經(jīng)編CAD技術(shù)的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀

張愛軍 鐘君 叢洪蓮

摘要：經(jīng)編CAD系統(tǒng)是用于設(shè)計和開發(fā)經(jīng)編針織物的重要工具。本文從織物設(shè)計、織物仿真及織物三維虛擬展示 3 方面詳細地闡述了國內(nèi)外經(jīng)編CAD系統(tǒng)的研究進展情況，同時介紹了國內(nèi)外經(jīng)編CAD系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括德國Procad系統(tǒng)、Design Scope系統(tǒng)，西班牙Lace Drafting Software SAPO系統(tǒng)，日本武村提花設(shè)計系統(tǒng)，江南大學(xué)WKCAD系統(tǒng)，武漢紡織大學(xué)HZCAD系統(tǒng)等。最后，分析了經(jīng)編CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢，認為設(shè)計系統(tǒng)的功能將進一步拓展，仿真技術(shù)進一步完善，CAD系統(tǒng)趨向于網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

關(guān)鍵詞：經(jīng)編；CAD技術(shù)；研究進展；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TS186.1 文獻標(biāo)志碼：A

Research Progress and Application Status of Warp-knitting CAD Technology

Abstract： This paper described the progress made in the research of domestic and foreign warp-knitting CAD systems in details， from the aspects of fabric design， fabric simulation to 3D virtual display. Additionally， this paper introduced the application status of domestic and foreign warp-knitting CAD systems， including Procad system and Design Scope system developed by Germany， Lace Drafting Software SAPO system developed by Spain， the SUPER.LECS-III jacquard design system developed by Japanese Wutsuen， the WKCAD system of Jiangnan University and the HZCAD system of Wuhan Textile University， etc. Finally， it analyzed the developing trend of CAD technology. This paper predicted that the function of design system would be further expanded， simulation technology would be further improved， and networking and intelligence would be the trend of CAD system.

Key words： warp-knitting； CAD technology； research progress； application status； developing trend

針織CAD技術(shù)即計算機輔助設(shè)計技術(shù)，它利用了計算機強大的計算功能和圖形、圖像處理能力，實現(xiàn)針織物的設(shè)計、仿真及展示。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展以及針織企業(yè)對信息化、智能化生產(chǎn)的追求，CAD技術(shù)已深入應(yīng)用到紡織領(lǐng)域。針織CAD的研究起源于20世紀60年代，由美國IBM公司研制，20世紀70年代CAD軟件初步成形，20世紀80年代CAD軟件開始真正運用于各個企業(yè)。經(jīng)過50多年的發(fā)展，針織CAD技術(shù)已逐步成熟，成為輔助針織物設(shè)計和生產(chǎn)必不可少的工具。

經(jīng)編CAD系統(tǒng)主要包括織物設(shè)計及仿真模擬兩大模塊。在織物設(shè)計方面，國內(nèi)外開發(fā)的CAD系統(tǒng)功能較齊全，但在穩(wěn)定性、兼容性等方面存在一些差異；國外對仿真方面的研究起步早，CAD仿真功能已逐步完善，國內(nèi)軟件仿真功能與國外差距比較明顯。國外最典型的經(jīng)編CAD軟件是由德國TEXION公司開發(fā)的Procad，系統(tǒng)適用于多梳賈卡織物、雙針床織物、少梳織物的花型設(shè)計與仿真；德國EAT公司開發(fā)了圖案和款式設(shè)計軟件Design Scope系統(tǒng)；西班牙CADT公司開發(fā)了花邊織物設(shè)計軟件Lace Drafting Software SAPO；日本武村研發(fā)了提花設(shè)計系統(tǒng)。國內(nèi)CAD軟件目前應(yīng)用較多的有江南大學(xué)開發(fā)的WKCAD系統(tǒng)，武漢紡織大學(xué)開發(fā)的HZCAD系統(tǒng)，浙江大學(xué)開發(fā)的提花織物CAD系統(tǒng)。

1 經(jīng)編CAD技術(shù)的研究進展

經(jīng)編CAD利用計算機技術(shù)實現(xiàn)經(jīng)編織物設(shè)計與模擬仿真，對經(jīng)編CAD技術(shù)的研究進展主要從織物設(shè)計、仿真及虛擬展示等 3 方面探討。

