形狀文法下的紡織機械產(chǎn)品造型設(shè)計
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摘要：研究紡機產(chǎn)品造型設(shè)計的流程及方法?；?a href="http://wda8f421.cn/lunwen/zxsjlw/146943.html" target="_blank">形狀文法，利用形狀文法推演規(guī)則，并結(jié)合湖北天門紡機的并條機造型設(shè)計的實例應(yīng)用展開。首先分析并條機的造型要素，其次收集同族產(chǎn)品提取出其典型造型特征，推演出新的形狀，最后將新形狀運用到并條機造型設(shè)計中。以天門紡機的并條機造型設(shè)計為例驗證了此設(shè)計方法的可行性，對并條機造型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，建立系列化的產(chǎn)品形象，能夠為紡機產(chǎn)品造型設(shè)計的提供方法參考。
關(guān)鍵詞：形狀文法；紡織機械產(chǎn)品；造型設(shè)計；產(chǎn)品形象
引言
我國將主要發(fā)展目標(biāo)定為建設(shè)高端紡織機械制造業(yè)，從而推動我國紡織機械產(chǎn)業(yè)的升級與發(fā)展。而在近幾年新型技術(shù)已經(jīng)不再是限制我國紡織機械行業(yè)發(fā)展的主要原因，盡管國內(nèi)紡機在市場占有比重較大，但與國際上仍有較大的差距，主要體現(xiàn)在品牌辨識度、設(shè)計理念與產(chǎn)品造型特征等方面，產(chǎn)品“同質(zhì)化”忽視品牌形象及產(chǎn)品形象成為限制我國紡織行業(yè)提升的重要原因。使紡織機械形成獨特的產(chǎn)品造型風(fēng)格對于紡織機械企業(yè)而言刻不容緩。而產(chǎn)品風(fēng)格中存在隱性形態(tài)生成產(chǎn)品的造型基因，則可以構(gòu)成該企業(yè)特有的產(chǎn)品形象，梳理自身品牌形象。基于以上背景，本文引入形狀文法，從國內(nèi)外知名并條機造型及歷代品牌并條機和合品牌文化中提取出基本形態(tài)，作為形態(tài)推演的造型元素，最終選取符合并條機的造型元素作為造型基因?qū)⑵鋺?yīng)用到實際并條機造型中，驗證其可行性。
一、形狀文法與紡織機械
（一）形狀文法理論形狀文法在19世紀(jì)70年代由麻省理工學(xué)院建筑系教授喬治•斯提尼提出[1]。他在文獻(xiàn)[1]中詳細(xì)闡述了形狀文法的概念及系統(tǒng)。形狀文法與語言的結(jié)構(gòu)與關(guān)系相似，有一定的規(guī)律性。具體來說其能夠遵循人們的設(shè)計要求和思維，通過特定的規(guī)則產(chǎn)生新的形態(tài)[2]。而在造型設(shè)計中，也可以通過特定的規(guī)則使原有造型形態(tài)產(chǎn)生新的形態(tài)。根據(jù)形狀文法的定義，形狀文法公式為SG=（S，L，R，I），主要由四部分組成其中：SG—初始形狀通過執(zhí)行推演規(guī)則得到新形狀的有限集合；S—形狀的有限集合；L—符號的有限集合R—推演規(guī)則的有限集合I—初始形狀
（二）形狀推演演變規(guī)則初始形狀可通過推演規(guī)則衍生出新形狀，推演規(guī)則可分為：1）生成性規(guī)則；2）修改性規(guī)則。通過推演規(guī)則對形狀進(jìn)行演變可以衍生出新的形狀，有利于企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品造型的創(chuàng)新。具體形狀規(guī)則見表1。在執(zhí)行形狀文法規(guī)則時，初始形狀一致的情況下：規(guī)則一致，得到的新形狀相同；規(guī)則不一致且順序不一致，得到的新形狀不一致。反之初始形狀有差異，規(guī)則不一致則得到的新形狀則完全不同。
