（計算機軟件與理論專業(yè)論文）皮鞋的計算機輔助設計系統(tǒng)研究.pdf

皮鞋的計算機輔助設計系統(tǒng)研究 摘要 針對個體腳型特征，對個眭化鞋楦造型設計及皮鞋c a d 系統(tǒng)進行了的應用性基礎研究。 分析和討論了如何根據個體腳型設計和制造出符合個l 生化要求的鞋楦，提出r 個l 生化皮鞋 c a d 設計模式。主要研究內容和取得的成果有： 1 ) 分析了腳型規(guī)律與鞋楦設計的關系規(guī)則，選擇標定了六個關鍵洲立甩束描述個缽腳 型特征，利用三維非接觸激光掃描系統(tǒng)對在校大學生進行了腳部立體掃描，提取了腳型特 征數據，為實現(xiàn)個性化鞋楦及皮鞋設計提供了依據。 2 ) 利用三維非接觸激光掃描系統(tǒng)獲取鞋楦測量數據，引入逆向工程技術，分析了鞋楦 點云數據處理及特征線構建技術，提出了鞋楦3 d 自由曲面模型的快速重建方法，實現(xiàn)了鞋 楦設計的數字化。 3 ) 基于s o i i d w o r k s 平臺實現(xiàn)了鞋楦曲面模型的三維顯示和參數化幾何造型設計。根據 腳型特征數據與鞋楦參數之間的關系規(guī)則，提出了符合個體腳型的個l 生化鞋楦造型設計方 法。 4 ) 通過v i s u a lc + 十6 0 工具，運用d l l 技術、c o m 接口技術和d a o 數掘庫技術刈 s o i i d w o r k s 進行二次開發(fā)，編寫了皮鞋c a d 軟件功能模塊，建立了具有w i n d o w s 睡 形用p 界面風洛的皮鞋c a d 系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了鞋楦造型設計、鞋幫設計、鞋底造型設計和i 維款 式設計功能，以及三維效果顯示和交互式修改設計。 關鍵詞：腳型特征個l 壁北鞋楦皮鞋c a d 逆向工程曲面重建 瓤私腳僻委 機 ： 字 算 字 簽 計 簽 師 ： 生 教 科究 導 學 研 指 l e a t h e rs h o e sc a d s y s t e m r e s e a r c h d i s c i p l i n e ：c o m p u t e r s o t t w a r ea n d t h e o r y s t u d e n t s i 一：謝認徹 s r s i 一：j 沖汐 弓“優(yōu)。必紙 a b s t r a c t t ot h ei n d i v i d u a lf o o t - t y p ec h a r a c t 商s a c , t h ed j s s e r t a d o na d d r e s s e st h ei n d i v i d 刪l a s t s h a p e - d e s i g n i n ga n dl e a t h e rs h o e sc a ds y s t e m a c c o r d i n gt ot h ei n d i v i d u a lf o o t - t y p e ，h o wt o d e s i g n a n d p r o d u c e t h e l a s t w h i c h a c c o r d w i t h t h e i n d i v i d u a l i z e dr e q u e s t i sa n a l y z e d a n d d i s c u s s e d t h em o d eo f i n d i v i d u a l i z e dl e a t h e rs h o e sc a di sp u tf o r w a r d 1 km a i nc o n t r i b u t i o n sa r ef o l l o w s ： l 、1 1 1 er e l a t i o nr u l eo ft h ef o o t - t y p el a wa n dl a s td e s i g ni sa n a l y z e d f o rd e s c f i b m gt h e i n d i v i d u a lf o o t - t y p ec h a r a c t e f s f i c s i xp i e c e so fk e yp o s i t i o na l ec h o s e n n l e3 dn o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n tl a s e r9 c 鋤朗s y s t e mi su t i l i z e dt os c a nt h ef e e to f u n i v e r s i t ys t u d e n t s ，t h ef o o t - t y 】p c c h a r a c t e f i 面cd a f ah a v ed r a w n , w h i c ho f f e r sb a s i so nw h i c hr e a l i z ei n d i v i d u a l i z e dl a s ta n dl e a t h e r s h o e st od e s i g n 2 、t h e3 dn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tl a s e rs c a l l n e rs y s t e mi s 面1 i z e dt oo b t a i nt h el a s t m e