基于制鞋DIY互聯(lián)網(wǎng)定制的3D鞋楦數(shù)字化設(shè)計

郭華忠

摘 ? 要：鞋子的制造主要依靠鞋楦的設(shè)計，目前我國大部分制鞋企業(yè)鞋楦設(shè)計制造主要是根據(jù)經(jīng)驗手工反復(fù)修改制作而成，耗費時間長，而且制造出的鞋子質(zhì)量很難保證。因此，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)提高鞋楦的設(shè)計制造水平具有非常重要的意義。首先，采用3D激光腳型掃描測量儀，掃描獲得鞋楦云圖以及腳型相關(guān)數(shù)據(jù);其次，通過建立實體模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對鞋楦的數(shù)字化管理;最后，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，根據(jù)需要留有適當(dāng)?shù)膸湍_和襯腳度對楦型做部分修改，實現(xiàn)鞋楦的再設(shè)計過程。也可通過3D打印技術(shù)制作出鞋楦模型以及鞋底模型，作為模具為加工方便后期對于切割出來的鞋楦二維展開材料進(jìn)行鞋靴制作。因此，文章基于個體腳型的數(shù)字化鞋楦的設(shè)計與制造過程，進(jìn)行研究分析，并運用CAD/CAM技術(shù)，實現(xiàn)了鞋楦設(shè)計的數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：鞋楦;CAD/CAM技術(shù);3D打印

1 ? ?制鞋行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前制鞋企業(yè)及工廠大批量制作的鞋楦是按照有關(guān)鞋楦型號及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計制作的，這些鞋楦設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中所給出的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律和經(jīng)驗而制定。這樣就造成了同一型號鞋楦制作出來的同一型號的鞋靴，有些人穿上合腳而有些人穿上不合腳的情況，而長期穿不合人腳生理情況的鞋，既會產(chǎn)生不舒服感又會嚴(yán)重影響人腳骨骼的發(fā)育和成形，對于有足部疾病的人，不合適的鞋靴甚至?xí)夯浒Y狀，帶來嚴(yán)重后果。對于運動員等特殊群體來講，不合腳的鞋可能會顯著地影響運動成績。另外，鞋靴逐漸成為一種時尚潮流，是美感的呈現(xiàn)體和承載體，在設(shè)計鞋靴款式時，既要滿足其舒適性，又需要滿足靴鞋作為日用產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)時美感呈現(xiàn)的需求[1]，但在目前的鞋楦制作中尚缺乏將美感量化的途徑，在客觀上難以實現(xiàn)理想中的設(shè)計。隨著人們生活水平的逐漸提高，對鞋靴等也相應(yīng)地有了更高的要求，時尚化、個性化已成為一種發(fā)展趨勢。

2 ? ?數(shù)字化鞋楦設(shè)計制造過程

鞋楦是一個復(fù)雜的、多向不規(guī)則扭曲的自由封閉曲面，邊緣線長，特征區(qū)域多，曲率變化劇烈[2]，造成其設(shè)計過程中的困難包括：（1）外在外形不好控制，密集度差。（2）不利于鞋楦的局部快速修改，不方便根據(jù)特殊腳型來設(shè)計個性化鞋楦。因此，鞋楦的計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）和計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）設(shè)計設(shè)計在近年來成為討論的難題與熱點問題，綜合鞋楦的特征與傳統(tǒng)制鞋工藝的經(jīng)驗，本文將鞋楦的設(shè)計制造過程大致歸納為以下幾個步驟。

（1）以人腳為設(shè)計原型，先利用3D激光掃描測量儀器測得人腳形體數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，形成鞋楦云圖模型，完成人腳的數(shù)字化。

（2）根據(jù)需求對人腳模型進(jìn)行修改后，將數(shù)據(jù)傳輸至CAM生成數(shù)控程序，并傳輸至切割機控制計算機中，采用振動切割機進(jìn)行裁剪，即可加工出2D展開的鞋楦版塊。

（3）由CAD生成各種文件格式（例如stl，iges文件格式），利用先進(jìn)制造技術(shù)CAM可切割出鞋楦，也可由3D打印機制作出鞋楦模型，據(jù)此制作相應(yīng)的鞋楦模具，用模具再成型鞋楦[3]。

