緯編CAD技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

張永超+叢洪蓮+張愛(ài)軍

摘要：文章對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外緯編CAD技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，其中包括邁耶西、圣東尼、福原等國(guó)外知名公司，以及國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)、各大紡織高校開(kāi)發(fā)的緯編針織物CAD系統(tǒng)，并對(duì)各類(lèi)CAD系統(tǒng)的特點(diǎn)及技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。同時(shí)對(duì)緯編針織物CAD系統(tǒng)織物設(shè)計(jì)、織物仿真、虛擬展示等各主要功能做了詳細(xì)介紹，并對(duì)緯編針織物CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：緯編；CAD技術(shù)；進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS184.4；TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Progress and Developing Trend of Weft-knitting CAD Technology

Abstract： The article introduces in details the weft-knitting CAD technologies available at home and abroad， including the weft-knitting CAD systems developed by foreign companies such as Mayer & Cie， Santoni， Fukuhara， etc.， as well as those developed by domestic enterprises and textile colleges. The characteristics and technical progress of all kinds of CAD systems are described in details. At the same time fabric design， fabric simulation and virtual display of weft-knitting CAD system are introduced. It also forecasts the future developing trend of weft-knitting CAD technique towards standardization， Internet-based and intelligent.

Key words： weft-knitting； CAD technology； progress； developing trend

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)行業(yè)之中。傳統(tǒng)的紡織業(yè)勞動(dòng)密集，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低下，已不能順應(yīng)當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，因此需要借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖像、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械式以及電腦提花產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、來(lái)樣處理以及上機(jī)織造。CAD技術(shù)在紡織中的應(yīng)用最早起源于20世紀(jì)60年代，美國(guó)IBM公司成功研制出紋織自動(dòng)化系統(tǒng)，直至20世紀(jì)70年代紡織CAD技術(shù)才開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)30多年的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)已在針織、機(jī)織、服裝等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣。

緯編電腦提花圓機(jī)于20世紀(jì)70年代最早出現(xiàn)在德國(guó)MORAT公司，其生產(chǎn)的Moratronik ST4 Jacquard電腦提花大圓機(jī)代表了國(guó)際先進(jìn)水平。隨后日本福原、德國(guó)邁耶西等國(guó)際知名緯編機(jī)械制造公司相繼推出了單雙面緯編提花圓機(jī)。隨著電腦提花圓機(jī)市場(chǎng)需求量的不斷增加，選針器作為其核心部件之一，其市場(chǎng)也被不斷開(kāi)拓。由于緯編提花圓機(jī)選針系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，與之配套的緯編CAD軟件成為不可或缺的工具。尤其是日本的WAC公司，其最先研制出的適應(yīng)性廣、功能較為強(qiáng)大的緯編CAD軟件迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，其余各國(guó)也相應(yīng)地推出與之機(jī)型配套的CAD軟件。直至20世紀(jì)80年代緯編CAD軟件逐步投入使用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，緯編CAD軟件已經(jīng)逐漸走向成熟。

1 緯編CAD技術(shù)進(jìn)展

1.1 國(guó)外緯編CAD技術(shù)進(jìn)展

國(guó)外的機(jī)械制造、電子化程度一直處在世界前列，在緯編CAD系統(tǒng)方面發(fā)展的也較為成熟。國(guó)外的緯編CAD系統(tǒng)大多是與其針織設(shè)備配套的軟件系統(tǒng)，主要用于某一種型號(hào)或某一系列的針織設(shè)備，如意大利圣東尼公司、德國(guó)的邁耶西公司、日本福原公司等，這些公司開(kāi)發(fā)的CAD系統(tǒng)專(zhuān)供其生產(chǎn)的針織設(shè)備使用。

