基于proengineer鞋楦曲面体几何造型及鞋楦模具cad的研究（原版论文） .pdf

陕西科技大学 硕士学位论文 基于pro engineer鞋楦曲面体几何造型及鞋楦模具cad的研究 姓名 徐锋 申请学位级别 硕士 专业 机械制造及其自动化 指导教师 李思益 葛正浩 20030430 y 5 66 3 8 3 基于p r o l e n g in e e r 鞋楦曲面体几何 造型及鞋楦模具c a d 的研究 摘要 鞋楦是靴鞋设计和制造的基础 鞋楦的几何形状为空间复杂曲面体 实现鞋 楦的c a d 及制造自动化有着重要的理论意义和实用价值 本文运用现代设计理论及c a d c a m 技术 对鞋檀的三维造型设计和鞋楦模具 的c a d 进行了研究 一 根据曲线茴面的理论 建立了鞋楦曲面体的数字模型 基于 p r o e n g i n e e r 以v js u a lc 6 0 为开发工具 以m f c 作为类库基础 实现了鞋楦曲面体的参数化三维几何造型设计 大大缩短了鞋楦的设 计时间 提高了设计效率 初步实现了鞋楦设计的数字化c 二 根据t o p d o w n 设计的理念 利用p r o e n g i n e e r 操作平台 实现了鞋 楦模具的c a d 用其设计的鞋楦模具的三维模型直观 逼真 便于进 行干涉检查 为鞋檀模具的n c 加工提供了模型基础c 文中还对鞋楦的几种制造方法进行了比较研究 关键词鞋檀 k 杂 曲面体 3 维造型设计 模具设计 c a d s t u d yo nt h e3 dm o d e l l t sm o u l dc a db a s e d a b s t r a c t d e s l g no fs h o el a s t o nt h ep r o e n gln e e r t h isd is s e r t a t i o nh a ss h o e1 a s ta st h er e s e a r c ho b j e c t i t isk n o w nt oa l lt h a ts h o el a s ti sa3 ds o l i dm o d e lw i t hc o m p l i c a t e d q u i l t s 3 ds h o el a s ts o l i dm o d e l i st h ef o u n d a t i o no fm a n u f a c t u r i n go f s h o el a s to rm o l do fs h o el a s t i th a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r ya n d p r a c t i c a lw o r t h i n e s si nr e a l i z i n gc a da n da u t o m a n u f a e t u r i n go f s h o e1 a s t i nt h is p a p e r 3 dm o d e ld e s i g na n dm o u l dc a do fs h o e1 a s ta r e s t u d i e db y u t i l i z i n g m o d e r n d e s i g nt h e o r y a n dc a d c a mt e c h n o l o g i e s t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n sa r em a i n l y d i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n 1 a c c o r d i n g t oc u r v ea n ds u r f a c e t h e o r y t h e d i g i t a lm o d e l o f3 ds h o el a s ti ss e tu p b a s e do nt h ec a ds o f t w a r e p r o e n g i n e e ra n du s i n g v i s u a lc 6 0d e v e l o p m e n tc o n s o l ea st h ed e v e l o p i n g t o o l p a r a m e t r i cd e s i g no f3 ds h o el a s ts o l i d m o d e lw i t hc o m p l i c a t e dq u i l t s t op a r t i c u l a ro b j e c ti sa c h i e v e d t h e r e f o r e t h ed e s i g np e r i o do fs h o el a s t i sg r e a t l ys h o r t e n e da n dt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e dt o o 2 u n d e r t h eg u i d a n c eo fm o d e r nd