基于擬合曲線的艙室熏蒸產(chǎn)品造型設(shè)計研究

付曉莉 郭昌鑫

摘要：針對國內(nèi)中藥熏蒸產(chǎn)品長期重視功能完善，導(dǎo)致市場產(chǎn)品造型陳舊，缺乏延續(xù)造型特征的品牌基因問題，提出基于擬合曲線的艙室熏蒸產(chǎn)品造型研究方法。采用提取擬合曲線進行產(chǎn)品造型特征線的表達，建立擁有品牌造型延續(xù)特征的艙室熏蒸產(chǎn)品三維模型。以某企業(yè)的艙室熏蒸產(chǎn)品外觀設(shè)計為例，設(shè)計一款有利于提高企業(yè)產(chǎn)品品牌標識度的產(chǎn)品外觀，該研究方法也可以運用于其他熏蒸產(chǎn)品的造型設(shè)計中。

關(guān)鍵詞：擬合曲線;艙室熏蒸產(chǎn)品;造型設(shè)計

1擬合曲線概述

擬合曲線主要應(yīng)用于科學實驗數(shù)據(jù)和工程實測數(shù)據(jù)中，在數(shù)值分析過程中，通常多組數(shù)據(jù)相對零散不便處理，擬合曲線的目的就是使用公式化的函數(shù)解析式逼近離散數(shù)據(jù)，尋求最佳擬合曲線，體現(xiàn)數(shù)據(jù)組其中的固有規(guī)律。將計算得出的數(shù)據(jù)繪制成散點圖，并用一條連續(xù)的曲線平滑地把這些離散的點串聯(lián)起來，最終得出一條精準的擬合曲線，便于設(shè)計人員分析。離散的點越多越密集，得出的曲線越精準平滑，機械設(shè)計加工的效果就越好。在大型企業(yè)的機械設(shè)計當中，計算出的擬合曲線必須是精準易算的，可以被機械工程軟件CAD或者CAM兼容實現(xiàn)的函數(shù)表達式。

在數(shù)據(jù)處理過程中，當離散數(shù)據(jù)點較多、擬合曲線多項式階數(shù)較低時，擬合精度和效果一般不太理想。因此，提高擬合精度和效果就需要提高曲線階數(shù)，但是階數(shù)太高又會帶來計算上的復(fù)雜以及后期計算的不便，所以發(fā)現(xiàn)采用多項式曲線函數(shù)擬合較多的數(shù)據(jù)點對于本文研究內(nèi)容不太合適，通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，有關(guān)學者采用分段擬合曲線可以有效解決上述問題，在每段區(qū)間上分別進行擬合曲線。通過擬合曲線的應(yīng)用，極大提高了造型設(shè)計研究的科學性。

2艙室熏蒸產(chǎn)品造型現(xiàn)狀

由于現(xiàn)有的熏蒸機產(chǎn)品制造工藝水平和企業(yè)購入壓模機器的限制，導(dǎo)致目前造型材料主要以鈑金和特質(zhì)膠水進行玻璃鋼纖維黏合的亞克力殼體為造型主要材料，現(xiàn)有造型主要依靠企業(yè)手工模具師傅的經(jīng)驗和審美來展現(xiàn)，如圖1為企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品造型，主要由機械本體、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、艙體等組成，由圖可知，床體是熏蒸機的重要組成部分，不但具有支撐使用性能，還承載著熏蒸機的產(chǎn)品特征和品牌特征。

康復(fù)熏蒸產(chǎn)品使用者在滿足基本康復(fù)使用功能后，定然希望通過產(chǎn)品造型的創(chuàng)新達到審美和情感需求的雙重滿足。通過查詢現(xiàn)有的艙室熏蒸產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品造型主要以大象鼻子的仿生設(shè)計為主要造型來源。不同型號所有艙室熏蒸產(chǎn)品如：IIA、IIIA、IIIC、IIID型號艙室產(chǎn)品，全部使用這一特征元素。因此，可以確定大象鼻子造型元素就是熏蒸產(chǎn)品的特征元素。

3基于擬合曲線的艙室熏蒸產(chǎn)品造型設(shè)計分析

目前，產(chǎn)業(yè)界的設(shè)計由原來的“形式追隨功能”逐漸升級為“設(shè)計追隨情感”，由以醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品最為明顯。主要體現(xiàn)為設(shè)計者的情感意象映射到產(chǎn)品造型的形態(tài)變更，以期望通過良好的造型設(shè)計幫助康復(fù)患者快速進入放松狀態(tài)，達到最高效率的康復(fù)訓(xùn)練。例如，大象鼻子就是通過艙室熏蒸產(chǎn)品的外觀造型提取產(chǎn)品設(shè)計主要特征線進行擬合曲線提取的，將其應(yīng)用于實際項目案例中，最終得到企業(yè)目標意象方案。

通過解構(gòu)艙室熏蒸產(chǎn)品造型，發(fā)現(xiàn)對產(chǎn)品造型有重要影響的造型單元分別包括：造型特征線和造型特征面以及造型特征元素三部分。其造型形態(tài)主要以直線、平面的無機形態(tài)和曲線、曲面的有機形態(tài)進行造型表達。因此，尋找、抽取關(guān)鍵造型特征單元如下：

1）造型特征線——中心線。產(chǎn)品實際建模過程中，三維模型的三視圖都可以找到中心線體現(xiàn)產(chǎn)品平衡對稱感。中心線是幾何設(shè)計的重要特征線，也是產(chǎn)品造型約束的重要控制線。在設(shè)計造型過程中，中心線的地位舉重若輕。

