基于拟合曲线的舱室熏蒸产品造型设计研究
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作者:付晓莉 郭昌鑫
摘要：针对国内中药熏蒸产品长期重视功能完善，导致市场产品造型陈旧，缺乏延续造型特征的品牌基因问题，提出基于拟合曲线的舱室熏蒸产品造型研究方法。采用提取拟合曲线进行产品造型特征线的表达，建立拥有品牌造型延续特征的舱室熏蒸产品三维模型。以某企业的舱室熏蒸产品外观设计为例，设计一款有利于提高企业产品品牌标识度的产品外观，该研究方法也可以运用于其他熏蒸产品的造型设计中。
关键词：拟合曲线;舱室熏蒸产品;造型设计
1拟合曲线概述
拟合曲线主要应用于科学实验数据和工程实测数据中，在数值分析过程中，通常多组数据相对零散不便处理，拟合曲线的目的就是使用公式化的函数解析式逼近离散数据，寻求最佳拟合曲线，体现数据组其中的固有规律。将计算得出的数据绘制成散点图，并用一条连续的曲线平滑地把这些离散的点串联起来，最终得出一条精准的拟合曲线，便于设计人员分析。离散的点越多越密集，得出的曲线越精准平滑，机械设计加工的效果就越好。在大型企业的机械设计当中，计算出的拟合曲线必须是精准易算的，可以被机械工程软件CAD或者CAM兼容实现的函数表达式。
在数据处理过程中，当离散数据点较多、拟合曲线多项式阶数较低时，拟合精度和效果一般不太理想。因此，提高拟合精度和效果就需要提高曲线阶数，但是阶数太高又会带来计算上的复杂以及后期计算的不便，所以发现采用多项式曲线函数拟合较多的数据点对于本文研究内容不太合适，通过查阅文献发现，有关学者采用分段拟合曲线可以有效解决上述问题，在每段区间上分别进行拟合曲线。通过拟合曲线的应用，极大提高了造型设计研究的科学性。
2舱室熏蒸产品造型现状
由于现有的熏蒸机产品制造工艺水平和企业购入压模机器的限制，导致目前造型材料主要以钣金和特质胶水进行玻璃钢纤维黏合的亚克力壳体为造型主要材料，现有造型主要依靠企业手工模具师傅的经验和审美来展现，如图1为企业现有产品造型，主要由机械本体、控制系统、气路系统、水路系统、舱体等组成，由图可知，床体是熏蒸机的重要组成部分，不但具有支撑使用性能，还承载着熏蒸机的产品特征和品牌特征。
康复熏蒸产品使用者在满足基本康复使用功能后，定然希望通过产品造型的创新达到审美和情感需求的双重满足。通过查询现有的舱室熏蒸产品，发现现有产品造型主要以大象鼻子的仿生设计为主要造型来源。不同型号所有舱室熏蒸产品如：IIA、IIIA、IIIC、IIID型号舱室产品，全部使用这一特征元素。因此，可以确定大象鼻子造型元素就是熏蒸产品的特征元素。
3基于拟合曲线的舱室熏蒸产品造型设计分析
目前，产业界的设计由原来的“形式追随功能”逐渐升级为“设计追随情感”，由以医疗康复产品最为明显。主要体现为设计者的情感意象映射到产品造型的形态变更，以期望通过良好的造型设计帮助康复患者快速进入放松状态，达到最高效率的康复训练。例如，大象鼻子就是通过舱室熏蒸产品的外观造型提取产品设计主要特征线进行拟合曲线提取的，将其应用于实际项目案例中，最终得到企业目标意象方案。
通过解构舱室熏蒸产品造型，发现对产品造型有重要影响的造型单元分别包括：造型特征线和造型特征面以及造型特征元素三部分。其造型形态主要以直线、平面的无机形态和曲线、曲面的有机形态进行造型表达。因此，寻找、抽取关键造型特征单元如下：
1）造型特征线——中心线。产品实际建模过程中，三维模型的三视图都可以找到中心线体现产品平衡对称感。中心线是几何设计的重要特征线，也是产品造型约束的重要控制线。在设计造型过程中，中心线的地位举重若轻。
2）造型特征线——轮廓线。产品轮廓线主要代表产品造型的视觉形象，但是在设计过程中，轮廓线的勾勒主要基于产品意象特征来表现。在传统造型设计中，轮廓线的推理一直代表设计师意象造型的重要也是主要方向。