e s i g nm e t h o d o l o g y t o p d o w nd e s i g n m e t h o d o l o g y t o p d o w nd e s i g np r o c e s so fs h o el a s tm o u l di si n t r o d u c e d a n dc a do fs h o e1 a s tm o u l disr e a l i z e db a s e d o nt h es o f t w a r e p r o e n g i n e e r t h e3 ds h o el a s tm o u l di so b v i o u sa n dd e f i n i t e i ti se a s y t oh a v ea ni n t e r s e c t i o nc h e c k i n go nd e s i g n e dm o u l d t h e3 ds o l i dm o d e l s w illb eu s e di nt h ep o s tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s u c ha sn cm a n u f a c t u r i n g a n dr p m k e yw o r d s s h o el a s t s o l i dm o d e lw i t he o m p l i c a t e dq u i i t s 3 d m o d e l i n gd e s i g n m o u l dd e s i g n c a d 1 1 第一章绪论 经过四十多年的发展 c a d c a m 技术己达到了一个崭新的阶段 现在c a d c a m 主要运 行在工作站或个人电脑上 工作站虽然性能优越 图形处理速度快 但价格却十分昂贵 这在一定程度上限制了c a d c a m 技术的推广 随着p e n t i u mi v 芯片和基于w i n d o w sn t 操 作系统的出现并流行 以前只能运行在工作站上的c a d c 川软件现在也可以运行在个人电 脑上 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的稳定性与w i n d o w s 9 5 9 8 等操作系统相比有了很大提高 一 方面工作站上著名的c a d c a m 的软件 如p r o e n g i n e e r c a t i a u g 全功能地移植到基 于w i n d o w sn t 微机平台上 使个人电脑完全毫不逊色地实现了工作站环境的处理能力 基于w i n d o w sn t 环境已与基于u n i x 平台的c a d c a m 软件平分秋色 而且基于w i n d o w sn t 环境正在成为主流平台 随着c a d c a m 技术的发展 建筑 电子 化工的领域也开始应用该技术 并且随着 c a d c a m 技术应用的迸一步深入 越来越多的领域将会使用该技术 所以 要能够紧跟时 代潮流 不断应用于新的领域 总丽言之 所开发c a d c a m 软件的最终目的是还是应用c a d c a m 技术 提高产品的设 计和制造水平 提高工作效率 缩短企业对市场的反应时间 增强企业的竞争力 1 1 鞋楦的研究现状 叫钉 鞋檀的c a g d 一直是制鞋工业的研究重点 文献 4 主要讲述了基于f i u t o c a d 的建模 研究 文献 5 讲述了基于o p e n g l 鞋楦c a g d 的研究 两者均是根据已有的制鞋标准进 行的研究 鞋植是人脚的模型 鞋的设计与制造都必须以鞋楦为基础 因此可以说没有 好的鞋楦就造不出好的鞋 由鞋楦的特点可知 鞋楦是典型的不可展曲面 目前所广泛 采用的手工制作母楦方法存在以下问题 1 造型设计或仿制中 手工制作母楦往往依赖工人的经验实现设计意图 精度保证 困难 劳动效率比较低 2 鞋楦不能用初等解析办法描述 目前靠离散点和围度等长度尺寸来描述鞋楦的基 本形状 国家标准给出的数据中 多为根据生理分析 统计结果或经验给出 且大多数是 楦底样投影于平面后的平面尺寸 而鞋是美感的承载实体 款式设计也同样需要定义大量 点以满足靴鞋作为工业产品进行生产时美感传递的要求 目前的鞋楦制作中尚缺乏将美量 化的途径 在客观上难以实现理想中的设计要求 3 鞋楦的设计必须符合解剖学及运动生理学的理论 因而需要对脚型进行大量的统 计 分类 形成一套鞋楦设计的理论和几何描述及修改方法 但是传统的设计年n f s u 作方法 以人工为主 很多知识停留在经验上 缺乏定量分析 难以满足优化设计的要求 4 由于模具的设计制作需要一定时间 而市场瞬息万变 设计周期越长 市场应变 能力就越差 相应的经济效益也就越低 1 2 课题的提出和意义 人们穿鞋的目的是保护脚并便于行走 而在以传统方法设计和制造的鞋楦的基础上生 产出的鞋存在以下两点需要解决问题 1 对于单个个体 工厂流水线生产的鞋不一定适合他的脚型 2 长期穿不符合人体脚的生理特点的鞋会影响人体脚骨的发育 正是由于上述原因 为了适应人们不断增长的物质需求 本课题提出了基于单个个体 脚型的鞋楦设计和制造的实用研究 