a s u r e m e n td a t a , l e a d i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n gi n t o ，i ti sa n a l y z e dt h a tl a s tc l o u dd a t ap r o c e s s i n g a n d c i m r a c t e f i s t i c l i n es t m c t u r e t e c h n o l o g y n l e f a s tr e c o n s t r u c t i o n m e t h o d o f t h e l a s t 3 d f r e e - f r o m s u r f a c em o d e li sp r o p o s e d , w h i c hr e a l i z e sf l a ed i g i t i z a t i o no f t h el a s td e s i g n 3 ) o nt h e b a s i s o fs o l i d w o r k s p l a t f o n n , t h e 3 dd i s p l a ya n d p a r a m e t e rg e o m e t r y s h a p e - d e s i g n i n go ft h el a s tc u r v e ds u r f a l ：em o d e la r er e a l i z e d ，a c c o r d i n gt o t h er e l a f o nr i d e b e t w e e n t h e f o o t - t y p ec s t i c d a t a a n d l a s t p m - a m e t e r , t h e i n d i v i d t m l i z e d l a s t m o d e l i n g d e s i g n m e t h o d a c c o r d i n g w i t h t h e i n d i v i d u a l f o o t - g , p e i s p r o p a s e d 4 ) t b ed l l , c o m i m e r f a c ea n dd a od a t a b a s et e c h n o l o g i e s 螄a p p l i e dt oc a r r yo i lt h e s o l i d w o r k ss e c o n d a r y d e v e l o p m e n t m r o u g h v i s u a lc 橢0t 0 0 1 n l el e a t h e rs h o e sc a ds o f t w a r e f u r f i o nm o d u l e sa r ec o m p i l e d ；t h el e a 吐1 c rs h o e sc a ds y s t e mw i t hu s e r si n t e r f a c es t y l eo f w i n d o w s f i g u r e i ss e t u p 1 1 1 ed e s i g n f t m 血o mi nl a s t 酬e s i g n i n g ，d e s i g n o f u p p e ro f l a s t , s o l e s h a p e - d e s i g n i n g a n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls t y l ea l er e a l i z e db a s i c a l l y , a sw e l la s 山e3 dr e s u l td i s p l a y a n di n t e r a c t i v er e v i s e d d e s i g n k e yw o r d s ：f o o t - t y p ec h a r a c t e r i s t i c ；i n d i v i d u a l i z e d ；s h o el a s t ；l e a t h e r s h o e sc a d ； r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n l 緒論 1 1 前言 1 緒論 計算機輔助設計( c a d ) 可定義為用計算機系統(tǒng)來輔助一個設計工作的產生、修改、分析 或優(yōu)化。計算機輔助制造( c a m ) 可定義為通過對工廠生產資源的直接或j 剛接的計算機接口聯(lián) 系，以達到用計算機系統(tǒng)對制造廠的作業(yè)進行設計、管理和控制。 c m c a m 技術具有高智力、知識密集、更新速度陜、綜合i 生強、效益高、初始投入大 等特點。它是當前國際e 科技領域的前沿課題，也是世界各國競相大量投資的高技術 集成化制造系統(tǒng)( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，簡稱c i m s ) 的核心技術基 礎之一。 在發(fā)達國家中，c a d c a m 技術己進入普及階段，商品化軟件已趨于成熟，應用普及 因而使產品的設計制造和組織生成的傳統(tǒng)模式產生了深刻變革。