形状文法下的纺织机械产品造型设计

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了形状文法下的纺织机械产品造型设计范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要：研究纺机产品造型设计的流程及方法。基于形状文法，利用形状文法推演规则，并结合湖北天门纺机的并条机造型设计的实例应用展开。首先分析并条机的造型要素，其次收集同族产品提取出其典型造型特征，推演出新的形状，最后将新形状运用到并条机造型设计中。以天门纺机的并条机造型设计为例验证了此设计方法的可行性，对并条机造型进行优化设计，建立系列化的产品形象，能够为纺机产品造型设计的提供方法参考。

关键词：形状文法；纺织机械产品；造型设计；产品形象

引言

我国将主要发展目标定为建设高端纺织机械制造业，从而推动我国纺织机械产业的升级与发展。而在近几年新型技术已经不再是限制我国纺织机械行业发展的主要原因，尽管国内纺机在市场占有比重较大，但与国际上仍有较大的差距，主要体现在品牌辨识度、设计理念与产品造型特征等方面，产品“同质化”忽视品牌形象及产品形象成为限制我国纺织行业提升的重要原因。使纺织机械形成独特的产品造型风格对于纺织机械企业而言刻不容缓。而产品风格中存在隐性形态生成产品的造型基因，则可以构成该企业特有的产品形象，梳理自身品牌形象。基于以上背景，本文引入形状文法，从国内外知名并条机造型及历代品牌并条机和合品牌文化中提取出基本形态，作为形态推演的造型元素，最终选取符合并条机的造型元素作为造型基因将其应用到实际并条机造型中，验证其可行性。

一、形状文法与纺织机械

（一）形状文法理论形状文法在19世纪70年代由麻省理工学院建筑系教授乔治•斯提尼提出[1]。他在文献[1]中详细阐述了形状文法的概念及系统。形状文法与语言的结构与关系相似，有一定的规律性。具体来说其能够遵循人们的设计要求和思维，通过特定的规则产生新的形态[2]。而在造型设计中，也可以通过特定的规则使原有造型形态产生新的形态。根据形状文法的定义，形状文法公式为SG=（S，L，R，I），主要由四部分组成其中：SG—初始形状通过执行推演规则得到新形状的有限集合；S—形状的有限集合；L—符号的有限集合R—推演规则的有限集合I—初始形状

（二）形状推演演变规则初始形状可通过推演规则衍生出新形状，推演规则可分为：1）生成性规则；2）修改性规则。通过推演规则对形状进行演变可以衍生出新的形状，有利于企业产品进行产品造型的创新。具体形状规则见表1。在执行形状文法规则时，初始形状一致的情况下：规则一致，得到的新形状相同；规则不一致且顺序不一致，得到的新形状不一致。反之初始形状有差异，规则不一致则得到的新形状则完全不同。

（三）形状文法与纺织机械造型设计形状文法最早运用于建筑领域。1978年，乔治•斯提尼和米特海尔教授总结了帕拉第奥建筑的相似特征，验证了形状文法的实用性[2]。形状文法能够继承已有的形态，在赋予其新的规则后还可以推演出新的形态，可以缩短设计周期、产生系列化的产品形成良好的产品形象，因此受到了设计界的欢迎并逐渐应用到其他的领域，在产品识别与创新涉及领域应用较多。近几年，国内的学者开始将形状文法应用到工业设计领域的造型设计方面。在造型设计的研究方向主要为：一对现有产品设计风格进行分析、描述及总结；二对原有的产品设计风格的延续或者形成全新的设计风格[3]。例如王伟伟等提出一种以电动踏板车的形态设计对形状文法进行说明构建创新产品形态的推演模型的方法；孙志学等以应急通讯车为例将形状文法与感性工学结合，建立了多因素约束的情况下的产品造型特征风格的推演模型；卢兆麟等提出了一种运用形状文法对产品设计DNA推理生成具有连续性风格产品造型的方法;王伟伟等运用形状文法，对传统纹样典型形态进行分析，从而形成新的纹样形状。形状文法在纺织机械产品造型设计领域仍较少。将形状文法运用到纺织机械的造型设计中，能为高端纺机制造业的建立做出重大重用，形状文法能够继承已有的形态，在赋予其新的规则后还可以推演出新的形态，对形成系列化的产品，建设产品形象，提高品牌形象也有着重要作用。因此本文以纺机中的并条机为研究对象，执行形状文法推演规则生成新的造型元素，优化并条机的造型，有助于建立系列化的产品形象提升品牌形象及品牌辨识度。