本课题研究的意义在于使过去只有经验丰富的老鞋匠才能定做出的鞋 如今借助现代 先进的计算机技术和制造方法同样也可以制作出来 使更多的人可以穿上符合自己生理特 点的靴鞋 1 3 课题的研究内容 鉴于鞋楦是空间复杂曲面实体 本课题将利用先进的c a d c a m 技术和理论进行以下 方面的研究 1 根据课题特点 按照逆向工程的要求 提出了鞋楦曲面的三曲面划分方法 2 根据鞋楦曲面体的c a g d 数学描述要求 以v i s u a lc 6 0 为开发工具 以m f c 类库作为基础 编写了基于p r o e n g i n e e r 的面向个体的各型鞋楦的3 d 实体 参数化设计程序 实现了鞋楦曲面体计算机表示和参数化三维几何造型设计 3 根据t o p d o w n 设计的理念 利用p r o e n g i n e e r 操作平台实现了鞋檀模具的 建模和装配设计 三维模型直观 逼真 便于进行干涉检验 大大节省了产 品的设计时间 提高了设计效率 同时单一工程数据库使得设计变更便捷 并能迅速地反映在零件图上 4 总结介绍了目前鞋檀加工的几种可行方法 第二章理论基础 2 1 曲蓓淄粥赣匆赶芰展嘏兄 自由型曲线曲面因不能由画法几何与机械制图表达清楚 成为摆在工程师面前首 要解决的问题 1 9 6 3 年美国波音 b o e i n g 飞机公司的费格森 f e r g u s o n 首先提出将曲 线曲面表示为参数的矢函数方法 他最早引入参数三次曲线 构造了组合曲线和由四 角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的费格森双三次曲面片 这些方法由f m i l l 系 统实现 由它可以生成数控纸带 费格森所采用的曲线曲面的参数形式从此成为形状 数学描述的标准形式 1 9 6 4 年美国麻省理工学院 m i t 的孔斯 c o o n s 发表了被称为孔斯曲面的一 般性的曲面描述办法 提出围成封闭曲面的四条边界就可以定义一张曲面 它与费格 森双三次曲面片的区别 仅在于将角点手兀炙 1 零欠帚取为1 r 零t 帚 两书部存卞 控制和连接问题 由舍恩伯格 s h o e n g e r g 1 9 6 4 年提出的样条函数提供了解决连接问 题的一种技术 但不存在局部形状调整的自由度 样条曲线曲面的形状难以预测 1 9 7 1 年法国雷诺 r e n a u l t 汽车公司的贝齐尔 b e z i e r 发表了贝齐尔方法 实现了只要移动控制顶点就可以方便地修改曲线形状 且形状的变化完全在意料之 中 但贝齐尔方法仍然存在连接问题和局部修改问题 1 9 7 2 年德布尔 d eb o o r 给出了关于b 样条的一套标准算法 1 9 7 4 年美国通用 汽车公司的戈登 g o r d a n 和里森费尔德 r i s e n f e l d 将b 样条理论应用于形状描 述 提出了b 样条曲线曲面 它几乎继承了贝齐尔方法的一切优点 克服了贝齐尔方 法的缺点 较成功地解决了局部控制问题 存参数连续巾牛的幕1 i r 解决了连接问题 然而应用于圆锥截线和初等解析曲面却是不成功的 只能给出近似的表示 1 9 7 5 年美国s y r a c u s e 大学的弗斯普里尔首先提出了有理b 样条方法 它采用分子 分母参数多项式和多项式函数的有理分式表示 且经常以非均匀类型出现 因此称之 为非均匀有理b 样条 n u r b s 方法 它成功地解决了初等解析曲面的描述问题 以 后主要由于皮格尔 p i e 9 1 和蒂勒 t i l l e r 等人的进一步研究 n 8 0 年代后期 非 均匀有理b 样条方法成为用于曲线曲面描述的广为流行的技术 2 2 曲线曲面的计朝辅助八舸设计 计算机辅助几何设计 c o m p u t e ra i d e d6 e o m e t r jcd e s ig n 空 汽车等现代工业发展与计算机的出现而产生和发展起来的一 一术语最早由科学家b a r n h i l l 和r i e s e n f e d 在美国u t a h 大学的一 以用来进行c a d 计算机辅助设计 中更多的数学方面的描述 的修饰词 类 零件 息 c a g d 的主要研究对象是工业产品的几 一类是仅由初等解析曲面例如平1 i i j 缩写c a g d 是随着航 门新兴学科 c a g d 这 次国际会议上提出 几何 何形状设计 工业产品的形状大致可分为两 圆柱曲 吐j 锥曲 球血善纽战 人多数杌 k 属于这一类 可用画法几何和机械制图完全清楚表达和传递所包含的全部形状信 第二类是不能由初等解析曲面组成 而以复杂方式自由变化的曲线曲面即所谓自 由型曲线曲面组成 例如飞机 汽车 船舶 鞋楦的外形等 传统上用模线样板法表 示和传递自由型曲线曲面的形状 这种采用模拟量传递的设计制造方法要求设训人员 付出繁重的体力劳动 设计制造周期长 制造精度低 互换协调性差 随着计算机的 出现和发展 解决了将形状信息从模拟量转变为数值量过程中大量数值计算问题 使 采用数学方法唯一地定义自由型曲线曲面成为现实 同时也大大推动了c a g d 学科的迅 猛发展 依掘定义形状的几何信息 应用c a g d 提供的山i 上 i 9 l lc j 以也 叫 i 1 1 l 鼓 程即数学模型 并在计算机上通过计算和处理程序 计算出曲线曲面上大量的点及其 它信息 