鞋楦cad中建模及扩缩技术的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文I 绪论由于皮鞋楦是鞋檀的主要组成部分，所以本文将其作为主要研究对象除非特别说明，凡是以下提到的鞋楦均指皮鞋楦①鞋楦是皮鞋帮样设计的依据迄今为止，人们所见到的皮鞋帮样设计方法，还没有不依靠鞋楦的具体造型而凭空想象来设计的设计人员在设计皮鞋帮样时无论是使用平面设计方法、立体设计方法、还是计算机辅助设计方法，都必须依据鞋楦的具体造型进行设计②皮鞋楦是皮鞋底部件和鞋的成型模具设计的依据皮鞋底部件包括内底、半内底、外底、鞋跟、主跟和内包头等皮鞋成型模具包括模压皮鞋模具、硫化皮鞋模具、注塑皮鞋模具、胶粘皮鞋模具、内底压型模具、主跟压型模具和鞋跟注塑模具等[ 1 ] f 3 1 它们的设计都是依据植体的具体造型数据而进行的③皮鞋楦是制作皮鞋和固定皮鞋造型的依据在皮鞋的生产过程中，无论是手工绷檀还是机器绷楦，皮鞋都必须经过一段时间的干燥，才能出楦在皮鞋的干燥过程中，由于有了皮鞋楦在鞋腔内的支撑，皮鞋的造型才能坚固在整个制鞋设计与生产中，鞋楦体的造型决定了鞋的式样和型号，鞋的花色品种和款式的翻新也是基于鞋楦来设计的根据现代制鞋工业生产技术的要求，不论鞋的种类和式样，在加工过程中都必须使用鞋楦成型。

可以说鞋楦是鞋的母体，各类鞋都脱胎于鞋檀因此鞋楦的结构和造型设计及加工的正确与否，会直接影响鞋的定型及穿着的舒适和美观用造型优美的鞋楦制造的皮鞋穿着起来既能美化人们的生活，又能增强市场竞争力如果楦型设计不合理或定型加工不正确，就会破坏鞋的原始式样，甚至还会给鞋的加工造成困难如果人们长期穿着用不台理鞋楦制成的鞋，会使脚逐渐变成畸形，最终造成脚疾【l 】由此可见，鞋楦造型设计及生产是制鞋业的关键工艺，它既是各种款式鞋产品的设计依据，又是鞋在加工过程中的支撑体，其地位在制鞋过程中无可替代因此，用计算机辅助设计等现代化设计手段取代落后的手工设计方式在制鞋业中是十分必要的1 ．2 皮鞋制造业引入C A D 技术的重要性1 ．2 ．1 传统制楦方法的不足无论是仿制鞋样还是设计新样式皮鞋，首先要刻制母楦( 标样楦) 众所周知，母楦一直是由有相当经验的技工手工刻制，其制作时间长，质量不稳定，精度低，且培养一个能独立操作的刻楦技工，需要几年甚至十多年的时间，这些已成为当今皮鞋快速翻新换代和快速仿制的一个障碍，且与现代化的制鞋工艺不配套因而能根据鞋楦的数据自动刻制母楦的数控刻楦机就成为鞋商们迫切需求的产品。

另一方面，在皮鞋生产过程中，二维鞋帮必须在鞋檀上强力挤压、敲打，方能变为三维鞋形，而强力挤压和敲打却会造成鞋形本身的快速损坏，故一只鞋楦只能制作重庆大学硕士学位论文1 绪论有限的数十只鞋全世界每年的鞋产量达几十亿只，每年至少需要数千万只鞋楦，这数千万只鞋楦是否美观大方、加工精度高、尺寸精确并符合人们的脚型完全取决于用来复制它们的母楦质量是否合格随着生活质量的不断提高，人们渴望鞋的种类越多越好，鞋的花色翻新速度越快越好，而一种新式样的鞋能否尽快推向市场也在很大程度上由母楦的制作速度和质量决定而手工刻楦在加工时间和质量等许多指标均不尽如人意，它已经越来越成为束缚鞋业发展的“绊脚石”1 ．2 ．2 国内外皮鞋0 A D 的发展概况在国外，许多厂商都对把C A D 技术引入制鞋工业非常重视随着计算机性能的提高和软件技术的发展，将计算机用于皮鞋设计、加工及生产管理技术[ 4 1 1 5 ] 皆已逐渐成熟和实用将这些高新技术用于制鞋业即组成所谓的“集成制鞋系统”，如近年由法国克雷奥公司推出的“定做皮鞋系统”，从在商店里进行脚型测量开始到工厂定做出一双皮鞋只需一天的时间可以认为这种集成制鞋系统集中地代表了目前国内外制鞋工业的水平和发展方向。