二、并条机形状文法造型设计方法

（一）设计思路及基本流程针对产品的造型设计进行形状文法推演的过程可概括为三步骤：（1）首先收集目标样本提取出初始形状。（2）选择适合的形状推演演变规则R，对已标记的有限集合L的不同的初始形态进行推演变换，衍生出新的形状。（3）从新的形状集合中挑选出最为合适的形状应用衍生出新的产品造型。并条机的造型设计不仅要考虑其美观性，更需要考虑到产品的实用性及功能目的性，对于纺织机械设备这种工业产品，从设计的实用性考虑，其造型设计首先要保证其功能及技术条件，且能够满足实际生产的前提下，进行最大的优化设计。根据以上对形状文法的分析，在并条机的造型设计中，形状文法的公式具体表现为：S为企业历代产品中经过稳定发展形成的具有代表性的基本造型元素。R为推演规则的有限集合，按照规则对形状进行推演衍生出新的形状有利于企业产品进行造型的创新。L在并条机中会受到结构或尺寸的限制。I为企业产品特征的初始造型元素。并条机的形状文法推演过程为：一是选定某企业的并条机最为研究对象，对旗下的并条机进行整理；二是归纳品牌文化中表现出的品牌诉求及分析并条机的造型特征，提取具有代表性的造型元素作为初始形状；三是确立外部约束；四是选择推演规则，执行形状推演规则，得到新形状；五是将得到的新形状运用到并条机的造型设计中。具体设计流程见图1。

（二）制定推演规则推演规则可分为两大类生成性规则和修改性规则，产品的设计创新期大多应用生成性规则，修改性规则多应用于继承原有产品特征前提下的产品优化期。依照不同的需求进行选择，本文中并条机的造型设计旨在形成系列化产品形象，提升品牌辨识度，是在其原有的造型上的优化设计，因此在此次产品形状推演过程中以修改性规则为主，生成性规则为辅。

三、实例应用

本文以湖北天门纺机公司（以下简称天门纺机）旗下的并条机造型设计为例，根据上诉总结的设计思路及流程应用形状文法推演出并条机的新造型。

（一）并条机的造型要素分析为分析并条机的主要造型要素，对并条机的技术人员进行访谈调查，总结出并条机的主要由机身、牵伸操作区、导条罗拉、棉条筒四个大部分组成，而并条机的主要造型要素主要包括机身和牵伸机壳，牵制区域的操作台、挡板、机柜、视窗、散热孔等。主要结构见图2。

（二）天门纺织品牌文化提炼对并条机的造型设计，首先需要对其品牌特有的文化进行解读，提炼出企业诉求为造型设计提供设计定位。其次需要收集产品族群，分析其造型形态元素。结合两者提取出并条机造型的典型特征为初始形状。并条机是天门纺织企业的主导产品，在高新技术方面具备较强自主开发能力。其企业发展目标：打造高端纺织装备制造为目标，始终掌握行业最新动态和前沿技术。具体方针为二大类十二点：一、品质与提升（1.提升纺织装备竞争实力;2.推动产品研发与创新；3.提高智能制造水平；4.提供优质服务；5.践行科学决策；6.建立新型应急机制）。二、工业与强基（1.提升技术实力；2.着眼零部件与材料应用性能；3.加快工艺改良；4.强调人机设计；5.强化技能基础与标准；6.重视技术合作平台）。通过分析天门纺机的企业文化，可以将该企业的品牌定位归为：前瞻性、高质量、稳定、严谨、个性、不断创新。且从方针中提取出数字2与12作为形状的角度。

