基于制鞋DIY互联网定制的3D鞋楦数字化设计

郭华忠

摘   要：鞋子的制造主要依靠鞋楦的设计，目前我国大部分制鞋企业鞋楦设计制造主要是根据经验手工反复修改制作而成，耗费时间长，而且制造出的鞋子质量很难保证。因此，应用数字化技术提高鞋楦的设计制造水平具有非常重要的意义。首先，采用3D激光脚型扫描测量仪，扫描获得鞋楦云图以及脚型相关数据;其次，通过建立实体模型数据库，实现对鞋楦的数字化管理;最后，在此基础上，应用CAD/CAM技术，根据需要留有适当的帮脚和衬脚度对楦型做部分修改，实现鞋楦的再设计过程。也可通过3D打印技术制作出鞋楦模型以及鞋底模型，作为模具为加工方便后期对于切割出来的鞋楦二维展开材料进行鞋靴制作。因此，文章基于个体脚型的数字化鞋楦的设计与制造过程，进行研究分析，并运用CAD/CAM技术，实现了鞋楦设计的数字化。

关键词：鞋楦;CAD/CAM技术;3D打印

1    制鞋行业发展现状

目前制鞋企业及工厂大批量制作的鞋楦是按照有关鞋楦型号及设计标准来设计制作的，这些鞋楦设计标准中所给出的相关数据，主要是根据统计规律和经验而制定。这样就造成了同一型号鞋楦制作出来的同一型号的鞋靴，有些人穿上合脚而有些人穿上不合脚的情况，而长期穿不合人脚生理情况的鞋，既会产生不舒服感又会严重影响人脚骨骼的发育和成形，对于有足部疾病的人，不合适的鞋靴甚至会恶化其症状，带来严重后果。对于运动员等特殊群体来讲，不合脚的鞋可能会显著地影响运动成绩。另外，鞋靴逐渐成为一种时尚潮流，是美感的呈现体和承载体，在设计鞋靴款式时，既要满足其舒适性，又需要满足靴鞋作为日用产品进行生产时美感呈现的需求[1]，但在目前的鞋楦制作中尚缺乏将美感量化的途径，在客观上难以实现理想中的设计。随着人们生活水平的逐渐提高，对鞋靴等也相应地有了更高的要求，时尚化、个性化已成为一种发展趋势。

2    数字化鞋楦设计制造过程

鞋楦是一个复杂的、多向不规则扭曲的自由封闭曲面，边缘线长，特征区域多，曲率变化剧烈[2]，造成其设计过程中的困难包括：（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，不方便根据特殊脚型来设计个性化鞋楦。因此，鞋楦的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）设计设计在近年来成为讨论的难题与热点问题，综合鞋楦的特征与传统制鞋工艺的经验，本文将鞋楦的设计制造过程大致归纳为以下几个步骤。

（1）以人脚为设计原型，先利用3D激光扫描测量仪器测得人脚形体数据，经数据处理后，形成鞋楦云图模型，完成人脚的数字化。

（2）根据需求对人脚模型进行修改后，将数据传输至CAM生成数控程序，并传输至切割机控制计算机中，采用振动切割机进行裁剪，即可加工出2D展开的鞋楦版块。

（3）由CAD生成各种文件格式（例如stl，iges文件格式），利用先进制造技术CAM可切割出鞋楦，也可由3D打印机制作出鞋楦模型，据此制作相应的鞋楦模具，用模具再成型鞋楦[3]。

具体设计步骤如图1所示。

3    测量方法及数据处理

从人脚到鞋楦属于一种逆向工程，即以人脚作为设计对象，反过来设计与制造得到鞋楦[4]。在这一过程中，有两项关键技术：（1）人脚表面相关数据的获取方法。（2）基于人脚数据的鞋楦曲面构造技术，以及需要解决将测量获得的原始数据传递给CAD/CAM系统中的技术问题。目前，脚型几何形体相关数据的测量方法有两种：接触式测头测量（如机械式测量仪器三坐标测量机）和非接触式测头测量（如光电扫描仪和激光扫描仪）[5-6]，考虑到人脚肌体的特殊性，采用激光扫描仪测量更合适，其特点是扫描速度快，测量脚型尺寸方便，可以对人脚表面进行密集扫描测量，从而获得大量“点云”原始数据值点。数据处理时，首先，根据经验判断并剔除测量原始数据中的无用点及坏点;其次，对数据点文件进行程序化处理，提取CAD建模所需要的有用数据并交由CAD系统进行曲线、曲面和实体造型;最后，得到原型的CAD数字模型，如图2所示。