它改變了工程技術人員的 工作方式，縮短了產品研制周期，顯著改善了產品質量，提高了開發(fā)新產品的成功率，打 破了傳統(tǒng)上的職業(yè)界限，它使密集陛的勞動行業(yè)逐步被密集生的中心工廠所代替，小批量 產品生產能以大批量生產效率處理。目前，c a d c a m 技術在美、英、同、兩歐諸圍已經形 成了一個推動各行各業(yè)技術進步的、能夠創(chuàng)造大量財富的、具有相當規(guī)模的新興產業(yè)部門 軟件產業(yè)。 c a d c a m 技術的重要性在于它推動了幾乎切領域的設計革命，c a d c m 技術的發(fā)展和 應用水平已成為衡量一個國家的科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之，。c a d c a m 技術從根本上改變了過去的手工繪圖、發(fā)圖、拼圖紙，組織整個生成過程的技術管理方式， 將它變?yōu)樵趫D形工作站上交互設計、用數據文件發(fā)送產品定義、在統(tǒng)一的數字化產品模型 下進行產品的設計打樣、分析計算、工藝計劃、工藝裝備設計、數控加工、質量控制、編 印產品維護手冊、組織備件訂貨供應等等。在當今這個高效率、高效益、高技術競爭的時 代，要想適應瞬息萬變的市場需求，促使產品更新?lián)Q代，就必須采用c a d c a m 技術。 1 2 c a d c n 技術在皮鞋制造業(yè)中的應用 皮鞋是人們日常生活必須品，它既是滿足生理及運動需要的功能性實體，也是服飾美 的必要組成部分，對于保證人體健康和增迸美感有重要的意義。 從運動及生理的角度分析，皮鞋要能夠保證腳部健康。首先必須要“合腳”，也就是穿 起來舒眼，無夾腳、擠腳、頂腳、壓腳、拖跟等現(xiàn)象，靜態(tài)時無不適感覺。其次是運動生 理需要，要求皮鞋在行走中能夠滿足 、體運動生理的需要，無短時行走疲勞感覺與其他不 良感覺。此外，皮鞋還要求有良好的透氣性、保溫性或散熱性等等。 從服飾整體美感來講，皮鞋又是美的載體，體現(xiàn)著文化素養(yǎng)、審美觀念和經濟實力水 平。一方面，不同款式和檔次的服裝配以相應的皮鞋才會在整體上產生協(xié)調的美。另一方 面，皮鞋本身也具有統(tǒng)一的美感，比如頭勢尖、狹型的皮鞋，其后跟跟型宜細且彎，而頭 醒安工業(yè)學院碩士學位論文 勢方、圓的，其跟型宜粗且直。 隨著人民生活水平的提高，皮鞋的需求量越來越大，對皮鞋的要求也越來越高，人們 已經不滿足于簡單的穿著需要，對舒適性、運動功能| 生和款式的要求在不斷提高，皮鞋的 分類越來越細，款式變化越來越快。相應地，能夠快速設計與生產既滿足舒適| 牛與運動功 能的需要，又滿足變化的審美要求的新款皮鞋，從而獲得良好的經濟效益已經成為設計者 與生產者所希望達到的目標“1 。緊隨c 馴c a m 技術的發(fā)展，借助于計算機技術，將傳統(tǒng)的 制鞋經驗、方法和工藝構成專家系統(tǒng)，應用在幫樣設計、楦型設計、鞋底設計等環(huán)節(jié)卜， 已使傳統(tǒng)的皮鞋制造業(yè)發(fā)生了深刻的變化”。 1 2 1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外的研究與應用比較成熟，自1 9 7 6 年歐美第套制鞋c a d 系統(tǒng)問世以來，到1 9 8 1 年發(fā)展到三家鞋廠采用，而到1 9 8 6 年竟達五十多家采用c a d 系統(tǒng)，其普及率達4 0 ，到2 0 0 0 年普及率幾乎已達到1 0 0 。使用較為普遍的國外的c a d c a m 系統(tǒng)有”1 ： 1 ) 英國的c r i s p i n 及s h o e m a s t e r 系統(tǒng)。 2 ) 美國的m i c r o d y n a m i c s 系統(tǒng)。 3 ) 奧地利的p r oc a m 公司的2 d 3 d 系統(tǒng)。 限于篇幅及廠商提供的資料所限，就目前運用較多的兩個系統(tǒng)作介紹： a o ris p n 系統(tǒng)是蝕仕恩公司目前在市面上使用最多的一套c a d c a m 系統(tǒng)，這是一 套用于鞋楦、底部和后跟的模具設計和制造的c a d c a m 計算機輔助系統(tǒng)。它山九個工作站 組成，其中以放樣為中心，在三維方面著重于鞋面上的設計，楦頭設計方面f 在繼續(xù)發(fā)展。 c r i s p i n 系統(tǒng)數據由平面二維數位板輸入或由三維的s h o ed e s i g n 輸入，然后p a t t e r n e n g i n e e r i n g 可以進行鞋面設計、紙版分片設計、技術繪圖、運動鞋大底設計，以及鞋面 和大底的級放。相關構造線功能使設計的修改十分簡單、迅速，并可從屏幕上看到實際的 效果。級放功能的靈活l 生使簡單的級放可以有效的完成，最復雜的群組級放及混合級放也 非常容易執(zhí)行，所有級放可以在完成以后再重復檢查。而相關的數據可以輸出到其它 c r i s p i n 產品，送到繪圖機繪圖。 b s h o e m a s t e r 系統(tǒng)垣森行所代理的s h o e m a s t e r 系統(tǒng)，是由英國的克拉克公司開發(fā) 的。s h o e m a s t e r 系統(tǒng)的螢心是在楦頭，傳統(tǒng)的制鞋流程將許多的時間花費在楦頭制作弓打 樣上，面對今日少量多樣的流行市場，如能在開發(fā)過程中利用s h o e m a s t e r 的功能輔助開發(fā) 工作，則可提早在計算機e 看到楦頭各種角度所呈現(xiàn)的形狀，并可在計算機上做楦形的修 改，設計師也可以在計算機匕預先看到打樣結果；如有不同材質的設計，s h o e m a s t e r 則提 供了著色與材質配合使用的強大功能。 