形狀文法下的紡織機(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)
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摘要：研究紡機(jī)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的流程及方法?；?a href="http://www.mug-factory.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(jī)的并條機(jī)造型設(shè)計(jì)的實(shí)例應(yīng)用展開。首先分析并條機(jī)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(yùn)用到并條機(jī)造型設(shè)計(jì)中。以天門紡機(jī)的并條機(jī)造型設(shè)計(jì)為例驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方法的可行性，對(duì)并條機(jī)造型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立系列化的產(chǎn)品形象，能夠?yàn)榧彊C(jī)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的提供方法參考。
關(guān)鍵詞：形狀文法；紡織機(jī)械產(chǎn)品；造型設(shè)計(jì)；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(jī)械制造業(yè)，從而推動(dòng)我國紡織機(jī)械產(chǎn)業(yè)的升級(jí)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(jī)械行業(yè)發(fā)展的主要原因，盡管國內(nèi)紡機(jī)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(shí)度、設(shè)計(jì)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(jī)械形成獨(dú)特的產(chǎn)品造型風(fēng)格對(duì)于紡織機(jī)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(jī)造型及歷代品牌并條機(jī)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(jī)的造型元素作為造型基因?qū)⑵鋺?yīng)用到實(shí)際并條機(jī)造型中，驗(yàn)證其可行性。
一、形狀文法與紡織機(jī)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(jì)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(jì)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(hào)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(duì)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(shí)，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(jī)械造型設(shè)計(jì)形狀文法最早運(yùn)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(yàn)證了形狀文法的實(shí)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(jì)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(jì)界的歡迎并逐漸應(yīng)用到其他的領(lǐng)域，在產(chǎn)品識(shí)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(jì)領(lǐng)域的造型設(shè)計(jì)方面。在造型設(shè)計(jì)的研究方向主要為：一對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格進(jìn)行分析、描述及總結(jié)；二對(duì)原有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格的延續(xù)或者形成全新的設(shè)計(jì)風(fēng)格[3]。例如王偉偉等提出一種以電動(dòng)踏板車的形態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)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(yùn)用形狀文法對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yùn)用形狀文法，對(duì)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(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍較少。將形狀文法運(yùn)用到紡織機(jī)械的造型設(shè)計(jì)中，能為高端紡機(jī)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(duì)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(jī)中的并條機(jī)為研究對(duì)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(jī)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(shí)度。
二、并條機(jī)形狀文法造型設(shè)計(jì)方法
（一）設(shè)計(jì)思路及基本流程針對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)的造型設(shè)計(jì)不僅要考慮其美觀性，更需要考慮到產(chǎn)品的實(shí)用性及功能目的性，對(duì)于紡織機(jī)械設(shè)備這種工業(yè)產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)的實(shí)用性考慮，其造型設(shè)計(jì)首先要保證其功能及技術(shù)條件，且能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的前提下，進(jìn)行最大的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)以上對(duì)形狀文法的分析，在并條機(jī)的造型設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)中會(huì)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(jī)的形狀文法推演過程為：一是選定某企業(yè)的并條機(jī)最為研究對(duì)象，對(duì)旗下的并條機(jī)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(jī)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(yùn)用到并條機(jī)的造型設(shè)計(jì)中。具體設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)的造型設(shè)計(jì)旨在形成系列化產(chǎn)品形象，提升品牌辨識(shí)度，是在其原有的造型上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)例應(yīng)用
本文以湖北天門紡機(jī)公司（以下簡稱天門紡機(jī)）旗下的并條機(jī)造型設(shè)計(jì)為例，根據(jù)上訴總結(jié)的設(shè)計(jì)思路及流程應(yīng)用形狀文法推演出并條機(jī)的新造型。
（一）并條機(jī)的造型要素分析為分析并條機(jī)的主要造型要素，對(duì)并條機(jī)的技術(shù)人員進(jìn)行訪談?wù){(diào)查，總結(jié)出并條機(jī)的主要由機(jī)身、牽伸操作區(qū)、導(dǎo)條羅拉、棉條筒四個(gè)大部分組成，而并條機(jī)的主要造型要素主要包括機(jī)身和牽伸機(jī)殼，牽制區(qū)域的操作臺(tái)、擋板、機(jī)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(duì)并條機(jī)的造型設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)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(jì)提供設(shè)計(jì)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(jī)造型的典型特征為初始形狀。并條機(jī)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(qiáng)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(dòng)態(tài)和前沿技術(shù)。具體方針為二大類十二點(diǎn)：一、品質(zhì)與提升（1.提升紡織裝備競爭實(shí)力;2.推動(dòng)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(jī)制）。二、工業(yè)與強(qiáng)基（1.提升技術(shù)實(shí)力；2.著眼零部件與材料應(yīng)用性能；3.加快工藝改良；4.強(qiáng)調(diào)人機(jī)設(shè)計(jì)；5.強(qiáng)化技能基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)；6.重視技術(shù)合作平臺(tái)）。通過分析天門紡機(jī)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(gè)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(jī)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(jī)的同族群用來分析。收集天門紡機(jī)的并體機(jī)圖片，并將其分類整理，選擇其中五款對(duì)本次研究有價(jià)值的代表性并條機(jī)樣本。分別對(duì)這五款并條機(jī)的整體外觀造型分析進(jìn)行線條提煉，提取機(jī)身正面、視窗、牽伸機(jī)殼側(cè)面、操作面板、散熱孔、機(jī)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(duì)同族群樣本造型形態(tài)，運(yùn)用形狀文法歸納提取，得出天門紡織機(jī)械股份有限公司旗下的并條機(jī)造型元素相對(duì)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(jī)造型設(shè)計(jì)外部約束并條機(jī)是紡織機(jī)械裝備，而對(duì)于紡織機(jī)械設(shè)備這種工業(yè)產(chǎn)品，它的造型設(shè)計(jì)首先要保證其功能及技術(shù)條件，且能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的前提下，進(jìn)行最大的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其主要約束為：1.滿足并條機(jī)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(jì)原則，以便在降低成本的同時(shí)減少占據(jù)空間[5]。4.遵循美學(xué)原則，并條機(jī)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(duì)得到的并條機(jī)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(cuò)切（R4）、微調(diào)（R5）、鏡像（R6）;應(yīng)用生成性推演規(guī)則：置換（R7）。考慮到造型的整體性，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(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。最終獲得新圖形。圖4是對(duì)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(yùn)用鏡像（R6）得到Q1，運(yùn)用縮放（R2）將Q1縮小到需要的尺寸生成Q2，運(yùn)用平移（R3）對(duì)Q2中C、D兩點(diǎn)平移拉伸得到Q3，運(yùn)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(jī)的造型中，將形狀用Rhino建模對(duì)影響并條機(jī)外觀造型的機(jī)身、牽伸操作區(qū)、視窗等區(qū)域重新設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)備造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法。以天門紡機(jī)的并條機(jī)為例，選取該企業(yè)的并條機(jī)樣本并對(duì)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(jī)造型設(shè)計(jì)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(jì)，建立系列化產(chǎn)品形象，提高企業(yè)品牌辨識(shí)度。為今后的紡織機(jī)械設(shè)備造型設(shè)計(jì)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(jī)械工程學(xué)院