3）造型特征面——基准面。在推理设计过程中，基准面和中心线一样重要，需要选择重要表面作为生产和装配的的基准面。同时在三维软件中，主要通过基准面进行装配参数设定。供后期结构工程师做结构设计使用。
4）造型特征元素——大象鼻子附加特征轮廓线。意象造型的附加特征轮廓线主要由具有明显标志性的特征元素进行表现。XYZ-IIA型熏蒸机的特征非常明显，主要是依托于大象鼻子的仿生设计，提取抽象的最简元素，应用于熏蒸机上作为特征识别元素。
4基于拟合曲线的XYZ-IIA型号舱室熏蒸产品造型设计实践
选取最有直观视觉影响的侧面造型轮廓线，进行分段拟合曲线研究。
4.1提取XYZ-IIA型舱室熏蒸产品模型侧面轮廓线放置坐标系
本文以XYZ-IIA型熏蒸产品侧面轮廓线为例，进行拟合曲线提取研究。企业现有熏蒸机外观造型没有准确的三维模型，舱室熏蒸产品没有相关数据可循，所以首先需要对此款熏蒸机进行实际测量、采样，然后将舱室熏蒸机进行侧面造型轮廓线勾勒，将侧面造型轮廓线等比例放置于二维笛卡尔坐标系中，进行拟合曲线的提取研究。
4.2基于拟合曲线的舱室熏蒸产品侧面轮廓线的拟合曲线和函数
在三维建模过程中，资深设计师会选用最简面生成最优的弧型造型，同理，曲线关键点越少，越容易排除干扰得到合适的拟合函数和曲线。以线段L1为例，如图2可知，选取一个起始点P1和终止点P2以及N个关键点，x轴上的关键点每100mm选取一个关键点进行初始种群采样。可得所选关键点坐标如表2所示。在Origin或Excel数据处理軟件中输入选择的坐标点，之后进行线性拟合或者多项式拟合，本文选择Origin专业数据处理软件进行数据分析，如图3可知，L1线段通过初始种群坐标拟合多项式函数和曲线，拟合曲线关键点的选取非常重要，否则就会得到不成功拟合曲线函数。如图4所示，在做二维造型推演过程中，拟合出来的L2曲线不够圆滑、顺畅并且和原图差距很大，不适合进行造型推演。因此，接下来需要重新选择拟合L2曲线关键点初始种群，直至得到合适的拟合曲线。
熏蒸机造型侧面轮廓线为自由曲线，通过图5可知，可以将其描述为若干连续的线段L，每段线段都由起始点Pn和终止点Pi以及控制点Ci在笛卡尔坐标系中确定其位置和属性关系。原轮廓线数据点非常密集，待拟合曲线点列中的某些特定点对拟合逼近曲线形状产生重要影响，因此，采样关键点的合理选取是确保拟合函数曲线精确性的重要保证。后期项目细化过程中可以增加新的关键点改善局部曲线的曲线曲率质量，同时保证不影响其他符合要求的曲线段。使得出的拟合曲线函数曲率更加贴合设计者的意向造型。
在实际项目进行中，拟合曲线特征点的选取需要多次选取坐标种群，之后进行曲线拟合，选取最符合设计者意图的曲线函数，在二维平面中得到最优的拟合曲线。文中的L1和L2曲线得到满足设计师造型方案之后，需要衔接两条曲线进行产品造型推演，如表1。
4.3基于拟合曲线提取特征构建三维模型
在Origin软件中，将侧面造型特征轮廓线和大鼻子附加特征轮廓线等主要特征线分别进行种群采样、曲线拟合，得到多条侧面造型轮廓线和大鼻子附加特征轮廓线的拟合曲线函数与曲线，之后在二维软件中进行参数化曲线还原与衔接，得到参数化产品二维方案导入三维建模软件进行建模操作，通过模型制作如图5，可以验证造型与结构的可行性。
5结论
曲线拟合可以巧妙地避开以往插值法、平均数值得到的曲线带来的弊端，同时可以反应逼近函数的特征，后期研究需要借助计算机，减少计算量同时得到精度高的数据和更符合设计师造型意向、更加实用的拟合曲线。二维特征线对三维特征面的造型意向的影响非常直观，因此需要借助通过拟合曲线得出的拟合函数进行曲线的推演。这在项目进行过程中，设计师对接工程师进行造型细化的工作会节省很多沟通成本。同时对最大化保留设计师意向特征造型有极大益处。
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