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个性化鞋楦c a d 研究 摘要 鞋楦是制鞋工业中一个重要模具，各种式样的鞋都依赖于鞋楦， 鞋楦的生产制造水平在鞋产业中起着非常重要的作用。面对鞋产品 日益增长的多变需求，传统的作坊式生产已不能满足需要。因此将 c a d c a m 技术引入鞋楦的设计制造中，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。另外，随着经济发展，传统 的迫使脚适应鞋的批量模式越来越满足不了客户多变的个性化需 求，量脚制鞋的新型定制生产模式快速发展起来，传统的针对批量 生产模式的鞋楦c a d 技术明显不能满足市场的这一新变化。在这种 情况下，本文提出了针对量脚定制鞋生产模式的个性化鞋楦c a d 系 统。 论文首先概括介绍了鞋楦c a d c a m 的国内外研究现状，总结出 现有鞋楦c a d c a m 系统的两种常用思路：( 1 ) 不使用鞋楦c a d 系统设 计鞋楦，直接使用现有或者刻楦师利用传统方法设计出来的样品楦， 利用鞋楦表面数字化仪将样品楦表面数字化，然后导入三维鞋样c a d 软件中进行鞋样设计及鞋楦数控加工。( 2 ) 在第一种思路的基础上加 上了具有鞋楦修改、楦头组合功能的鞋楦c a d c a m 系统的思路。和 第一种思路一样，也是以对样品楦的表面数字化为基础，但是和第 一种思路不同的是样品楦被数字化后不仅仅是直接被鞋样c a d 系统 使用，还可以通过其中的鞋楦c a d 进行鞋头组合或者是根据需要进 行参数修改。本课题在分析以上两种思路的基础上提出了第三种思 路，以期解决市场对个性化小批量定制鞋鞋楦的c a d 需求。 接下来，本文重点阐述了第三种思路的几个关键技术，首先是 脚型测量的关键尺寸的定义与鞋楦的设计原则与方法，这一内容重 点在第二章介绍。其次是鞋楦几何模型的表示，本课题采用基于点 的鞋楦几何模型表示，这一内容在第三章重点介绍。再次，是如何 将测量得到的脚型数据转换成合适的鞋楦模型，本文针对基于有楦 设计存在的不足，在其基础上提出了基于无楦设计方法，这一内容 将在第四章作重点介绍。最后，在第五章重点介绍了系统在a u t o c a d 平台下利用a u t ol i s p + d c l 实现的情况。 本文对量脚定制鞋的个性化鞋楦c a d 系统做了初步的研究，第 一次提出了通过c a d 平面作图的基于无楦方式的鞋楦c a d 方法。并 在系统中使用了基于点的鞋楦几何模型的表示方法。为鞋楦c a d 的 研究提供了新的思路。 关键词：鞋楦c a d ，鞋楦控制线，无楦设计，量脚定制鞋 p e r s o n a l i z e ds h o esl a s tc a dr es e a r c h a b s t r a c t s h o el a s ti sa ni m p o r t a n tm o l di nf o o t w e a ri n d u s t r y , a l lk i n d so f s t y l es h o e sr e l yo ni t ，t h es h o el a s t sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ys t a n d a r d s p l a y s av e r yi m p o r t a n tr o l ei nf o o t w e a r i n d u s t r y f a c e dw i t h t h e g r o w i n gc h a n g e a b l en e e d so ft h es h o e s ，t h et r a d i t i o n a lw o r k s h o pc a n n o tm e e tt h en e e d s t h e r e f o r ec a d c a mt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i n t ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fs h o el a s t ，u s i n ga d v a n c e dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , a n d i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y t ot r a n s f o r mt r a d i t i o n a l s h o e m a k i n gi n d u s t r yi st h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n i na d d i t i o n ， a st h ee c o n o m yh a sd e v e l o p e d ，t h et r a d i t i o n a lb u l km o d eo