基于三维技术下健美鞋鞋楦设计

2018-11-29宣臻

艺术与设计·理论 2018年11期

关键词：加工特征模型

宣臻

（江西服装学院服装设计学院，南昌 330201）

引言

鞋楦在制鞋过程中发挥着重要的模具作用，出于对鞋楦设计效率的考虑，本文主要采用三维立体扫描技术来有效完成健美鞋鞋楦的设计，以满足穿着舒适的实际需求。

一、鞋楦是鞋设计的重要依据

在健美鞋设计中，鞋楦发挥着重要作用。鞋楦是健美鞋的母体，其特征点及特征线直接体现健美鞋的长短肥瘦及造型，并且决定了健美鞋的舒适度以及对脚部运动是否有利。鞋楦虽然是基于脚型规律而设计的，但其并非就是机械式地重复与模仿人体脚，是从科学分析的角度出发，对脚进行美化与艺术化的处理，技术性、艺术性特点突出，让鞋楦成为脚的模特，只有精美的楦型才能设计出精美的健美鞋。

（一）鞋楦标准化的应用

鞋楦主要是根据人的脚的形状而形成起来的，是鞋类设计中不可缺少的模型及定型工具。鞋楦的特征部位与特征尺寸众多，在这方面国家有明确的规定，即将楦底样长和长度每一部位的特征点与跖围为标准尺寸，鞋楦底盘宽度也应作为标准尺寸，楦底各部位宽度允许在加减半个型的范围内任意取值。楦底由第五跖趾部位之后，楦体上部楦统口后端点往前站脚长22%的位置处为鞋楦后身，在设计鞋楦时其后身可以不做任何改变，仅对其头式进行相应的调整。鞋楦标准化的应用缩短设计的时间，有利于实现产品标准化。

（二）鞋楦数据的重要特征点与特征线

鞋楦的特色是由特征点与特征线组成。鞋楦特征点是特征识别的前提条件，能够让设计者对扫描鞋楦特征点的位置及其功能有一定的掌握。从鞋楦测量学的角度上看，所谓鞋楦特征点，顾名思义就是标识测量位置的各个界点或者测点，如鞍点等。其一般处于脚尖最前点，楦后跟最后点等核心位置。国家明确指出，从两个方面体现鞋楦的特征信息：一方面是沿鞋楦底样长度尺寸，我们称之为“号”；另一方面是沿底样长纵剖面面积或周长，以说明鞋楦的胖瘦，我们称之为“型”。鞋楦表面存在两条特征线，我们将其共同定义成中心特征线为经过统口前点、绕口后点和鞋楦最前点的表面曲线；跖围特征线为鞋的楦头中宽度最大的表面曲线。鞋楦制作与以上这两个因素紧密相连，也是三维技术识别的核心数据。

> 图 1

> 图2

二、三维自动识别技术

三维自动识别系统通过数据识别来完善鞋楦设计。鞋楦的原材料主要以高压和低压聚乙烯混合物为主。如果鞋楦的结构及其造型设计的不合理，那么不仅妨碍了鞋的定型与舒适度，而且还会加大鞋的生产难度。

（一）数据识别原理

自动特征识别系统在对obj格式的数据文件读入后，可能得出所有类型的扫描鞋楦数据，像左鞋楦、右鞋楦等，从鞋楦的特征点角度来及时有效地识别，通过准确判断与识别所有数据种类明确后续处理步骤。如果实际识别的鞋楦特征点信息是不规律的或者难以识别到鞋楦部分核心特征点，那么这就不属于正确模型。鞋楦的形状与人体之间差别很大，但在获取鞋楦和人体的数据过程中，均采用三维扫描仪来获取的，存在诸多的相似点。因此可运用截面法识别鞋楦的特征。

