞋楦的纵剖面上，鞋楦底边沿前后两圆弧中点，分别叫做楦底前端点和 楦底后端点，这两点之间的连线，在楦底面上，从垂直于楦底的方向看是直线， 垂至于纵剖面方向看是一条曲线，叫做楦底轴线，鞋楦统口与鞋楦纵剖面的交 点，分别叫做统口前点和统口后点，它们之间的连线位于鞋楦统口中间，叫做 统口线。楦底前端点与统口前端点之间的连线叫做背中线，位于楦面前部正中 间，从俯视的角度看是一条直线，在纵剖面上是一条曲线。楦底后端点与统口 后点之间的连线，叫做后弧线，位于楦面后身正中，由后向前或俯视的方向看 是一条直线，在剖面上它是一条曲线。 2 3 2 楦体上对应人脚的特征点 楦体上没有什么明显的特征点，但是楦体的设计与造型却是按照脚的特征、 生理结构、运动情况和工艺要求进行的。因此有必要在鞋楦上根据脚的特征部 位标定出各种特征点。 鞋楦的楦体包括楦底、楦面和两者相交而成的楦底边沿曲线等三部分，因 此，脚的每一个特征部位都会在三个部分出现对应的特征点。 部位点的名称及其符号 人脚的各个部位和关节点，在楦底轴线上的对应位置脚部位点。为了便于 记述，将这些部位点分别用应为字母表示： a ：楦底后端点 b ：外踝骨中心部位点。 c ：腰窝部位 d ：前跗骨凸点部位( 跗骨部位) e ：第五趾关节部位点 f ：前掌凸度部位点 g ：小趾端点部位点 9 h ：拇趾外凸部位点 i ：脚趾端点部位点 j ：楦底前端点 除此之外，在鞋楦的后弧线上，有一个后身凸度点( 俗称后弧凸点) ，它与 脚的后跟凸点部位相对应，采用a 3 表示。另外，由于高腰楦体后身比较高，后 弧线近似“s 形，所以需在楦体后身高度的1 2 处确定一点a 4 ，叫做后弧中点。 ( 1 ) 鞋楦上标志点及其符号 在楦面的背中线和统口边沿线上，与各部位点相对应的点，叫该部位的标 志点。分别在其部位点英文字母的右下角，加上“0 来表示。它们是： a o ：统口后端标志点( 统口后点) b o ：外踝骨标志点 c o ：腰窝标志点 d o ：跗骨标志点 f o ：前掌凸点标志点 g o ：小趾端点标志点 h o ：拇趾标志点 i o ：脚趾端点( 头厚) 标志点 t 1 1 0l彬 1 m 3 z 毛妒1 一 r 1 a 1 硼p似 ， i hgfe 【i ( i “k ，d 1 c 1 h 0 ：二7 、， 飞， 气 j ， f 。 i j 广u l k 彦；，to 2 l z 、延旦e pc r琵 图2 - 4鞋楦和脚上的对应点 其中，不存在( 没必要) 楦底前端点和第五跖趾的标志点所以没有j o 和e o 两个点。 另外，鞋楦的统口前点，并不是脚上的对应部位，它是因鞋楦造型的需要 而出现的，为了楦体符号的完整性，称之为统口前端标志点，用k o 来表示。 这些标志点中，d o 、f o 、g o 、h o 、和i o 位于楦面的背中线上，a o 、b o 和 1 0 k 0 都位于统口边沿线上，而且b o 在内、外怀上各有一个；c o 点一般有两种情 况，一是在k o 前面的背中线上，二是在k o 后面的统口线上。图2 4 说明了这 些点的位置。 直线m n 叫做基础坐标轴线，a f 直线叫鞋楦的后跷线，m n 直线是楦底轴 线的投影直线，曲线a i j l 是楦底轴线，j i k o 曲线是鞋楦的背中线。a i a o 曲线是 后弧线，另外，在脚的后跟踵心凸度部位用z 符号表示。 根据脚的生理结构和运动状况，b b o 、c c o 、和d d o 应垂直于鞋楦的后跷线； g g o 、h h 0 和o 应垂直于鞋楦的基础坐标轴线；f f o 线因后跷高度和承受重力 的缘故，原则上应垂直于基础坐标和后跷线的中线。 ( 2 ) 鞋楦上的边沿点及其符号 在楦底边沿线上，与各个部位点相对应的点，叫该部位的边沿点，因 为脚和楦均有内、外怀之分，所以边沿点必然有内、外之分。