基于擬合曲線的艙室熏蒸產品造型設計研究

付曉莉 郭昌鑫

摘要：針對國內中藥熏蒸產品長期重視功能完善，導致市場產品造型陳舊，缺乏延續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品造型研究方法。采用提取擬合曲線進行產品造型特征線的表達，建立擁有品牌造型延續特征的艙室熏蒸產品三維模型。以某企業的艙室熏蒸產品外觀設計為例，設計一款有利于提高企業產品品牌標識度的產品外觀，該研究方法也可以運用于其他熏蒸產品的造型設計中。

關鍵詞：擬合曲線;艙室熏蒸產品;造型設計

1擬合曲線概述

擬合曲線主要應用于科學實驗數據和工程實測數據中，在數值分析過程中，通常多組數據相對零散不便處理，擬合曲線的目的就是使用公式化的函數解析式逼近離散數據，尋求最佳擬合曲線，體現數據組其中的固有規律。將計算得出的數據繪制成散點圖，并用一條連續的曲線平滑地把這些離散的點串聯起來，最終得出一條精準的擬合曲線，便于設計人員分析。離散的點越多越密集，得出的曲線越精準平滑，機械設計加工的效果就越好。在大型企業的機械設計當中，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兼容實現的函數表達式。

在數據處理過程中，當離散數據點較多、擬合曲線多項式階數較低時，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，但是階數太高又會帶來計算上的復雜以及后期計算的不便，所以發現采用多項式曲線函數擬合較多的數據點對于本文研究內容不太合適，通過查閱文獻發現，有關學者采用分段擬合曲線可以有效解決上述問題，在每段區間上分別進行擬合曲線。通過擬合曲線的應用，極大提高了造型設計研究的科學性。

2艙室熏蒸產品造型現狀

由于現有的熏蒸機產品制造工藝水平和企業購入壓模機器的限制，導致目前造型材料主要以鈑金和特質膠水進行玻璃鋼纖維黏合的亞克力殼體為造型主要材料，現有造型主要依靠企業手工模具師傅的經驗和審美來展現，如圖1為企業現有產品造型，主要由機械本體、控制系統、氣路系統、水路系統、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品特征和品牌特征。

康復熏蒸產品使用者在滿足基本康復使用功能后，定然希望通過產品造型的創新達到審美和情感需求的雙重滿足。通過查詢現有的艙室熏蒸產品，發現現有產品造型主要以大象鼻子的仿生設計為主要造型來源。不同型號所有艙室熏蒸產品如：IIA、IIIA、IIIC、IIID型號艙室產品，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品的特征元素。

3基于擬合曲線的艙室熏蒸產品造型設計分析

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

通過解構艙室熏蒸產品造型，發現對產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。其造型形態主要以直線、平面的無機形態和曲線、曲面的有機形態進行造型表達。因此，尋找、抽取關鍵造型特征單元如下：

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

2）造型特征線——輪廓線。產品輪廓線主要代表產品造型的視覺形象，但是在設計過程中，輪廓線的勾勒主要基于產品意象特征來表現。在傳統造型設計中，輪廓線的推理一直代表設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設定。供后期結構工程師做結構設計使用。

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。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計，提取抽象的最簡元素，應用于熏蒸機上作為特征識別元素。

4基于擬合曲線的XYZ-IIA型號艙室熏蒸產品造型設計實踐

選取最有直觀視覺影響的側面造型輪廓線，進行分段擬合曲線研究。

4.1提取XYZ-IIA型艙室熏蒸產品模型側面輪廓線放置坐標系

本文以XYZ-IIA型熏蒸產品側面輪廓線為例，進行擬合曲線提取研究。企業現有熏蒸機外觀造型沒有準確的三維模型，艙室熏蒸產品沒有相關數據可循，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面造型輪廓線勾勒，將側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品側面輪廓線的擬合曲線和函數

在三維建模過程中，資深設計師會選用最簡面生成最優的弧型造型，同理，曲線關鍵點越少，越容易排除干擾得到合適的擬合函數和曲線。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個關鍵點，x軸上的關鍵點每100mm選取一個關鍵點進行初始種群采樣。可得所選關鍵點坐標如表2所示。在Origin或Excel數據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專業數據處理軟件進行數據分析，如圖3可知，L1線段通過初始種群坐標擬合多項式函數和曲線，擬合曲線關鍵點的選取非常重要，否則就會得到不成功擬合曲線函數。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曲線關鍵點初始種群，直至得到合適的擬合曲線。

熏蒸機造型側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系。原輪廓線數據點非常密集，待擬合曲線點列中的某些特定點對擬合逼近曲線形狀產生重要影響，因此，采樣關鍵點的合理選取是確保擬合函數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鍵點改善局部曲線的曲線曲率質量，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曲率更加貼合設計者的意向造型。

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，選取最符合設計者意圖的曲線函數，在二維平面中得到最優的擬合曲線。文中的L1和L2曲線得到滿足設計師造型方案之后，需要銜接兩條曲線進行產品造型推演，如表1。

4.3基于擬合曲線提取特征構建三維模型

在Origin軟件中，將側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，得到多條側面造型輪廓線和大鼻子附加特征輪廓線的擬合曲線函數與曲線，之后在二維軟件中進行參數化曲線還原與銜接，得到參數化產品二維方案導入三維建模軟件進行建模操作，通過模型制作如圖5，可以驗證造型與結構的可行性。

5結論

曲線擬合可以巧妙地避開以往插值法、平均數值得到的曲線帶來的弊端，同時可以反應逼近函數的特征，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據和更符合設計師造型意向、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進行曲線的推演。這在項目進行過程中，設計師對接工程師進行造型細化的工作會節省很多溝通成本。同時對最大化保留設計師意向特征造型有極大益處。