1.1 織物設(shè)計研究進展

織物設(shè)計模塊是經(jīng)編CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，用于指導(dǎo)和控制經(jīng)編機實現(xiàn)不同類型織物的編織，主要包括花型設(shè)計、組織結(jié)構(gòu)設(shè)計、原料設(shè)計、穿經(jīng)設(shè)計、工藝參數(shù)設(shè)計、上機工藝輸出等功能。同時，很多CAD系統(tǒng)還兼具估算梳櫛送經(jīng)量、織物克重、用紗比等輔助工藝計算功能。目前，國內(nèi)外CAD軟件的織物設(shè)計功能都較齊全，能完成不同機型的上機文件設(shè)計與導(dǎo)出，但在系統(tǒng)的便捷度、穩(wěn)定性、兼容性等方面存在一定差異。

在織物設(shè)計方面，經(jīng)編CAD系統(tǒng)一般可實現(xiàn)少梳高速織物、雙針床織物、少梳賈卡織物及多梳賈卡織物的設(shè)計。針對近幾年織物設(shè)計的需求，主流的CAD系統(tǒng)還具有一些特殊設(shè)計功能，例如可使用 2 種顏色設(shè)計無底賈卡織物，不需人工檢查，自動完成漏針檢測；可實現(xiàn)無底無縫、賈卡提花鞋材、WB浮紋等織物的設(shè)計。

以雙賈卡提花鞋面織物為例，在設(shè)計賈卡提花鞋面工藝時，首先要確定各把梳櫛的組織結(jié)構(gòu)及穿經(jīng)情況，雙賈卡鞋面通常由 4 把梳櫛編織成形，2 把滿機號的賈卡梳及 2 把地梳，各把梳櫛的墊紗數(shù)碼如表 1 所示；然后需參考鞋面菲林稿尺寸大小及密度要求，建立相應(yīng)尺寸的賈卡意匠圖，并根據(jù)菲林稿輪廓及賈卡花型設(shè)計要求，分別繪制出鞋面第一和第二賈卡意匠圖，如圖 1 所示，繪制賈卡意匠圖時，通常使用CAD軟件中賈卡畫筆、填色、換色、復(fù)制等工具；根據(jù)需求設(shè)定各把梳櫛的送經(jīng)量、上機密度等工藝參數(shù)；最后導(dǎo)出機器能識別的上機文件，即完成了雙賈卡鞋面工藝文件的設(shè)計。

1.2 織物仿真研究進展

仿真模塊是在完成織物花型、工藝設(shè)計后，利用CAD軟件模擬織物外觀狀態(tài)，為設(shè)計者提供依據(jù)，以便及時調(diào)整花型和工藝，減少繁雜的打樣工序，實現(xiàn)快速反應(yīng)和高效生產(chǎn)。國外關(guān)于經(jīng)編織物仿真研究起步早、發(fā)展快，仿真系統(tǒng)功能完善，可實現(xiàn)各類織物的仿真，其中Procad和SAPO兩套系統(tǒng)的仿真圖都具有很好的真實感；國內(nèi)也對經(jīng)編織物的仿真進行了研究，但在仿真效果、速度等方面與國外存在差距。

經(jīng)編織物的仿真方法主要包括二維仿真和三維仿真。二維仿真雖不能精確地反映織物形態(tài)，但實用性強、仿真速度快，是最常用的仿真方法；三維仿真效果逼真、立體感強，但也存在一些問題，如仿真速度、三維模型建立等問題。因此，國內(nèi)外對經(jīng)編織物的三維仿真研究不如二維仿真研究透徹。

織物仿真時首先要建立線圈模型，二維仿真常將線圈結(jié)構(gòu)簡化為幾何模型，國內(nèi)外常見的幾種線圈結(jié)構(gòu)模型為P. 格羅斯勃第一模型、P. 格羅斯勃第二模型、G. L. 安立遜的簡化模型；三維仿真研究是對經(jīng)編組織結(jié)構(gòu)的三維仿真模擬，仿真時首先要實現(xiàn)紗線三維仿真，然后確定線圈結(jié)構(gòu)的三維模型，最后通過線圈的連接實現(xiàn)經(jīng)編組織結(jié)構(gòu)的仿真，最具代表性的研究成果是O. Goktepe利用NURBS曲線建立的線圈三維模型。