同时可进行实时地交互和修改工作 其间 通过分析和综合就可了解所定义 形状具有的局部和整体的几何特征 形状的几何定义为所有的后置处理如数控加工 物性计算 有限元分析等提供了必要的先决条件 z 3 面的数据结构描述 面数据结构是由描述面边界的数据和一个指向它所在的图元面指针构成 其中 图元面是由两个变量参数 成 因为每条边连接着两 值 面边界是围绕面的外 中总有一个固定的方向 u 和v 控制的三维几何面 面的边界是一组封闭的边组 个面 所以每条边含 法矢作逆时引排列的 有构成两个面所需的交界部分的u 丽的数据结构还包含有二维域的四边形扩展 三维面和一一个面的法向点方向的标 2 3 2 1c o o n s 曲匝数据结构描述 c o o n s 曲面用于将各个曲面拼结到一起 例如 当三个不同半径的的倒角在一角 会合时 你就可以使用c o o n s 曲面 如图2 8 所示 d n j u r v e 数据格式 l ec u r v e r i c u t v e d nc u r v e u p c u r v e p o i n l m a t r i x 2 2 u v d e rm a t t l x 2 2 u o 边界 u 1 边界 1 0 边界 v 1 边界 角点矩阵 角点派生矩阵 2 3 2 2 倒角曲面数据结构描述 倒角曲面用于曲线边的圆弧倒 角或者用于一边不定圆弧半径的倒 角 圆柱面可用于直边的倒角 v 如图2 9 所示 数据格式 u 删2 c v u o r 3 c o o 僻p 越c h t p n l 一s p l i n e 延边界u os p l jn e 曲线p v c 一s p l i n e 延倒角圆弧中心s p l i n e 曲线c v t a n s p l i n e延倒角圆弧轴线单位切矢s p l i l 3 e 曲线t v 参数方程 r v p v 一c v f x y z c f v r f v c o s l u t i v xr v 4s i n l u 2 3 2 3 s p i ir l e 曲面数据结构描述 s p l i n e 参数曲面是一个通过已知各点切向量的网格的非有理双三次b 样条曲 面 陔网格在u v 空间是由曲线构成 s p i i n e 曲面主要用于角点的双三次混成 如图 2 1 0 所示 v p a ra r r o u pa f a r r o u 1 3 a r a r r l n u 一1 图2 10 f i g 2 10 u 向点的参数 u 维 v 向点的参数 n v 维 叠代点的数组 n uxn v 维 叠代点的u 向切向量数组 n uxn v 维 叠代点的 r 向切向量数组 n uxn v 维 叠代点处的派生混合数组 n uxn v 维 23 2 4n u r b s 曲面数据结构描述 n b r b s 曲面是通过以 y 为参数的基本函数方程 结点的可扩展数组 权重和 钉朝簧钉明朗口口口口 式 一一 阱一 一 眦 拊 町潞一 蚍一 一址衙 数 u v 一 u v w 控帝 点定义的 如图2 一l l 所示 数据格式 o e g 2 基本函数方程的元数 u d a t 一8 r r 参数线u 的结点数组 v p a tg e t j 参数线r 的结点数组 w g h t s 有理n u r b s 的权重数组 c p o i n t a r r 3 控制顶点数组 方程 n ln c i j x b 姑 u x b r u v 眚 嚣 一 w i b k u b j l v j o l to 女 u 向的次数 j 1 向的次数 7 u 向结点数 一 u 向的次数 一2 乡 i t 向结点数 一 l 向的次数 一2 厅 u 向基本函数方程 j 否则为 1 叮甸基卒函数方程 h 权重 c o n z r o p o i n t s x y z u 上述的曲面数掘结构描述在使用软件进行复杂曲面建模时将起指导作用 列于f 确合理地建模具有重大意义 3 1 概述 第三章鞋楦的测量及数据处理 本章主要通过对鞋楦的空间面结构的分析 根据逆向工程的要求 采集并处理构造鞋 檀复杂曲面所需的数据 为后续复杂曲面造型做准备 3 2 逆向工程与反求设计简介 在产品的开发设计过程中 产品模型的获得是关键 无论该产品模型是数字模型还是 物理实物模型 但是 为了方便随后的加工以及对产品数据的管理 需将物理实物模型转 化为产品的c a d 数字模型 与这种从物理模型获取产品数字模型技术的技术即是反求工程 该设计方法称为反求设计 反求工程 r e r e v e r s ee n g i n e e r i n g 主要是指对于那些客观存在的几何实体 通 过对几何实体的测量 将测量得到的物理数据经过相应算法的处理 得到测量几何实体的 表达模型 这种实物原形再现 三维重构实物 并根据所重构实体 利用相应的软件 产 生数控加工指令进行加工的方法 也可称为逆向工程 3 2 1 反求工程基本思想 反求工程是消化 吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合 是一门跨学科 的综合工程 反求工程的内容包括 设计反求 工艺反求 管理反求 等等 其中最主要 的是反求设计 反求设计的研究对象是原始产品模型 通过对原始产品模型的功能 原理 参数 尺寸 材料和结构等等 进行深入的分析研究 