s h o e m a s t e r 的鞋樣設計可分為二維及三維。三維的鞋樣設計在貼好美紋膠帶的楦頭或 塑料真空成型模上，設計師劃出心目中想要的造型線，再由點楦機輸入，造型線將同時顯 示在計算機屏幕上，輸入完成后，設計師可以再在三維或二維上修改，直到滿意為止。二 維的鞋樣設計就是在半面版上設計，可以先利用已分好的內外腰的半面版做草圖的構想， 再利用數字版輸入造型線，同樣，輸入之后設計師也可以再做設計修改。 1 22 國內發(fā)展現(xiàn)狀 國內計算機輔助鞋樣設計系統(tǒng)的研究始于上世紀8 0 年代中期，當時比較著名的單位 2 西安1 ：業(yè)學院碩士學位論文 有，原輕工部制鞋科學研究所、重慶大學光機所、四川電子科技大學、上海皮朝i 開究所等。 其中，重慶大學1 9 9 0 年研究出的c s c i i 系統(tǒng)水平較高。該軟件首次在u n i x 系統(tǒng)上實現(xiàn)了 基本的三維鞋幫造型設計功能，其曲面擬合、分割、真實感渲染算法都是白行研制完成的， 開創(chuàng)了國內高端鞋業(yè)c a d 應用系統(tǒng)研發(fā)先河，有很高學術研究價值。 1 9 9 4 年原輕工部制鞋研究所推出首套基于w i n d o w s 平臺的制鞋c a d 系統(tǒng)，但沒有得到 大面積推廣。同年，溫州經偉公司推出基于d o s 平臺的商用制鞋c a d 系統(tǒng)。1 9 9 6 年，北京 奧斯曼軟件公司在原鞋所系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)出基于w i n d o w s 平臺的商業(yè)鞋樣c a d 系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要采用高精度掃描儀作為輸入設備，相比采用數字化儀的輸入方式，樣片輸入精 度有了大幅提高。1 9 9 8 年，奧斯曼公司推出n - 僻i r 4c a d 系統(tǒng)，該系統(tǒng)一經推出，就贏 得了國內眾多鞋企和鞋業(yè)學校的積極響應。 隨后，國內很多高校和科研單位也開始研究把c a d c a m 引入制鞋業(yè)”。四ii 大學光電 系研制的“l(fā) m a 1 0 0 鞋楦三維面形自動測量系統(tǒng)”，可以獲得高精度的楦體三維數據，在 此基礎上又于1 9 9 9 年開發(fā)完成了基于w i n d o w s 9 5 平臺的幫樣輔助設計軟什，軟件的第版 已在實際中得到使用，并得到了一部分用戶的認同。成都科技大學研制的“鞋樣c a d 系統(tǒng)” 用手工測量的方法獲取鞋楦特征部位的三維數據，用雙三次b 樣條曲面擬合逼近算法構造 鞋楦表面，然后進行展平、曲蹺處理。輕工業(yè)部研究所研制的“皮鞋c a d c a m 系統(tǒng)”解決 了用測楦數據控帶 i n 楦機的功能。重慶皮鞋工業(yè)科研所與重慶大學光電信息系、輕工部制 鞋研究所相繼研制的出三維s c a d - - 1 0 0 鞋幫c a d 系統(tǒng)，在技術上實現(xiàn)了鞋幫三維曲面展甲 處理和采用無接觸方式對鞋楦進行測量等功能。 步入2 l 世紀后，國內制鞋軟件行業(yè)得到了進一步的發(fā)展，制鞋c a d 軟件也深入到高端 的鞋樣2 d 3 d 設計、鞋底、鞋楦設計，優(yōu)化排料等領域。北京奧斯曼公司引進美國最新的 三維設計平臺，從底層開始研發(fā)。至今，已成功地開發(fā)出鞋楦展平、鞋幫取蹺處理、平面 參數化設計、鞋幫三維造型設計；鞋底、鞋楦參數化設計；優(yōu)化排料算料等核一c 模塊，并 f 在進一步開發(fā)商業(yè)級應用系統(tǒng)。新系統(tǒng)利用了國際上新的曲面造型技術，并融合了獨到 的計算機取蹺處理算法，軟件的綜合眭能，完全可與國外先進系統(tǒng)媲美，在軟件的易用性 方面也將有大幅提升“。中國皮革和制鞋工業(yè)研究院所研制的鞋幫、鞋楦c a d c a m 系統(tǒng)， 較好地實現(xiàn)了鞋幫平面設計放碼、鞋幫三維設計和鞋楦三維設計主要功能“。浙江人學 c a d & c g 國家重點實驗室研制的s h o ec a d c a ms y s t e m - p o w e r s h o e 系統(tǒng)，使用d g p ( d i g i t a l g e o m e t r yp r o c e s s i n g ，數字幾何處理) 和c a g d 的新技術，開發(fā)了一套皮鞋c a d c a m 系統(tǒng) 并且解決了鞋楦的測量與展開，以及交互式的設計等幾個關鍵問題，能有效地利用現(xiàn)有的 設備生產皮鞋“。 綜合上述文獻資料可知，皮鞋制造業(yè)正面向設計無紙化、數據科學化和生產數字化方 向發(fā)展。 a 設計無紙化計算機能夠逼真地以1 ：1 的比例顯示皮鞋設計效果圖和鞋楦的效果 圖，生成楦體圖、效果圖、幫樣展平圖等以及修改設計、動態(tài)觀察等工作都叮在計算機卜 完成并實現(xiàn)基于計算機網絡的數據傳遞，這將使設計者無須繪制圖紙、制作實體模型或洋 品就能完成設計的全過程，實現(xiàn)設計無紙化。 