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

郭華忠

摘 ? 要：鞋子的制造主要依靠鞋楦的設計，目前我國大部分制鞋企業(yè)鞋楦設計制造主要是根據(jù)經(jīng)驗手工反復修改制作而成，耗費時間長，而且制造出的鞋子質(zhì)量很難保證。因此，應用數(shù)字化技術提高鞋楦的設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，在此基礎上，應用CAD/CAM技術，根據(jù)需要留有適當?shù)膸湍_和襯腳度對楦型做部分修改，實現(xiàn)鞋楦的再設計過程。也可通過3D打印技術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行鞋靴制作。因此，文章基于個體腳型的數(shù)字化鞋楦的設計與制造過程，進行研究分析，并運用CAD/CAM技術，實現(xiàn)了鞋楦設計的數(shù)字化。

關鍵詞：鞋楦;CAD/CAM技術;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鞋楦型號及設計標準來設計制作的，這些鞋楦設計標準中所給出的相關數(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，不合適的鞋靴甚至會惡化其癥狀，帶來嚴重后果。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)理想中的設計。隨著人們生活水平的逐漸提高，對鞋靴等也相應地有了更高的要求，時尚化、個性化已成為一種發(fā)展趨勢。

2 ? ?數(shù)字化鞋楦設計制造過程

鞋楦是一個復雜的、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)特殊腳型來設計個性化鞋楦。因此，鞋楦的計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）和計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）設計設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，本文將鞋楦的設計制造過程大致歸納為以下幾個步驟。

（1）以人腳為設計原型，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），利用先進制造技術CAM可切割出鞋楦，也可由3D打印機制作出鞋楦模型，據(jù)此制作相應的鞋楦模具，用模具再成型鞋楦[3]。

具體設計步驟如圖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，即以人腳作為設計對象，反過來設計與制造得到鞋楦[4]。在這一過程中，有兩項關鍵技術：（1）人腳表面相關數(shù)據(jù)的獲取方法。（2）基于人腳數(shù)據(jù)的鞋楦曲面構造技術，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)中的技術問題。目前，腳型幾何形體相關數(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 ? ?鞋楦建模設計分析

分析人腳結構可知，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，對于如此復雜的形體，顯然，如果完全按照人腳的形狀進行幾何建模[7]，在技術上相當困難，實際上也是沒有必要的，可對過程適當簡化處理，一般來說，人腳長度和圍長（一般為拓趾圍長及前跗骨圍長）是鞋楦兩個主要設計控制參數(shù)。在此基礎上，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行設計，根據(jù)不同人腳的特征和需求修改后跟弧線及幫腳線，從而能預留適當?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 ? ?結語

本文基于逆向工程和反求設計方法的思想，利用現(xiàn)代CAD/CAM技術，對個體腳型的鞋楦數(shù)字化設計進行了分析與研究，此種3D鞋楦設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、直接在鞋楦上進行3D鞋款設計等優(yōu)點。但還需要逐步解決人腳的測量方法和測量儀器準確性、數(shù)字化鞋楦的自動化加工方法和裁切精度等關鍵問題，如再加上鞋靴造型設計系統(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今流行鞋靴以及鞋楦的反求設計與制造。

[參考文獻]

[1]陸國棟，陳建，王進.基于CAD/CAM集成的鞋楦快速逆向成型技術研[J].機械，2006（9）：28-30.

[2]輕工業(yè)部制鞋工業(yè)科學研究所.中國鞋號及鞋楦設計[M].北京：輕工業(yè)出版社，1984.

[3]郝玉明，張賽珠.鞋楦設計基礎知識[M].石家莊：河北美術出版社，1982.

[4]居琰，汪同慶，劉健勝，等.基于光切法的三維腳型測量儀原理及系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2002（4）：18-21.

[5]支衛(wèi)新，平雪良，田媛，等.鞋楦的數(shù)字化設計與軟件開發(fā)[J].計算機工程與應用，2016（3）：17-20.

[6]李思益，徐鋒，馬乾坤.個性化鞋楦的數(shù)字化設計方法[J].中國皮革，2003（8）：138-139.

[7]陳華蘊，李西兵，岳鑫，等.基于制鞋DIY互聯(lián)網(wǎng)定制的3D腳型數(shù)據(jù)采集[J].西部皮革，2018（11）：50-52.

[8]鄭輔鳴，江開勇，林俊義，等.鞋楦數(shù)字化設計制造系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].組合機床與自動化加工技術，2009（1）：24-29.