（二）数据测量过程

通过预处理手段对系统读入的扫描数据文件进行一番处理后，统口前点与统口后点处于平面状态，并且楦后跟也有一些特征点处于平面状态，前撑与后撑均处于X轴的位置上。利用做过原点垂直于Z轴的切面以此掌握了解截面环求取统口后点、统口前点、楦底后端点等各部分的特征点。由于该截面环中涉及了鞋楦的最前点，因此再次进行切面最终获得鞋楦最前点。由鞋楦后跟凸点的地方根据X轴正方向相应的偏移距离进行垂直在X轴上的切面最终了解截面环，对于截面环中水平间距较远的属于跖围。以趾围为依据得到跖围的最高水平点与最低水平点。再次实施切面，该切面在Z轴上处于垂直状态，从跖围最高水平点到跖围最低水平点一定距离的方向偏移，以获得鞋楦最前点。进行以统口前点与鞋楦最前点为依据且在X-Z平面上处于垂直状态的切面以获取截面环，将截面环中一段截面线段的距离散纳入到中心特征线范围内。从鞋楦最前点、统口前点、统口后点角度来进行鞋楦的左右之分。（图1）

三、鞋楦三维模型的构建与加工技术

三维立体扫描技术在快速扫描鞋底实物、金属模型与实物模具后，得到具体的点云数据信息，对该数据进行相应的处理后生成了CAD三维数据模型，通过该模型完成鞋楦的模具设计。密切结合数字化技术与数控机床，构建具有个性化意义的鞋楦数据库，从而集足型扫描和鞋楦设计制作为一体。

（一）CAD鞋楦模型建立

在构建鞋楦的数学模型过程中，应开展必要的数学扫描，进而获得鞋楦CAD模型。比如，通过离散法造型构建鞋楦的曲面体模型；基于鞋楦的形体特征分为诸多个性质非常相似的面片，然后根据相关要求将诸多个面片拼接在一起，最后成为一个整体，将基于AutoCAD环境的Visual C+ +作为编程语言来完成鞋楦面的设计工作；此外，通过不均匀的B样条构建模型，通过openCL渲染环境，通过三维扫描技术完成鞋楦曲面的实体造型。此软件的优势在于采用数字化手段完成文件的输入与输出；一个楦头可以和各种鞋楦模型连接；明确裁剪剖面并实现良好的连接；对鞋楦侧面外形的长度进行一定的调整，通过扫描仪对侧面图形的数字参数进行及时读取，并在剪贴板中详细记录该数字参数；对各种鞋楦模型进行规范标准测量，并将测量的数据信息记录在精准化的技术文件中。

（二）CAD优化处理技术

三维技术优化设计鞋楦造型。以鞋楦的外形为基础提供一个数字化模型，通过扫描仪对鞋楦三个侧面的截面进行输入输出，再输入楦外形、楦跟、楦底、楦头来获得不同的部位的优化设计。首先，适当调整鞋楦进而设计一个新的楦头，第二，模板可选用扫描仪，也可选用剪贴板，在进一步选用楦跟编辑器，对楦跟的外观加以改变。第三，选用扫描仪或者文件的模板和楦底曲线编辑器，按照各种楦侧面和楦底对楦底的周边曲线进行准确的计算、整改及裁剪。新增或者不要楦底曲线，在需要的情况下再适当的加以调整，利用局部编辑器，在定义标准和较为封闭的空间环境中来进行不同程度的整改来获得满意的鞋楦造型。

CAD三维建模优化技术有效补充了传统设计的不足。以往中人们设计鞋产品时，一般都必要在完成样品楦后才能真正的看到最终的设计成效，这是传统设计的一大弊端。而随着计算机技术的发展，利用计算机能将样品楦的立体图形展示在电脑屏幕上，以便设计人员对一些欠缺的地方进行整改。这不仅有助于丰富设计人员的想象空间，设计更多更优的产品，而且减少了人力、物力的投入量，实现了较高的经济效益目的。