意大利圣東尼公司開(kāi)發(fā)的CAD系統(tǒng)是目前市面上較為成熟的制版系統(tǒng)。如圖1，圣東尼CAD系統(tǒng)包括花型組織繪制軟件與上機(jī)工藝設(shè)計(jì)軟件兩個(gè)子系統(tǒng)，其不同的機(jī)型上機(jī)工藝設(shè)計(jì)軟件有所不同?；ㄐ屠L制軟件目前較為常見(jiàn)的為photon軟件，可以用該軟件中的繪圖工具繪制花型，也可導(dǎo)入已有bmp格式圖片，并對(duì)花型進(jìn)行針?lè)ㄤ佋O(shè)。工藝設(shè)計(jì)軟件包括QUASARS軟件、針對(duì)圣東尼SM-DJ2T（S）機(jī)型專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)pulsar軟件等。該類(lèi)軟件主要用于設(shè)置機(jī)器動(dòng)作，對(duì)織物的密度、紗嘴、機(jī)速等一系列參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

德國(guó)邁耶西公司開(kāi)發(fā)的緯編CAD系統(tǒng)與其公司緯編圓機(jī)設(shè)備配套使用，目前市面上應(yīng)用較多的是PIC系統(tǒng)和MDS1系統(tǒng)，圖 2 為邁耶西CAD系統(tǒng)的概況。PIC系統(tǒng)是邁耶西電腦提花圓機(jī)應(yīng)用較多的CAD系統(tǒng)，其分為花型編輯器、色彩排列編輯器以及工藝卡編輯器 3 個(gè)子系統(tǒng)。PIC系統(tǒng)中花型編輯器用于對(duì)織物花型進(jìn)行設(shè)計(jì)，可通過(guò)繪圖工具進(jìn)行基本的花型繪制，也可直接導(dǎo)入已繪制好的bmp格式的花型圖片，對(duì)于有組織結(jié)構(gòu)變化的花型還可對(duì)其進(jìn)行組織鋪設(shè)；色彩排列編輯器主要針對(duì)調(diào)線(xiàn)織物，對(duì)其色彩、調(diào)線(xiàn)手指等進(jìn)行設(shè)置排列；工藝卡編輯器主要對(duì)路數(shù)、色彩數(shù)、循環(huán)數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)以及減少色彩、色彩分配等花型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。MDS1系統(tǒng)是邁耶西較新的基于OVJA系列電腦提花圓機(jī)的CAD軟件。MDS1系統(tǒng)具有花型繪制、組織鋪設(shè)、工藝檢測(cè)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)針筒和針盤(pán)花型設(shè)計(jì)功能。與PIC系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)將多個(gè)軟件統(tǒng)一到一個(gè)軟件中去，操作更為簡(jiǎn)單便捷，但該軟件應(yīng)用時(shí)速度很慢，導(dǎo)入上機(jī)文件到機(jī)器中需 1min左右；而且該軟件不夠穩(wěn)定。

福原CAD系統(tǒng)主要包括花型編輯器pattern edit，多色提花編輯器multi color jacquard，工藝參數(shù)編輯器parameter& striper，wac格式轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)軟件。Pattern edit用于對(duì)織物的花型進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中可直接在新建的花型中繪制，也可直接打開(kāi)已保存為bmp格式的圖片，再進(jìn)行處理。該軟件操作界面直觀(guān)，但步驟繁瑣。Parameter & striper用于對(duì)織物的上機(jī)工藝進(jìn)行設(shè)置，主要包括路數(shù)、顏色、紗嘴等參數(shù)設(shè)置。

WAC Designer軟件在國(guó)外眾多緯編CAD軟件系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，是與日本W(wǎng)AC電腦提花選針系統(tǒng)相配套的花型設(shè)計(jì)軟件，由于其軟件格式與機(jī)器設(shè)備兼容性好，在國(guó)內(nèi)提花圓機(jī)市場(chǎng)中應(yīng)用極其廣泛。該軟件界面操作簡(jiǎn)單，但是功能較少，處理復(fù)雜的花型圖案較為繁瑣。