ff o r c e df o o t t os h o e si sl e s sw e l c o m ef r o mc u s t o m e r s ，r e p l a c e db yan e wt y p eo f c u s t o m i z e dp r o d u c t i o nm o d e lo fs h o ef i tt o f o o t ，t h et r a d i t i o n a lc a d t e c h n o l o g ym o d e lf o rm a s sp r o d u c t i o no fs h o e sl a s to b v i o u s l yc a nn o t m e e tt h en e wc h a n g e si nt h em a r k e t t nt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，t h i sp a p e r p r e s e n t sav i e wo ff o o tc u s t o ms h o e sp r o d u c t i o np a t t e r n sp e r s o n a l i z e d s h o e sl a s tc a d s y s t e m a tf i r s to u t l i n e ds h o e sl a s tc a d c a ms t a t u sa th o m ea n da b r o a d o nt h es t a t u s ，a n dc o n c l u d e dt w ou s u a li d e a so fc u r r e n tc a d c a m s y s t e m ：( 1 ) d o n tu s es h o e ：l a s tc a ds y s t e m ，m a k ead i r e c tu s eo ft h e e x i s t i n go n e so rs h o el a s ts a m p l e sw h i c ha r ed e s i g n e db ys h o el a s t c a r v i n gm a s t e ri nt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，u s i n gs u p e r f i c i a lf i g u r e so ft h e s h o el a s ts ot h a ts a m p l e ss u r f a c ew i l lb ed i g i t a l ，a n dt h e ni n t r o d u c e d i n t os h o e s3 dc a ds o f t w a r et od e s i g ns h o e s ( 2 ) a n o t h e ri d e ao nt h e b a s i so ft h ef i r s ti d e aw i t har e v i s e dc o m b i n a t i o no ft h es h o el a s tc a d s y s t e mo ft h i n k i n ga sa d d i t i o n a l l i k et h ef i r s to n e ，t a k ed i g i t a ls a m p l e ss u r f a c ea sb a s i s b u tt h et h i n k i n g i sd i f f e r e n t ，c a u s ea f t e rd i g i t a ls a m p l el a s tf i g u r e sw e r en o to n l yd i r e c t l y u s e db ys h o el a s tc a d s y s t e mb u ta l s oc a nm a k es h o eh e a dc o m b i n a t i o n i i i o ra d j u s tp a r a m e t e r si fn e e d e d ，t h i sw i l lg r e a t l yi m p r o v e dt h es h o el a s t d e s i g nc y c l e f u r t h e ra n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e s et w oi d e a sc a nn o tm e e t t h en e e d so fc u s t o m i z e dt of e e t t h e r ea r et w or e a s o n s ，f i r s t ，t h ed e s i g n a n d p r o d u c ec y c l eo fs h o el a s ts a m p l e si sv e r yl