从中获得产品设计的思维规律 设 计思想系统的组成 特点和内在联系 特别是关键技术 并对设计不足之处有所评价 在 此基础上 进行测绘仿制 变参数设计 适应性设计或开发性设计 创新设计 3 2 2 传统设计方法与反求设计之比较 产品的传统设计开发过程一般从确定功能和规格开始 先构思产品原理及其构成 设 计零部件 将设计结果以图纸的形式表达出来 再由制造人员制定工艺规程 制作零部件 组装 性能测试等等 这种开发模式如图3 1 所示 广 广 广 厂 广 l 确定功能i 一构思原理i 一图纸设计i 一零部件l 一组装及l 及规格 及构成lil 制造jj 调试l 斟3 1 传统设计模式 f i g 3 1 7 r a d il j o n a d e s i g n m o d e 反求设计是以某 特定产品为参考对象 就单一产品来讲 通常是具有复杂曲面特征 的样品或模型 例如人脚 鞋檀 涡轮叶片等等 通过对产品形态与性态的分析 完成新 产品的设计 所以是一种 二次设计 再设计 为了准确把握参考对象的形态与性态 要利用3 d 数字化测量仪器 快速 准确地测取产品的相关数据 再将数据输入c a d c a m 系统 进行必要的编辑 修改 创建成型 同时由c a m 系统生成n c 加工刀具轨迹 再传 到c n c 加工机 制造出所需的产品 或模具 或者将c a d 系统生成的s t l 文件传至快速 成型机 把样品 或模具 制作出来 反求设计模式如图3 2 所示 1 一 j 图3 2 反求设计模式 f i g 3 2 r e v e r s i n gd e s ig nm o d e 很显然 在反求设计过程中 并不仅仅是复制原有的产品 而是要掌握原有的设计理 念 经过修改后 建立一个类似的新设计模型 要完成好这种 再设计 就需要了解产 品及其 物化技术 的发展动向 需要深入分析研究 知其所以然 运用系统工程 价值 分析 优化工程等现代设计理论与技术 达到掌握关键技术之目的 上要 萄 茜 p 3 3 鞋楦的基本结构 为了表达出鞋楦的空间结构 般有两组数据 如图3 3 所示 一组为沿鞋楦底样长 度尺寸 称为号 另一组为沿底样长纵剖面面积或周长 围度 表示鞋檀的肥瘦 称为 型c 图中给出了沿鞋楦底样长度方向的关键点和主要尺寸 其中a 一楦体前端点 b 脚趾端 点 c 前掌着地点 d 楦体后端点 e 后跟凸点 f 一统口后点 g 统口前点 一楦全长 2 楦底样长 3 楦底长 4 楦全长 5 鞋楦厚度 6 一统口长 7 后身长 8 后跷高 9 前 跷高 1 0 一后容差 h i 一统口宽 三置三笋 川 图3 3 鞋楦曲面体 图3 4 固度的测量 f i g 3 4m e as u r e m e n to fe n c l o s e d b o d y 沿鞋楦全长纵剖 还有三个围度 如图3 4 所示 其中1 跖围 2 跗围 3 兜围 通过上述两组数据 即可将鞋楦曲面体基本表达描述清楚 3 3 1 楦体上特征点的定义 楦体是由三部分组成的 相对于脚弯或脚腕部位 鞋楦横向截面是扁长形的 叫做鞋 楦的统口 相对于脚面 脚背和脚后跟的侧面部位 形似脚罩的整个曲面 叫做鞋檀的楦 面 相对于脚底板的鞋楦底部曲面 叫做鞋楦的楦底 鞋楦的统口与楦面相交 构成一条空间性质的封闭曲线 叫做统口边沿线 这条曲线的中 间是长方形的 前后两端成圆弧形 鞋楦的楦面与楦底相交 形成一条空间曲线 叫做楦底边沿曲线 其形态比较复杂 它的前后两端近似圆弧线 外怀中部属偏直一些的缓坡曲线 内怀中部是与脚底弯近似的 自田曲线 在鞋楦后身端正的条件下 通过楦底前后两端圆弧曲线和统口前后和统1 3 前后两端边 沿曲线中点的平面 从正中将鞋楦分为内 外两部分 分别叫做内怀和外怀 鞋楦体与这 个平面的相交处 构成一条平面曲线 由这条封闭曲线围成的图形 叫做鞋楦纵剖图 在鞋楦的纵剖面上 鞋楦底边沿前后两圆弧中点 分别叫做楦底前端点和楦底后端点 这 两点之间的连线 在楦底面上 从垂直于楦底的方向看是直线 垂直于纵剖面方向看是一 条曲线 叫做楦底轴线 鞋楦统口与鞋植纵剖面的交点 分别叫做统口前点和统口后点 它们的连线位于鞋檀统口中间 叫做统口线 楦底前端点与统口前端点之间的连线叫做背 中线 位于楦面前部正中间 从俯视的角度看是 条直线 从纵剖面上看是一条曲线 楦 底后端点与统口后点之间的连线 叫做后弧线 位于楦面后身的正中 由后向前或俯视的 方向看 条直线 在剖面上它是一条曲线 鞋檀的檀体包括楦底 楦面和两者相交而成的檀底边沿曲线等三部分 人脚的各个特 征部位和关节点 在楦底轴线上的对应位置叫做部位点 如图3 5 所示 其中 a 一楦底后 端点 b 一外踝骨中心部位点 c 一要窝部位 d 一前跗骨凸点部位 e 第五跖趾关节部位点 f 一前掌凸度部位点 g 一小趾端点部位点 h 拇趾外凸部位点 i 脚趾端点部位点 j 楦底 前端点 图3 5 人脚的各个特征部位和关节点 f ig3 5f e a t ur e dp o s i t io r lsa n dn o d e s 在檀面的背中线和统口边沿线上 与各部位点相对应的点 叫该部位的标志点e 其中 a r 统口后端标志点 b 一外踝骨标志点 c n 一腰窝标志点 d r 跗骨标志点 f 一前掌凸度标志 点 g 一小趾端点标志点 h 一拇趾标志点 i 一脚趾端点标忑点 k c 一统口前端标志点 