1.2 國(guó)內(nèi)緯編CAD技術(shù)進(jìn)展

國(guó)內(nèi)緯編CAD系統(tǒng)較國(guó)外系統(tǒng)起步晚，且不夠成熟，多以仿國(guó)外系統(tǒng)功能為主。目前國(guó)內(nèi)致力于開(kāi)發(fā)緯編CAD系統(tǒng)的公司較少，主要的研究來(lái)源于一些紡織院校。

國(guó)內(nèi)紡織高校對(duì)于緯編CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究包括浙江大學(xué)朱艷在花型準(zhǔn)備、編織信息等幾個(gè)方面著手，開(kāi)發(fā)了針織圓機(jī)計(jì)算機(jī)輔助花樣制作原型系統(tǒng)。武漢科技學(xué)院潘鄂菁開(kāi)發(fā)了插片系列、滾筒系列、擺片系列、提花輪系列和多針道系列共五大系列緯編產(chǎn)品花型設(shè)計(jì)CAD，其具有統(tǒng)一相似操作界面，并且可以根據(jù)針織企業(yè)設(shè)備情況定制設(shè)計(jì)。電子科技大學(xué)胡孝樹(shù)以Visual Basic 6.0和MS-Access 2003為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)了撥片式圓形緯編機(jī)、提花輪緯編提花圓形緯編機(jī)、滾筒式提花和圓齒片提花圓形緯編機(jī)上機(jī)工藝設(shè)計(jì)和緯編針織物效應(yīng)模擬軟件，其能夠?qū)崿F(xiàn)上機(jī)工藝設(shè)計(jì)及其織物效應(yīng)模擬。江南大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了緯編CKCAD1.0系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于多針道、機(jī)械式提花、電腦提花等各類(lèi)圓緯機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。CKCAD1.0系統(tǒng)具有較好的人機(jī)界面，操作方便快捷；其具有較好的仿真功能，仿真效果逼真形象；此外，該系統(tǒng)較好的虛擬展示效果，使得織物能夠更直觀(guān)形象的展示在用戶(hù)面前；系統(tǒng)較好的兼容性，能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)外各類(lèi)提花、機(jī)械圓機(jī)的花型、工藝設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)獨(dú)立開(kāi)發(fā)緯編CAD系統(tǒng)的相關(guān)企業(yè)很少，多與開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的企業(yè)進(jìn)行合作并采用其開(kāi)發(fā)的CAD系統(tǒng)，如國(guó)內(nèi)的金天梭緯編機(jī)械制造公司，其采用恒強(qiáng)公司開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)并配套使用恒強(qiáng)公司開(kāi)發(fā)的HqPDS制版系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作的設(shè)置。

縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外緯編CAD系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)外CAD技術(shù)較為成熟，功能較為完善，但是目前軟件在織物仿真、虛擬展示等方面沒(méi)有涉及，而且軟件的兼容性不好，基本上各公司的軟件只配套該公司生產(chǎn)的機(jī)型。國(guó)內(nèi)緯編CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究較少，僅有部分紡織高校有所研究，但是都沒(méi)有能夠推向市場(chǎng)。

2 緯編CAD系統(tǒng)功能

緯編CAD系統(tǒng)功能主要包括織物設(shè)計(jì)、織物仿真、織物虛擬展示、輔助功能等幾個(gè)模塊。

2.1 織物設(shè)計(jì)

緯編針織物設(shè)計(jì)包括對(duì)織物花型組織以及上機(jī)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在花型組織設(shè)計(jì)方面，對(duì)于多針道緯編針織產(chǎn)品而言主要依靠織針及三角排列。該類(lèi)織物通常采用編織圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3 所示為多針道緯編針織產(chǎn)品的織物設(shè)計(jì)圖，它由編織圖、織針排列圖、三角配置圖共同組成且一一對(duì)應(yīng)。在電腦提花針織物設(shè)計(jì)中，由于其花型較大，編織圖不能夠直觀(guān)的表現(xiàn)其花型效果，因此要采用意匠圖來(lái)表示。在花型設(shè)計(jì)過(guò)程中，可利用畫(huà)筆、填充等工具完成花型圖案的設(shè)計(jì)，也可導(dǎo)入已有圖片，根據(jù)不同的機(jī)型鋪設(shè)不同的組織，如圖4 所示為經(jīng)換色、邊緣處理后進(jìn)行組織覆蓋的花型意匠圖。