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鞋楦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，主要在鞋楦测量、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 c 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 鞋帮C A D 系统等[ 4 ] 【“自1 9 7 6 年欧美第一台制鞋C A D 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋厂采用，而到1 9 8 6 年竞达五十多家采用C A D系统[ 6 】，其普及率达4 0 ％，到2 0 0 0 年普及率几乎已达到1 0 0 ％t 9 1 在国内，有很多高校及科研单位都在研究C A D 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8 6 年上海大学与福州皮革工业研究所研制的“P F S 一1 ”微机辅助优化设计系统，主要有帮样扩缩、楦体展平等功能【7 】。

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[ 6 】【”，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，但仅解决了鞋楦的数据测量问题，还不是一个C A D 系统成都科技大学研制的“鞋样C A D 系统”用手工测量的方法获取鞋楦特征部分的三维数据，用双三次B 样条曲面拟合逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展平、曲跷处理但构造的曲面与实际楦面有相当大的差距，而且不能对鞋楦进行缩放和修改【4 j 国家轻工部于8 7 年下达给重庆皮革工业科研所与重庆大学光机所“皮鞋鞋帮C A D系统”研究开发项目Ⅲ【8 ] ，拟开发出性能好，实用住强，易于推广的现代化皮鞋设计技重庆大学硕士学位论文1 绪论术装备该项目于1 9 9 0 年圆满完成，并通过部级鉴定研制成功的S C A D ．1 0 0 系统因具备以个人微机为系统主机，并在鞋帮三维曲面展平处理准确率高、采用无接触方式对鞋楦高速准确测试、性能价格比高及使用维护方便等优势而达到国内领先水平并受到国内广大鞋厂的欢迎但从皮鞋系统设计要求上看，尚需进一步研制皮鞋帮样C A D 系统及其配套设备，包括提高C A D 的性能、配置鞋帮下样C A M 系统、加工鞋楦的数控刻楦机等C A M 系统以实现鞋帮鞋楦从设计到加工的计算机处理，即鞋帮鞋楦C A D ／C A M ，以满足国内众多制鞋厂的需求，加速缩小与国外鞋帮鞋楦C A D ／C A M 先进水平的差距，故在前期技术开发基础上，于“八·五”和“九·五”期间继续安排攻关，进一步开发一般鞋厂易于接受，性能好，实用性强，造价低和易推广使用的鞋楦c A D ／C 舢“系统。

以普遍提高国内制鞋企业技术水平，产生良好的社会经济效益1 ．2 ．3 在制鞋工业中引入0 A D 技术的紧迫性和必要性皮鞋制鞋工业已经有很长的历史，是属于一种传统工业为了尽可能以高质量，高效率，多样式地生产皮鞋，各皮鞋厂家都认识到用现代高新技术来提升传统产业已经是刻不容缓的事情，不然，就会在市场上被淘汰目前，中国已经加入了W T O ，为了参与未来世界的市场竞争，创造我们自己的世界名牌，整个制鞋行业必须加快技术改造，否则始终无法改变外匡1 人心目中“便宜货”的印象所以，在皮鞋制造也中引入C A D 技术已成为非常紧迫的事情1 ．3 课题的提出为加快C A D ／C A M 技术的研究与应用，国家计委在1 9 9 6 年5 月向重庆大学和重庆 皮革工业公司下达了“实用型鞋帮鞋楦C A D ／C A M 系统”[ 6 】的八五重点科技攻关项目( 8 5 6 0 4 —2 0 ) 整个系统要求采用计算机、光电子、自动控制等领域的先进技术，组成 的一套完整而实用的制鞋辅助系统根据应用要求，整个项目划分为测量、C A D 、C A M三部分共七个子课题，其系统各模块之间的关系如图1 ．1 所示其预定指标如下：①皮鞋设计的全过程4 - 6 小时，包括皮鞋内腔测量、帮样C A D 和鞋帮下样。