这些标志点中 d f g h o 和i 位于楦面的背中线上 抓b 和k n 都位于统口边沿 线上 而且b 在内 外怀上各有一个 c 点一般有两种情况 是t ek c 前面的背甲线上 二是在k 后面的统口线上 直线厩叫做基础坐标轴线 p 直线叫鞋楦的后跷线 而直线是楦底轴线的投影 直线 曲线石万是檀底轴线 万瓦曲线是鞋檀的背中线 a i a o 一曲线是后弧线c 根据脚的 生理结构和运动状况 b b o c c o 和 d d o 应垂直于鞋楦的后跷线 g g o 丽j 和瓦应垂 直于鞋楦的基础坐标轴线 j 瓦线因后跷高度和承受重力的缘故 原则上应垂直于后跷线 的中线 在楦底边沿线上 与各个部位点相对应的点 叫该部位的边沿点 因为脚和檀均有内 外怀之分 所以边沿点必然有内 外之分 一般在该部位文字符号的右下角用角码来区分 角码为 1 是外怀边沿点 角码为 2 是内怀边沿点 其中 a 楦底后端外边沿点 a 一 楦底后端内边沿点 b 一踝骨外边沿点 b 一刻骨内边沿点 c 腰窝外边沿点 c 一腰窝内边 沿点 1 3 1 跗骨外边沿点 d 一跗骨内边沿点 e l 第五跖趾外边沿点 e 一第五跖趾内边沿点 f 一前掌凸度外边沿点 f 2 前掌凸度内边沿点 g 一小趾端点外边沿点 g 一小趾端点内边沿 点 h i 拇趾外边沿点 h 一拇趾内边沿点 i l 脚趾端点外边沿点 i 一脚趾端点内边沿点 j 一楦底前端外边沿点 j 一楦底前端内边沿点 3 3 2 部位点的标定 楦体上各个部位点的计算公式为 某部位的长度 脚长 该部位脚型规律 一后 容差 公式中脚长一般指中等脚长 即成年男子是 图3 一 鞋楦体周期b 样务曲 2 5 0 r a m 成年女子是2 3 0 m 根据文献的说明 中 嘻3 6b s p l i 0 f5 h i a s l i f e 等鞋号的鞋檀 不论样式和楦底样长度怎样交化 只要同属一类 后容差的数据不变 那 么它们各对应部位的数据是相同的 3 3 3 鞋楦曲面体划分方法 很显然 将鞋檀表面视为一个整体封闭曲 面来描述是很困难的 若将其视为多个曲面片以菜甜连接要吏 含 趁 吲 尘1 1 j 要柙 4 容易 那么 如何对鞋楦曲面体进行划分 是一个至关重要的问题 文 4 归类提出了以下 三种划分方法 1 封闭曲面将鞋楦体表面视为一整 张曲面 采用周期b 样条曲面描述 如图 3 6 所示 2 纵剖面划分沿长度方向用纵剖面 把楦面划分为内外怀两子曲面片 再加上楦 底曲面片 共将鞋楦体曲面划分为三个子曲 面片 如图3 7 所示 外怀 精腻 l i i f i i j 面 鹰3 7 f i g 3 3 等后身划分以第五趾处的横截面 作为前后剖分平面 将鞋楦曲面分为前后两部分 前半部分再细分为楦面和植底两子曲面 片 后部曲面可以用周期闭曲面来描述 前部的两张子曲面片则用丌曲面表示 如图3 8 所示 巢h 麒趾酃救馘 蹄j 越 帅 鄹 图3 8等后身划分 f ig3 8e q u a id iv is io i l o fb a c kb o d y j 讪 结合课题需要 本论文将采用另一种曲面划分方法 将鞋楦曲面划分楦头曲面 连接 曲面 楦身曲面三曲面和底面 其中连接曲面是以第五趾处的横截面为中心横截面 向前 后分别作8 毫米平行截面所截得的曲面片 如图3 9 所示 3 4 数据的测量 图3 9 三段曲面加底面划分 f i g 3 9 t h r e es u r f a c es 口i u sb o t t o ms u r f a c e 随着c a d 技术的不断发展 只要掌握正确的设计方法 在已有原始数据的基础上进 行设计已不是很困难的事了 现在的关键问题是怎样获得准确原始数据并传入c a d 系统 从工作流程图3 2 可以看出 鞋楦的反求工程中有两项关键技术 一是样件表面点获取技 术 二是曲线曲面构造技术 模型的表面数字化可通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐 标数据 曲线曲面构造技术是通过对测量数据的处理 提取c a d 建模所需要的有效数据并 交由c a d 系统进行曲线 曲面和实体造型 以得到原型的c a d 数字模型 3 4 1 表面数字测量技术 所谓表面数字化技术是指采用某种测量方法和测量设备测出实物表面的若干组点的 几何坐标 随着传感技术 控制技术 制造技术等相关技术的发展 样件表面数字化方法 也越来越多 表面数字化技术通常有非接触式和接触式技术两种 非接触式测头不接触待测物体的表面 起数据传递介质有激光 电磁场 声波3 种 较为常见的是以激光为媒介的激光三角形法和激光成像法 非接触式测量的特点是测量速 度快 因而可以相当密集地对产品表面进行测量 形成所谓的 云点 数据 接触式测量 有点位触发式数据采集和连续式数据采集两种 前者采集速度较低 一般只适于零件的表 面形状检测 或需要数据较少的表面数字化的场台 后者速度较快 因而可用于采集较大 规模的数据 此外 根据采集数据所采用的机械驱动装置和数据采集原理的不同 采集到 的数据分布有完全散乱和呈一定规则分布两种类型 外形数据的反求测量通常可用三类设备 三坐标测量机 电子扫描系统 激光测量机 三坐标测量机具有测量精度高 功能齐全的优点 但价格昂贵 且测量速度不如激光 激 光测量机具有测量速度快 非接触的优点 电子扫描系统具有价格比较低 使用方便的优 