基于三維技術(shù)下健美鞋鞋楦設(shè)計(jì)

宣臻

（江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌 330201）

引言

鞋楦在制鞋過程中發(fā)揮著重要的模具作用，出于對(duì)鞋楦設(shè)計(jì)效率的考慮，本文主要采用三維立體掃描技術(shù)來有效完成健美鞋鞋楦的設(shè)計(jì)，以滿足穿著舒適的實(shí)際需求。

一、鞋楦是鞋設(shè)計(jì)的重要依據(jù)

在健美鞋設(shè)計(jì)中，鞋楦發(fā)揮著重要作用。鞋楦是健美鞋的母體，其特征點(diǎn)及特征線直接體現(xiàn)健美鞋的長(zhǎng)短肥瘦及造型，并且決定了健美鞋的舒適度以及對(duì)腳部運(yùn)動(dòng)是否有利。鞋楦雖然是基于腳型規(guī)律而設(shè)計(jì)的，但其并非就是機(jī)械式地重復(fù)與模仿人體腳，是從科學(xué)分析的角度出發(fā)，對(duì)腳進(jìn)行美化與藝術(shù)化的處理，技術(shù)性、藝術(shù)性特點(diǎn)突出，讓鞋楦成為腳的模特，只有精美的楦型才能設(shè)計(jì)出精美的健美鞋。

（一）鞋楦標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用

鞋楦主要是根據(jù)人的腳的形狀而形成起來的，是鞋類設(shè)計(jì)中不可缺少的模型及定型工具。鞋楦的特征部位與特征尺寸眾多，在這方面國(guó)家有明確的規(guī)定，即將楦底樣長(zhǎng)和長(zhǎng)度每一部位的特征點(diǎn)與跖圍為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，鞋楦底盤寬度也應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，楦底各部位寬度允許在加減半個(gè)型的范圍內(nèi)任意取值。楦底由第五跖趾部位之后，楦體上部楦統(tǒng)口后端點(diǎn)往前站腳長(zhǎng)22%的位置處為鞋楦后身，在設(shè)計(jì)鞋楦時(shí)其后身可以不做任何改變，僅對(duì)其頭式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。鞋楦標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。

（二）鞋楦數(shù)據(jù)的重要特征點(diǎn)與特征線

鞋楦的特色是由特征點(diǎn)與特征線組成。鞋楦特征點(diǎn)是特征識(shí)別的前提條件，能夠讓設(shè)計(jì)者對(duì)掃描鞋楦特征點(diǎn)的位置及其功能有一定的掌握。從鞋楦測(cè)量學(xué)的角度上看，所謂鞋楦特征點(diǎn)，顧名思義就是標(biāo)識(shí)測(cè)量位置的各個(gè)界點(diǎn)或者測(cè)點(diǎn)，如鞍點(diǎn)等。其一般處于腳尖最前點(diǎn)，楦后跟最后點(diǎn)等核心位置。國(guó)家明確指出，從兩個(gè)方面體現(xiàn)鞋楦的特征信息：一方面是沿鞋楦底樣長(zhǎng)度尺寸，我們稱之為“號(hào)”；另一方面是沿底樣長(zhǎng)縱剖面面積或周長(zhǎng)，以說明鞋楦的胖瘦，我們稱之為“型”。鞋楦表面存在兩條特征線，我們將其共同定義成中心特征線為經(jīng)過統(tǒng)口前點(diǎn)、繞口后點(diǎn)和鞋楦最前點(diǎn)的表面曲線；跖圍特征線為鞋的楦頭中寬度最大的表面曲線。鞋楦制作與以上這兩個(gè)因素緊密相連，也是三維技術(shù)識(shí)別的核心數(shù)據(jù)。

> 圖 1

> 圖2

二、三維自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

三維自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)識(shí)別來完善鞋楦設(shè)計(jì)。鞋楦的原材料主要以高壓和低壓聚乙烯混合物為主。如果鞋楦的結(jié)構(gòu)及其造型設(shè)計(jì)的不合理，那么不僅妨礙了鞋的定型與舒適度，而且還會(huì)加大鞋的生產(chǎn)難度。