2）造型特征線——輪廓線。產(chǎn)品輪廓線主要代表產(chǎn)品造型的視覺形象，但是在設(shè)計過程中，輪廓線的勾勒主要基于產(chǎn)品意象特征來表現(xiàn)。在傳統(tǒng)造型設(shè)計中，輪廓線的推理一直代表設(shè)計師意象造型的重要也是主要方向。

3）造型特征面——基準面。在推理設(shè)計過程中，基準面和中心線一樣重要，需要選擇重要表面作為生產(chǎn)和裝配的的基準面。同時在三維軟件中，主要通過基準面進行裝配參數(shù)設(shè)定。供后期結(jié)構(gòu)工程師做結(jié)構(gòu)設(shè)計使用。

4）造型特征元素——大象鼻子附加特征輪廓線。意象造型的附加特征輪廓線主要由具有明顯標志性的特征元素進行表現(xiàn)。XYZ-IIA型熏蒸機的特征非常明顯，主要是依托于大象鼻子的仿生設(shè)計，提取抽象的最簡元素，應(yīng)用于熏蒸機上作為特征識別元素。

4基于擬合曲線的XYZ-IIA型號艙室熏蒸產(chǎn)品造型設(shè)計實踐

選取最有直觀視覺影響的側(cè)面造型輪廓線，進行分段擬合曲線研究。

4.1提取XYZ-IIA型艙室熏蒸產(chǎn)品模型側(cè)面輪廓線放置坐標系

本文以XYZ-IIA型熏蒸產(chǎn)品側(cè)面輪廓線為例，進行擬合曲線提取研究。企業(yè)現(xiàn)有熏蒸機外觀造型沒有準確的三維模型，艙室熏蒸產(chǎn)品沒有相關(guān)數(shù)據(jù)可循，所以首先需要對此款熏蒸機進行實際測量、采樣，然后將艙室熏蒸機進行側(cè)面造型輪廓線勾勒，將側(cè)面造型輪廓線等比例放置于二維笛卡爾坐標系中，進行擬合曲線的提取研究。

4.2基于擬合曲線的艙室熏蒸產(chǎn)品側(cè)面輪廓線的擬合曲線和函數(shù)

在三維建模過程中，資深設(shè)計師會選用最簡面生成最優(yōu)的弧型造型，同理，曲線關(guān)鍵點越少，越容易排除干擾得到合適的擬合函數(shù)和曲線。以線段L1為例，如圖2可知，選取一個起始點P1和終止點P2以及N個關(guān)鍵點，x軸上的關(guān)鍵點每100mm選取一個關(guān)鍵點進行初始種群采樣?？傻盟x關(guān)鍵點坐標如表2所示。在Origin或Excel數(shù)據(jù)處理軟件中輸入選擇的坐標點，之后進行線性擬合或者多項式擬合，本文選擇Origin專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)分析，如圖3可知，L1線段通過初始種群坐標擬合多項式函數(shù)和曲線，擬合曲線關(guān)鍵點的選取非常重要，否則就會得到不成功擬合曲線函數(shù)。如圖4所示，在做二維造型推演過程中，擬合出來的L2曲線不夠圓滑、順暢并且和原圖差距很大，不適合進行造型推演。因此，接下來需要重新選擇擬合L2曲線關(guān)鍵點初始種群，直至得到合適的擬合曲線。

熏蒸機造型側(cè)面輪廓線為自由曲線，通過圖5可知，可以將其描述為若干連續(xù)的線段L，每段線段都由起始點Pn和終止點Pi以及控制點Ci在笛卡爾坐標系中確定其位置和屬性關(guān)系。原輪廓線數(shù)據(jù)點非常密集，待擬合曲線點列中的某些特定點對擬合逼近曲線形狀產(chǎn)生重要影響，因此，采樣關(guān)鍵點的合理選取是確保擬合函數(shù)曲線精確性的重要保證。后期項目細化過程中可以增加新的關(guān)鍵點改善局部曲線的曲線曲率質(zhì)量，同時保證不影響其他符合要求的曲線段。使得出的擬合曲線函數(shù)曲率更加貼合設(shè)計者的意向造型。

在實際項目進行中，擬合曲線特征點的選取需要多次選取坐標種群，之后進行曲線擬合，選取最符合設(shè)計者意圖的曲線函數(shù)，在二維平面中得到最優(yōu)的擬合曲線。文中的L1和L2曲線得到滿足設(shè)計師造型方案之后，需要銜接兩條曲線進行產(chǎn)品造型推演，如表1。

4.3基于擬合曲線提取特征構(gòu)建三維模型

在Origin軟件中，將側(cè)面造型特征輪廓線和大鼻子附加特征輪廓線等主要特征線分別進行種群采樣、曲線擬合，得到多條側(cè)面造型輪廓線和大鼻子附加特征輪廓線的擬合曲線函數(shù)與曲線，之后在二維軟件中進行參數(shù)化曲線還原與銜接，得到參數(shù)化產(chǎn)品二維方案導(dǎo)入三維建模軟件進行建模操作，通過模型制作如圖5，可以驗證造型與結(jié)構(gòu)的可行性。

5結(jié)論

曲線擬合可以巧妙地避開以往插值法、平均數(shù)值得到的曲線帶來的弊端，同時可以反應(yīng)逼近函數(shù)的特征，后期研究需要借助計算機，減少計算量同時得到精度高的數(shù)據(jù)和更符合設(shè)計師造型意向、更加實用的擬合曲線。二維特征線對三維特征面的造型意向的影響非常直觀，因此需要借助通過擬合曲線得出的擬合函數(shù)進行曲線的推演。這在項目進行過程中，設(shè)計師對接工程師進行造型細化的工作會節(jié)省很多溝通成本。同時對最大化保留設(shè)計師意向特征造型有極大益處。