点 但精度相对低一点 且功能较少 在本课题中 考虑到技术的先进性和课题经费 决定采用三坐标测量机 3 4 2 三坐标测量机的性能特点 三坐标测量仪 c m m c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e 是近几十年发展起来并得到 广泛应用的一种典型的通用测量设备 其性能特点是高精度 高效率 分辨率在微米级以 上 示值精度在微米级 三坐标测量机的基本工作原理是 将被测零件放入三坐标测量机 的测量空间内 通过探头的检测 可获得一系列与被测几何元素有直接关系的探头控制点 坐标 根据这些点的空间坐标值 经过数学运算求出被测元素的几何尺寸 相互间的位置 尺寸以及存在的尺寸误差与形位误差 从三坐标测量机的工作原理可以看到其测量的高效性 1 三坐标测量机能在一次装夹的情况下 通过探头的有效组合 完成零件中几乎所 有几何元素的测量 2 借助于三坐标测量机自带的计算机和测量软件可以完成对所测元素的误差计算与 统计 34 3 三坐标测量机的测量工艺特点 1 对被测零件的安装要求 由于三坐标测量机在实际的测量过程中是在获取测量点的数据后 以数学计算的 方法还原出被测的几何元素及它们之间的位置关系 因此 测量时所考虑的是如 何在工件的一次装夹后 完成尽可能多的测量任务 以确保零件的测量精度 减 少由于多次装夹 测量造成的测量换算误差 2 测量基准的要求 三坐标测量机直接得到的是空间点的坐标值 c 1 1 m 有其本身的机器坐标系 而工 件的检测信息是在工件设计坐标系下的 因此进行检测前首先要确定工件坐标系 与机器坐标系之间的位置关系 即需在机器坐标系中对工件进行找正 进行坐标 基准的换算 3 测量工装的要求 测量工装对于传统的测量方法而言起着举足轻重的作用 而在三坐标测量机的测 量中 其真正的作用在于提高整个测量过程的工作效率 在三坐标测量中应用测 量工装能使测量方法规范化 测量过程自动化 分析计算简单化 其效用在批量 零件的检验中最为明显 4 测量结果的换算 三坐标测量机的读数是测量对象的坐标值 工件的尺寸 位置的关系均需进行相 应的结果换算 特别是测量机系统记录的是测头中心的坐标 而非接触点的坐标 为了获得接触点的坐标 必须对测量值进行测头半径的补偿 5 测量方式 三坐标测量机的测量 目前有手动 示教和自动测量三种方式 手动方式下 不 需要编程 由操作人员直接控制测头的移动和采点 示教方式下 由操作人员先 将检测的所有动作执行一遍 c 删记录下这些动作 以程序的形式加以存储 用 于以后完成该项目的自动检测 自动测量则是由微机来控制c m m 的测量过程 手动测量的效率低 精度不如自动测量的高 这是由于自动测量的测量过程中 能够准确地控制测量力 测量速度和测量方位 进而提高整个测量的精度 重复 精度高 特别是对批量零件的测量应尽量采用自动测量方式 通过三坐标测量机对鞋楦表面上的特征点的测量可得到的鞋檀表面的离散点三维坐 标c 下面要做的工作是对采集的数据点的处理 3 5 数据的处理 数据的处理是数据的采集到传入c a d 系统的中间必须环节 因为采集的原始数据点可 能含有坏点 而且还要对数据点文件进行程序化处理 本节将介绍p r o ei b l 格式的数据 点文件进行程序化处理 采用m i c r o s o f tv i s u a c h 6 0 进行m f c 编程 3 5 1p r o e ib i 格式简介 在原始测量数据文件的开头加o p e na r c e n g t h 和b e g i ns e c t i o n 在每段线开始处 加b e g i nc u r v e 将原始测量数据修改为p r o e 能识别的i b l 数据格式 结果如下 o p e na r c e n g t h b e g i ns e e i o n b e g i nc u r v e b e g i n c u r v e 3 5 2 软件开发工具 1 2 9 6 0 0 0 0 0 1 2 9 4 0 0 0 0 0 1 3 5 5 0 0 0 0 0 1 4 6 5 0 0 0 0 0 1 5 7 0 0 0 0 0 0 1 2 9 2 0 0 0 0 0 1 2 9 4 0 0 0 0 0 1 3 6 1 0 0 0 0 0 1 4 6 8 0 0 0 0 0 1 4 1 9 0 0 0 0 0 1 5 9 3 0 0 0 0 0 1 7 4 0 0 0 0 0 0 1 8 5 2 0 0 0 0 0 1 9 0 0 0 0 0 0 0 1 4 3 0 0 0 0 0 1 5 8 3 0 0 0 0 0 1 7 2 0 0 0 0 0 0 1 7 8 8 0 0 0 0 0 3 6 3 0 0 0 0 0 3 6 3 0 0 0 0 0 3 6 3 0 0 0 0 0 3 6 3 0 0 0 0 0 3 6 3 0 0 0 0 0 5 6 3 0 0 0 0 0 5 6 3 0 0 0 0 0 5 6 3 0 0 0 0 0 5 6 3 0 0 0 0 0 v is u a ic 6 0 是m i c r o s o f 公司推出的基于w i n d o w s 操作平台的强大的软件开发工 具 它以c 为核心语言 并引入面向对象的设计思想 是目前最受欢迎的软件开发工其 之一 面同对象的软件设计 o o d 