基于CAD_CAM集成的鞋楦快速逆向成型技术研究

·28· 计算机应用技术 机械 2006年第9期 总第33卷——————————————— 收稿日期：2006－03－10 基于CAD/CAM 集成的鞋楦快速逆向成型技术研究陆国栋，陈健，王进（浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室，浙江 杭州 310027）摘要：研究了鞋楦的快速数字化原型技术，采用三维卤光扫描仪，快速获取原始数据；利用Geomagic 软件对点云进行诸如补洞，简化等有效处理，输出.obj 文件到自行开发的系统中；交互调整楦的初始位置并自动识别鞋楦的关键特征点，对鞋楦进行整体缩放或指定特征尺寸缩放；通过镜像，自动生成另一只对应鞋楦；数据以STL 格式直接输入到快速成型机进行加工，从而实现了三维扫描仪作为输入，快速成型机作为输出的集成CAD/CAM 系统。

关键词：鞋楦；逆向工程；点云处理；特征点；数字放码；快速成型中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2006）09－0028－04Research of shoe last RP based on CAD/CAM integrationLU Guo-dong ，CHEN Jian ，WANG Jin(State Key Lab. of CAD&CG at Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China)Abstract ：Based on 3D scan, we generate the shoe last points cloud rapidly , which can be disposed of effective .By adjusting the initial position of the data cloud mutual, we can recognize the feature points automatically , then to form the feature sizes ,to change the shoe last sizes digital and display it in 3D.With the use of the mirror function, a pair of shoe last can be built. The ultimate data import into the RP machine directly and produce the practicality. The paper bring a method which has been accomplished that constitute a closed circle from 3D scan to RP manufacture rely on the ideal about CAD/CAM integration system.Key words ：shoe last ；RE ；points cloud processing ；feature point ；digital change ；RP制鞋业是我国重要的出口行业，但是目前大部分都是以代工的方式为国外加工，产品的设计和基于个性化需求的快速制造能力偏低。

要在激烈的市场竞争中形成自己有竞争力的品牌，就需要在最短的时间内推出样式，因此，快速获取鞋楦并成型是其核心环节。

基于逆向工程技术的鞋楦快速成型技术是满足人们这种追求的首选途径[1]。

利用现有的鞋楦模型，对其逆向成型，进行变形成库，从而生成个性化的鞋楦，将是一个良好的解决方案。

逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型的例子[2]。

但是纵观国内外的研究，工作基本都局限于每个部分孤立的技术研究，如模型的曲面重建很少考虑后续的成型和加工等。

目前，由于测试技术，曲面重构和成型技术的多样性，相互接口技术也是一个需要迫切解决的课题。

本文通过实践中的工作，实现了一种基于集成思想的鞋楦CAD/CAM 快速成型系统的设计。

1 数字化原型与点云处理1.1三维数据的采集数字化原型即模型的三维测量。

传统的鞋楦三维数据采集多用专用的楦机对鞋楦进行采样[3]。

这种数据采集方式不仅工程量巨大，对母楦精度要求高，而且对操作者的要求也很高，要想获得比较好的精度难度较大。

针对个性化的快速逆向需求和鞋机械2006年第9期 总第33卷计算机应用技术·29·楦曲面的高度不规则性，这样的数据采集方式不符合要求，基于此，本文采用光学非接触式扫描的方式[4]，来快速获取数据点云，其光源是对人体无害的卤光。

鞋楦一个封闭的曲面体，一般单次扫描无法获得所有数据，这就需要对点云进行拼接。

从操作的快捷性和数据的完整性出发，本文采用了标志点拼接技术，即前后两次连续的扫描中，要求有4个公共特征点能明显地被扫描仪清晰识别，通过公共特征点坐标的一致性，对前后两次扫描的数据进行拼接。

