基于CAD技術(shù)的“機織實驗”課程教學改革探索

王 姜，張玉澤，管曉寧，汪 軍，楊建平

(東華大學 a.紡織學院，b.信息科學與技術(shù)學院，上海 201620)

基于CAD技術(shù)的“機織實驗”課程教學改革探索

王 姜a，張玉澤a，管曉寧a，汪 軍a，楊建平b

(東華大學 a.紡織學院，b.信息科學與技術(shù)學院，上海 201620)

針對機織設(shè)備眾多、機構(gòu)復雜、不易于理解且體積重量龐大等不利于本科生實踐操作的問題，提出了應用計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境的教學改革方案。結(jié)合“機織學”課程的重點和難點，以標準織機GA611型有梭織機為例，選用不易實際操作或者無法直接實際觀察到的機構(gòu)構(gòu)建虛擬環(huán)境進行機械原理及重要概念講解，將課本的敘述性語言以及平面簡易圖示立體化。虛擬環(huán)境的建立不僅全方位便捷地對機械設(shè)備進行剖析，輔助學生對機織專業(yè)的深入了解，亦可加強其軟件操作技能，建立良好的空間思維。而對部分教師和本科生進行的初步調(diào)研分析也表明了虛擬環(huán)境授課能有效提高學習積極性，進一步開展有很好的可行性。

機織實驗； 計算機輔助設(shè)計技術(shù)； 虛擬環(huán)境

0 引 言

國運興衰,系于教育,堅持以人為本，全面推進素質(zhì)教育，著力培養(yǎng)學生動手能力、實踐能力和創(chuàng)新能力已成為本科教育的主題。大學期間需要學習的內(nèi)容日益增多，更新速度迅速，只有通過有效的教學方法才能實現(xiàn)高質(zhì)量的教學效果[1-4]。而實驗室的建設(shè)無疑可以充分輔助文化課的教學以提高學生相關(guān)專業(yè)素質(zhì)[5-6]。自學校開設(shè)紡織工程專業(yè)起，“機織學”便是紡織工程學科的一門重要的基礎(chǔ)課程[7]。由于機織專業(yè)有很強的實踐性，故為配合“機織學”課程的教學，“機織實驗”課程的開設(shè)就顯得尤為重要。如何通過對“機織實驗”課程的開展，更有效地配合“機織學”課程的進度以達到學生對基礎(chǔ)理論更深入認識,一直是“機織實驗”課程的初衷。因此,為了對各種機織專業(yè)相關(guān)的機械機構(gòu)形成更直觀的印象，確保學生對機織方向有更大的興趣,本文提出了應用CAD技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境的教學改革方案。

1 “機織學”及其相關(guān)課程的教學現(xiàn)狀

“機織學”是紡織工程學科的一門重要的基礎(chǔ)課程，因其工藝流程長，工藝設(shè)備數(shù)目眾多且機構(gòu)復雜，故“機織學”的相關(guān)教學工作相對較為困難[8-10]。針對上述問題，學校開設(shè)“機織學”以及“機織實驗”兩門課程，“機織學”課程集中于《機織學》教材的講解，而“機織實驗”課程針對機織機械結(jié)構(gòu)重點解析。

為保證學生在理解機織機械的一些復雜機構(gòu)的清晰直觀感受，親自動手實踐是最有效的方法。但機織機械體積大、重量重的特點又限制了學生動手操作，故如何更清晰、更快速地讓學生掌握機織機械的機構(gòu)原理，是實驗室課程建設(shè)和實施過程中應深入思考的問題。

一直以來，我?！皺C織學”課程的教學主要有準備部分和織造部分，如圖1所示[11-12]。

圖1 課程分類及重點

準備部分主要包裹絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗、穿結(jié)經(jīng)、定捻卷緯以及并捻工序，其中整經(jīng)過程中的分批整經(jīng)和分條整經(jīng)應用廣泛，但其概念十分抽象，而現(xiàn)階段并沒有足夠的實驗設(shè)備以供參考，故學生無法對其概念理解透徹?？椩觳糠种饕虚_口運動、引緯運動、打緯運動以及卷取送經(jīng)運動。其中引緯運動類型繁多，實驗室同樣沒有足夠的設(shè)備以供教學使用。

準備部分和織造部分的教學涉及到的設(shè)備超過10種，單單重要織機的種類就有5種之多，涉及到的專業(yè)概念有數(shù)百個之眾，僅通過書本上的概念講解和平面示意圖，不足以建立學生良好的機織專業(yè)相關(guān)體系，甚至會有枯燥乏味之感?？v使“機織實驗”課程的開展在一定程度上彌補了“機織學”課程的書本概念講解的抽象感，但對大型的織造設(shè)備，特別的大型的織機，例如有梭織機、劍桿織機以及噴水織機等仍然不能深入地進行剖析和研究。