具體設(shè)計步驟如圖1所示。

3 ? ?測量方法及數(shù)據(jù)處理

從人腳到鞋楦屬于一種逆向工程，即以人腳作為設(shè)計對象，反過來設(shè)計與制造得到鞋楦[4]。在這一過程中，有兩項關(guān)鍵技術(shù)：（1）人腳表面相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取方法。（2）基于人腳數(shù)據(jù)的鞋楦曲面構(gòu)造技術(shù)，以及需要解決將測量獲得的原始數(shù)據(jù)傳遞給CAD/CAM系統(tǒng)中的技術(shù)問題。目前，腳型幾何形體相關(guān)數(shù)據(jù)的測量方法有兩種：接觸式測頭測量（如機械式測量儀器三坐標(biāo)測量機）和非接觸式測頭測量（如光電掃描儀和激光掃描儀）[5-6]，考慮到人腳肌體的特殊性，采用激光掃描儀測量更合適，其特點是掃描速度快，測量腳型尺寸方便，可以對人腳表面進(jìn)行密集掃描測量，從而獲得大量“點云”原始數(shù)據(jù)值點。數(shù)據(jù)處理時，首先，根據(jù)經(jīng)驗判斷并剔除測量原始數(shù)據(jù)中的無用點及壞點;其次，對數(shù)據(jù)點文件進(jìn)行程序化處理，提取CAD建模所需要的有用數(shù)據(jù)并交由CAD系統(tǒng)進(jìn)行曲線、曲面和實體造型;最后，得到原型的CAD數(shù)字模型，如圖2所示。

4 ? ?鞋楦建模設(shè)計分析

分析人腳結(jié)構(gòu)可知，其腳掌面較平坦，但非完全平面，人腳面是凸凹不平且完全非規(guī)則的。那么，作為人腳的模型，鞋楦形體上的曲面處處不同而且曲率變化大，既有平滑曲面的部分，也有尖角和棱邊，所以是典型的不可展自由型曲面，對于如此復(fù)雜的形體，顯然，如果完全按照人腳的形狀進(jìn)行幾何建模[7]，在技術(shù)上相當(dāng)困難，實際上也是沒有必要的，可對過程適當(dāng)簡化處理，一般來說，人腳長度和圍長（一般為拓趾圍長及前跗骨圍長）是鞋楦兩個主要設(shè)計控制參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對于一個確定的人的腳型來說，各種鞋型所要求的鞋楦的變化，主要是根據(jù)楦頭、鞋跟高度等的變化而做相應(yīng)改變，如圖3所示。這兩者變化均將引起楦體曲面的改變，描述楦體曲面的點線面將隨之改變。由此，確定鞋頭型、鞋跟高度為主參數(shù)變量。在建模時，可將鞋楦面劃分成不同的曲面片，比如楦底面、前幫曲面片、后幫曲面片等。分別建模后，再將各個曲面片拼接起來形成鞋楦形體。在設(shè)計過程中，考慮到鞋子會刮到腳踝，為了后期制作出來的鞋靴實體腳踝處不受鞋后跟的摩擦造成傷害，針對鞋楦后跟處的弧度和幫腳度進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)不同人腳的特征和需求修改后跟弧線及幫腳線，從而能預(yù)留適當(dāng)?shù)幕《群蛶徒嵌萚8]，如圖4所示。通過軟件制作得到的鞋款3D效果如圖5所示。

5 ? ?結(jié)語

本文基于逆向工程和反求設(shè)計方法的思想，利用現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)，對個體腳型的鞋楦數(shù)字化設(shè)計進(jìn)行了分析與研究，此種3D鞋楦設(shè)計具有精確的測量工具、支持多種數(shù)據(jù)輸入方式、快速精確的楦面展平、直接在鞋楦上進(jìn)行3D鞋款設(shè)計等優(yōu)點。但還需要逐步解決人腳的測量方法和測量儀器準(zhǔn)確性、數(shù)字化鞋楦的自動化加工方法和裁切精度等關(guān)鍵問題，如再加上鞋靴造型設(shè)計系統(tǒng)，就可實現(xiàn)從人腳到鞋楦，再從鞋楦到靴鞋的全面計算機化、數(shù)字化。本文所提出的方法也適用于對當(dāng)今流行鞋靴以及鞋楦的反求設(shè)計與制造。

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