（三）天门纺织并条机的典型特征提取产品族群可以分为两类，一是遵循一定的分类规则划分后，不在同一特征集的产品所组成的异族群；二是由拥有一致或相似特征属性的产品组成的同族群[4]。因此本次研究中主要收集并条机的同族群用来分析。收集天门纺机的并体机图片，并将其分类整理，选择其中五款对本次研究有价值的代表性并条机样本。分别对这五款并条机的整体外观造型分析进行线条提炼，提取机身正面、视窗、牵伸机壳侧面、操作面板、散热孔、机柜、把手、挡板等造型的显著形态特征形成形状集合具体见图3。针对同族群样本造型形态，运用形状文法归纳提取，得出天门纺织机械股份有限公司旗下的并条机造型元素相对杂乱没有形成系列化产品，其造型形态大多采用简洁的线条和几何形态如图3中所示，从它们中删除重复性造型形态，选取具有典型造型特征的元素且形态与其他部件有相似性的形态作为初始形状I具体如表2所示。

（四）并条机造型设计外部约束并条机是纺织机械装备，而对于纺织机械设备这种工业产品，它的造型设计首先要保证其功能及技术条件，且能够满足实际生产的前提下，进行最大的优化设计。其主要约束为：1.满足并条机尺寸；2.部件之间的空间尺寸关系约束；3.遵循最小化设计原则，以便在降低成本的同时减少占据空间[5]。4.遵循美学原则，并条机各要素形状尽量统一，使造型更加整体。5.满足企业诉求与定位，建立系列化产品形象。

（五）执行形状文法推演综合上述的主要约束规则，对得到的并条机造型的初始形状进行推演，应用修改性推演规则：拉伸（R1）、缩放（R2）、平移（R3）、错切（R4）、微调（R5）、镜像（R6）;应用生成性推演规则：置换（R7）。考虑到造型的整体性，在形状推演规则中形状将首先以视窗推演出的新形状为基准，其余要素推演出的新形状都要与其相似。且融合方针中提取出数字2与12作为形状的角度。但考虑到部分结构所带来的限制在推演中根据实际情况进行调整。最终获得新图形。图4是对推演过程的部分示意图，其中以视窗为例，用Q形态为基础，运用镜像（R6）得到Q1，运用缩放（R2）将Q1缩小到需要的尺寸生成Q2，运用平移（R3）对Q2中C、D两点平移拉伸得到Q3，运用微调（R5）将Q3中EF线段的倾斜度调整为12°形成最终的视窗新图形。以此类推得到其余要素的新图形。

（六）方案展示将推演出的新形状应用到并条机的造型中，将形状用Rhino建模对影响并条机外观造型的机身、牵伸操作区、视窗等区域重新设计并制作出效果图，将形态根据结构的制约进行细节的调整，最终的方案效果见图4所示。

结语

本文研究了基于形状文法的纺织机械设备造型设计的应用方法。以天门纺机的并条机为例，选取该企业的并条机样本并对其造型进行分析，从中提取出典型的造型特征，利用形状文法推演过程，得到新的造型元素，并将其应用到并体机造型设计中，获得最终方案的具体过程进行论述。结果表明，形状文法能够有效地延续产品本身的造型特征并加以优化造型设计，建立系列化产品形象，提高企业品牌辨识度。为今后的纺织机械设备造型设计提供一种可行性方法。

参考文献

[2]卢兆麟，汤文成，薛澄岐.简论形状文法及其在工业设计中的应用[J].装饰，2010（02）：102-103.

[3]陈满儒，李阁，王伟伟.基于感性工学和形状文法的智能手表造型设计研究[J].机械设计与制造工程，2016，45（11）：82-85.

[4]魏永侠.基于形状文法和基因约束的产品形态设计方法[J].机械与电子，2016，34（12）：11-15.

[5]朱天燕，周海海，唐敦兵，曾效良.基于形状文法和交互式遗传算法的产品形态创新设计[J].机械设计与制造工程，2019，48（04）：12-17.

[6]冯志超，胡昌格.纺机企业品牌形象及设备形态系统共性设计影响因素[J].设计，2018（22）：122-124.

[7]梁文婧，马彧.论水刺法非织造布生产线成套设备造型创新设计[J].设计，2018（15）：108-109.

[8]石元伍，卫璐.基于形状文法的医院消毒机器人造型设计[J].设计，2019，32（06）：120-123.

作者：杨舒钰 马彧 单位：天津工业大学机械工程学院