目前，國內(nèi)外經(jīng)編CAD系統(tǒng)通常對單層花型循環(huán)較大的經(jīng)編織物進行二維仿真，如花邊織物，對本身具有立體結(jié)構(gòu)的織物進行三維仿真，如間隔織物、絨類織物等。圖 2 所示為一款多梳經(jīng)編織物的實物圖及二維仿真圖，圖 3、圖 4 分別為經(jīng)編間隔織物和絨類織物的三維仿真圖，三者均由WKCAD軟件仿真實現(xiàn)。此外，最新的Procad軟件實現(xiàn)了基于力學(xué)模型的織物線圈變形，能夠很好地表示紗線在織物中的狀態(tài)，雖然還不能實現(xiàn)與真實織物完全一致，但相對于以前僅僅基于幾何建模的仿真方法已有很大進步，代表了目前經(jīng)編仿真研究的最高水平，圖 5 為Procad軟件的網(wǎng)眼織物仿真圖。

1.3 織物虛擬展示研究進展

隨著計算機技術(shù)及電子商務(wù)的不斷發(fā)展，三維虛擬展示技術(shù)已逐步興起，包括汽車、家具、紡織品等虛擬展示。紡織品虛擬展示是指將三維建模的紡織品依據(jù)自然狀態(tài)展示在人體、座椅、床等三維物體上，實現(xiàn)立體視覺效果。

國外對織物虛擬展示技術(shù)的研究較早，對靜態(tài)展示和動態(tài)展示都進行了研究，目前市場上已出現(xiàn)不少商業(yè)化的虛擬展示系統(tǒng)，如美國格柏的V-Stitcher系統(tǒng)，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的MIRALAB實驗室和H&M公司聯(lián)合推出的My Virtual Model試衣網(wǎng)站，韓國CLO Virtual Fashion公司開發(fā)的Marvelous Designer。我國關(guān)于三維虛擬展示的研究現(xiàn)階段處于發(fā)展期，杭州森動數(shù)碼科技有限公司與幾家知名IT科技廠家合作研發(fā)了“3D虛擬試衣”軟件，此外，浙江大學(xué)、中科院研究生院等一些科研院校也對三維虛擬展示進行了研究，取得了一定進展。

織物虛擬展示需建立三維人體模型、三維織物模型及展示空間的三維場景。三維人體是虛擬展示的主體，建模方法主要有幾何建模、三維軟件建模以及三維掃描數(shù)據(jù)重建等方法，其中，三維軟件建模方法使用最多；三維織物建模方法主要有幾何建模法、物理建模法（基于粒子系統(tǒng)）以及混合建模法（結(jié)合幾何與物理建模法）；三維場景是虛擬展示的空間，在三維場景模型建立基礎(chǔ)上，還可設(shè)定燈光、場景風(fēng)格等，模擬真實場景效果。圖 6 為一款經(jīng)編無縫服裝三維虛擬展示圖。

2 經(jīng)編CAD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外經(jīng)編CAD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外擁有領(lǐng)先的圖形學(xué)技術(shù)，對經(jīng)編CAD研究水平較高，與國內(nèi)相比，最突出的優(yōu)勢是織物仿真方面，仿真效果逼真、速度快，可實現(xiàn)二維以及三維動態(tài)仿真。國外主要的經(jīng)編CAD軟件有德國TEXION公司開發(fā)的Procad系統(tǒng)，EAT公司開發(fā)的Design Scope，西班牙CADT公司開發(fā)的Lace Drafting Software SAPO系統(tǒng)以及日本武村公司的SUPER LACE花型設(shè)計系統(tǒng)等。

德國TEXION公司研發(fā)的Procad花型設(shè)計系統(tǒng)分為Procad Developer、Procad Warpknit兩部分，該系統(tǒng)功能全面，性能一流，在市場上占有較大份額。Procad Developer軟件除設(shè)計功能外還包括Procad simulace以及Procad simujac模塊，這 2 個模塊用于多梳及多梳賈卡織物的仿真；Procad Warpknit由Procad velours，Procad warpknit3D這些子模塊組成，Warpknit適用于少梳、雙針床絨類織物及間隔織物的設(shè)計與開發(fā)，并可進行二維仿真、三維仿真，三維仿真時紗線可實現(xiàn)股線效果，仿真效果較逼真，操作方便。