b 數據科學化以鞋楦測量結果作為鞋楦造型的幾何描述數據，以解剖學、運動牛理 學、人機工程學等學科的理論分析與實測數據作為皮鞋設計的數據庫、專家?guī)旎A，使繹 驗規(guī)律和測試結果量化，再進一步結合材料、有限元、計算機圖形學等相關學科的技術， 3 西安工業(yè)學院碩士學位論文 在計算機上實現(xiàn)靜態(tài)與運動仿真模擬，使所設計的每種皮鞋都符合生理、運動等方面的 要求并具有設計者理想中的美感，真e 從經驗設計轉變到以大量科學合理的數據和分析方 法為基礎的優(yōu)化設計，實現(xiàn)數據的量化存儲與傳遞。 c 生產數字化建立鞋楦幾何體的數學模型就可以相應地得到曲面上的點和其他信 息，將這些信息傳遞給后置數控編程等模塊，可以進行干涉校驗、生產規(guī)劃并編制出相應 的數控加工程序，從而實現(xiàn)鞋楦加工、幫樣展平剪裁數字化。 1 3 課題的提出和意義 隨著社會現(xiàn)代化程度和物質生活水平的不斷提高，人們對自己所穿的皮鞋的舒適陛利 個| 生化的需求霸益增強，而現(xiàn)有的皮鞋c a d c a m 系統(tǒng)在設計和制造中存在以下兩點需要解 決及完善的問題： 1 ) 對于某個體，工廠流水線生產的皮鞋不一定適合他的腳型。 2 ) 長期穿不符合個體腳型生理特點的皮鞋會影響腳骨的發(fā)育。 存在的困難是： 1 ) 皮鞋設計是以鞋楦( 母喲為依據，皮鞋造型、定型依賴于楦模的形體；而鞋楦的造 型是按人群的腳型規(guī)律和動、靜態(tài)時的生理需求美化設計的，所以各種類型皮鞋的鞋楦不 會是一種款式規(guī)概而且不同國家和不同地區(qū)的鞋楦要按各國和各地區(qū)人群的腳型規(guī)律、流 行和習俗來設計，因此，基于母楦設計的皮鞋不一定適合某個個體的腳型，是必然存在的。 2 ) 腳型是制作楦型的依據，但腳型并不等于楦型。鞋楦的造型是根據腳刊的特點、尺 度及 、們對鞋的使用需要結合審美因素設計加工而成的，是對腳型的抽象和升華，而日鞋楦 是自由曲面體，傳統(tǒng)的解決方法是采用手工定做，但不適合現(xiàn)代化生產制造要求。 國外在這方面的研究與應用比較成熟，如近年由法國克雷奧公司推出的“定做皮鞋系 統(tǒng)”，從在商店里進行腳型測量開始到工廠定做出一雙皮鞋需要三天的時間“。 在國內，從文獻資料看，僅有浙江大學c a d c g 國家重點實驗室等聯(lián)合共同開發(fā)的“基 于人腳動力學原理的個性化皮鞋c a d 軟件系統(tǒng)”，利用普通三維掃描儀獲取的人腳點云數 據，計算出腳長、跖圍、跗圍等重要參數，并重建出個l 蚍的人腳三維模型；然后根據人 腳數據對鞋楦進行微調，并生成符合特定人腳數據的個性化鞋楦模型“。但是該系統(tǒng)需采 集5 0 左右個人腳點參數作為人腳建模的約束性條件，工作量和難度較大：而且沒有鞋楦 數字化模型創(chuàng)建過程的描述。 正是由于上述原因，為了適應人們不斷增長的物質需求，本課題提出了基于個體腳型 的個l 生化皮鞋c a d 系統(tǒng)的應用性基礎研究。 本課題研究的意義在于使過去只有經驗豐富的老鞋匠才能手工定做出的皮鞋，如今借 助現(xiàn)代先進的計算機技術和制造方法同樣也可以方便決速地制作出來，并更能適合社會的 現(xiàn)代化發(fā)展，使更多的人可以穿上符合自己生理特點的皮鞋，滿足人們對皮鞋的舒遣| 生和 個性化需求。 1 4 課題的研究內容和結構安排 個性化皮鞋設計中最核心的問題是，如何根據個體腳型設計和制造出符合個| 生化要求 4 曲安工業(yè)學院碩士學位論文 的鞋檀。因為鞋楦是制鞋工藝中皮鞋款式的基準，是制鞋的基礎。只有在鞋楦滿足個肚化 需求的前提下，才有可能設計和生產出對某個體而言是最合腳、最舒適的皮鞋“。 通過三維測量系統(tǒng)一方面獲取個體腳型的特征數據，一方面輸入盡可能豐富的參考母 楦，并把這些母楦參數化，則可按個體腳型的特征數據從楦型庫中搜索相似的母楦，提取 出其特征線、面等進行重新構型，或調整母楦參數，就能實現(xiàn)個勝化的鞋楦造型設計，以 及個性化皮鞋設計。 鑒于此，本課題將利用先進的c a d 技術、計算機輔助測量技術和逆向工程技術進行以 下方面地研究： 1 ) 根據腳型規(guī)律，提出個體腳型特征部位的標定方法及選擇依據，利用j 維非接觸墩 光掃描儀對在校大學生進行腳部立體掃描，獲取用來描述個體腳型的特征數據，為個陸化 鞋楦設計提供數據依據。 2 ) 根據課題睜點，按照逆向工程的要求，提出鞋楦點云數據處理及特征線構建技術和 方法，實現(xiàn)鞋楦3 d 自由曲面模型的快速重建，為鞋楦造型設計提供豐富的參考母楦。 3 ) 根據鞋楦自由曲面體特點，以v i s u a lc + + 6 0 為開發(fā)工具，基于s o l i d w o t k s 平臺進 行面向個體的鞋楦實體參數化設計，實現(xiàn)鞋楦曲面體三維顯示和參數化幾何造型設計。 4 ) 根據個體腳型特征數據對母楦曲面模型進行造型設計，提出符合個體腳型的個眭化 鞋楦設計方法，實現(xiàn)個l 生化皮鞋c a d 系統(tǒng)。 論文的整體框架如圖1 1 所示。 第一章緒論 第二章皮鞋設計基礎 第三章計算機輔助腳型測量 第五章s o li d w o r k s 一次開發(fā)技術 第四章鞋楦3 d 曲面模型逆向構建和毆計 第六章皮鞋c a d 系統(tǒng)設計與功能實現(xiàn) 第七章結論與展望 圖1 i 論文框架圖 5 2 皮鞋設計基礎 2 皮鞋設計基礎 設計是一門將人類物質文明與精神文明融合中和的應用學科，它不僅要求設計師有較 高的視覺敏感度和扎實的形象表達技能，眼手協(xié)調，還要通曉設計規(guī)則，而且還要求設計 師能對技術和藝術做出思考和研究，要能廣泛地將自然科學和社會科學的知識加以應用， 不斷創(chuàng)新“”。