高嬋娟,譚艷君,金 波

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.咸陽(yáng)紡織集團(tuán)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 712000)

一、清梳聯(lián)和配棉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)背景

教育部于2017年推出新工科計(jì)劃,以工程教育新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量等作為高校新工科建設(shè)和教育改革的基本內(nèi)容[1]。新工科踐行“以學(xué)生為中心,產(chǎn)出導(dǎo)向教育”理念,深化產(chǎn)教融合,需要從經(jīng)驗(yàn)分享走向?qū)嵅賹?shí)訓(xùn),從形式走向?qū)嵭?從知識(shí)考試走向能力養(yǎng)成[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程專(zhuān)業(yè)教育的根本,是現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志之一,是一流本科課程建設(shè)的重要內(nèi)容[3]。

為推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與紡織服裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合,2019年中國(guó)紡織服裝教育學(xué)會(huì)推出國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目培育計(jì)劃,旨在拓展紡織服裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度,提升紡織服裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平,實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)、行業(yè)應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新的融合發(fā)展。為減少重復(fù)投資,減輕各院校的建設(shè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),將紡織和服裝工程各工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,協(xié)調(diào)劃塊,各院校將重心放在打造自己承擔(dān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目,最終實(shí)現(xiàn)各院校建設(shè)成果的資源共享。紡織工程是我校(西安工程大學(xué))的特色優(yōu)勢(shì)專(zhuān)業(yè),我校將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鎖定在紡織類(lèi)高校實(shí)驗(yàn)建設(shè)都相對(duì)薄弱或空缺的“清梳聯(lián)和配棉”環(huán)節(jié)進(jìn)行建設(shè),綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,打破了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制,實(shí)現(xiàn)了智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革新模式,有效提升了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力[4-5]。目前已基本完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)應(yīng)用和項(xiàng)目共享。

二、清梳聯(lián)和配棉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和必要性

1.清梳聯(lián)和配棉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)

紡織工程從實(shí)行“大紡織”教育體系后,“紡紗學(xué)”課程以棉紡紡紗技術(shù)為主線(xiàn)進(jìn)行紡紗方法和原理的講解。配棉是棉紡紡紗的第一步,與原料供應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理等有著密切的關(guān)系,是一項(xiàng)技術(shù)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的基礎(chǔ)工作。棉紡織企業(yè)做好配棉不僅可以穩(wěn)定生產(chǎn)、增效、提高成紗產(chǎn)品質(zhì)量,而且對(duì)降低紡紗成本、節(jié)約用棉有顯著影響[6-7]。

清梳聯(lián)是棉紡工程的第一個(gè)環(huán)節(jié),是由多種單機(jī)按照一定的生產(chǎn)工藝需求進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)預(yù)定生產(chǎn)目的的大型綜合性生產(chǎn)線(xiàn)[8]。清梳聯(lián)工程中的設(shè)備組合方式、設(shè)備選型及設(shè)備工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)紡紗質(zhì)量和紡紗成本影響顯著,在紡紗工程中的地位舉足輕重。清梳聯(lián)和配棉在紡紗工程中的位置如圖1所示。

圖1 清梳聯(lián)和配棉在紡紗工程中的位置

2.清梳聯(lián)和配棉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的必要性

隨著紡紗技術(shù)的進(jìn)步,紡紗工藝流程縮短,紡紗速度不斷提高。原料作為紡紗的物質(zhì)基礎(chǔ),在一定程度上,纖維性能決定紗線(xiàn)性能,紗線(xiàn)性能決定紡織品的性能,因而紡出符合質(zhì)量要求的紗或線(xiàn)對(duì)于紡織產(chǎn)業(yè)鏈終端產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。紡紗的第一步就是根據(jù)目標(biāo)紗線(xiàn)的線(xiàn)密度和質(zhì)量要求進(jìn)行纖維原料的選配。棉紡織企業(yè)傳統(tǒng)的原料選配方法是分類(lèi)排隊(duì)法,由于配棉的高消耗,長(zhǎng)期以來(lái)只有理論教學(xué),內(nèi)容只有分類(lèi)和排隊(duì)的概念。其中,分類(lèi)就是將適合生產(chǎn)某種產(chǎn)品或某一線(xiàn)密度和用途的原棉挑選出來(lái)劃分為一類(lèi),共分為若干類(lèi);排隊(duì)則是在分類(lèi)的基礎(chǔ)上,把地區(qū)、性質(zhì)相近的排在一個(gè)隊(duì)內(nèi),以便接批使用。由于內(nèi)容比較抽象,學(xué)生不易理解分類(lèi)和排隊(duì)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用方法。利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行配棉工藝設(shè)計(jì),學(xué)生可以選擇某一線(xiàn)密度的紗線(xiàn),根據(jù)系統(tǒng)中理論知識(shí)的提示,按照系統(tǒng)中的步驟完成配棉的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)配棉方案的模擬應(yīng)用。這有助于幫助學(xué)生掌握原料選配的方法及不同原料間指標(biāo)差異性控制的原則,了解選配的原料參與紡紗生產(chǎn)的方式,從而進(jìn)一步挖掘原料選配及排列規(guī)律與紗線(xiàn)質(zhì)量和成本的關(guān)聯(lián)性。

