高嬋娟　譚艷君　金波　盛翠紅

［摘 要］ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一流本科課程建設(shè)的重要內(nèi)容，針對紡織工程中配棉的高消耗，清梳聯(lián)工程設(shè)備數(shù)量多、外形大、費(fèi)用高和危險(xiǎn)性大等問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式交互仿真和三維建模等技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，彌補(bǔ)了配棉和清梳聯(lián)工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)的空白，有效提高了學(xué)生對配棉和清梳聯(lián)工程知識(shí)體系的理解與掌握。實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)交互性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性、趣味性和共享性等特點(diǎn)，在人才培養(yǎng)、社會(huì)化服務(wù)、資源共享等方面取得了顯著成效。

［關(guān)鍵詞］ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)；配棉；清梳聯(lián)；虛擬仿真

［基金項(xiàng)目］ 2023年度第二批國家級一流本科課程“配棉工藝過程與抓棉工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（教高函〔2023〕7號）；2021年度“紡織之光”中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于新工科理念的‘紡紗學(xué)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與應(yīng)用研究”（2021BKJGLX012）；2021年度西安工程大學(xué)校級教育教學(xué)改革項(xiàng)目“虛擬仿真技術(shù)在‘紡紗學(xué)課程教學(xué)中的建設(shè)與應(yīng)用研究”（21JGZD01）

［作者簡介］ 高嬋娟（1970—），女，陜西西安人，碩士，西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事功能性紡織產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)及信息技術(shù)在紡織中的應(yīng)用研究；譚艷君（1963—），女，山東淄博人，學(xué)士，西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院教授級高工，主要從事新型染整助劑的合成及染色和印花應(yīng)用研究；金 波（1975—），男，陜西咸陽人，學(xué)士，咸陽紡織集團(tuán)有限公司一分廠廠長，主要從事功能性纖維的紡紗方法及工藝研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0033-05［收稿日期］ 2022-11-13

教育部于2017年提出了以工程教育新理念、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］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代大學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志，是一流本科課程建設(shè)的重要內(nèi)容，是新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的重要途徑［2］。2019年，教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》指出，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程［3］。紡織工程設(shè)備數(shù)量多、外形大、占地面積多、費(fèi)用高，運(yùn)行危險(xiǎn)性大，一些紡織院?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，生產(chǎn)線不完整，不能正常反映實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)水平，一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性［4-5］。近年來，由于企業(yè)質(zhì)量管理要求等因素，學(xué)生到企業(yè)動(dòng)手實(shí)踐和學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)越來越少。實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足，造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果欠佳，難以理解理論知識(shí)，而虛擬仿真技術(shù)推進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的有效融合，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間［6-7］，實(shí)現(xiàn)了智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的解決方案［8］。

一、配棉和清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的意義

（一）配棉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的意義

我國是世界上最大的棉紡織生產(chǎn)基地，產(chǎn)能基本占全球總產(chǎn)能的一半。原棉由于產(chǎn)地、品種的不同，原棉性能指標(biāo)差異較大，因而配棉是棉紡織企業(yè)一項(xiàng)重要的具備技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)踐性和基礎(chǔ)性的工作，與企業(yè)的原料供應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及企業(yè)經(jīng)營管理等密切相關(guān)［9］。棉紡企業(yè)做好配棉不僅可以增進(jìn)穩(wěn)定生產(chǎn)、增效，提高成紗質(zhì)量，還對降低紡紗成本、節(jié)約用棉有著顯著影響。在制訂配棉方案時(shí)，需要考慮原棉產(chǎn)地、原棉庫存、包型規(guī)格、棉臺(tái)容量、生產(chǎn)計(jì)劃、混棉隊(duì)數(shù)與各隊(duì)包數(shù)、混棉成本與混棉質(zhì)量等多方面因素［10］。

“紡紗學(xué)”是紡織工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，課程講解以傳統(tǒng)的棉紡紗線成形原理為主線。我國棉紡織企業(yè)長期在生產(chǎn)實(shí)踐中采用分類排隊(duì)法的配棉方法。由于配棉的高效耗，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過理論學(xué)習(xí)后，學(xué)生對配棉的知識(shí)大多一知半解，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行配棉工藝設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生理解原料選配及指標(biāo)差異性控制的方法，了解選配的原料以何種方式、方法參與紡紗生產(chǎn)，理解選配原料的排列規(guī)律對紗線質(zhì)量的影響。