一般在该部位文 字符号的右下角用角码来区分，角码为“1 的是外怀边沿点，角码为“2 的 是内怀边沿点，它们分别是： a 1 ：楦底后端外边沿点a 2 楦底后端内边沿点 b l ：踝骨外边沿点b 2 ：踝骨内边沿点 c 1 ：腰窝外边沿点c 2 ：腰窝内边沿点 d 1 ：跗骨外边沿点d 2 ：跗骨内边沿点 e l ：第五跖趾外边沿点e 2 第五跖趾内边沿点 f l ：前掌凸度外边沿点f 2 ：前掌凸度内边沿点 g 1 ：小趾端点外边沿点g 2 ：小趾端点内边沿点 h 1 ：拇趾外边沿点1 - 1 2 ：拇趾内边沿点 1 1 ：脚趾端点外边沿点 1 2 ：脚趾端点内边沿点 j i ：楦底前端外边沿点 j 2 ：楦底前端内边沿点 在楦体上，楦面的a l 、触点和j l 、j 2 点分别与楦底的a 点和j 点完全重合。 实质上它是楦底边沿线、楦底轴线、背中线和后弧线等几条曲线的交点。 这些部位点是长期经验的积累与总结，在鞋楦的造型中必须加以充分的注 意。 2 4 部位点的基本规律、标定与分析 鞋楦上的部位点绝大多数位于楦底轴线上，只有个别点在后弧线上，一般 以楦底后端为起点，由后向前和从下往上顺次读出各部位数据即可。各个部位 数据的来源和规律如下： 楦底上各个部位数据计算方法 根据我国鞋号的制定原则和鞋楦设计标准可知 某部位的长度= 脚长该部位脚型规律一后容差 公式中脚长一般指中等脚长，即成年男子是2 5 0 m m ，成年女子是2 3 0 r a m 。 根据文献的说明，中等鞋号的鞋楦，不论样式和楦底样长度怎样变化，只要同 属一类，后容差的数据不变，那么它们各对应部位的数据是相同的。 表2 2 中列出了全国成年男女及儿童脚型规律。 表2 2 全国成年男、女及儿童脚型规律表( 部分) 1 6 1 成年男、女大、中、小童 脚趾端点部位1 0 0 脚长1 0 0 脚长 拇趾外凸点部位 9 0 脚长9 0 脚长 小趾端点部位8 2 5 脚长8 2 5 脚长 前掌凸度部位6 8 8 脚长6 8 8 脚长 第五跖趾部位 6 3 5 脚长 6 3 5 脚长 跗骨部位5 5 3 脚长5 5 3 脚长 腰窝部位 4 1 脚长4 1 脚长 中心部位2 2 5 脚长2 2 5 脚长 踵心部位 1 8 脚长1 8 脚长 外踝骨高度2 0 1 4 脚长2 0 1 4 脚长 后跟骨上端点高度 2 1 6 6 脚长2 1 6 6 脚长 脚腕高度5 2 1 9 脚长4 9 4 1 脚长 在鞋楦上标定这些部位点是设计、制造和检测鞋楦体的依据，在传统设计 方法中被广泛采用。在以形状数学为工具的几何描述中，它提供了合理划分截 面的依据，如何处理好通过这些部位点的截面曲线进而处理曲面问题是至关重 要的。 2 5 鞋型变化的基本规律 作为人脚的模型，鞋楦变化必须随人脚的变化而变化，在长期的设计实践 中所总结出的鞋楦变化规律具体来说有以下几点： 楦体后身几乎不变，或者说随人体解剖生理变化缓慢。 变化的焦点主要集中在头势后跷高( 后跟高) 。 楦型变化的主导因素是楦底样。 虽然严格追究起来，鞋楦某一部分变化势必会导致其他部位的变化，但根 据实践中总结出来的规律和国家标准的规定，后身标准化的主张是极其合理并 有科学依据的。 综观鞋靴的发展史，不难发现头势的变化配合跟底的变化是主流。头势的 形状是鞋靴造型设计个性表现之所在，也常是流行款式特色的表征。其基本造 型有如图2 5 所示的六种。 1 2 大方头 小方头偏头大圆头小圆头 尖头 图2 - 5头势造型的基本形式 鞋楦造型规律从人体工程学考虑，并不是按照一个模式来做，设计人员在 灵活运用造型手段表现个性和意象外，还应考虑以下几点： 1 ) 前跷高度；2 ) 头势厚度；3 ) 前掌凸度；4 ) 1 - 芪心凹度； 5 ) 踵心凸度；6 ) 后跟凸度；7 ) 后身高度；8 ) 统口高度； 此外，还应包括恰如其分的肉体安排等等。 第三章基于足部骨骼肌肉模型的鞋楦设计以及参数化的实现 3 1 鞋楦建模方法及造型原理 第一章已经讲到本文综合考虑了目前比较流行的两种鞋楦设计方法的优缺 点提出以人体足