o n ga n da l s oh a sah i g h r e q u i r e m e n to ne x p e r i e n c ea n dp r o d u c t i o nc o s t s a sc u s t o ms h o e sa r e g e n e r a l l yi ns m a l lb a t c he v e no n l yap a i r , i ti so b v i o u s l yu n r e a l i s t i ct o w a s t i n gt i m ea n de f f o r tt od e s i g nas h o el a s ts a m p l ef o ro n l yo n ep a i ro f s h o e s i na d d i t i o n ，c u s t o m i z e ds h o e sh a v em o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s o ns u i t a b l ea n du n i q u e ，i ti so b v i o u st h a tt h e s et w oi d e a sc a nn o ts o l v e t h i sd e m a n d t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rb r o u g h tt h et h i r dw a yo nt h eb a s i so ft h et w o i d e a sa b o v e ，w i t hav i e wt or e s o l v i n gt h ep e r s o n a l i t yo ft h em a r k e t s m a l lm a s sc u s t o m i z a t i o nn e e d so fc a d n e x t ，t h i sp a p e rf o c u s e so n s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s f i r s ti st h ed e f i n i t i o no fk e ym e a s u r i n gf o o t s i z ea n dt h es h o el a s td e s i g np r i n c i p l e sa n dm e t h o d s ，t h i sw o u l db e i n t r o d u c e di nc h a p t e r2 t h i sw a sf o l l o w e db yt h eg e o m e t r i cm o d e lo f t h es h o el a s t ，t h eg e o m e t r i cm o d e lb a s e do nt h es h o e1 a s tp o i n t ，a n dt h a t t h ec o n t e n ti nt h et h i r dc h a p t e rf o c u s e so n a g a i n ，h o wt oc o n v e r tt h e m e a s u r e dd a t ai n t oa p p r o p r i a t es h o el a s tm o d e l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d n o l a s t - - b a s e dd e s i g nm e t h o d o l o g yc o n s i d e r i n gt h ei n a d e q u a t eo fs h o e l a s tb a s i sd e s i g n t h ec o n t e n tw i l lb ed e t a i l e di nc h a p t e r4 f i n a l l y , i n c h a p t e r5f o c u s e so nt h es y s t e mr e a l i z a t i o ni nu s eo fa u t o c a dp l a t f o r m w i t ht h eh e l po fa u t ol i s pa n dd c l i nt h i sp a p e r , w em a d eap r e l i m i n a r ys t u d yo nc u s t o m i z e ds h o e so f t h es h o el a s tc a ds y s t e m ，f o rt h ef i r s tt i m eb r o u g h ts h o el a s tc a d m e t h o db yc a dp l a n a rm a p p i n gw i t h o u ts h o e sl a s t a n dm