（二）清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的意義

“清梳聯(lián)”是紡織工程的第一個(gè)生產(chǎn)工序，是由多種單機(jī)按照一定的生產(chǎn)工藝需求設(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［11］?！扒迨崧?lián)”工程中設(shè)備的選型、組合方式及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對紡紗質(zhì)量和紡紗成本影響顯著，在紡紗工程中的地位舉足輕重。

新時(shí)代新工科教育理念需要產(chǎn)教融合，需要從經(jīng)驗(yàn)分享走向?qū)嵅賹?shí)訓(xùn)，從形式主義走向注重實(shí)效，從知識(shí)考試走向能力養(yǎng)成［12-13］。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解和掌握清梳聯(lián)機(jī)組設(shè)備的組合方式、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理以及工藝設(shè)計(jì)的方法。

二、配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式交互仿真、三維建模等技術(shù)，構(gòu)建了開放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生構(gòu)建了與實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)相符合的演練環(huán)境，實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)烈的體驗(yàn)感和真實(shí)感，具有強(qiáng)互動(dòng)性、可操作性和共享性等。配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真以清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為背景，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括安全操作、配棉工藝設(shè)計(jì)、清梳聯(lián)工程設(shè)備認(rèn)知和設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)計(jì)四個(gè)模塊，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

三、配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

（一）安全操作模塊

安全模塊包含三部分內(nèi)容：一是服裝安全認(rèn)知，引導(dǎo)學(xué)生了解紡織企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，男女職工服裝鞋帽的安全要求；二是生產(chǎn)廠區(qū)安全要點(diǎn)認(rèn)知，針對紡織企業(yè)的加工材料都是易燃品，要求學(xué)生了解生產(chǎn)工場的防火防爆等消防安全設(shè)施配置；三是生產(chǎn)設(shè)備的安全操作認(rèn)知，紡織企業(yè)設(shè)備數(shù)量多，運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，特別是清梳聯(lián)設(shè)備大都帶有打手、鋸齒、梳針等危險(xiǎn)性機(jī)件，要求學(xué)生掌握設(shè)備操作安全規(guī)范要求。

（二）清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

清梳聯(lián)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)選擇高效短流程的特呂茨施勒聯(lián)合機(jī)組為模型，設(shè)備組合在棉紡織行業(yè)具有一定的普遍適應(yīng)性、典型性和先進(jìn)性［14］。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含的核心設(shè)備有實(shí)現(xiàn)開松、除雜作用的往復(fù)式抓棉機(jī)、雙軸流開棉機(jī)、多倉混棉機(jī)、多滾筒清棉機(jī)，實(shí)現(xiàn)梳理作用的梳棉機(jī)，實(shí)現(xiàn)輔助作用的重雜分離器、異性纖維探除裝置和除微塵裝置，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)作用的橋式吸鐵裝置、火星探除裝置，以及將這些設(shè)備連接在一起的凝棉器、輸棉風(fēng)機(jī)、電氣配棉器、清梳聯(lián)喂棉箱等連接裝置。清梳聯(lián)工程整體框架結(jié)構(gòu)虛擬仿真效果如圖2所示。

（三）配棉工藝設(shè)計(jì)模塊

1.配棉方案設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)提示尋找棉包，彈出配棉方案設(shè)計(jì)菜單界面。先根據(jù)需要選擇紡紗線密度，并依據(jù)線密度確定適合的紡紗工藝流程及配棉方案。這部分考核的知識(shí)點(diǎn)是線密度和紡紗工藝流程之間的合理匹配，引導(dǎo)學(xué)生掌握普梳系統(tǒng)適用于紡制中、粗特紗，精紡系統(tǒng)適用于紡制細(xì)特棉紗和特種用紗，在此基礎(chǔ)上分析紡紗系統(tǒng)和紗線質(zhì)量及成本的關(guān)系。設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