4    鞋楦建模设计分析

分析人脚结构可知，其脚掌面较平坦，但非完全平面，人脚面是凸凹不平且完全非规则的。那么，作为人脚的模型，鞋楦形体上的曲面处处不同而且曲率变化大，既有平滑曲面的部分，也有尖角和棱边，所以是典型的不可展自由型曲面，对于如此复杂的形体，显然，如果完全按照人脚的形状进行几何建模[7]，在技术上相当困难，实际上也是没有必要的，可对过程适当简化处理，一般来说，人脚长度和围长（一般为拓趾围长及前跗骨围长）是鞋楦两个主要设计控制参数。在此基础上，对于一个确定的人的脚型来说，各种鞋型所要求的鞋楦的变化，主要是根据楦头、鞋跟高度等的变化而做相应改变，如图3所示。这两者变化均将引起楦体曲面的改变，描述楦体曲面的点线面将随之改变。由此，确定鞋头型、鞋跟高度为主参数变量。在建模时，可将鞋楦面划分成不同的曲面片，比如楦底面、前帮曲面片、后帮曲面片等。分别建模后，再将各个曲面片拼接起来形成鞋楦形体。在设计过程中，考虑到鞋子会刮到脚踝，为了后期制作出来的鞋靴实体脚踝处不受鞋后跟的摩擦造成伤害，针对鞋楦后跟处的弧度和帮脚度进行设计，根据不同人脚的特征和需求修改后跟弧线及帮脚线，从而能预留适当的弧度和帮角度[8]，如图4所示。通过软件制作得到的鞋款3D效果如图5所示。

5    结语

本文基于逆向工程和反求设计方法的思想，利用现代CAD/CAM技术，对个体脚型的鞋楦数字化设计进行了分析与研究，此种3D鞋楦设计具有精确的测量工具、支持多种数据输入方式、快速精确的楦面展平、直接在鞋楦上进行3D鞋款设计等优点。但还需要逐步解决人脚的测量方法和测量仪器准确性、数字化鞋楦的自动化加工方法和裁切精度等关键问题，如再加上鞋靴造型设计系统，就可实现从人脚到鞋楦，再从鞋楦到靴鞋的全面计算机化、数字化。本文所提出的方法也适用于对当今流行鞋靴以及鞋楦的反求设计与制造。

[参考文献]

[1]陆国栋，陈建，王进.基于CAD/CAM集成的鞋楦快速逆向成型技术研[J].机械，2006（9）：28-30.

[2]轻工业部制鞋工业科学研究所.中国鞋号及鞋楦设计[M].北京：轻工业出版社，1984.

[3]郝玉明，张赛珠.鞋楦设计基础知识[M].石家庄：河北美术出版社，1982.

[4]居琰，汪同庆，刘健胜，等.基于光切法的三维脚型测量仪原理及系统设计[J].传感器与微系统，2002（4）：18-21.

[5]支卫新，平雪良，田媛，等.鞋楦的数字化设计与软件开发[J].计算机工程与应用，2016（3）：17-20.

[6]李思益，徐锋，马乾坤.个性化鞋楦的数字化设计方法[J].中国皮革，2003（8）：138-139.

[7]陈华蕴，李西兵，岳鑫，等.基于制鞋DIY互联网定制的3D脚型数据采集[J].西部皮革，2018（11）：50-52.

[8]鄭辅鸣，江开勇，林俊义，等.鞋楦数字化设计制造系统的研究与开发[J].组合机床与自动化加工技术，2009（1）：24-29.