a d eu s eo f g e o m e t r i cm o d e lb a s e do nt h ep o i n ti nt h es y s t e m ，m a d ean e ww a yf o r t h es t u d yo fs h o e1 a s tc a d k e yw o r d s ：l a s tc a d ，s u r f a c ef i t t i n g ，d e s i g nw i t h o u tl a s t ， s e c o n dd e s i g n 个性化鞋楦c a d 研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名师签名： 陕西科技大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章摘要】本章首先阐述了个性化鞋楦c a d 的背景及意义，分析了鞋楦c a d 的发展趋势，并对鞋楦c a d 技术的研究和应用现状进行了分析。针对国内鞋楦 c a d 技术的发展情况，提出了本文的主要研究内容。最后对现阶段鞋楦造型方 面存在的问题与不足进行了深入的分析，并针对问题提出了研究方向及思路， 给出了比较具体的解决方案。 1 1 个性化鞋楦c a d 研究课题的提出及意义 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、合脚性及个性化的需求日益增强，尤其是从事特定职业的人员( 如 运动员、舞蹈演员、军人等) 以及特殊脚型人群( 如超大脚、畸形脚等) 对个 性化鞋子的需求更加迫切。由于传统鞋类产品生产模式的原因，以往人们在选 购鞋子时，往往是迫使自己的双脚去适应已经成型的鞋子，很难根据自己双脚 的实际情况选购到非常合脚的鞋子( 除非到鞋厂定制，但是这样的价格是非常 昂贵的，一般的人根本无法承受) 。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，甚至走路的姿势都不同( 如有的人走路时抬脚 特别高，而有的人平拖着鞋走路) 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的个性化和人性化需求。从根本上讲，这是 客户日益增强的对产品的个性化需求与传统批量生产之间的矛盾。更进一步 讲，这一矛盾就是效率与成本与个性化需求之间的矛盾，想要满足个性化需求 就势必造成生产效率与制作成本的提高，想要降低成本提高效率就要牺牲个性 化。目前市场存在两种鞋靴生产模式，一种是批量流水线生产，一种是手工定 制生产。这两种生产模式就是为了解决矛盾的某一方面而产生的。同时都不能 很好的解决这一矛盾。计算机的介入使得这一问题的解决成为可能，本课题个 性化鞋楦c a d 研究就是为了解决这一问题而提出的。 另外，随着经济的发展，人民生活水平及审美观的提高，对穿着服饰的要 求也越来越高，少量多样已经成为人们在日常穿着打扮中的普遍要求。鞋子作 为穿着中不可缺少的一部分也将面对人们越来越挑剔的目光，因此可以预见， 个性化鞋楦c a d 研究 个性化定制是经济发展和人民生活水平提高的必然结果。这就对鞋设计提出了 进一步的要求，即要在尽可能短的时间内设计生产出一款合乎客户具体情况和 要求的鞋子，而传统的设计工具或2 d 的计算机辅助设计软件已经不能很好的 满足这样的设计要求。另外，在传统的制鞋c a d 系统中，对鞋楦的设计往往 是通过样品楦模型进行设计和制造。这种手段虽然能满足大规模鞋楦和皮鞋加 工的需要，但是一定程度上丧失了满足客户的各种特定需要的能力。其主要的 不足有一下两点：( 1 ) 多数系统采用有楦设计，即利用样品楦进行设计，这从楦 体外形上就不能满足客户特定的脚型需求；( 2 ) 目前的鞋楦c a d 系统尚不能对 鞋楦外形进行随心所欲的修改，大多数仅仅是对楦头进行样式的转换，这也不 能满足客户多样化的需要。 对于导入c a d c a m 而言，制鞋业有何经济效益，可从一下几点作分析： ( 1 ) 有效掌握鞋型设计，提升产品竞争力。由于能够通过3 d 造型设计及不同曲 面角度变化，加上可以修改色彩、材质的搭配，使鞋型设计更具竞争力。( 2 ) 增加纸板精密度，减少误差，降低成本。由于在样板工程中输入原形纸板及运 用各种系数，是纸板平展、级放更加准确。( 3 ) 缩短从设计到量产时间，快速反 应市场需求。由于整个作业从楦头设计、造型变化、纸板切割、材料应用、颜 色变化及材料成本核算都在同一套软件运行及转换，因此大幅缩短开发及量产 时间。( 4 ) 减少劳工依赖，提升生产力。由于全部在同一视窗内做设计、纸板工 程、用料设计及级放作业，除了取样师傅提供母版之外，或是在原楦设计鞋款， 大幅度降低人力依赖。( 5 ) 可大量存储设计只鞋样及制作之纸板，不受空间限制， 达成档案管理需求。由于透过工作站的运用使得各项资讯如楦头，纸板，级放， 用料，成本等数据得以归档并随时做修改变更。 