配棉方案需要按照傳統(tǒng)的分類排隊(duì)法完成。原棉的品級根據(jù)原棉的成熟程度、色澤特征、軋花質(zhì)量并參考強(qiáng)力、成熟度系數(shù)等物理指標(biāo)評定，級別的高低標(biāo)志著棉纖維品質(zhì)的好壞，纖維的長度及細(xì)度又對所紡紗線的強(qiáng)度及強(qiáng)度均勻度系數(shù)、條干均勻度、毛羽，以及紡紗工藝參數(shù)設(shè)計(jì)都有重要的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求選配原料的品級、長度和細(xì)度三個(gè)主要指標(biāo)必須滿足成分差異控制要求，否則顯示選擇錯(cuò)誤。通過實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握原料選配的原則和方法。

2.配棉方案比例設(shè)計(jì)及混合原料平均指標(biāo)的計(jì)算。根據(jù)原料選配的結(jié)果自動(dòng)生成原料選配表，根據(jù)提示設(shè)計(jì)混合原料各組分比例和計(jì)算排包數(shù)量，以及計(jì)算混合棉平均指標(biāo)，設(shè)計(jì)界面如圖4所示。通過實(shí)驗(yàn)操作，強(qiáng)化學(xué)生對配棉各組分分配比例設(shè)計(jì)的意義，占比多為主要組分，對紗線性能影響大，并掌握混合棉平均指標(biāo)的加權(quán)平均算法的適用性。

3.配棉方案排包設(shè)計(jì)及配棉方案虛擬仿真。配棉方案、各組份比例和排包數(shù)量確定后，彈出排包圖平面設(shè)計(jì)界面，選配原料各組分依次用1、2、3、4、5數(shù)字代表，要求各組分的排包數(shù)量和設(shè)計(jì)數(shù)量一致，設(shè)計(jì)完成后，可實(shí)現(xiàn)以清梳聯(lián)工程為背景的配棉方案虛擬仿真，并可實(shí)現(xiàn)往復(fù)式抓棉機(jī)的虛擬仿真抓棉過程，仿真效果如圖5所示。通過實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握往復(fù)式抓棉機(jī)“成分正確，多包細(xì)抓、混合均勻”的工藝設(shè)計(jì)原則［15］。

（四）清梳聯(lián)機(jī)組設(shè)備認(rèn)知模塊

通過清梳聯(lián)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)知往復(fù)式抓棉機(jī)、火星探除器、重力除雜器、雙軸流開棉機(jī)、多倉混棉機(jī)、精細(xì)開棉機(jī)、異性纖維處理裝置、除微塵機(jī)和梳棉機(jī)等設(shè)備，并通過虛擬仿真透視的展示設(shè)備的工作原理，雙軸流開棉機(jī)原理透視展示如圖6所示。通過實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握清梳聯(lián)機(jī)組不同設(shè)備在組合中的位置、功能及原理，理解清梳聯(lián)機(jī)組“先自由開松，后握持開松，雜質(zhì)早落少碎”的工藝配置［16］。

（五）設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)計(jì)模塊

紡織企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)管理有原材料管理、工藝管理、設(shè)備管理、操作管理和空調(diào)管理五大基礎(chǔ)性管理，但在生產(chǎn)技術(shù)管理中，工藝管理具有主導(dǎo)作用。工藝設(shè)計(jì)的合理性和先進(jìn)性與紡織企業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗關(guān)系密切。紡織企業(yè)加強(qiáng)工藝研究，提高工藝設(shè)計(jì)的合理性，是企業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗的保障。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了對清梳聯(lián)機(jī)組中實(shí)現(xiàn)開松和梳理的往復(fù)式抓棉機(jī)、雙軸流開棉機(jī)、多倉混棉機(jī)、梳棉機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生在認(rèn)知設(shè)備的基礎(chǔ)上，掌握設(shè)備工藝設(shè)計(jì)的原則和方法，以及關(guān)鍵工藝參數(shù)對紡紗半成品質(zhì)量和成紗質(zhì)量的影響。以往復(fù)式抓棉機(jī)為例，設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)是通過往復(fù)式抓棉機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握抓棉小車運(yùn)行速度、抓棉打手轉(zhuǎn)速、抓棉小車下降距離和打手刀片伸出肋條的距離等工藝參數(shù)對抓棉效果及紡紗質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)界面如圖7所示。