所以，本章將在皮鞋設計基礎上分析和討論皮鞋的設計理論和方法。 2 1 皮鞋設計及一般步驟 2 1 1 皮鞋與設計 皮鞋設計是以皮鞋為對象，考慮其各種機能、選擇素材、運用一定技法來完成一雙或 一一系列皮鞋的形體，使設想實物化的創(chuàng)造陛行為。皮鞋設計是皮鞋機能、素材、技法i 者 的統(tǒng)一體，見圖2 1 。 圖2 1 皮鞋設計的三內涵的具體內容 21 2 皮鞋設計的一般步驟 皮鞋設計的內容可分為三部分：一是造型設計，主要由鞋楦和跟型設計來完成：是 結構設計，包括鞋幫結構設計和鞋底結構設計，有平面設計法和復樣設計法；三是工藝設 計，是要針對產品質量設計出加工的流程。鞋體外形是由鞋楦的造型決定的，有了鞋楦， 才能著手結構設計，進行幫樣設計、鞋面設計、內底設計、外底設計、主跟和包頭設計。 皮鞋造型設計不是進行簡單的模仿或修改，應該是設計師創(chuàng)造眭思維在皮鞋造型上的 體現(xiàn)，這樣一來，就要求皮鞋的造型設計要按照一定的設計程序去完成，皮鞋設計的程序 大致包括三部分：構思、設計和修改，而這種皮鞋設計程序的細分便形成皮鞋設計相芋的 相應步驟。一般認為，皮鞋設計程序相應的設計步驟如圖2 2 2 4 n 。 6 聽安工業(yè)學院碩十學位論文 圖22 構思程序的相應步驟 圖2 3 皮鞋設計的三內涵的具體內容 2 2 腳型與鞋楦 圖2 4 修改程序的相應步驟 皮鞋設計是以鞋楦為依據，皮鞋造型、定型則依賴于楦模的形體；而鞋楦的造型設計 是按人的腳型規(guī)律和動、靜態(tài)時的生理需求美化設計的，所以各種類型皮鞋的鞋楦f 罐；是 種款式規(guī)格。不同國家和不同地區(qū)的鞋楦要按各國和各地區(qū)人的腳型規(guī)律、流行鄱習俗 來設計，即所謂不能“削足適履”，因此各國各地區(qū)的鞋楦形體規(guī)格也有所區(qū)別。作為設計 人員必須了解腳型規(guī)律和楦型的有關知識，才能設計出結構合理，穿著舒適，造型美觀的 皮鞋。 2 2 1 鞋楦的基本結構及術語 鞋楦是 、腳的模型，是一個空間自由曲面體，為了表達出鞋楦的空白j 結構，一般有兩 組數據：一組為沿鞋楦底樣長度尺寸，稱為號；另組為沿底樣長縱剖面面積或周長( 圍度) ， 表示鞋楦的肥瘦，稱為型“枷。沿鞋楦底樣長度方向的關鍵點和主要尺寸如圖2 5 所示。 沿鞋楦全長縱剖的三個圍度，如圖2 6 所示。 7 西安工業(yè)學院碩士學位論文 a 一楦底前端：b 一腳趾端點：c 一前掌著地點；d 一楦底后端點；e 一后2 r 突點：f 一統(tǒng)口i | 亓小 g 一統(tǒng)口前點；l 1 一楦斜長；l 2 一楦底樣長；l 3 一楦底長；l 4 一楦全長：b 一棺頭厚： h 3 一后身高；h 2 一后蹺高；h l 一前蹺高；g f 一楦統(tǒng)口長；h i 一楦統(tǒng)口寬 圖2 5 鞋楦尺寸測量示意圖 l 5 - - 楦跖圍；l 6 一檀跗圍；l 7 一楦兜跟圍 圖26 鞋楦圍度的垂直距離 2 2 2 腳型與楦型的關系 腳型是制作植型的依據，但腳型并不等于楦型。鞋楦的造型是根據腳型的特點、尺度 及人們對鞋的使用需要結合審美因素設計加工而成的，是對腳型的抽象和升華。兇此，我 們必須了解腳型與楦型的關系，下面根據腳的幾個主要部位分述腳型與楦型之間的關系。 a 腳長與楦長腳長是制訂鞋號的基礎，也是設計鞋楦底長的依據，但是無論哪種 結構和式樣的鞋楦，它的底長都必須大于腳長。這是因為： 第一，腳的長度往往受氣候、季節(jié)和從事勞動強度的不同而有所變化。同一雙腳，如 在冬季測量時的長度為2 4 8 t m ，而在夏季測量時可增加到2 5 2 n t n 左右。當人們在從事重體 力勞動或長時間行走時，足弓韌帶會被拉長，引起足縱弓下塌，因此也會引起腳長的變化。 第二，人在行走時，腳在鞋內必須要有一定的活動余地，因為人在行走時，腳在鞋內 彎曲伸長，當抬起腳跟起步時，前掌就彎曲成弧形，鞋底處外弧，腳處內弧。這一移動范 8 西安i 業(yè)學院碩士學位論文 圍般為5 m m 1 0 柵。 第三，為了鞋樣變化的需要，鞋的頭部往往要有一定的加放長度。一般表現(xiàn)為：鞋的 頭尖越狹瘦或越扁，楦的底長比腳的長度增加量就越大，反之，它的增長量就相應減少。 因此，鞋楦底長與腳長的關系為( 見圖2 7 ) ： 楦底長= 腳長+ 放余量一后容差( 2 1 ) l 一植底樣長；2 一后容差；3 一放余每；4 一腳長；5 一植底& 圖2 7 腳長與楦長的關系圖 可見，我們在確定鞋楦的底長時，為了保證腳趾在鞋內有足夠的活動空間，【捌而應加 一定的放余量。鞋楦的后跟應有適當地凸度( 后容差) 與腳后跟部的弧度相適應，這樣i 使 鞋能包跟，使人行動時合腳，避免出現(xiàn)拖跟、塌跟和坐跟等毛病。一般皮鞋楦的后容差約 為圍長的2 。 b 腳圍長與楦圍長的關系圍長是肥瘦的依據，鞋楦的肥瘦依據是按腳的圍長而定 的，一般規(guī)律是腳的圍長不等于楦的圍長。確定鞋楦的肥瘦，主要根據腳的跖圍和跗圍兩 大部位來定。 ( 1 ) 跖圍腳跖圍是走路時發(fā)生彎曲的關鍵部位，如果楦跖圍尺寸不當，不儀穿著不 舒服，影響身體健康，而且對鞋的跖圍部位帶來早期破損，楦跖圍確定的依據，除了肚晰 圍之外，還與鞋樣有關。如：素頭、三接頭式鞋的楦跖圍需比腳跖圍小3 5 m m ，這樣鞋的跖 圍部位卡住跖關節(jié)，維護腳趾不至前沖頂痛。 ( 2 ) 跗圍跗圍指腳心、腳背的圍長。倘若鞋楦跗圍太小，成鞋會擠壓腳背：太大， 成鞋后不跟腳，行走時容易脫落。跗圍在腳型規(guī)律中一般比跖圍大l m 。可是制楦0 ；能按 此比例做，楦跗圍大小不論什么式樣都必須大于腳跗圍，一般可大2 一6 m 。 