形狀文法下的紡織機械產品造型設計
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摘要：研究紡機產品造型設計的流程及方法。基于形狀文法，利用形狀文法推演規則，并結合湖北天門紡機的并條機造型設計的實例應用展開。首先分析并條機的造型要素，其次收集同族產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計中。以天門紡機的并條機造型設計為例驗證了此設計方法的可行性，對并條機造型進行優化設計，建立系列化的產品形象，能夠為紡機產品造型設計的提供方法參考。
引言
我國將主要發展目標定為建設高端紡織機械制造業，從而推動我國紡織機械產業的升級與發展。而在近幾年新型技術已經不再是限制我國紡織機械行業發展的主要原因，盡管國內紡機在市場占有比重較大，但與國際上仍有較大的差距，主要體現在品牌辨識度、設計理念與產品造型特征等方面，產品“同質化”忽視品牌形象及產品形象成為限制我國紡織行業提升的重要原因。使紡織機械形成獨特的產品造型風格對于紡織機械企業而言刻不容緩。而產品風格中存在隱性形態生成產品的造型基因，則可以構成該企業特有的產品形象，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，作為形態推演的造型元素，最終選取符合并條機的造型元素作為造型基因將其應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70年代由麻省理工學院建筑系教授喬治•斯提尼提出[1]。他在文獻[1]中詳細闡述了形狀文法的概念及系統。形狀文法與語言的結構與關系相似，有一定的規律性。具體來說其能夠遵循人們的設計要求和思維，通過特定的規則產生新的形態[2]。而在造型設計中，也可以通過特定的規則使原有造型形態產生新的形態。根據形狀文法的定義，形狀文法公式為SG=（S，L，R，I），主要由四部分組成其中：SG—初始形狀通過執行推演規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—推演規則的有限集合I—初始形狀
（二）形狀推演演變規則初始形狀可通過推演規則衍生出新形狀，推演規則可分為：1）生成性規則；2）修改性規則。通過推演規則對形狀進行演變可以衍生出新的形狀，有利于企業產品進行產品造型的創新。具體形狀規則見表1。在執行形狀文法規則時，初始形狀一致的情況下：規則一致，得到的新形狀相同；規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計形狀文法最早運用于建筑領域。1978年，喬治•斯提尼和米特海爾教授總結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，在賦予其新的規則后還可以推演出新的形態，可以縮短設計周期、產生系列化的產品形成良好的產品形象，因此受到了設計界的歡迎并逐漸應用到其他的領域，在產品識別與創新涉及領域應用較多。近幾年，國內的學者開始將形狀文法應用到工業設計領域的造型設計方面。在造型設計的研究方向主要為：一對現有產品設計風格進行分析、描述及總結；二對原有的產品設計風格的延續或者形成全新的設計風格[3]。例如王偉偉等提出一種以電動踏板車的形態設計對形狀文法進行說明構建創新產品形態的推演模型的方法；孫志學等以應急通訊車為例將形狀文法與感性工學結合，建立了多因素約束的情況下的產品造型特征風格的推演模型；盧兆麟等提出了一種運用形狀文法對產品設計DNA推理生成具有連續性風格產品造型的方法;王偉偉等運用形狀文法，對傳統紋樣典型形態進行分析，從而形成新的紋樣形狀。形狀文法在紡織機械產品造型設計領域仍較少。將形狀文法運用到紡織機械的造型設計中，能為高端紡機制造業的建立做出重大重用，形狀文法能夠繼承已有的形態，在賦予其新的規則后還可以推演出新的形態，對形成系列化的產品，建設產品形象，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，執行形狀文法推演規則生成新的造型元素，優化并條機的造型，有助于建立系列化的產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計方法
（一）設計思路及基本流程針對產品的造型設計進行形狀文法推演的過程可概括為三步驟：（1）首先收集目標樣本提取出初始形狀。（2）選擇適合的形狀推演演變規則R，對已標記的有限集合L的不同的初始形態進行推演變換，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用衍生出新的產品造型。并條機的造型設計不僅要考慮其美觀性，更需要考慮到產品的實用性及功能目的性，對于紡織機械設備這種工業產品，從設計的實用性考慮，其造型設計首先要保證其功能及技術條件，且能夠滿足實際生產的前提下，進行最大的優化設計。根據以上對形狀文法的分析，在并條機的造型設計中，形狀文法的公式具體表現為：S為企業歷代產品中經過穩定發展形成的具有代表性的基本造型元素。R為推演規則的有限集合，按照規則對形狀進行推演衍生出新的形狀有利于企業產品進行造型的創新。L在并條機中會受到結構或尺寸的限制。I為企業產品特征的初始造型元素。并條機的形狀文法推演過程為：一是選定某企業的并條機最為研究對象，對旗下的并條機進行整理；二是歸納品牌文化中表現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；四是選擇推演規則，執行形狀推演規則，得到新形狀；五是將得到的新形狀運用到并條機的造型設計中。具體設計流程見圖1。