如上所述，随着市场和客户需求的发展，鞋产品的定制尤其是鞋楦的定制 给制鞋c a d 系统包括鞋楦c a d 系统带来了新的课题和挑战，因此，如何从关 键工艺和技术入手，用先进的c a d c a m 技术改造我国传统的制鞋业，提高些 产品设计、生产质量、数量和速度，缩小产品的更新换代周期，从根本上满足 市场的要求和客户的要求，从而使我国制鞋业对内加快传统产业改造，适应我 内市场变化要求，对外参与国际竞争，增强产品的出口创汇能力等诸多方面都 具有十分重要的现实和战略意义。 1 2 本课题相关技术的国内外研究现状 对于鞋楦的c a d c a m 国内外的研究成果有很多。早在1 9 8 5 年3 月，在 2 陕西科技大学硕士学位论文 美国马萨诸塞州就召开了第一届国际制鞋业创技术研讨会。英国是最早将 c a d c a m 系统应用在制鞋业的国家，英国c l a r k s 公司有了c a d c a m 来辅 助鞋类生产的构想，后来欧洲在制鞋工人不足的情况下，再加上计算机的问世， 使得才c a d c a m 来辅助制鞋业开发成为事实。经过二十多年的研究发展，国 外已经形成了成熟的鞋业c a d c a m 系统，并应用于制鞋生产的各个流程，从 鞋楦的测量、设计、制造，到鞋帮样的设计、造型、装配，都有相应的产品， 实现了制鞋的自动化、高效化、标准化。比较成熟的产品有英国的c r i s p i n ， s h o e m a s t e r ，d e l c a m ，意大利的n e w l a s t ，奥地利的p r o c a m ，和加拿大的v o r u m 。 如今这些产品己经成为制鞋厂家不可或缺的生产设备了。不过这些产品应用的 侧重点不同，有的以3 d 鞋面设计和二维放样为主，如c r i s p i n ，p r o c a m 等， 有的以鞋楦的测量、三维设计和数控加工为主，如n e w l a s t 和v o r u m 。 加拿大的v o r u m 系统【h t t p ：w w w v o r u m t o m 】能够进行鞋楦或脚型的自动 测量、设计与制造及鞋的造型。该系统通过激光立体扫描，即对脚( 楦) 体的 全长、底宽、拓围、后跟曲线等脚( 楦) 体的轮廓线、基线的扫描，再经数据 传输，与系统数据库存储的参数进行对比修正，定制出被测量对象的楦型加工 参数，得到鞋楦c a d 模型，可以用于后续的造型与加工。整个过程，用了不 到分钟的时间，非常便捷。该测量系统还特别适用于鞋类造型、鞋楦设计与制! 造，以及鞋类专卖店对顾客的脚型测量，以便快捷地为顾客量“足 定鞋和选 定购鞋的尺码，对那些特型脚的顾客无疑更是一个福音。该系统为制鞋企业快 速开发流行新产品，掌握制胜先机提供了更加先进的装备和手段。 英国达尔康( d e l c a m ) 公司【h t t p ：w w w d e l c a m c o m 】，是集成系统的专业供 应商，在c a d c a m 三维系统研究上很有造诣，其产品在通用行业和专业行业 上都有普遍应用。该系统在鞋类行业上主要是鞋楦、鞋底三维c a d c a m 的应 用。该系统软件有以下主要特点中文w i n d o w s 平台，易于安装，储有任意造型 的花纹库等。在对鞋底形状设计时，可根据不同的鞋尖、鞋跟的组合设计出新 的鞋楦，再以该楦体的数据作为基本数据，配以系统任意造型的花纹库，可对 鞋底的底纹、徽标进行设计。而其自动放码并不是简单缩放，可以确保鞋底的 徽标或标志不被扩缩。该系统是开放的，并支持快速原样成型，因此设计出的 鞋底参数实用性强，花纹美观，徽标清晰。 英国的c r i s p i n 系统【h t t p ：w w w c r i s p i n d y n a m i c s c o m 是目前在市面上使用 最多的一套c a d c a m 系统，属于工作站级。其中以放版为中心。在3 d 方面 它是着重在鞋面上的设计，将来也会往楦头方面再发展。这是一套用于鞋楦、 底部和后跟的模具设计和制造的c a d c a m 系统。 个性化鞋楦c a d 研究 英国的s h o e m a s t c 系统f h t t p ：w w w s h o e m a s t e r g o u k 是英国c l a r k s 公司 的作品，其重心是在楦头，传统的制鞋流程将许多的时间花费在楦头制作与打 样上，并可在计算机上做楦型的修改，设计师也可以在计算机上预先看到打样 结果如有不同材质的设计，则提供了上色与材质套用的强大功能。的鞋样设计 可分为2 d 及3 d 。3 d 的鞋样设计在贴好美纹胶带的楦头或塑胶真空成型模上， 设计师划出心目中想要的造型线，再由点楦机输入，造型线将同时显示在电脑 屏幕上，输入完成后，设计师可以再在或上修改到满意为止。的鞋样设计就是 在半面版上设计，可以先利用已分好之内外腰的半面版做草图的构想，再利用 数位版输入造型线，同样地，输入之后设计师也可以再做设计修改。 意大利n e w l a s t 公司 h t t p ：w w w n e w l a s t c o r n 】己经实现了鞋楦测量、计算机 辅助设计与数控加工的一体化。在专用的鞋楦测量机上对样楦进行测量，获得 的样楦数据，可以直接驱动数控刻楦机实行靠模加工也可以直接通过鞋楦三维 设计系统，进行楦头、楦跟设计、放样操作，并通过数控编程，得到鞋楦数控 程序，控制数控刻楦机实现自动化加工。