基于知识工程的鞋楦重构及制造技术

2020-11-23闫华军孙萃芳张双杰马世博

机械设计与制造 2020年11期

闫华军，孙萃芳，张双杰，马世博

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省材料近净成形重点实验室，河北石家庄 050018；3.河北省鞋靴产业技术研究院，河北石家庄 050081）

1 引言

鞋楦是鞋靴的成型模具，鞋楦的外形尺寸决定鞋靴的类型，并影响鞋靴的舒适度[1]。随着科技水平的不断提高，人们对生活质量的要求也随之提高。而鞋靴作为生活必需品，其舒适性和个性化将成为人们关注的重点[2]。传统制鞋主要借助刻楦师的经验，对标准样楦进行手工打磨，反复修改，并利用刻楦机进行切割加工成型，制作鞋楦的过程繁琐、周期长、成本高，该方法凭经验获得的实物鞋楦，很难用直观的数据借鉴给其他鞋楦，更不利于个性化鞋楦定制。随着逆向工程及CAD/CAM 技术的发展，鞋楦的数字化设计已经成为当前鞋楦设计的主流[3]。其应用过程是采用光学扫描仪对样楦表面进行数据采集与处理，利用现有的鞋楦设计标准、鞋楦设计表和楦与脚的关系方程，对鞋楦模型进行模型重构，依据个人脚型数据，对鞋楦进行放缩及局部修改，得到适合个人脚型的定制鞋楦[4]。该方法可以快速实现鞋楦的设计变更，减少设计周期，便于建立海量鞋楦模型库，实现模型数据共享。

目前，国内不少学者针对鞋楦参数化建模技术进行了研究，如基于足底压力分布的鞋楦参数化建模技术，基于非均匀有理B样条特征曲线自适应变形的个性化鞋楦定制系统，以及基于数学形态学方法提取鞋楦特征曲线骨架进行鞋楦重建的技术等[5]。以255 号常服皮鞋样楦为研究对象，基于知识工程对鞋楦的曲面重建以及模型参数化进行研究，主要流程，如图1 所示。

图1 鞋楦参数化重建流程Fig.1 Flow Chart of Shoe Last Parametric Reconstruction

2 鞋楦模型逆向处理

鞋楦的模型数据是制作鞋楦的基础，也是鞋楦改型的重要依据。对已有标准鞋楦，可利用逆向工程技术获取鞋楦模型点云数据，通过点云处理，获得精度较高的鞋楦数模。采用便携式关节臂测量仪对样楦进行点云数据获取，利用Geomagic 软件，对点云数据进行统一采样，精简数据；再进行去除非连接项、体外孤点和减少噪音，对数据进行修补，得到与模型误差较小的模型，逆向过程及模型处理结果，如图2 所示。

图2 鞋楦逆向处理Fig.2 Reverse Processing of Shoe Last

3 鞋楦曲面参数化重建

产品的模型重建是指从一个已有产品模型或实物零件产生出相应的CAD 模型的过程。针对上述获得的鞋楦点云，采取合理的数据处理方法，获得完整的实体数模。由于鞋楦是一个复杂曲面的集合体，楦面和楦底的曲面差别较大，很难采用统一曲线精确对其进行表达，本研究将鞋楦分为楦底与楦面两部分，分别获得楦底和楦面模型，两部分再进行拼接，得到完整的鞋楦模型。

鞋楦设计标准中主要参数包括长度、宽度和围度[6]。查阅中国标准鞋楦设计手册可知，常服皮鞋255 号样楦特征部位点的宽度尺寸及长度尺寸与脚长的关系，如表1 所示。仅表1 中几个特征参数可以控制鞋楦曲面基本轮廓线，由于鞋楦各部位曲面结构比较复杂，为了精确表达模型，通过增加特征平面，利用截平面法获取平面点云数据，并归纳相关曲线方程，最终通过参数曲线控制模型结构，如图3 所示。

表1 特征部位点的尺寸Tab.1 Dimension Value of Characteristic Position Points

图3 截平面法获取的平面点云数据Fig.3 Plane Point Cloud Data Obtained by Plane Truncation Method

3.1 楦底曲面参数化重建

楦底是鞋楦的底部曲面，楦底上几个关键部位决定了鞋底的基本形状，由表1 可知，拇趾、小趾、第一跖趾部位点、第五跖趾外段宽、腰窝和踵心是人脚的几个重要部位，也是决定楦底的重要部位。以鞋楦底面中轴线为基准，底面轮廓边界上的关键点控制基本轮廓，通过增加控制点，可准确控制鞋底轮廓，同时便于修改鞋底形状，楦底特征，如图4 所示。