（三）CAD辅助加工技术

鞋楦三维造型软件的功能是对计算机屏幕上显示的鞋楦图形进行加工，通过CAD连接数控设备的进而使其变成鞋楦实物。数控刻楦机属于鞋楦CAD/CAM的最终输出设备，在整个系统中是不容小觑的环节，其精确性与可靠性的高低直接决定了正在加工的鞋楦的外观精美度。实际中，我们常见的加工方式有三轴数控铣床加工、快速原型法加工、专业开发数控刻楦机加工。其中，在鞋楦加工中应用三轴数控铣床，主要对鞋楦曲面进行划分，使其成为上下曲面，在铣床中进行分别加工，然后把上下曲面粘结起来，最后通过手工的方式打模出鞋楦母模。在鞋楦制造过程中采用快速原型法，首先利用层压辊对片材与热敏胶进行加压后粘结起来，并且处于上方位置处的激光器通过计算机CAD模型得到的数据，移动为位移控制器，经过一番切割，使其成为鞋楦轮廓形状，进行抛光处理后采用光亮剂涂抹于其表面。三轴数控铣床加工和快速原型法加工仅局限于对母楦的设计制造，无法投入到批量生产环节，为此，专用开发CAD数控楦机是鞋楦加工的最佳设备。

数控刻楦机主机通过三坐标联动的方式完成加工，通过专门的气动或者液压夹具把加工的毛坯楦固定于C轴上，在C轴步进电机的驱动下可将C轴作为中心旋转，并利用液压机构带动Z轴滑动工作台向Z方向迈进。利用X轴步进电机与丝杆带动处于Z轴滑动工作台上的X轴向工作台向X方向平行移动。利用平皮带驱动铣刀来使X轴滑动工作台中固定的防爆电机高速率转动。所以在X轴滑动工作台与Z轴滑动工作台的共同作用下，转动速率极快的刀盘能够自由地在X与Z平面上运转，对铣刀刀盘及C轴两个中心之间的距离加以控制就能够根据测量所得的鞋楦轮廓数据来顺利完成整个毛坯楦截面外部轮廓的加工，将一些不必要的材料全部切割掉，从而得到最终的鞋楦。（图2）

鞋楦的整体加工过程结束后，要用前面提到测量设备来精确测量成品鞋楦，测量所得数据应符合规定要求，及时发现产品的不足地方，并采取有效的整改措施，确保最终的成品与设计人员的模型相一致。

四、三维鞋楦设计技术展望

随着我国社会的快速发展，进一步加快了制鞋行业的发展进程，然而相较于西方发达国家的制鞋行业，我国的鞋楦设计技术还有待提高。要保证鞋楦设计的高效可靠性，就必须研发规范标准的鞋楦三维CAD/CAM系统。该系统可把测量所得的鞋楦数据信息储存于计算机中，由计算机实现三维模型。在计算机屏幕上显示设计结果，若结果未达到预期的要求，可重新设计整改，结合实际所需的尺寸，在尺寸的驱动下整改三维图形。通过三维软件开发平台如ACIS等完成鞋楦CAD系统的研发。随着CAD消费者数量的不断提高，鞋楦设计系统的未来发展空间广阔。制楦行业应注重借鉴其他同行业中运用的各类新兴高效的技术、工艺、材料等一系列对企业发展有巨大帮助的技术。深入到西方国家制楦行业中进行考察，吸收制楦精髓，并在此基础上加以创新。通过先进的电子快速测量法对整个国家群众的脚型进行全面普查，构建专门的脚型数据库，并以此为依据制定本国的鞋楦标准。实际中，有很多人因为穿鞋不当而最终引起了脚疾的发生。培养一批专业素质强的科研设计团队，筹集大量的科研经费，致力于研发更为精致的制楦工艺，重视科研的必要性，为制楦行业的健康稳定发展提供有力的技术依据。总而言之，我们只有尽快制定各类高效完善的措施对策，不断深入分析研究，才能达到国际先进水平，进而处于国际市场最前沿。