②鞋楦制作过程4 - 6 小时，包括鞋楦测量、鞋楦C A D 、数控下样③复样率1 0 0 ％测量部分包括三个相互独立的模块：鞋楦测量、内腔测量和脚型测量它们的共同目 的是为鞋楦C A D 提供数据；C A D 部分为数控机床提供鞋楦加工数据；C A M 部分分为刻楦机和下样机此外，系统还设计了各模块与系统软硬件之间的协调软件由于系统良好的模块化结构，所以可以将其各功能模块重新组合，以满足用户特定的要求重庆大学硕士学位论文绪论“皮鞋鞋植C A D ”作为攻关项目子项目的基础研究，本课题的研究工作，使鞋楦落后的手工设计上升为先进的计算机设计，大大地提高了设计效率同时对推动皮鞋C A D ／C A M 实用化技术的发展，进而提高升皮鞋业的整体效益，具有重要的现实意义鞋楦的三维轮 廓测量仪／L ————＼ x , t - - - - - , ／鞋楦鞋楦测加 脚型三维轮廓C A DC A M／L ————h 、量软件包软件包工 测量仪, x r - - - - v ／管管皮鞋内腔三维理理轮廓测量仪／^ ————^软鞋帮鞋帮软、r ———1 ／件C A DC A M件 软件包软件包外设控制软件包图1 ．1 皮鞋鞋楦C A D ／C A M 系统模块示意图F i 9 1 ．1S h o eU p p e ra n dS h o eL a s tC A D ／C A MS y s t e mM o u d l e1 ．4 本章小结本章首先从鞋楦的功能角度说明了鞋楦在制鞋工艺和日常生活中的地位和作用：其次指出传统鞋楦设计及制楦方法的不足，同时，根据国内外制鞋业发展现状阐述了在皮鞋制造业中发展C A D 技术的必要性。

在此基础上，分析了国家“八五”攻关项目——“实用型鞋帮鞋楦C A D ／C A M 系统”的模块结构之间的关系最后，阐述了本论文研究的主要内容重庆大学硕士学位论文2 鞋檀的几何建模理论2 鞋楦的几何建模理论2 ．1 建模技术及其发展真实世界中存在着千姿百态的物体：树木、山川、桌椅、房屋等等，研究如何在计算机中建立恰当的模型表示这些物体的技术称为建模技术物体的建模技术是C A D技术的核一L I , ，也是计算机能够辅助人类从事设计、制造活动的根本原因如果不能在计算机内部建立起物体的数字化模型，整个C A D 系统就无从谈起【l0 1 由于对客观事物的描述方法、存储内容、存储结构的不同而有不同的建模方法和不同的产品数据模型目前主要的建模方法有几何建模和特征建模两种；主要的产品数据模型有二维模型、三维线框模型、曲面模型、实体模型、特征模型、集成产品模型以及最新的生物模型等【l ”特征( F e a t u r e ) E 1 2 ] [ ”] 的概念最早出现在1 9 7 8 年美国M I T 的一篇学士论文“C A D中基于特征的零件表示”中，随后经过几年的酝酿讨论，至8 0 年代末有关特征建模技术得到广泛关注。

特征是一种集成对象，是包含丰富的工程语义，因此，它是在更高层次上表达产品的功能和形状信息对于不同的设计阶段和应用领域有不同的特征定义，例如功能特征、加工特征、形状特征、精度特征等特征体现了新的设计方法学， 它是新一代的C A D 建模技术由于特征建模的技术特点并不适合于鞋楦，因此，下面将只详细介绍三维几何建模技术的发展现状，而不再具体讨论特征建模技术在本章后面部分将在借鉴了已有的多种几何建模方法的基础上，专门针对鞋楦讨论鞋楦三维轮廓的几何描述方法2 三维物体的几何建模技术所谓几何建模方法，即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的几何信息一般是指物体在欧矢空间中的形状、位置和大小，而拓扑信息则是物体各分量的数目及其相互间的连接关系在C A D ／C A M 系统中，几何建模¨Ⅶ”】是自动设计和图形处理的基础从7 0 年。