（三）形狀文法與紡織機械造型設(shè)計形狀文法最早運用于建筑領(lǐng)域。1978年，喬治•斯提尼和米特海爾教授總結(jié)了帕拉第奧建筑的相似特征，驗證了形狀文法的實用性[2]。形狀文法能夠繼承已有的形態(tài)，在賦予其新的規(guī)則后還可以推演出新的形態(tài)，可以縮短設(shè)計周期、產(chǎn)生系列化的產(chǎn)品形成良好的產(chǎn)品形象，因此受到了設(shè)計界的歡迎并逐漸應(yīng)用到其他的領(lǐng)域，在產(chǎn)品識別與創(chuàng)新涉及領(lǐng)域應(yīng)用較多。近幾年，國內(nèi)的學(xué)者開始將形狀文法應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的造型設(shè)計方面。在造型設(shè)計的研究方向主要為：一對現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)格進(jìn)行分析、描述及總結(jié)；二對原有的產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)格的延續(xù)或者形成全新的設(shè)計風(fēng)格[3]。例如王偉偉等提出一種以電動踏板車的形態(tài)設(shè)計對形狀文法進(jìn)行說明構(gòu)建創(chuàng)新產(chǎn)品形態(tài)的推演模型的方法；孫志學(xué)等以應(yīng)急通訊車為例將形狀文法與感性工學(xué)結(jié)合，建立了多因素約束的情況下的產(chǎn)品造型特征風(fēng)格的推演模型；盧兆麟等提出了一種運用形狀文法對產(chǎn)品設(shè)計DNA推理生成具有連續(xù)性風(fēng)格產(chǎn)品造型的方法;王偉偉等運用形狀文法，對傳統(tǒng)紋樣典型形態(tài)進(jìn)行分析，從而形成新的紋樣形狀。形狀文法在紡織機械產(chǎn)品造型設(shè)計領(lǐng)域仍較少。將形狀文法運用到紡織機械的造型設(shè)計中，能為高端紡機制造業(yè)的建立做出重大重用，形狀文法能夠繼承已有的形態(tài)，在賦予其新的規(guī)則后還可以推演出新的形態(tài)，對形成系列化的產(chǎn)品，建設(shè)產(chǎn)品形象，提高品牌形象也有著重要作用。因此本文以紡機中的并條機為研究對象，執(zhí)行形狀文法推演規(guī)則生成新的造型元素，優(yōu)化并條機的造型，有助于建立系列化的產(chǎn)品形象提升品牌形象及品牌辨識度。
二、并條機形狀文法造型設(shè)計方法
（一）設(shè)計思路及基本流程針對產(chǎn)品的造型設(shè)計進(jìn)行形狀文法推演的過程可概括為三步驟：（1）首先收集目標(biāo)樣本提取出初始形狀。（2）選擇適合的形狀推演演變規(guī)則R，對已標(biāo)記的有限集合L的不同的初始形態(tài)進(jìn)行推演變換，衍生出新的形狀。（3）從新的形狀集合中挑選出最為合適的形狀應(yīng)用衍生出新的產(chǎn)品造型。并條機的造型設(shè)計不僅要考慮其美觀性，更需要考慮到產(chǎn)品的實用性及功能目的性，對于紡織機械設(shè)備這種工業(yè)產(chǎn)品，從設(shè)計的實用性考慮，其造型設(shè)計首先要保證其功能及技術(shù)條件，且能夠滿足實際生產(chǎn)的前提下，進(jìn)行最大的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)以上對形狀文法的分析，在并條機的造型設(shè)計中，形狀文法的公式具體表現(xiàn)為：S為企業(yè)歷代產(chǎn)品中經(jīng)過穩(wěn)定發(fā)展形成的具有代表性的基本造型元素。R為推演規(guī)則的有限集合，按照規(guī)則對形狀進(jìn)行推演衍生出新的形狀有利于企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行造型的創(chuàng)新。