该公司开发了一整套完整的软硬件系 统，机器包括母楦制作n l m o d l f 、n l m o d l r f ，粗加工数控刻楦机n l s g i 、 n l s g 2 ，精加工数控刻楦机n l s f 4 、n l s f 6 等；软件产品包括e a s y l a s t 3 d c a d c a m 、e a s y c u t 2 dc a d c a m 、e a s y h e e l 3 dc a d c a m 等；测量设 备包括n l d g t 、n l d i g i s c a n 等。 在国内，从2 0 世纪8 0 年代开始，相关科研院所和鞋楦或鞋业厂家合作， 开始了鞋楦和鞋业技术的研究。比较有代表性的有： 中国轻工制鞋研究所和中国航空3 0 3 研究所申请并承担了“七五 国家重 点科技攻关专题一“c a d c a m 在鞋楦鞋帮设计加工中的应用一和“八五纾国 家重点科技攻关专题一“皮鞋c a d c a m 集成系统的开发与应用力。开发了脚 型测量和数据处理系统、鞋楦测量系统、鞋楦c a d c a m 系统、鞋楦数控系统、 鞋帮c a d c a m 系统等，但是由于当时计算机软件和硬件条件的限制及 c a d c a m 技术发展水平，上述系统未能达到使用的要求。 四川大学是较早开展鞋楦c a d c a m 及相关技术研究的单位之一，于1 9 8 9 年研制成功鞋楦三维面形广电自动测量系统，然后在此基础上开展了进一步的 研究。重庆大学广电工程学院重点研究了数控刻楦机和鞋楦数控加工技术，并 由传统刻楦机加以数控改造制成了数控刻楦机并研究了鞋楦的c a d c a m 技 术。上海交通大学机械与动力工程学院研究了基于极坐标的鞋楦数控编程技 术。浙江大学陈建良等提出了基于点的鞋楦建模方法并首次提出了鞋楦的点集 描述模型。浙江大学徐从富等人在鞋楦c a d c a m 研究的基础上提出了鞋楦个 4 陕西科技大学硕士学位论文 性化定制并设计出了基于脚型扫描的个性化鞋楦c a d 系统的设计与实现。总 结这些研究成果的思路不难看出，这些方法是建立在现有母楦的基础上的，所 以我将这一方法称之为“基于有楦方式下的鞋楦c a d 方法 简称为“有楦设 计方法。有楦设计方法是现有鞋楦cad 的常用方法，同时在我国制鞋业已 经得到了一定程度的应用，国内外都相继有基于有楦设计方法的软件产品出 现，如国内的“鞋博士 、台湾地区的c a n f i t - p l u sf o o tw a r e 系统等。然而 在实际应用中有楦设计方法还显示出很多不足之处，如必须建立数量和种类足 够大的母楦库，这些母楦必须是手工设计的，有时很难通过修改现有母楦达到 设计目的，设计出来的楦型跟不上市场变化等。 1 3 本课题的研究内容 制鞋工业在国内已经有很长的历史了，属于一种传统工业。最近，随着国 内经济及个性化定制需求的不端增长，量脚定制鞋这种生产模式已经在国内蓬 勃发展起来了。然而传统的鞋楦c a d 系统不能满足这种量脚定制鞋生产模式 的需要，所以本课题针对这种情况下提出了一种基于个体脚型测量的鞋楦c a d 系统。 通过上面对国内外研究现状的分析，现在制鞋业c a d 发展大概有一下两 种思路： ( 1 )不使用鞋楦c a d 系统设计鞋楦，直接使用现有或者刻楦师利用传统 方法设计出来的样品楦，利用鞋楦表面数字化仪将样品楦表面数字 化，然后导入三维鞋样c a d 软件中进行鞋样设计。思路表示如图： 鞋楦c a d c a m 系统 鞋样c a d 系匆 i 鞋楦表面数 帮样设计 样品楦 字化系统 鞋底设计 鞋款式设 排料设计 。i 酷旦蕾鲁 i 毛胚楦i - 7 l 数控刻楦机li 7 l 7 “”“。2 图1 - 1 鞋业c a d 系统第一种思路 f i g l 1f o o t w e a rc a ds y s t e mf i r s ti d e a s 5 个性化鞋楦c a d 研究 ( 2 )在第一种思路的基础上加上了具有鞋楦修改组合功能的鞋楦c a d 系统的思路。和第一种思路一样，也是以对样品楦的表面数字化为 基础，但是和第一种思路不同的是样品楦被数字化后不仅仅是直接 被鞋样c a d 系统使用，还可以通过其中的鞋楦c a d 进行鞋头组合 或者是根据需要进行参数修改，这样一来就大大提高了鞋楦的设计 周期。思路如图： 图1 - 2 鞋业c a d 系统第二种思路 f i 9 2 - 1f o o t w e a rc a ds y s t e ms e c o n di d e a s 以上两种思路都是针对原有大批量生产模式的，对于定制鞋的需求不能很 好的满足。原因有一下几点。首先，样品的楦的设计生产周期长，对经验的要 求高，且生产成本高。由于定制鞋一般都是小批量甚至只有一双，为一双鞋而 去费时费力设计一双样品楦显然不现实。另外，定制鞋对鞋楦的独特性和合脚 性要求更加严格，以上两种思路显然也不能解决这一需求。因此，本课题在以 上两种思路的基础上提出了第三种思路，以期解决市场对个性化小批量定制鞋 鞋楦的c a d 需求。 然而要设计出满足不同脚型需求的个性化鞋楦必须解决以下问题。首先， 必须有一套行之有效的脚型数据测量设备，没有准确的脚型数据就谈不上合脚 性、舒适性、个性化，所讨论的一切也就失去的意义。