图4 楦底特征Fig.4 Features of Shoe Last

依据鞋楦模型，创建鞋楦底面中轴线，如图4（a）所示。找到关键参考点楦尖点A，楦跟点O，楦拇指外突点D1，楦小趾外突点E1，楦第一跖趾部位点F1，楦第五跖趾部位点G1，楦腰窝部位点I1、J1，楦踵心部位点M1、M2，当采用样条曲线依次连接各关键点，即可勾勒出底面基本轮廓。为了精确控制鞋楦模型精度，在各关键点之间增加了辅助特征点，如图4（b）中增加了辅助特征点B1、B2、C1、C2、H1、K1、L1、L2等，顺序连接成首尾相连的样条曲线作为楦底轮廓线，上述特征点能够保证关键点位置准确基础上，使得整个轮廓线平滑光顺。

人行走时，一般以趾骨端部（图4 中F1点）为轴，完成小角度展平和收缩的过程，为了便于支撑行走，鞋楦一般设计F1趾端部为最低点，脚趾和脚跟空间升高。楦底的空间结构，如图5 所示。图 5（a）为楦底空间结构，然后以图 4（b）中心轴长度方向 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、M、L 点作为样条曲线的控制点，绘制楦底中轴线，如图5（b）所示。鞋底中轴线参考点坐标可根据需要设计不同的空间位置，结合图4 楦底正面参考点，共同组成不同类型的楦底模型。

图5 楦底曲面的创建Fig.5 Creation of Bottom Surface

3.2 楦面参数化重建

楦面是鞋楦的另一个重要组成部分，楦面设计比较复杂。楦面的主要控制参数包括长度、宽度以及围度尺寸。为了保证样楦的形状，以中轴线为矢量，以楦长的特征部位的长度尺寸为依据，创建平面截面，获得截面线，如图6（a）所示。然后使用最小二乘逼近法反算出沿长度的n 条NURBS 曲线[7-9]。并算出沿宽度方向的 m 条 NURBS 曲线。

NURBS 空间曲线表示，如式（1）所示。

式中：m，n—u，v 方向曲线的次数；

Vi，i—曲面的控制顶点；

Wi，i—控制顶点的权因子；

Bi，k（u）—u 方向的K 阶有理NURBS 曲线的基函数；

Bj，k（v）—v 方向的K 阶有理NURBS 曲线的基函数。

以控制点顺序连成的折线称为p（u，v）的控制多边形。将其与底面轮廓线交点连接成样条曲线，通过曲面创建工具，重建鞋楦楦面。通过二次逼近样条曲线可修正鞋楦结构，达到对鞋楦建模和修改的功能，最终创建的鞋楦，如图6（b）所示。

图6 楦面重建Fig.6 Reconstruction of Shoe Last Surface

3.3 鞋楦模型局部调整

以知识工程为平台，调节主控参数“脚长”，驱动长度、宽度以及围度尺寸的变化，由最小二乘法反复计算误差逼近鞋楦模型，最终获得245mm、275mm 号的鞋楦参数化模型。以255 号样楦点云模型为基准，如图7 所示。对比显示出根据最小二乘法计算获得的脚长为245mm、275mm 的鞋楦模型。图7 中不同鞋号的模型通过多条NURBS 曲线控制，不但能保证主要参考点位置，还可通过调整局部曲线调整鞋型局部形状，获得的数字模型，便于提供给数字化机床进行后期机加工，也方便通过3D 打印机打印模型。

图7 不同脚长的鞋楦模型Fig.7 Shoe Last Model with Different Feet Length

4 鞋楦的加工制造

常用的鞋楦为塑料材质，一般在切楦机上通过仿形加工方法切削出鞋楦。随着3D 打印技术的发展，样楦加工时，可以通过3D 打印PLA 或ABS 材料的鞋楦，因为打印材料具有较好的强度和加工性，打印出的鞋楦具有很好的实用性，比如以3D 打印的鞋楦模型开展鞋帮等设计[10-11]。

针对图7（a）所示的鞋长L=245mm 的鞋楦模型，由3D 打印机进行鞋楦打印，当鞋楦模型导入模型处理器，在处理器模块对鞋楦进行分层，从下到上进行分层处理，计算出每一层界面形状，利用3D 打印机打出模型。打印参数分布为：打印丝加热温度200℃，打印速度为60mm/s，填充密度15%，平台加热温度50℃。最终得到的样楦精度小于3%，打印过程及鞋楦打印去支撑后结果，如图8 所示。