方法提供了对象 方法和消息等一整套概念和抽象数 据类型机制 使设计人员能更自然 更方便地遵循软件设计的三条重要原则 即抽象 信 息隐藏和模块化 与其它方法相比 o o d 的模块化不再仅仅局限于过程处理部努 而是通 过将数据及对数据的操作封装在一起 共同完成信息和处理的双重模块化 图形化用户界 面的操作系统 w i n d o w s 和用户操作是图形界面接口g u i 从编程的角度来看 它有许多 资源可以利用 并且 模块化的编程方法 事件驱动的应用程序以及消息循环都可大大简 化编程过程 m i c r o s o f tf o u n d a t j o nc l a s s e s 简称m f c 是微软为利用v c 开发w i n d o w s 应用 程序而提供的应用程序框架 在该程序框架的支持下 程序员主要任务是填写各自特殊部 分的代码 m f c 基本由1 3 0 多个类构成 这些类封装了二千多条a p i 函数 该类库主要包括两组 类 一组是一般用途类 该类提供了很多重要的抽象类 另一组是o l e 类 即o b j e c l i n k i n g a n de m b e d i n g 对象的链接与嵌入 专门用于o l e 编程 采用m f c 编程的优点 1 将代码和数据封装在类中 引入类的概念 极大地降低了编程的复杂性 以前采 用a p i 编程 需要清楚2 0 0 0 多条函数的用法 如今采用m f c 编程 只要了解1 0 0 多个类 的用法就可以了 而且m f c 允许a p i 与m f c 的混合使用 2 类的继承实现了基本的代码重用 程序员可通过类的继承 来使用m f c 预定义的 大量类 而且 m f c 还在这些类中定义了大量的虚函数 也就是说 不但可以保存这些函 数的原有特性 为了使之具有某些新特性 还可以对其进行修改 3 m f c 提供了许多强有力的编程工具 比如说 可以利用类向导 c l a s s w i z a r d 在 程序中添加类 变量以及在程序中传递各种信息 也可以利用应用程序向导 a p p n i z a r d 来建立应用程序的框架 还可以通过控件向导 c o n t r o l w i z a r d 创建控件 可在w i n d o w s 中注册 等 而a p p s t u d i o 可用来从直观的方式构造用户接口和编辑多种资源c 3 5 3 曲面数据点的p r o ei b i 格式的软件实现 运行我编写的c h a n g e 软件 主要有以下四步骤 1 由于要处理的数据文件不只一个 所以应先建立一个文件夹 如图3 一1 0 所示 图3 10t e s t 文件夹 f i g 3 lo t es td o c u m e n t 2 运行c h a n g e e x e 可执行文件 显示如图3 1 1 所示的对话框 图3 一u 执行对话框 3 点击图3 1 0 中的f r o mt e x t f i l e 菜单项 出现如图3 1 2 所示的对话框 图3 1 2 对话框 f ig 3 一l2 d i a l o g u e 4 单击打开按钮 将同时出现图3 1 3 和图3 1 4 的文本框 匿3 13l i n e l t x t 文件图3 14l i n e l i b l 文件 f lg 3 13l i n e l t x tf i l e f i g 3 14l i n e l i b lf i le 至此 已完成鞋楦复杂曲面的原始数据的处理工作 第四章鞋楦3 d 造型及其模具设计 4 1 鞋楦参数化设计的研究 鞋的尺码虽然有国家标准 但是随着个性化的消费方式被越来越多的消费者接受 消 费者要求选择一双符合自己生理特点的鞋己摆在制鞋厂家面前 本章主要完成的工作是对 一特定的个体 同时考虑到鞋型的变化主要是鞋头型和后跟高度的变化 对其鞋楦进行相 应的参数设计并最终得到鞋楦实体的3 d 模型 4 1 1 参数化设计简介 参数化 p a r a m e t r i c 设计是目前c a d 系统的重要功能之一 它在系列化产品设计中 具有广泛的应用前景 并在工程实际中得到广泛应用 参数化技术不仅可以提高产品的设 计效率 使设计人员腾出更多的时间进行创造性思维 而且满足不同用户的不同需求 其 实质就是基于以有的特征设计 设计者可以更加灵活方便地对模型进行修改以便更好地表 达设计意图 参数化是特征设计得以顺利实施及推广的重要手段和方法 单个零件或装配体上的特征其实都是各自独立而与设计参考联系的信息孤岛 它们主 要通过参数几何约束关系相互关联 参数化技术允许设计者在创建特征时灵活方便地定义 特征尺寸标注 并在特征尺寸之间通过建立数学方程式实现关联 其中 被约束的尺寸为 参考尺寸 而起驱动作用的尺寸为驱动尺寸 尺寸间的关联可以是模型内部尺寸或设计者 自行定义的各种外部参数间的关系 设计者可以通过修改驱动尺寸 修改模型 由系统自 动求解其它尺寸的值 这种技术被称为尺寸驱动技术 它的最大的特点是模型被修改时可 以自动保证设计者的设计意图不变 准确 完整和易于修改 其实质就是基于对图形数据 的操作 因此绘制一张图的过程 就是在建立 个参数模型 绘图系统将图形映射到图形 数据库中 设置出图形的数据结构 参数驱动时将这些结构中填写出不同内容 以生成所 需要的图形 参数驱动可以被看成是通过驱动树来对数据库中相关的数据