織物的上機(jī)工藝設(shè)計(jì)包括對(duì)織物的密度、速度、紗嘴動(dòng)作、穿紗等一系列設(shè)備信息進(jìn)行設(shè)置，從而使緯編設(shè)備順利完成各類(lèi)針織產(chǎn)品的編織。

2.2 織物仿真

織物的仿真功能是緯編CAD系統(tǒng)重要的功能之一，尤其是緯編提花針織物，在完成織物的工藝花型設(shè)計(jì)后通過(guò)織物仿真功能可直接看到織物的成品外觀(guān)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了打樣過(guò)程中對(duì)時(shí)間、原料等資源的浪費(fèi)。

實(shí)現(xiàn)織物的仿真功能，首先需要建立一個(gè)線(xiàn)圈模型?？刹捎肞ierce理想線(xiàn)圈模型，通過(guò)設(shè)置控制點(diǎn)并結(jié)合樣條曲線(xiàn)對(duì)線(xiàn)圈模型進(jìn)行改進(jìn)，最終模擬出實(shí)際線(xiàn)圈的形態(tài)。其次可引入光照模型，如OpenGL、Lambert漫反射模型等，通過(guò)明暗變化來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈的立體感，從而獲得線(xiàn)圈圖元。最后，根據(jù)織物的編織信息對(duì)線(xiàn)圈圖元進(jìn)行貼圖，并通過(guò)消隱實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈之間的相互穿套，從而得到織物的仿真視圖。圖5所示根據(jù)（a）中的編織意匠信息得出圖（b）所示的織物仿真圖。

2.3 織物虛擬展示

織物虛擬展示是指將織物覆蓋在立體沙發(fā)、窗簾、人體等三維物體上進(jìn)行展示，從而實(shí)現(xiàn)更為立體的視覺(jué)效果。

織物虛擬展示可在二維貼圖的基礎(chǔ)上采用網(wǎng)格劃分和紋理映射相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。在二維場(chǎng)景圖像中采用網(wǎng)格劃分建立二維曲面模型，再利用紋理映射的方法將織物映射到三維場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)織物的虛擬展示。在紋理映射過(guò)程中，分別將目標(biāo)模型與織物紋理圖案進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且一一對(duì)應(yīng)，并采用雙線(xiàn)性差值方法實(shí)現(xiàn)映射點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)，如圖6所示為雙線(xiàn)性紋理映射原理。該虛擬展示方法建模較為簡(jiǎn)單，速度快，且展示效果較為逼真。

由于織物虛擬展示本質(zhì)上是兩個(gè)圖片的合成與疊加，因此在場(chǎng)景選擇上應(yīng)盡量選取素色且無(wú)花紋的圖像，若場(chǎng)景模型圖像過(guò)于花哨，將影響織物的展示效果。如圖7所示為織物在人體上的虛擬展示圖。

2.4 輔助功能

2.4.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包括對(duì)花型參數(shù)、工藝參數(shù)、原料、穿紗等進(jìn)行設(shè)置，完善產(chǎn)品信息，并確定設(shè)計(jì)方式?；ㄐ蛥?shù)主要包括花型名、機(jī)型、機(jī)號(hào)、路數(shù)、花高、花寬等信息，工藝參數(shù)是對(duì)產(chǎn)品信息的補(bǔ)充說(shuō)明，包括幅寬、橫密、縱密、效率等。

2.4.2 工藝檢測(cè)