清梳聯(lián)工程由于設(shè)備數(shù)量多,運(yùn)行潛在危險(xiǎn)大,設(shè)備間通過(guò)輸纖管道和除塵管路連接,存在空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、費(fèi)用高、運(yùn)行維護(hù)難度大等實(shí)際問(wèn)題[9]。這些都導(dǎo)致大多數(shù)紡織類(lèi)高校在清梳聯(lián)工程實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面都處于不完善甚至空缺的狀態(tài),無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)方面,長(zhǎng)期以來(lái)課堂中設(shè)備原理和工藝設(shè)計(jì)的講解多借助平面圖進(jìn)行分析,近些年利用Flash技術(shù)制作了部分設(shè)備的原理動(dòng)畫(huà),但僅僅是原理示意圖,不能有效展示設(shè)備結(jié)構(gòu)的三維狀態(tài)、設(shè)備機(jī)件構(gòu)造及機(jī)件間的作用關(guān)系。企業(yè)生產(chǎn)的視頻資料中設(shè)備都處于封裝狀態(tài),無(wú)法還原設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況。這些都造成學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)理解不充分,學(xué)習(xí)效果不佳。教學(xué)體系方面,紡織工程培養(yǎng)大綱設(shè)置中有“生產(chǎn)實(shí)踐”和“畢業(yè)實(shí)踐”等環(huán)節(jié),由于學(xué)生參加生產(chǎn)實(shí)踐會(huì)給企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來(lái)一定的干擾,這導(dǎo)致學(xué)生到企業(yè)參觀實(shí)踐的難度增加,動(dòng)手操作機(jī)會(huì)變少。

通過(guò)以上分析可知,基于清梳聯(lián)工程的配棉工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具備了高危險(xiǎn)、高成本、高消耗、操作不可逆、大型綜合訓(xùn)練等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的要素,依靠智能技術(shù)的可復(fù)制性、在線(xiàn)共享性等特征進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè),具有切實(shí)的必要性。

三、基于清梳聯(lián)工程的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括兩部分,一是清梳聯(lián)全流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn),二是以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝與抓棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

1.清梳聯(lián)全流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)建設(shè)以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)為切入點(diǎn),以高效短流程的特呂茨施勒清梳聯(lián)合機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)建設(shè)的參照模型。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)纖維原料抓取作用的往復(fù)式抓棉機(jī);實(shí)現(xiàn)開(kāi)松、混合及除雜作用的雙軸流開(kāi)棉機(jī)、多倉(cāng)混棉機(jī)、多滾筒清棉機(jī);實(shí)現(xiàn)梳理纖維原料的梳棉機(jī);實(shí)現(xiàn)纖維原料輔助加工的重雜分離器、異性纖維探除裝置和除微塵機(jī)等;實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)作用的橋式吸鐵裝置、火星探除裝置等;實(shí)現(xiàn)組合設(shè)備連接的凝棉器、輸棉風(fēng)機(jī)、電氣配棉器、清梳聯(lián)喂棉箱等。這些設(shè)備在現(xiàn)有的清梳聯(lián)組合中具有先進(jìn)性、典型性和普遍適應(yīng)性。清梳聯(lián)全流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖2所示。

圖2 清梳聯(lián)全流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括整個(gè)聯(lián)合機(jī)組的設(shè)備組成、設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備運(yùn)行原理虛擬仿真透視,可全方位清晰地展示機(jī)組設(shè)備的前后關(guān)系及設(shè)備間輸纖管道、除塵管路的連接方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生理解清梳聯(lián)工程“清梳連接、多項(xiàng)自動(dòng),防火防爆”的設(shè)備組合原則,以及“多包混合、打梳結(jié)合、多松少打、漸進(jìn)開(kāi)松、早落少碎”的工藝配置原則[10]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)彌補(bǔ)了由于課時(shí)壓縮,理論教學(xué)只是講解部分設(shè)備的工作原理和功能的問(wèn)題,也避免了學(xué)生難以理解設(shè)備實(shí)際的應(yīng)用方法及設(shè)備間關(guān)聯(lián)性的情況。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的相輔相成,有效地提升了課堂教學(xué)效果。其中多倉(cāng)混棉機(jī)工作原理的虛擬仿真透視展示界面如圖3所示。

圖3 多倉(cāng)混棉機(jī)工作原理的虛擬仿真透視展示界面

2.配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含以下4個(gè)設(shè)計(jì)模塊:

(1)配棉設(shè)計(jì)模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)提示選擇紡紗線(xiàn)密度,設(shè)計(jì)正確的紡紗工藝系統(tǒng),并根據(jù)紡紗線(xiàn)密度進(jìn)行纖維原料的選配。通過(guò)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生理解不同的紡紗工藝系統(tǒng)和不同的原料選配方案對(duì)成紗質(zhì)量和紡紗成本的影響。配棉方案設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 配棉方案設(shè)計(jì)界面

(2)配棉混比設(shè)計(jì)模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)配棉結(jié)果自動(dòng)形成原料選配列表,根據(jù)提示信息進(jìn)行各組分選配原料的混比分配,并計(jì)算出各組分原料的混包數(shù)量,繼而依據(jù)原料性能和混比計(jì)算混合原料給定指標(biāo)的平均值。這部分設(shè)計(jì)有原理、有計(jì)算,囊括配棉混比設(shè)計(jì)的原則、混合棉指標(biāo)的計(jì)算方法等知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生理解不同組分混比選擇對(duì)成紗質(zhì)量和成本的影響。配棉混比設(shè)計(jì)及混合原料平均指標(biāo)計(jì)算界面如圖5所示。

圖5 配棉混比設(shè)計(jì)及混合原料平均指標(biāo)計(jì)算界面

(3)配棉排列及仿真模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先依據(jù)提示進(jìn)行排包圖的平面設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中用數(shù)字1、2、3……依次作為選配原料各成分的代號(hào),進(jìn)行排包規(guī)律設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后點(diǎn)擊配棉方案虛擬仿真,選配的原料按照設(shè)計(jì)的排包規(guī)律排列在往復(fù)式抓棉機(jī)兩側(cè),高度還原了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。此模塊體現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)是排包時(shí)需要貫徹抓棉機(jī)“多包細(xì)抓、混合均勻、成分正確”的工藝設(shè)計(jì)原則[11]。配棉方案虛擬仿真效果如圖6所示。

圖6 配棉方案虛擬仿真效果

(4)抓棉工藝設(shè)計(jì)模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)按照“光標(biāo)”指引找尋往復(fù)式抓棉機(jī)控制箱,點(diǎn)擊指定按鈕,則彈出往復(fù)式抓棉機(jī)工藝設(shè)計(jì)窗口。參數(shù)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合設(shè)備的能力、紡紗線(xiàn)密度及質(zhì)量要求,完成后點(diǎn)擊開(kāi)機(jī)按鈕,往復(fù)式抓棉機(jī)即模擬運(yùn)行,并透視展現(xiàn)抓棉過(guò)程。往復(fù)式抓棉機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)界面如圖7所示。

圖7 往復(fù)式抓棉機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)界面

四、基于清梳聯(lián)工程的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

基于清梳聯(lián)工程的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式交互仿真、三維建模、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),構(gòu)建了開(kāi)放的3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為學(xué)生建立了與生產(chǎn)實(shí)際高度符合的操作演練環(huán)境,具有強(qiáng)烈的沉浸感和真實(shí)感。實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)互動(dòng)性、可操作性、兼容性和共享性,與新工科教育理念相吻合。我校“配棉工藝過(guò)程與抓棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目2021年獲批陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程,2023年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。該實(shí)驗(yàn)從2021年開(kāi)始在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行共享,應(yīng)用人次累計(jì)近5 000。該實(shí)驗(yàn)在2021年、2022年和2023年中國(guó)紡織服裝教育學(xué)會(huì)舉辦的全國(guó)紡織類(lèi)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中進(jìn)行了應(yīng)用,其中有15所紡織院校組織學(xué)生參與競(jìng)賽,參賽學(xué)生人數(shù)累計(jì)近1 000人,我校參賽學(xué)生也參與并獲獎(jiǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性,而且推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在紡織工程和服裝工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)中的實(shí)踐與應(yīng)用。

五、結(jié)語(yǔ)

以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),將清梳聯(lián)工程知識(shí)體系、配棉工藝設(shè)計(jì)和抓棉工藝設(shè)計(jì)相融合。通過(guò)清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以有效掌握清梳聯(lián)工程設(shè)備組合、設(shè)備機(jī)構(gòu)和工作原理及設(shè)備間的連接方式。通過(guò)配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以有效掌握配棉的方法、混合原料平均指標(biāo)的計(jì)算方法、選配原料混比設(shè)計(jì)的原則和排包設(shè)計(jì)遵循的原則,理解原料選配、排包規(guī)律以及設(shè)備工藝參數(shù)選擇等因素與紗線(xiàn)質(zhì)量和紡紗成本間的因果關(guān)系。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)集自主性、交互性、共享性和創(chuàng)新性于一體,彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的空缺,豐富了實(shí)踐教學(xué)手段,實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合,提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可為其他高校紡織類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)、企業(yè)勞動(dòng)技術(shù)培訓(xùn)提供支持,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。