所以脚型数据的测量是 个性化鞋楦设计的基础。其次，必须设计出一套从脚型数据到个性化鞋楦之间 转换的方法。历来，从脚到楦都是鞋楦设计研究者的一大课题，要完成个性化 鞋楦c a d 系统就必须设计出一套在少量设计参与的情况下高效准确的完成从 脚到楦的转化模块。再次，就是鞋楦模型的几何表示问题，由于鞋楦表面是由 复杂的不规则曲面所组成的自由型闭合曲面体，曲面体处处不同，曲率变化很 6 陕西科技大学硕士学位论文 大，其外形轮廓不能由初等解析曲面组成，很难建立常规的几何模型。根据鞋 楦的这一特点，本课题决定采用基于点的几何模型。 综上所述，本课题的主要内容为，第二章脚型测量和鞋楦设计主要用来解 决脚型测量中的所需测量的脚型关键尺寸定义，以及如何使用测量所得的数据 设计出鞋楦的关键控制线的主俯视图。第三章主要针对鞋楦模型的几何表示即 基于点的鞋楦几何模型展开的。第四章主要用来解决从脚到楦的转换问题。第 五章是在a u t o c a d 平台下利用其二次开发功能实现系统。 7 个性化鞋楦c a d 研究 第二章脚型测量及鞋楦设计 【本章摘要】脚是鞋楦的基础，同样的脚型测量也是鞋楦设计的基础。这一点 在定制鞋楦设计中尤其特出。因为，量脚是定制的基础，没有脚型的测量定制 也就随之失去了意义。所以本章首先介绍了现在脚型测量中使比较广泛的非接 触测量系统，然后介绍了个性化鞋楦设计所需测量的脚型尺寸。继而介绍了鞋 楦设计涉及到的基础知识，并重点介绍了与本课题相关的鞋楦平面图纸设计方 法。 2 1 非接触测量系统 在计算机视觉、电子学、图像学、信息学等的影响下，三维非接触式测量 作为近年来逐渐兴起的一门测量技术正在受到越来越多的重视。作为人体测量 的一个重要组成部分，足部测量也正呈现出这种发展趋势。目前，市场上涌现 了多家足部非接触测量系统，这些非接触系统主要是利用定向光束和光电原理 以及电子扫描等先进技术对脚型进行测量。 传统的接触式测量方法有很多，最为简单的是专用量脚卡尺，它是根据脚 型规律研制的。另一种较为简单的接触式测量方式，是使用布基鞋用带尺、钢 卷尺、量高仪、划笔等工具，按拟定的方案进行的测量并采用人工记录的方法。 接触式测量方式的优点是投资少、操作步骤简单、灵活性强、方便携带、便于 短时间内在不同的测量地点进行测量，但效率低、劳动强度大、测量结果需要 手工记录、重复性差、对测量者的技术要求较高，且无法在短时间内进行快速 准确的大量测量。同时，这种测量方式难以得到某些不能直接获得的特殊尺寸 ( 如断面形态等) ，无法进行更深入的研究。 与传统的接触式测量方法相比，三维测量方法的特点是快速、准确、效率 高、数据存储和检索方便等。同时，能够将所测的数据直接运用于c a d c a m 系统，以实现人体测量和后续设计、研发及生产的一体化。 2 1 1 国内外非接触测量系统的现状 a 国内非接触测量系统 8 陕西科技大学硕士学位论文 国内的足部非接触测量系统大体上可以分为以下三类： ( 1 ) 轮廓光切法足部非接触测量系统 光切法( 1 i g h t s e c t i o n i n gm e t h o d ，l s m ) 是近十几年发展起来的一种视觉测 量法，该方法利用平面光对被测物体表面投影成像，以获得被测物体的外形轮 廓信息。该系统的测量原理为：激光线光源发出的光经过柱面镜后发散成平面 光，照射到被测物体，在被测物体表面产生一条明亮光明带，通过3 台 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机摄取后，可获得光带的图像，经计算机处理 即可获得光切面上的物体二维轮廓信息，移动被测物体或激光源柱面镜系统， 让光切面按一定间隔扫描物体表面，将一定间隔的二维截面轮廓组合起来，获 取被测物体的三维轮廓信息。 ( 2 ) 结构光图像法足部非接触测量系统 该系统的测量原理为：结构光图像法用线光源( 由激光器产生) 产生的光平 面，去照射被测物体，在被测物体表面产生一条明亮光带。通过3 台c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 摄像机及数字信号处理器，可获得光带的数字图像，该图像就 是结构光图像。若移动物体或光面，所得到的全部光带就提供了被测物体表面 的形状信息，经计算机处理，即得到该目标物体表面的全部三维轮廓。 ( 3 ) 激光法非接触测量系统 该系统的测量原理为：激光扫描，在三维坐标系中，根据测量精度的需要， 使用3 台c c d 摄像机，分别从3 个角度拍摄脚部，最终获取脚部三维图像。 由一个多边形镜头定位的一根直线可视激光束( 6 7 0 n m ，激光等级2 ) ，通过高频 ( 1 0 k h z ) 扫描来对物体表面进行扫描测量；应用三角定律，激光束在物体表面 经反射后由激光接受器接收，然后经计算获得物体表面的位置坐标。 b 国外的足部非接触测量系统 ( 1 ) v o r u m 足部非接触测量系统 该系统的测量原理为：采用4 个激光器发射激光，使用8 个摄像头从多个 角度拍摄脚部，最终获得脚部的三维图像。 ( 2 ) h u m a ns o l u t i o n 足部非接触测量系统 该系统的测量原理为：激光扫描，使用3 个可移动激光发生装置，按一定 的频率发射激光线，使用3 台c c d 摄像机分别拍摄脚部，最终获得脚部三维 图像。 ( 3 ) 法国克雷奥电子公司的脚型测量仪 该系统已在法国皮鞋店内使用，顾客只须将脚放入测量仪，这时上下4 个 激光二极管对脚型进行扫描，8 台摄像机从不同的方位进行拍摄，最终获得脚 个性化鞋楦c a d 研究 部三维数据。 2 1 2 目前足部非接触测量系统的应用 目前，足部非接触测量系统的应用研究主要集中在以下四个方面： ( 1 ) 研究脚型 在2 0 世纪7 0 年代，我国进行了一次大规模的脚型普查，并根据脚型普查 的结果，进行了脚型研究，即通过对大量的脚型测量资料的分析、统计、汇总 和计算，得出脚型各特征部位的规律以及各特征部位之间的相互关系。正确地 运用这些规律，对指导鞋楦设计、合理安排制鞋生产及商业销售，更好地满足 广大消费者日益增长的需求是十分重要的。目前，随着人民生活水平的不断提 高，脚型也在不断的变化，从前的脚型规律已不再具有很强的指导性，所以必 须统计出现代人的脚型规律。借助非接触测量系统，有可能在短期内快速、准 确的采集到相当数量的脚型，获得传统测量方式难以得到的断面形态等特殊项 目的数据，以便建立脚型数据库，最终深入翔实地分析总结脚型规律。 ( 2 ) 制定鞋号 鞋号是表示鞋子大小、肥瘦的一种标志。现行的中国鞋号是以脚长为基础 编码的，以1 0 毫米为一个号，5 毫米为半个号，每个鞋号就全国而论，有五个 肥瘦型，相隔型之间又分半型，( 一) 型为最瘦，( 五) 型为最肥。型与型间相 差7 毫米：半型差3 5 毫米。鞋号的制定与工业生产关系密切，目前我国使用 的鞋号主要是基于2 0 世纪7 0 年代进行的脚型测量制定的，已显示出与现代人 的足部形态不相适应的端倪。鞋号的制定是以脚型规律为基础的，通过使用足 部非接触测量系统大量的收集脚型，统计脚型规律，为修订和更改相关鞋号标 准提供依据。 ( 3 ) 研发定制的鞋楦和鞋 鞋楦是鞋的灵魂，鞋楦造型不但决定成鞋外观款式，同时也对成鞋舒适性 和合脚性有重要影响。一直以来，人仇穿鞋的主要目的是保护脚免受伤害，但 近年来的医学研究表明，引起人们各种脚部疾病的主要原因恰恰是穿鞋，是由 于穿着使用不合适的楦做出的鞋而造成的。于是一些研究将目光投向了足部非 接触测量系统，使用足部测量系统对人脚进行扫描，并根据扫描的脚型设计出 楦型，制作成鞋。这种定制的鞋同时也受到了顾客的欢迎，定制的鞋子会为顾 客提供了一些附加价值，从而使他们觉得自己与众不同，例如鞋子具有更高的 舒适性，更合脚及更能满足他们个人的偏好等。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 电子商务、虚拟展示 以互联网为基础进行商务贸易，已经成为未来商业往来不可逆转的发展趋 势，三维足部测量技术能够虚拟地再现人体足部的真实形态，便于企业展示商 品，与客户直接沟通。 2 2 本系统所需的脚型测量数据 人脚是一个复杂的不规则、不连续的曲面，现在的非接触式测量方法大部 分都能还原出来这个曲面，但是这对于鞋楦的设计意义不是很大。原因在于， 鞋楦虽然是人脚的模型，一人脚为基础，但是鞋楦和人脚还是存在很多明显的 差异，以至于不能简单的从人脚直接转换到鞋楦。所以，必须从人脚的三维模 型中得出对鞋楦造型起到作用的关键部位的尺寸，然后通过这些尺寸进行鞋楦 设计。这些尺寸将是接下来我们进行鞋楦设计的基础。 下面将具体阐述这些脚型关键部位的尺寸测量。 人脚的生理构造虽说是大同小异，但是脚型的尺寸却是千差万别。测量脚 型，应采取站立的姿态为最佳。因为站立状态的脚处于负重状态，脚的基本作 用是使人能站立和行走，穿鞋从根本上说来，也是为了更有效的有助于行走。 因此，静坐姿势的脚型不能完整地反映出脚的负重常态，所以一般不应采用静 坐的姿势来测量脚型。为了准确地掌握脚型，必须赤脚测量。 脚型测量部位，共分1 6 个测量点，其中6 个围长点，9 个高度点，1 个直 长度，外加1 个脚型轮廓线。 围长 1 跖趾围长( 简称跖围) ：以第一跖趾至第五跖趾关节的最突点为准，围 绕测量。 2 前跗骨围长( 简称跗围) ：以楔骨突点、第五跖骨粗隆和脚心凹处围绕 测量。 3 舟上弯点与后跟围长( 简称兜跟围长) ：以脚跟顶点经脚弯( 脚腕子) 处进行测量。 4 脚腕围长：以外踝骨突出点上头最细处进行围绕测量。 5 腿肚围长：以小腿腿肚的最突出点( 最粗处) 进行测量。 6 膝下围长：以腓骨上端最突点的下边缘进行围绕测量。 高度 7 膝下高度：自膝下围长部位至脚底的直线距离。 个性化鞋檀c a d 研究 8 腿肚高度：自腿肚围长部位至脚底的直线距离。 9 脚腕高度：自脚腕田长部位至脚底的直线距离。 1 0 外踝骨高度：自外踩骨突点的下边缘至脚底的直线距离。 l l 后跟突点高度：自脚跟突出点至脚底的直线距离。 1 2 舟上弯点高度：自脚弯( 距骨与胫骨交点) 至脚底的直线距离- 1 3 前跗骨最突点高度：自楔骨突点至脚底的直线距离。 1 4 第一跖趾突点高度：自第一跖趾关节最高处至脚底的最短距离。 1 5 拇趾高度：测量拇趾前端的最厚度。 直长度 1 6 脚长( 脚底直长) 自拇趾顶端至脚跟的最突点的直线距离见图2 1 ： _l 。 。l l 困2 - 1 人脚基本特征参数 f