Scope是EAT公司開發(fā)的專注于花型圖案設(shè)計的系統(tǒng)，其針對紡織品提花圖案的特點，開發(fā)了很多方便易用的設(shè)計工具。Procad和Scope的設(shè)計能力覆蓋了Karl Mayer公司所有的經(jīng)編機型，是國外CAD系統(tǒng)在我國使用最廣泛的 2 套軟件。

西班牙公司開發(fā)的SAPO系統(tǒng)是一款花邊設(shè)計與仿真系統(tǒng)，能用于各類花邊工藝的設(shè)計，仿真效果出色；日本武村開發(fā)的花邊設(shè)計系統(tǒng)與SAPO功能相似，也主要用于花邊和賈卡提花織物的設(shè)計與仿真。這 2 套軟件主要在我國花邊企業(yè)中應(yīng)用。此外韓國、印度、土耳其等國也有開發(fā)經(jīng)編CAD系統(tǒng)，但沒有在我國推廣使用。

2.2 國內(nèi)經(jīng)編CAD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于經(jīng)編CAD的研究晚于國外，在初期以學(xué)習(xí)國外CAD的先進功能為主，目前在產(chǎn)品設(shè)計和仿真方面取得了一定成績，并針對國內(nèi)設(shè)計需求自主研發(fā)了一些實用性強的功能。國內(nèi)關(guān)于經(jīng)編CAD的研發(fā)主要集中在一些高校。如江南大學(xué)研發(fā)的WKCAD系統(tǒng)，武漢紡織大學(xué)開發(fā)的HZCAD系統(tǒng)以及浙江大學(xué)設(shè)計的提花織物CAD系統(tǒng)等。這些CAD系統(tǒng)經(jīng)過多年的開發(fā)，功能日趨成熟，除了在國內(nèi)使用，還在日本、韓國、臺灣、土耳其、印度等經(jīng)編企業(yè)集中的地區(qū)及國家得到應(yīng)用。

江南大學(xué)研發(fā)的WKCAD在Windows操作系統(tǒng)上運行，人機界面友好，操作方便；系統(tǒng)兼容性強，可進行各類經(jīng)編針織物的花型設(shè)計與仿真，包括多梳花邊織物、賈卡織物、高速和雙針床織物，并能設(shè)計特殊的無縫無底提花織物、鞋材織物以及WB浮紋織物等。WKCAD系統(tǒng)概況如圖 7 所示。

武漢紡織大學(xué)開發(fā)的HZCAD，可以設(shè)計多梳織物、賈卡織物和少梳織物，目前在花邊生產(chǎn)企業(yè)使用較多，設(shè)計功能靈活方便是其特色。浙江大學(xué)提花織物CAD系統(tǒng)在圖案設(shè)計方面的功能比較完善，在生產(chǎn)賈卡提花織物的企業(yè)中有大量應(yīng)用。

此外，江南大學(xué)近年開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的針織物設(shè)計系統(tǒng)iKDS，用于少梳織物設(shè)計和經(jīng)編教學(xué)培訓(xùn)。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲在云數(shù)據(jù)庫中，用戶可在電腦或移動終端上直接通過網(wǎng)頁瀏覽器隨時隨地設(shè)計針織物。與單機版經(jīng)編CAD軟件相比，iKDS客戶端無需安裝和維護，使用更方便快捷。

3 經(jīng)編CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢

經(jīng)編CAD系統(tǒng)的問世，對提高經(jīng)編產(chǎn)品設(shè)計效率、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期起了很大作用，但隨著市場競爭日益殘酷，對經(jīng)編CAD技術(shù)又提出了更高的要求，企業(yè)要保持設(shè)計和生產(chǎn)的競爭力，進一步研發(fā)、完善CAD技術(shù)是必然發(fā)展趨勢。