这种拼接方式，相对于多个摄像头系统而言，适用性广，精度容易保证，而且速度快。

图1是单次扫描图，图2是完整的扫描数据。

图1 单次扫描图图图2 完整点云图本文对鞋楦进行了4次扫描，通过3次的点云自动拼接构成整个鞋楦数字化后的点云。

鞋楦单次面扫描的时间为3~5秒，精度在0.04 mm以内。

三次拼接的精度分别为0.016 mm，0.018 mm，0.03 mm，完全能够满足鞋楦数据的需要，5分钟内即可完成扫描，速度非常快，效率高，操作简单。

得到的点云的数据量巨大，一般都有11～12万个。

图2中的点云有109302个点，数据格式采用的是通用的ASC格式。

1.2点云的处理本文选择功能强大而成熟的Geomagic软件对点云进行处理。

经过一系列的各种软件对比实验表明，其在点云的去除噪声，补洞，简化，光顺处理各方面完全可以满足鞋楦快速成型的需要。

根据试验数据统计表明，考虑到后续的处理, 比较合适的点云数据量为2~3万个，即简化到原来的30%左右，然后进行三角片化。

三角片化后的数据采用共点简化的方法简化,得到2000个上下面片即可。

对三角片化后的模型上留下小洞，可以利用其周围点和面的几何特征来修补，数据以通用的obj 格式输出。

2 几何特征的提取与关键尺寸的生成2.1 三角网格的显示和初始位置的调整受扫描方式的影响，一般来说得到的数据使得鞋楦模型相对于坐标系处于一个偏离的位置。

为此需对对数据进行初始位置的调整，通过设置数据模型X，Y，Z 3个方向的转动和移动，来保证鞋楦在程序界面中的表达基本上按照自然放置的位置。

图3为鞋楦的三维显示和位置调整图。

2.2 特征点的识别对鞋楦特征识别以往一般都是先建立数学模型然后进行特尖点识别[5]，比如建立曲线求极值等，通过对鞋楦的转折锐边进行采样来获得特征信息。

但是此类方法一般计算复杂，计算量大，效率低，识别速度慢。

本文采取的是基于关键尺寸的特征点自动识别技术。

通过在中心面上截环，将环上的点按逆时针排列之后，根据鞋楦主要特征点的定义，求出了楦底前端点、前掌着地点、楦底后端、后跟突点、统口后点、统口前点等若干关键特征点，通过垂直与中心面切环，求取最宽之处可以求得小趾外突点，图4为示意图。

图3 数据的三维显示于初始位置调整图示图4 鞋楦关键特征点图2.3 关键尺寸的定义及数字化放缩得到鞋楦鞋特征点信息后，就可以通过关键特征点来求取其关键尺寸。

方法是通过自定义的类将文字转换成为三维显示列表，从而实现三维尺寸标注。

图5是关键尺寸示意图。

对鞋楦的数字化放缩，通过对关键尺寸的控制来实现。

本文把关键尺寸通过3个方面的尺寸来进行控制，分别是：长度方向，高度方向和跖围。

长度方向尺寸的缩放按照鞋号来进行。

鞋楦每增减一个鞋号，楦底样长变化10 mm 。

长度方向变形公式：m in m ax m ax m in10()*(1)nX X X X X X ∆=+−±−式中：X 为调整点的X 坐标；X min 为鞋X 方向最小坐标；X max 为鞋X 方向最大坐标；Δn 为放码数。

高度方向依赖于特征点，以前掌着地点作为前后高度方向扩缩影响因子的界限，公式如下：()()/()y y new old x rix t x rix V V H H V O P O −=+−−式中：V y 为被调整点Y 坐标；H new ，H old 为楦底前端点到前掌着地点Y 方向放码前后的高低差；O rix 为前掌着地点的X 坐标；P tx 为楦底前端点的X 坐标。

围度扩缩的直接依据是鞋楦的跖围长w ，即鞋楦的基本围长。

鞋楦每增减一个型号，鞋楦跖围长 变化7 mm 。

采用切环法求得跖围，按伸缩 （ 3.5w w±）变形后，再次计算长度，按算出的长度再次输入迭代变形，直到获得满意的精度为止。

通过三维镜像技术，可以方便快捷地由左脚鞋楦生成右脚鞋楦或相反，增加扫描数据的利用率，结合尺寸缩放技术，同时可以达到三维鞋楦快速数字化建库的目的。

图5 关键尺寸图3 快速成型3.1 快速成型方法选择快速成型技术(快速原型技术，RP 技术)，目前比较常用的有：（1）纸层叠法 薄形材料选择性切割（LOM ）； （2）激光立体制模法 液态光敏树脂选择性固化(SLA) ；（3）烧结法 粉末材料选择性激光烧结(SLS)。

这些方法都是在材料累加成型的原理基础上，结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的，它与其他学科的发展密切相关。

基于鞋楦的特征和生产实践的工艺要求，选择LOM 法即纸层叠法是比较适合的方法。

本文采用的是SPEDA3000激光切纸式快速成型机，其能到达±0.2 mm 的成型精度和500 mm/sec 的速度，可以用来制作铸造木模的替代模，以及快速过渡模、快速批量生产用模的母模等。

完成一个鞋楦的快速成型大概需要4个小时左右，并且能同时处理两个或多个鞋楦。

3.2快速成型接口数据格式为了支持快速成型机，必须将系统中的数据转存为STL 格式文件，其中STL 格式中必需的信息如下：facet normal -4.470293E-02 7.003503E-01 -7.123981E-01 outer loopvertex -2.812284E+00 2.298693E+01 0.000000E+00 vertex -2.812284E+00 2.296699E+01 -1.960784E-02 vertex -3.124760E+00 2.296699E+01 0.000000E+00 endloop endfacetfacet normal 是面的法向量，定义了三角面的法向量的同时也约束了顶点的排列次序，按STL 格式的规则，法向量应该和顶点逆时针排列后（V 3－V 1）×（V 2－V 1）一致。