L在并條機中會受到結(jié)構(gòu)或尺寸的限制。I為企業(yè)產(chǎn)品特征的初始造型元素。并條機的形狀文法推演過程為：一是選定某企業(yè)的并條機最為研究對象，對旗下的并條機進(jìn)行整理；二是歸納品牌文化中表現(xiàn)出的品牌訴求及分析并條機的造型特征，提取具有代表性的造型元素作為初始形狀；三是確立外部約束；四是選擇推演規(guī)則，執(zhí)行形狀推演規(guī)則，得到新形狀；五是將得到的新形狀運用到并條機的造型設(shè)計中。具體設(shè)計流程見圖1。
（二）制定推演規(guī)則推演規(guī)則可分為兩大類生成性規(guī)則和修改性規(guī)則，產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新期大多應(yīng)用生成性規(guī)則，修改性規(guī)則多應(yīng)用于繼承原有產(chǎn)品特征前提下的產(chǎn)品優(yōu)化期。依照不同的需求進(jìn)行選擇，本文中并條機的造型設(shè)計旨在形成系列化產(chǎn)品形象，提升品牌辨識度，是在其原有的造型上的優(yōu)化設(shè)計，因此在此次產(chǎn)品形狀推演過程中以修改性規(guī)則為主，生成性規(guī)則為輔。
三、實例應(yīng)用
本文以湖北天門紡機公司（以下簡稱天門紡機）旗下的并條機造型設(shè)計為例，根據(jù)上訴總結(jié)的設(shè)計思路及流程應(yīng)用形狀文法推演出并條機的新造型。
（一）并條機的造型要素分析為分析并條機的主要造型要素，對并條機的技術(shù)人員進(jìn)行訪談?wù){(diào)查，總結(jié)出并條機的主要由機身、牽伸操作區(qū)、導(dǎo)條羅拉、棉條筒四個大部分組成，而并條機的主要造型要素主要包括機身和牽伸機殼，牽制區(qū)域的操作臺、擋板、機柜、視窗、散熱孔等。主要結(jié)構(gòu)見圖2。
（二）天門紡織品牌文化提煉對并條機的造型設(shè)計，首先需要對其品牌特有的文化進(jìn)行解讀，提煉出企業(yè)訴求為造型設(shè)計提供設(shè)計定位。其次需要收集產(chǎn)品族群，分析其造型形態(tài)元素。結(jié)合兩者提取出并條機造型的典型特征為初始形狀。并條機是天門紡織企業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，在高新技術(shù)方面具備較強自主開發(fā)能力。其企業(yè)發(fā)展目標(biāo)：打造高端紡織裝備制造為目標(biāo)，始終掌握行業(yè)最新動態(tài)和前沿技術(shù)。具體方針為二大類十二點：一、品質(zhì)與提升（1.提升紡織裝備競爭實力;2.推動產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新；3.提高智能制造水平；4.提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)；5.踐行科學(xué)決策；6.建立新型應(yīng)急機制）。二、工業(yè)與強基（1.提升技術(shù)實力；2.著眼零部件與材料應(yīng)用性能；3.加快工藝改良；4.強調(diào)人機設(shè)計；5.強化技能基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)；6.重視技術(shù)合作平臺）。通過分析天門紡機的企業(yè)文化，可以將該企業(yè)的品牌定位歸為：前瞻性、高質(zhì)量、穩(wěn)定、嚴(yán)謹(jǐn)、個性、不斷創(chuàng)新。且從方針中提取出數(shù)字2與12作為形狀的角度。