結(jié)語

紡織企業(yè)生產(chǎn)從原料選配開始，需要針對不同產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)合理的原料選配，滿足成紗質(zhì)量的同時(shí)有效控制紡紗成本。實(shí)驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式交互仿真和三維建模等技術(shù)構(gòu)建了以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)，可有效提高學(xué)生對配棉知識(shí)體系的理解和掌握，熟悉清梳聯(lián)工程中設(shè)備的組合、工作原理、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，理解工藝設(shè)計(jì)和紡紗半成品質(zhì)量及成紗質(zhì)量之間的因果關(guān)系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)由于高消耗、高危險(xiǎn)、高成本無法實(shí)現(xiàn)的缺憾，具有強(qiáng)交互性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性、趣味性和共享性等特點(diǎn)，可有效提高紡織工程學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和專業(yè)創(chuàng)新能力。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)已被認(rèn)定為省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程，也在全國紡織類大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中得以應(yīng)用，并和國內(nèi)多家紡織院校和企業(yè)簽訂了共享協(xié)議，在人才培養(yǎng)、社會(huì)化服務(wù)、資源共享等方面取得顯著成效。

參考文獻(xiàn)

［1］劉磊，張嘉鷺.“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（1）：140-143.

［2］高東鋒.信息化時(shí)代高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求、思路與路徑［J］.中國高教研究，2018（4）：93-96．

［3］教育部.關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見：高教〔2019〕8號［A/OL］.（2019-10-31）［2022-10-05］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［4］高嬋娟，譚艷君，盛翠紅，等.虛擬仿真技術(shù)在清梳聯(lián)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.棉紡織技術(shù)，2020，48（4）：71-74.

［5］孫啟龍，蔡瑩瑩，王茹，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在紡織實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.紡織服裝教育，2019，34（3）：273-275.

［6］王萍，張巖，李媛媛，等.在紡織工程相關(guān)專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探索［J］.紡織服裝教育，2019，34（3）：276-279.

［7］孫科學(xué)，郭宇鋒，程勇，等.新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)探索［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2020，23（6）：183-189.

［8］劉利娜，程蕓燕.教育信息化背景下虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建［J］.軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，2019，18（6）：43-45.

［9］邱兆寶.配棉混包排列優(yōu)化模型與效果評價(jià)［J］.棉紡織技術(shù)，2013，41（4）：14-17.

［10］朱峰.公檢棉計(jì)算機(jī)配棉系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.棉紡織技術(shù)，2014，42（4）：5-9.

［11］董志強(qiáng)，郭東亮，白金報(bào).清梳聯(lián)智能化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.棉紡織技術(shù)，2019，47（5）：10-14.

［12］劉海峰，龐在詳，王曉東，等.新工科背景下智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2020，37（10）：254-262.

［13］張寧，趙毅強(qiáng)，蘭馗博，等.“新工科”背景下關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考和建議［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（3）：185-188.

［14］王東余，唐華.短流程高效清梳聯(lián)的使用實(shí)踐［J］.棉紡織技術(shù)，2017，45（2）：51-54.

［15］錢鴻彬.棉紡織工廠設(shè)計(jì)［M］.北京：中國紡織出版社，2012：55-56.

［16］郁崇文.紡紗學(xué)［M］.北京：中國紡織出版社，2019：47-50.

Design and Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for Cotton Assorting

and Blowing-carding Unit

GAO Chan-juan1， TAN Yan-jun1， JIN Bo2， SHENG Cui-hong1

（1. School of Textile Science and Engineering， Xian Polytechnic University， Xian， Shaanxi 710048，

China; 2. Xianyang Textiles Group Co.， LTD.， Xianyang， Shaanxi 712000， China）

Abstract： Experimental teaching is an important part of the construction of first-class undergraduate courses. In view of the large consumption of cotton assorting and the large number of equipment， the large shape， the high cost and the high risk of blowing-carding unit in textile engineering， the technologies of virtual reality， distributed interactive simulation and three-dimensional modeling are used to design and develop a virtual simulation experiment teaching platform for cotton assorting process design based on the engineering of blowing-carding unit， which makes up for the blank of the physical experiment of cotton assorting and the engineering of blowing-carding unit. It effectively helps the students understand and master the knowledge systems of cotton assorting and the engineering of blowing-carding unit. The experiment is interative， innovative， interesting and sharing. It has achieved remarkable results in personnel training， social services， and resource sharing.

Key words： experiment teaching; cotton assorting; blowing-carding unit; virtual simulation