3.1 設(shè)計系統(tǒng)功能進一步拓展

目前，國內(nèi)外經(jīng)編CAD系統(tǒng)的設(shè)計功能已經(jīng)齊全，但經(jīng)編行業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型，要在激烈的市場競爭中贏得商機，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動成本是必然選擇。因此，經(jīng)編CAD的設(shè)計系統(tǒng)功能需要更強大，設(shè)計方法更便捷、更人性化，有利于提高設(shè)計者的效率及織物質(zhì)量。軟件開發(fā)人員需從設(shè)計者的實際需求出發(fā)，進一步拓展設(shè)計系統(tǒng)的功能，提供更可靠的工藝計算功能，如送經(jīng)量計算、原料比計算、織物克重計算、產(chǎn)品成本估算等，幫助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)成本的精細化管理。

3.2 仿真技術(shù)進一步完善

經(jīng)編針織物原料適用范圍廣，織物組織結(jié)構(gòu)靈活多變，后整理方式復(fù)雜繁多，因此經(jīng)編針織物的品種豐富，形式多樣，同時模擬織物的最終形態(tài)還需進行物理、力學(xué)性能等分析，對仿真技術(shù)要求高。雖然國內(nèi)外CAD的仿真技術(shù)已經(jīng)達到一定水平，但想要進一步提高仿真的真實性，研究人員還有很長的一段路要走，尤其是三維仿真技術(shù)。當(dāng)前的CAD系統(tǒng)在三維仿真速度和仿真效果之間還很難找到一個平衡點，因此對三維仿真模型的建立及算法需進一步優(yōu)化。另外對一些特殊織物的仿真還要進行深入研究，如軸向織物、雙針床提花織物、褶裥織物等。

3.3 CAD系統(tǒng)趨向于網(wǎng)絡(luò)化、智能化

現(xiàn)有經(jīng)編織物設(shè)計通常是在單機版的CAD系統(tǒng)上完成，隨著電子商務(wù)、云服務(wù)器/云數(shù)據(jù)庫等新技術(shù)的迅速發(fā)展，為經(jīng)編CAD技術(shù)賦予了新的設(shè)計理念與技術(shù)內(nèi)容。基于互聯(lián)網(wǎng)的CAD系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢。其使用環(huán)境靈活，只需要可上網(wǎng)的電腦或智能終端就能進行織物設(shè)計；維護成本低，客戶端無需安裝、維護，只要服務(wù)端系統(tǒng)升級，用戶就能擁有最新軟件功能；易于共享，企業(yè)銷售部門、生產(chǎn)部門可以根據(jù)權(quán)限在線查看企業(yè)設(shè)計工藝。

隨著經(jīng)編企業(yè)向智能化、自動化方向發(fā)展，將智能技術(shù)引入經(jīng)編CAD系統(tǒng)也至關(guān)重要，智能化的CAD系統(tǒng)除能存儲和調(diào)用數(shù)據(jù)及信息，還可輔助設(shè)計者進行工藝分析及產(chǎn)品設(shè)計，充分提高設(shè)計效率。

參考文獻

[1] 張麗哲.經(jīng)編針織物三維仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].紡織學(xué)報，2012，12（33）：145-149.

[2] 蔣高明.針織學(xué)[M].北京：中國紡織出版社，2012：222-223.

[3] 張永超，叢洪蓮，張愛軍.緯編CAD技術(shù)進展與發(fā)展趨勢[J].紡織導(dǎo)報，2015（7）：40-43.

[4] 蔣高明，顧璐英.國內(nèi)外經(jīng)編技術(shù)最新進展[J].針織工業(yè)，2010（1）：1-3.

[5] 楊靜芳.經(jīng)編針織計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué).

[6] 蔣高明，叢洪蓮.經(jīng)編CAD技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報，2003（2）：56-58.

[7] 胡海.紡織業(yè)CAD的應(yīng)用與發(fā)展[J].遼寧絲綢，2000（3）：23，26-27.

[8] 孫進平.計算機輔助設(shè)計的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海淀走讀大學(xué)學(xué)報，2003，64（4）：82-85.

[9] 梁惠娥，張守用.虛擬三維服裝展示技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].紡織導(dǎo)報，2015（3）：70-73.

[10] 祝雙武.紡織CAD/CAM[M].北京：中國紡織出版社，2007.

[11] 徐巧，叢洪蓮.織物三維場景模擬的原理及應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報，2012（12）：81-82.

[12] 龔蘭燕，鄧中民.基于新型賈卡選針技術(shù)的賈卡經(jīng)編CAD系統(tǒng)[J].針織工業(yè)，2013（8）：7-11.