（一）數(shù)據(jù)識(shí)別原理

自動(dòng)特征識(shí)別系統(tǒng)在對(duì)obj格式的數(shù)據(jù)文件讀入后，可能得出所有類型的掃描鞋楦數(shù)據(jù)，像左鞋楦、右鞋楦等，從鞋楦的特征點(diǎn)角度來及時(shí)有效地識(shí)別，通過準(zhǔn)確判斷與識(shí)別所有數(shù)據(jù)種類明確后續(xù)處理步驟。如果實(shí)際識(shí)別的鞋楦特征點(diǎn)信息是不規(guī)律的或者難以識(shí)別到鞋楦部分核心特征點(diǎn)，那么這就不屬于正確模型。鞋楦的形狀與人體之間差別很大，但在獲取鞋楦和人體的數(shù)據(jù)過程中，均采用三維掃描儀來獲取的，存在諸多的相似點(diǎn)。因此可運(yùn)用截面法識(shí)別鞋楦的特征。

（二）數(shù)據(jù)測(cè)量過程

通過預(yù)處理手段對(duì)系統(tǒng)讀入的掃描數(shù)據(jù)文件進(jìn)行一番處理后，統(tǒng)口前點(diǎn)與統(tǒng)口后點(diǎn)處于平面狀態(tài)，并且楦后跟也有一些特征點(diǎn)處于平面狀態(tài)，前撐與后撐均處于X軸的位置上。利用做過原點(diǎn)垂直于Z軸的切面以此掌握了解截面環(huán)求取統(tǒng)口后點(diǎn)、統(tǒng)口前點(diǎn)、楦底后端點(diǎn)等各部分的特征點(diǎn)。由于該截面環(huán)中涉及了鞋楦的最前點(diǎn)，因此再次進(jìn)行切面最終獲得鞋楦最前點(diǎn)。由鞋楦后跟凸點(diǎn)的地方根據(jù)X軸正方向相應(yīng)的偏移距離進(jìn)行垂直在X軸上的切面最終了解截面環(huán)，對(duì)于截面環(huán)中水平間距較遠(yuǎn)的屬于跖圍。以趾圍為依據(jù)得到跖圍的最高水平點(diǎn)與最低水平點(diǎn)。再次實(shí)施切面，該切面在Z軸上處于垂直狀態(tài)，從跖圍最高水平點(diǎn)到跖圍最低水平點(diǎn)一定距離的方向偏移，以獲得鞋楦最前點(diǎn)。進(jìn)行以統(tǒng)口前點(diǎn)與鞋楦最前點(diǎn)為依據(jù)且在X-Z平面上處于垂直狀態(tài)的切面以獲取截面環(huán)，將截面環(huán)中一段截面線段的距離散納入到中心特征線范圍內(nèi)。從鞋楦最前點(diǎn)、統(tǒng)口前點(diǎn)、統(tǒng)口后點(diǎn)角度來進(jìn)行鞋楦的左右之分。（圖1）

三、鞋楦三維模型的構(gòu)建與加工技術(shù)

三維立體掃描技術(shù)在快速掃描鞋底實(shí)物、金屬模型與實(shí)物模具后，得到具體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后生成了CAD三維數(shù)據(jù)模型，通過該模型完成鞋楦的模具設(shè)計(jì)。密切結(jié)合數(shù)字化技術(shù)與數(shù)控機(jī)床，構(gòu)建具有個(gè)性化意義的鞋楦數(shù)據(jù)庫(kù)，從而集足型掃描和鞋楦設(shè)計(jì)制作為一體。

（一）CAD鞋楦模型建立

在構(gòu)建鞋楦的數(shù)學(xué)模型過程中，應(yīng)開展必要的數(shù)學(xué)掃描，進(jìn)而獲得鞋楦CAD模型。比如，通過離散法造型構(gòu)建鞋楦的曲面體模型；基于鞋楦的形體特征分為諸多個(gè)性質(zhì)非常相似的面片，然后根據(jù)相關(guān)要求將諸多個(gè)面片拼接在一起，最后成為一個(gè)整體，將基于AutoCAD環(huán)境的Visual C+ +作為編程語(yǔ)言來完成鞋楦面的設(shè)計(jì)工作；此外，通過不均勻的B樣條構(gòu)建模型，通過openCL渲染環(huán)境，通過三維掃描技術(shù)完成鞋楦曲面的實(shí)體造型。此軟件的優(yōu)勢(shì)在于采用數(shù)字化手段完成文件的輸入與輸出；一個(gè)楦頭可以和各種鞋楦模型連接；明確裁剪剖面并實(shí)現(xiàn)良好的連接；對(duì)鞋楦?jìng)?cè)面外形的長(zhǎng)度進(jìn)行一定的調(diào)整，通過掃描儀對(duì)側(cè)面圖形的數(shù)字參數(shù)進(jìn)行及時(shí)讀取，并在剪貼板中詳細(xì)記錄該數(shù)字參數(shù)；對(duì)各種鞋楦模型進(jìn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)信息記錄在精準(zhǔn)化的技術(shù)文件中。