對于兜圍，一般規(guī)律為楦兜圍須大于腳兜圍，便于活動和穿脫。 c 腳型寬度與楦型寬度的關系鞋楦的寬度不等于人腳的寬度，如圖2 8 所示。 寬度，是指鞋楦底樣各部位的寬度，楦底樣寬度以腳的寬度為依據，腳的寬度有兩個， 即輪廓寬和腳印寬。其次，這兩個寬都不能作真正的楦底樣寬。腳印寬是勝憾掌最高點部 分的著地輪廓范圍，而尚未到邊，當然也不能作楦底樣寬。經驗證明，除了前后兩端( 后容 差、放余量) 需要縮放之外，其余部位均需取其輪廓寬和腳印寬之間的1 2 點為底樣寬。與 人腳寬度的關系是楦底盤各部位寬度必須在腳印與輪廓線之間，各邊距的數值應根據造型 9 西安工業(yè)學院碩士學位論文 圖2 8 鞋楦寬度與人腳寬度的關系 設計的諸因素取最佳值確定基本寬度。寬度過窄，成鞋夾腳，過寬則“太曠”日不經濟。 經驗證明，除了前后兩端( 后容差、放余量) 需要縮放之外，其余部位均需取其輪廓寬和腳 印寬之間的1 2 點為底樣寬。 腳型硬窩里段肉體呈拱形向上過渡，而腳底面很窄，外踝面的活動量較小。該部位曲 線圓滑，曲面猶如半個球面的一半。 腳踵心寬度略小于楦踵心寬度以確保人在直立和勞動時受負荷變形的容量。 d 鞋揎的前翹一頭向上f 印起，叫做翹。腳趾前端邊緣同樣屬弧形，且偏j 印。這是 鞋楦需有前翹的因素之一。同時，在人腳不負重懸空的狀態(tài)下，整個腳趾自然向上仰起。 這一翹度與腳底平面成一角度為自然翹度，據觀測約為1 5 度，這是確定鞋楦6 u 翹的豐要依 據。除自然翹之外，還有前學凸度，后跟高度與楦前翹亦密切相關。般皮鞋楦的前翹高 度，男楦為1 8 m 2 帆n ，女楦為1 5 m 1 8 呦較為適宜。 2 3 鞋楦的部位點標定 楦體是由三部分組成的：相對于腳彎或腳腕部位，鞋楦橫向截面是扁長形的，叫做鞋 楦的統(tǒng)口；相對于腳面、腳背和腳后跟的側面部位，形似腳罩的整個曲面，叫做鞋楦的楦 面；相對于腳底板的鞋楦底部曲面，叫做鞋楦的楦底。 鞋楦上部位點的標定是設計、制造和檢測鞋楦體的依據，在傳統(tǒng)設計方法中被廣泛采 用。在以形狀數學為工具的幾何描述中，它提供了合理劃分截面的依據，如何處理好通過 這些部位點的截面曲線進而處理曲面問題是至關重要的“”1 。 a 鞋徨體t 特定的點線鞋楦的統(tǒng)口與楦面相交，構成一條空問性質的封閉曲線，叫 做統(tǒng)口邊沿線，這條曲線的中間是長條形的，前后兩端成圓弧形。 鞋楦的楦面與楦底相交，形成的一條空間曲線，叫做楦底邊沿曲線，其形態(tài)比較復雜， 它的前后兩端近似圓弧線，外陌中部屬偏直一些的緩坡曲線，內懷中部是與腳底彎近似的 自由曲線。 在鞋楦后身端正的條件下，通過楦底前后兩端圓弧曲線和統(tǒng)口日u 后兩端邊沿曲線中點 的平面，從正中將鞋楦分成內、外兩部分，分別叫做內懷和外懷。鞋楦體與這個平面的 相交處，構成一條平面曲線，由這條封閉曲線圍成的圖形，叫做鞋楦縱剖圖。這個縱剖圖 所在的平面，叫做鞋楦的縱剖面。 在鞋楦的縱剖面上，鞋楦底邊沿前后兩圓弧中點，分別叫做楦底前端點和楦底后端點， 這兩點之間的連線，在楦底面上，從垂直于楦底的方向看是直線，垂直于縱剖面方向看是 1 0 西安t 業(yè)學院碩+ 學位論文 一條曲線，叫做檀底軸線，鞋楦統(tǒng)口與鞋楦縱剖面的交點，分別叫做統(tǒng)口前點和統(tǒng)口后點， 它們之問的連線位于鞋楦統(tǒng)口中間，叫做統(tǒng)口線。楦底前端點與統(tǒng)口前端點之間的連線叫 做背中線，位于楦面前部正中間，從俯視的角度看是一條直線，在縱剖面上是條曲線。 楦底后端點與統(tǒng)口后點之間的連線，叫做后弧線，位于楦面后身的正中，由后向前或俯視 的方向看是一條直線，在剖面上它是一條曲線。 b 鞋楦體e 對應人腳的特征點楦體上沒有什么明顯的特征點，但是楦體的設引與造 型卻是按照腳的特征、生理結構、運動清況和工藝要求進行的。因此有必要在鞋楦上根據 腳的特征部位標定出各種特征點。 2 4 鞋楦設計依據與基本規(guī)律 2 4 i 鞋楦的設計依據腳型規(guī)律 掌握腳型規(guī)律，不僅是制鞋的重要依據，而且也是楦型設計和制訂鞋、型號的重要依 據“9 。因此，掌握腳型規(guī)律( 見表2 2 和表2 ：3 ) 是掌握整個制鞋技術的- - z 基礎知識。 鞋楦上的部位點絕大多數位于楦底軸線上，只有個別點在后弧線t ：，般以檀氐后端 為起點，由后向前和從下往目i 頂次讀出各部位數據即可。各個部位數據的來源和規(guī)律如f ： 楦面上各部位數據來源于腳型規(guī)律。 腳長與腳的特征部位長之間關系可以用長度部位系數來表示。長度部位系數是指各個 特征部位在底中線上的長度與腳長的百分比數，即： 腳的長度部位系數= 腳特征部位長度腳長x1 0 0 ( 2 2 ) j 目過對大量腳型測量數進行分析，最后得到一組有規(guī)律的數值( 見表2 2 ) 。對于某 具體的腳來說，它的長度系數不一定和規(guī)律值相等，也可能會有某幾項與規(guī)律值相同，但 測的數值總體上不會有太大出入。按規(guī)律值設計的腳型是種理想化的標準腳，從整體上 看，長度系數規(guī)律值代表了中國人腳型特點。 根據我國鞋號的制訂原則和鞋楦設計標準可知，楦底上各個部位數據計算方法： 某部位的長j 睦 腳長該長度部位系數一后容差( 2 3 ) 公式中腳長一股指中等腳長，即成年男子是2 5 0 r m ，成年女子是2 3 0 r n n 。根據文獻的說 明，中等鞋號的鞋楦，不論樣式和檀底樣長度怎樣變化，只要同屬一類，后容差的數據不 變，那么它們各對應部位的數據是相同的( 見表2 3 ) 。 