緯編產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，受一些原則的限制，如“不同花紋縱行一定排不同踵位的針”、“花寬能被總針數(shù)整除”等。而該模塊利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能，依據(jù)這些原則，對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行快速檢測(cè)、判斷，避免人工檢查的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力以及遺漏問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)效率，保證工藝有效性。

2.4.3 工藝輸出

設(shè)計(jì)者完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)之后，要最終實(shí)現(xiàn)在機(jī)器上的生產(chǎn)編織，關(guān)鍵是要能有效輸出該產(chǎn)品的相關(guān)工藝。目前的輸出形式主要有上機(jī)工藝單和上機(jī)文件兩種。系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品信息，可自動(dòng)生成。

上機(jī)工藝單，可顯示于屏幕編輯工作區(qū)，可上下翻屏、滾動(dòng)查看。其內(nèi)容包括有機(jī)型、原料等一些列參數(shù)信息，以及意匠圖（編織圖）等，可通過(guò)打印獲得。用戶(hù)則可根據(jù)工藝單的信息進(jìn)行調(diào)機(jī)。

上機(jī)文件，可與電腦圓機(jī)精確對(duì)接，被讀取信息之后，直接控制機(jī)器動(dòng)作，進(jìn)行編織生產(chǎn)。但不同的圓機(jī)只能識(shí)別特定的文件類(lèi)型。因此，一款功能完備的緯編CAD系統(tǒng)應(yīng)不斷提高其兼容性。

3 緯編CAD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

CAD技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期的不斷縮短。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)只有以高質(zhì)量、低價(jià)格、短周期的產(chǎn)品去適應(yīng)市場(chǎng)的需求才能獲得生存與發(fā)展，這也必然要求CAD系統(tǒng)更進(jìn)一步的發(fā)展。

3.1 緯編CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展

盡管CAD系統(tǒng)種類(lèi)繁多，量大面廣，但目前市場(chǎng)上也仍未出現(xiàn)一款功能齊備、操作規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)CAD軟件。特別是織物的模擬顯示功能，就鮮少有軟件具備。其難點(diǎn)在于受組織結(jié)構(gòu)、紗線(xiàn)形態(tài)等因素的影響，模擬顯示失真、顯示速度受限，這些都大大減少CAD系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。因此，對(duì)三維仿真模型以及算法的優(yōu)化，還有待進(jìn)一步的研究。

3.2 緯編CAD技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

CAD/CAM的綜合發(fā)展是當(dāng)前研制的重點(diǎn)。將這兩個(gè)獨(dú)立的體系結(jié)合，其聯(lián)合軟件可自由在辦公室和生產(chǎn)車(chē)間之間轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)反饋生產(chǎn)信息，便于管理者、設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)控與及時(shí)修正。Internet、PDM、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、電子商務(wù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，恰恰為系統(tǒng)集成化提供了技術(shù)平臺(tái)，以適應(yīng)CIMS信息共享、并行工程的要求，改變現(xiàn)有輔助設(shè)計(jì)的模式與方式。

3.3 緯編CAD技術(shù)向智能化方向發(fā)展

將人工智能技術(shù)引入CAD系統(tǒng)，使其擁有行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)、知識(shí)和數(shù)據(jù)，并參與產(chǎn)品方案決策、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安排的全過(guò)程，完成高效的輔助設(shè)計(jì)、分析、決策功能，真正實(shí)現(xiàn)從“輔助設(shè)計(jì)”向“自動(dòng)化設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變。隨著工業(yè)4.0計(jì)劃推動(dòng)與實(shí)施，未來(lái)10年將步入“分散化”生產(chǎn)的新時(shí)代。其采用高新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將虛擬空間與現(xiàn)實(shí)相融合，CAD系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)管理，客戶(hù)個(gè)性化定制等各種智能化需求。

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作者簡(jiǎn)介：張永超，女，1989年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)獒樋椆に嚭彤a(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

通訊作者：叢洪蓮，cong-wkrc@163.com。

作者單位：江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAF13B03）。