（二）CAD優(yōu)化處理技術(shù)

三維技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)鞋楦造型。以鞋楦的外形為基礎(chǔ)提供一個(gè)數(shù)字化模型，通過掃描儀對(duì)鞋楦三個(gè)側(cè)面的截面進(jìn)行輸入輸出，再輸入楦外形、楦跟、楦底、楦頭來獲得不同的部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，適當(dāng)調(diào)整鞋楦進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)新的楦頭，第二，模板可選用掃描儀，也可選用剪貼板，在進(jìn)一步選用楦跟編輯器，對(duì)楦跟的外觀加以改變。第三，選用掃描儀或者文件的模板和楦底曲線編輯器，按照各種楦?jìng)?cè)面和楦底對(duì)楦底的周邊曲線進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算、整改及裁剪。新增或者不要楦底曲線，在需要的情況下再適當(dāng)?shù)募右哉{(diào)整，利用局部編輯器，在定義標(biāo)準(zhǔn)和較為封閉的空間環(huán)境中來進(jìn)行不同程度的整改來獲得滿意的鞋楦造型。

CAD三維建模優(yōu)化技術(shù)有效補(bǔ)充了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足。以往中人們?cè)O(shè)計(jì)鞋產(chǎn)品時(shí)，一般都必要在完成樣品楦后才能真正的看到最終的設(shè)計(jì)成效，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大弊端。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)能將樣品楦的立體圖形展示在電腦屏幕上，以便設(shè)計(jì)人員對(duì)一些欠缺的地方進(jìn)行整改。這不僅有助于豐富設(shè)計(jì)人員的想象空間，設(shè)計(jì)更多更優(yōu)的產(chǎn)品，而且減少了人力、物力的投入量，實(shí)現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)效益目的。

（三）CAD輔助加工技術(shù)

鞋楦三維造型軟件的功能是對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的鞋楦圖形進(jìn)行加工， 通過CAD連接數(shù)控設(shè)備的進(jìn)而使其變成鞋楦實(shí)物。數(shù)控刻楦機(jī)屬于鞋楦CAD/CAM的最終輸出設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中是不容小覷的環(huán)節(jié)，其精確性與可靠性的高低直接決定了正在加工的鞋楦的外觀精美度。實(shí)際中，我們常見的加工方式有三軸數(shù)控銑床加工、快速原型法加工、專業(yè)開發(fā)數(shù)控刻楦機(jī)加工。其中，在鞋楦加工中應(yīng)用三軸數(shù)控銑床，主要對(duì)鞋楦曲面進(jìn)行劃分，使其成為上下曲面，在銑床中進(jìn)行分別加工，然后把上下曲面粘結(jié)起來，最后通過手工的方式打模出鞋楦母模。在鞋楦制造過程中采用快速原型法，首先利用層壓輥對(duì)片材與熱敏膠進(jìn)行加壓后粘結(jié)起來，并且處于上方位置處的激光器通過計(jì)算機(jī)CAD模型得到的數(shù)據(jù)，移動(dòng)為位移控制器，經(jīng)過一番切割，使其成為鞋楦輪廓形狀，進(jìn)行拋光處理后采用光亮劑涂抹于其表面。三軸數(shù)控銑床加工和快速原型法加工僅局限于對(duì)母楦的設(shè)計(jì)制造，無法投入到批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為此，專用開發(fā)CAD數(shù)控楦機(jī)是鞋楦加工的最佳設(shè)備。