（二）制定推演規則推演規則可分為兩大類生成性規則和修改性規則，產品的設計創新期大多應用生成性規則，修改性規則多應用于繼承原有產品特征前提下的產品優化期。依照不同的需求進行選擇，本文中并條機的造型設計旨在形成系列化產品形象，提升品牌辨識度，是在其原有的造型上的優化設計，因此在此次產品形狀推演過程中以修改性規則為主，生成性規則為輔。
三、實例應用
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計為例，根據上訴總結的設計思路及流程應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，對并條機的技術人員進行訪談調查，總結出并條機的主要由機身、牽伸操作區、導條羅拉、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，牽制區域的操作臺、擋板、機柜、視窗、散熱孔等。主要結構見圖2。
（二）天門紡織品牌文化提煉對并條機的造型設計，首先需要對其品牌特有的文化進行解讀，提煉出企業訴求為造型設計提供設計定位。其次需要收集產品族群，分析其造型形態元素。結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的主導產品，在高新技術方面具備較強自主開發能力。其企業發展目標：打造高端紡織裝備制造為目標，始終掌握行業最新動態和前沿技術。具體方針為二大類十二點：一、品質與提升（1.提升紡織裝備競爭實力;2.推動產品研發與創新；3.提高智能制造水平；4.提供優質服務；5.踐行科學決策；6.建立新型應急機制）。二、工業與強基（1.提升技術實力；2.著眼零部件與材料應用性能；3.加快工藝改良；4.強調人機設計；5.強化技能基礎與標準；6.重視技術合作平臺）。通過分析天門紡機的企業文化，可以將該企業的品牌定位歸為：前瞻性、高質量、穩定、嚴謹、個性、不斷創新。且從方針中提取出數字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品族群可以分為兩類，一是遵循一定的分類規則劃分后，不在同一特征集的產品所組成的異族群；二是由擁有一致或相似特征屬性的產品組成的同族群[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行線條提煉，提取機身正面、視窗、牽伸機殼側面、操作面板、散熱孔、機柜、把手、擋板等造型的顯著形態特征形成形狀集合具體見圖3。針對同族群樣本造型形態，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品，其造型形態大多采用簡潔的線條和幾何形態如圖3中所示，從它們中刪除重復性造型形態，選取具有典型造型特征的元素且形態與其他部件有相似性的形態作為初始形狀I具體如表2所示。
（四）并條機造型設計外部約束并條機是紡織機械裝備，而對于紡織機械設備這種工業產品，它的造型設計首先要保證其功能及技術條件，且能夠滿足實際生產的前提下，進行最大的優化設計。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系約束；3.遵循最小化設計原則，以便在降低成本的同時減少占據空間[5]。4.遵循美學原則，并條機各要素形狀盡量統一，使造型更加整體。5.滿足企業訴求與定位，建立系列化產品形象。
（五）執行形狀文法推演綜合上述的主要約束規則，對得到的并條機造型的初始形狀進行推演，應用修改性推演規則：拉伸（R1）、縮放（R2）、平移（R3）、錯切（R4）、微調（R5）、鏡像（R6）;應用生成性推演規則：置換（R7）。考慮到造型的整體性，在形狀推演規則中形狀將首先以視窗推演出的新形狀為基準，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字2與12作為形狀的角度。但考慮到部分結構所帶來的限制在推演中根據實際情況進行調整。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形態為基礎，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（R5）將Q3中EF線段的傾斜度調整為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、視窗等區域重新設計并制作出效果圖，將形態根據結構的制約進行細節的調整，最終的方案效果見圖4所示。
結語
本文研究了基于形狀文法的紡織機械設備造型設計的應用方法。以天門紡機的并條機為例，選取該企業的并條機樣本并對其造型進行分析，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，并將其應用到并體機造型設計中，獲得最終方案的具體過程進行論述。結果表明，形狀文法能夠有效地延續產品本身的造型特征并加以優化造型設計，建立系列化產品形象，提高企業品牌辨識度。為今后的紡織機械設備造型設計提供一種可行性方法。
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作者：楊舒鈺 馬彧 單位：天津工業大學機械工程學院