（三）天門紡織并條機的典型特征提取產(chǎn)品族群可以分為兩類，一是遵循一定的分類規(guī)則劃分后，不在同一特征集的產(chǎn)品所組成的異族群；二是由擁有一致或相似特征屬性的產(chǎn)品組成的同族群[4]。因此本次研究中主要收集并條機的同族群用來分析。收集天門紡機的并體機圖片，并將其分類整理，選擇其中五款對本次研究有價值的代表性并條機樣本。分別對這五款并條機的整體外觀造型分析進(jìn)行線條提煉，提取機身正面、視窗、牽伸機殼側(cè)面、操作面板、散熱孔、機柜、把手、擋板等造型的顯著形態(tài)特征形成形狀集合具體見圖3。針對同族群樣本造型形態(tài)，運用形狀文法歸納提取，得出天門紡織機械股份有限公司旗下的并條機造型元素相對雜亂沒有形成系列化產(chǎn)品，其造型形態(tài)大多采用簡潔的線條和幾何形態(tài)如圖3中所示，從它們中刪除重復(fù)性造型形態(tài)，選取具有典型造型特征的元素且形態(tài)與其他部件有相似性的形態(tài)作為初始形狀I(lǐng)具體如表2所示。
（四）并條機造型設(shè)計外部約束并條機是紡織機械裝備，而對于紡織機械設(shè)備這種工業(yè)產(chǎn)品，它的造型設(shè)計首先要保證其功能及技術(shù)條件，且能夠滿足實際生產(chǎn)的前提下，進(jìn)行最大的優(yōu)化設(shè)計。其主要約束為：1.滿足并條機尺寸；2.部件之間的空間尺寸關(guān)系約束；3.遵循最小化設(shè)計原則，以便在降低成本的同時減少占據(jù)空間[5]。4.遵循美學(xué)原則，并條機各要素形狀盡量統(tǒng)一，使造型更加整體。5.滿足企業(yè)訴求與定位，建立系列化產(chǎn)品形象。
（五）執(zhí)行形狀文法推演綜合上述的主要約束規(guī)則，對得到的并條機造型的初始形狀進(jìn)行推演，應(yīng)用修改性推演規(guī)則：拉伸（R1）、縮放（R2）、平移（R3）、錯切（R4）、微調(diào)（R5）、鏡像（R6）;應(yīng)用生成性推演規(guī)則：置換（R7）?？紤]到造型的整體性，在形狀推演規(guī)則中形狀將首先以視窗推演出的新形狀為基準(zhǔn)，其余要素推演出的新形狀都要與其相似。且融合方針中提取出數(shù)字2與12作為形狀的角度。但考慮到部分結(jié)構(gòu)所帶來的限制在推演中根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。最終獲得新圖形。圖4是對推演過程的部分示意圖，其中以視窗為例，用Q形態(tài)為基礎(chǔ)，運用鏡像（R6）得到Q1，運用縮放（R2）將Q1縮小到需要的尺寸生成Q2，運用平移（R3）對Q2中C、D兩點平移拉伸得到Q3，運用微調(diào)（R5）將Q3中EF線段的傾斜度調(diào)整為12°形成最終的視窗新圖形。以此類推得到其余要素的新圖形。
（六）方案展示將推演出的新形狀應(yīng)用到并條機的造型中，將形狀用Rhino建模對影響并條機外觀造型的機身、牽伸操作區(qū)、視窗等區(qū)域重新設(shè)計并制作出效果圖，將形態(tài)根據(jù)結(jié)構(gòu)的制約進(jìn)行細(xì)節(jié)的調(diào)整，最終的方案效果見圖4所示。
結(jié)語
本文研究了基于形狀文法的紡織機械設(shè)備造型設(shè)計的應(yīng)用方法。以天門紡機的并條機為例，選取該企業(yè)的并條機樣本并對其造型進(jìn)行分析，從中提取出典型的造型特征，利用形狀文法推演過程，得到新的造型元素，并將其應(yīng)用到并體機造型設(shè)計中，獲得最終方案的具體過程進(jìn)行論述。結(jié)果表明，形狀文法能夠有效地延續(xù)產(chǎn)品本身的造型特征并加以優(yōu)化造型設(shè)計，建立系列化產(chǎn)品形象，提高企業(yè)品牌辨識度。為今后的紡織機械設(shè)備造型設(shè)計提供一種可行性方法。
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作者：楊舒鈺 馬彧 單位：天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院