數(shù)控刻楦機(jī)主機(jī)通過三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的方式完成加工，通過專門的氣動(dòng)或者液壓夾具把加工的毛坯楦固定于C軸上，在C軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可將C軸作為中心旋轉(zhuǎn)，并利用液壓機(jī)構(gòu)帶動(dòng)Z軸滑動(dòng)工作臺(tái)向Z方向邁進(jìn)。利用X軸步進(jìn)電機(jī)與絲桿帶動(dòng)處于Z軸滑動(dòng)工作臺(tái)上的X軸向工作臺(tái)向X方向平行移動(dòng)。利用平皮帶驅(qū)動(dòng)銑刀來使X軸滑動(dòng)工作臺(tái)中固定的防爆電機(jī)高速率轉(zhuǎn)動(dòng)。所以在X軸滑動(dòng)工作臺(tái)與Z軸滑動(dòng)工作臺(tái)的共同作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)速率極快的刀盤能夠自由地在X與Z平面上運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)銑刀刀盤及C軸兩個(gè)中心之間的距離加以控制就能夠根據(jù)測(cè)量所得的鞋楦輪廓數(shù)據(jù)來順利完成整個(gè)毛坯楦截面外部輪廓的加工，將一些不必要的材料全部切割掉，從而得到最終的鞋楦。（圖2）

鞋楦的整體加工過程結(jié)束后，要用前面提到測(cè)量設(shè)備來精確測(cè)量成品鞋楦，測(cè)量所得數(shù)據(jù)應(yīng)符合規(guī)定要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不足地方，并采取有效的整改措施，確保最終的成品與設(shè)計(jì)人員的模型相一致。

四、三維鞋楦設(shè)計(jì)技術(shù)展望

隨著我國(guó)社會(huì)的快速發(fā)展，進(jìn)一步加快了制鞋行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，然而相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的制鞋行業(yè)，我國(guó)的鞋楦設(shè)計(jì)技術(shù)還有待提高。要保證鞋楦設(shè)計(jì)的高效可靠性，就必須研發(fā)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的鞋楦三維CAD/CAM系統(tǒng)。該系統(tǒng)可把測(cè)量所得的鞋楦數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三維模型。在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示設(shè)計(jì)結(jié)果，若結(jié)果未達(dá)到預(yù)期的要求，可重新設(shè)計(jì)整改，結(jié)合實(shí)際所需的尺寸，在尺寸的驅(qū)動(dòng)下整改三維圖形。通過三維軟件開發(fā)平臺(tái)如ACIS等完成鞋楦CAD系統(tǒng)的研發(fā)。隨著CAD消費(fèi)者數(shù)量的不斷提高，鞋楦設(shè)計(jì)系統(tǒng)的未來發(fā)展空間廣闊。制楦行業(yè)應(yīng)注重借鑒其他同行業(yè)中運(yùn)用的各類新興高效的技術(shù)、工藝、材料等一系列對(duì)企業(yè)發(fā)展有巨大幫助的技術(shù)。深入到西方國(guó)家制楦行業(yè)中進(jìn)行考察，吸收制楦精髓，并在此基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新。通過先進(jìn)的電子快速測(cè)量法對(duì)整個(gè)國(guó)家群眾的腳型進(jìn)行全面普查，構(gòu)建專門的腳型數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此為依據(jù)制定本國(guó)的鞋楦標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際中，有很多人因?yàn)榇┬划?dāng)而最終引起了腳疾的發(fā)生。培養(yǎng)一批專業(yè)素質(zhì)強(qiáng)的科研設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，籌集大量的科研經(jīng)費(fèi)，致力于研發(fā)更為精致的制楦工藝，重視科研的必要性，為制楦行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展提供有力的技術(shù)依據(jù)?？偠灾?，我們只有盡快制定各類高效完善的措施對(duì)策，不斷深入分析研究，才能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，進(jìn)而處于國(guó)際市場(chǎng)最前沿。

五、結(jié)論

三維CAD技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確獲取鞋楦的數(shù)據(jù)，而且采用自動(dòng)特征識(shí)別在鞋楦CAD系統(tǒng)內(nèi)對(duì)鞋楦模型進(jìn)行一番預(yù)處理，使掃描鞋楦通過諸多截面求交，全面反映鞋楦的特征點(diǎn)及特征線，再通過CAD數(shù)控設(shè)備的輔助，達(dá)到對(duì)鞋楦深入優(yōu)化設(shè)計(jì)，符合現(xiàn)代人們對(duì)健美鞋運(yùn)動(dòng)的要求?！?/p>