2 4 2 鞋楦設計基本規(guī)律 作為人腳的模型，鞋楦變化必須隨人腳的變化而變化，在長期的設計實踐中所總結出 的鞋楦變化規(guī)律具體來說有以下幾點： 楦體后身幾乎不變，或者說隨人體解剖生理變化緩凰變化的焦點主要集中在頭 勢和后蹺高( 后跟高) ：楦型變化的主導因素是楦底樣。 雖然嚴格地追究起來，鞋楦某部分變化勢必會導致其他部位的變化，但根據實踐中 總結出來的規(guī)律和國家標準的規(guī)定，后身標準化的主張是極其合理并有科學依據的。 綜觀鞋的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)頭勢的變化配合跟底的變化是主流。頭勢的形狀是鞋造型 西安一r 業(yè)學院碩士學位論文 設計個性表現(xiàn)之所在，也常是流行款式特色的表征。其基本造型有以下六種( 圖2 9 ) 表2 - 2 全國成年男女腳型規(guī)律表( 部分) 部位系數( 腳長)男2 5 號腳數值女2 3 號腳數債 腳長部位 1 0 02 5 02 3 0 拇趾外突點部位 9 02 2 52 0 7 小趾端點部位8 25 2 0 6 2 51 8 9 7 5 小趾外突點部位 7 81 9 51 7 9 4 第一跖趾關節(jié)點部位7 2 ，51 8 1 2 51 6 67 5 第五跖趾關節(jié)點部位 6 3 51 5 8 7 51 4 60 5 前跗骨突點 5 5 31 3 8 2 51 2 7 1 9 外腰窩部位 4 11 0 2 59 4 3 舟上彎點部位 3 859 6 2 58 8 5 5 外踝骨中心音口位 2 2 55 6 2 55 1 7 6 畫凸部位1 84 54 14 后跟邊距 41 09 2 前掌凸度點部位 6 8 81 7 215 8 2 4 表2 - 3 兒童及成年男女腳型尺寸系列( 單位：m ) 肥瘦型肥瘦型 鞋號腳長鞋號腳長 ( 二型) 跖圍( 二二型) 跖圍 1 31 3 01 5 22 02 0 02 0 l 1 3 51 3 51 5 5 52 0 52 0 52 0 45 1 41 4 01 5 92 12 1 02 0 8 1 451 4 51 6 2 52 1 52 1 52 5 1 51 5 01 6 62 22 2 02 1 5 1 5 51 5 51 6 9 52 2 52 2 52 1 8 5 1 61 6 01 7 32 32 3 02 2 2 1 6 51 6 51 7 6 52 3 52 3 52 2 5 5 1 71 7 01 8 02 4 2 4 02 3 ( 1 7 51 7 51 8 3 52 452 4 52 3 2 5 1 81 8 01 8 72 52 5 02 3 6 1 8 51 8 51 9 0 52 5 5 2 5 52 3 9 5 1 91 9 01 9 42 6 2 6 02 4 3 1 9 51 9 51 9 7 52 6 5 2 6 52 4 65 1 長度號差：號差為1 嘶m ：半號差為5 m 2 跖圍號差：號差為7 ；半號差為3 5 備注 3 型差：型差為7 ：半型差為3 5 鞋號( g b t3 2 9 3 1 1 9 9 8 ) 1 2 兩安工業(yè)學院碩士學位論文 八八門八八八 大方頭小方頭偏頭大圓頭小圓頭尖頭 圖2 9 頭勢造型的基本形式 鞋楦造型規(guī)律m 體工程學考慮，并不是按照一個模式來做，設計人員在靈活運用造 型手段表現(xiàn)個眭和意象外，還應考慮以下幾點： 前蹺高度；頭勢厚度；前掌凸度：底心凹度；踵心凸度：后跟凸度； 后身高度；統(tǒng)口寬度。 2 5 鞋楦的主要功能 鞋植是制鞋工藝中皮鞋款式的基準，是制鞋的基礎。皮鞋款式的變化直接依賴于鞋楦 的造型設計，并且鞋楦的質量直接影響鞋的質量。在整個制鞋業(yè)中鞋楦的功能豐要表現(xiàn)在 以下三個方面： a 鞋楦是皮鞋幫樣設計的依據迄今為止，人們所見到的皮鞋幫樣設計方法，還沒有 不依靠鞋楦的具體造型而憑空想象來設計的。設計人員在設計皮鞋幫樣時無淪是使用平面 設計方法、立體設計方法、還是計算機輔助設計方法，都必須依據鞋楦的具體造型進行設 計。 b 皮鞋揎是皮鞋底部件和鞋的成型模具設計的依據皮鞋底部件包括內底、半內底、 外底、鞋跟、主跟和內包頭等。皮鞋成型模具包括模壓皮鞋模具、硫化皮鞋模具、注塑皮 鞋模具、膠粘皮鞋模具、內底壓型模具、主跟壓型模具和鞋跟注塑模具等。它們的設計都 是依據楦體的具體造型數據而進行的。 c 皮鞋徨是 5 0 作皮鞋和固定皮鞋造型的依據在皮鞋的生產過程中，無論是手工繃楦 還是機器繃楦，皮鞋都必須經過一段時間的干燥，才能出楦。在皮鞋的干燥過程中，由于 有了皮鞋楦在鞋腔內的支撐，皮鞋的造型才能堅固。在整個制鞋設計與生產中，鞋楦體的 造型決定了鞋的式樣和型號，鞋的花色品種和款式的翻新也是基于鞋楦來設計的，根據現(xiàn) 代制鞋工業(yè)生產技術的要求，不論鞋的種類和式樣，在加工過程中都必須使用鞋楦成型。 可以說鞋楦是鞋的母體，各類鞋都脫胎于鞋楦。因此鞋楦的結構和造型設計及加工的j f 確 與否，會直接影響鞋的定型及穿著的舒適和美觀。用造型優(yōu)美的鞋楦制造的皮鞋穿著起來 既能美化人們的生活，又能增強市場競爭力。如果楦型設計不合理或定型加工不正確，就 會破壞鞋的原始式樣，甚至還會給鞋的加工造成困難。如果人們長期穿著用不合理鞋楦制 成的鞋，會使腳逐漸變成畸形，最終造成腳疾。 由此可見，鞋楦造型設計及生產是制鞋業(yè)的關鍵工藝，它既是各種款式鞋產品的設計 依據，又是鞋在加工過程中的支撐體，其地位在制鞋過程中無可替代。因此，用計算機輔 助設計等現(xiàn)代化設計手段取代落后的手工設計方式在制鞋業(yè)中是十分必要的。1 。 1