2 教學改革內(nèi)容

針對無法在真實的織造機械上進行實踐操作的弊端，故尋求以虛擬技術(shù)替代。虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在各種領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越大的作用[13-16]?，F(xiàn)階段，計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而可供選擇的CAD建模軟件眾多，其整體建模過程并無很大的技術(shù)難點，但由于織機機構(gòu)及輔助零部件眾多，故建模過程比較繁瑣，耗時費力?，F(xiàn)階段，基于CAD技術(shù)的本科教學改革初步推廣階段可以挑選比較主要的織機織造過程的相關(guān)主體框架零部件進行建模嘗試，而暫且延后一些相關(guān)的輔助零部件建模，先給予學生織機主體運動過程認識，以普及基礎(chǔ)機構(gòu)為主，其后再逐步補充細小零部件的相關(guān)配合建模。

在CAD軟件的選擇方面，比較了多種不同的建模軟件，最終選擇了達索公司SolidWorks為主要課程設(shè)計軟件。SolidWorks有很好的用戶基礎(chǔ)，其技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，此外，其友好的交互界面使得其不僅在工業(yè)工程方面有這大范圍的應用，在本科生的教學方面經(jīng)常選用其作為CAD技術(shù)普及之用，故 構(gòu)建“機織實驗”課程虛擬環(huán)境的建模軟件選用SolidWorks，圖2所示為SolidWorks軟件的主界面。

圖2 SolidWorks軟件主界面圖示

機織專業(yè)涉及的機械設(shè)備眾多，CAD模型建立的設(shè)計原則采用“由主到次，由簡到繁”。所謂“由主到次”是指最先建立的機械模型根據(jù)課程的重點與否進行選擇，例如機織專業(yè)最主要的是對五大運動的理解，故對5個運動的各個機構(gòu)的模型建立應該最先設(shè)計。所謂的“由簡到繁”指的是一種織機的設(shè)計先把握其大體的框架結(jié)構(gòu)，而由于一些次要的零部件過于繁多且相對重要性略低，在不影響正常的機械框架介紹的前提下可以在初期階段省略，以后逐漸補全。

初步將首次建模的機械定為織造部分的GA611型有梭織機，GA611型有梭織機作為中國紡織機械有限公司定型的織機，在中國紡織現(xiàn)代化進程上，占有重要的地位?，F(xiàn)階段，GA611型織機雖基本退出了歷史舞臺，但因其可以較清晰地觀察到各機構(gòu)的運動機理，機構(gòu)間的配合過程，以及織造的整個過程，其一直作為“機織學”教材的基礎(chǔ)內(nèi)容。機織實驗課程的教學也對此類織機有所涉及，在理解了GA611型有梭織機所有機構(gòu)運動的基礎(chǔ)上，再進行新型織機的教學可以達到事半功倍的效果。例如劍桿織機的結(jié)構(gòu)與GA611型織機的主要區(qū)別在于引緯機構(gòu)，對GA611型織機進行部分改造即可實現(xiàn)劍桿織機的虛擬環(huán)境教學。此外，準備部分的絡(luò)筒、整經(jīng)以及漿紗等過程中所包含的機械相對于織造部分簡單許多，也更易于理解，故準備部分的相關(guān)機械設(shè)備建模設(shè)計放到最后進行。

織機模型建立完畢后，學生便可在平臺進行模擬試驗，結(jié)合機織實驗課程上對真實織機的介紹，自己動手在虛擬環(huán)境中拆裝機械，觀察機械的機構(gòu)配合，同時可以引導學生對一些輔助零件自行設(shè)計，這不僅可以做到對機織專業(yè)有更深入的理解，也能鍛煉學生運用CAD軟件的能力，培養(yǎng)其3D立體思維，有助于建立很好的空間想象力，對其以后相關(guān)的課程學習大有助益。

3 虛擬環(huán)境階段性試用及評價

3.1虛擬環(huán)境的初步構(gòu)建

選取引緯運動的主體部分作為虛擬環(huán)境教學的示例。梭子是最早用來進行織造的傳統(tǒng)引緯介質(zhì)，其在現(xiàn)階段企業(yè)中的應用已經(jīng)逐步減少，然而在一些特種織物的織造中，例如管狀織物的制造中是不可取代的引緯介質(zhì)。圖3所示為有梭織機引緯機構(gòu)中的梭箱與梭子的配合關(guān)系示意圖。

圖3 有梭織機中的梭子和梭箱1-梭箱蓋板,2-梭箱前板,3-梭箱底板,4-梭箱背板,5-制梭鐵,6-梭子

梭箱蓋板、梭箱底板、梭箱前板和梭箱背板共同組成梭箱，用于梭子的臨時儲存，制梭鐵安裝于梭箱背板處，用于控制梭子的進入速度。通過在此虛擬的環(huán)境中，可以對梭箱和梭子進行全方位的剖析拆解及重新組裝配合，不僅可以確定各裝置之間的位置尺寸，還可以更好地了解有梭織機的引緯運動過程，同時在建立梭箱和梭子模型的過程中，加深學生對梭箱和梭子結(jié)構(gòu)的認識，促使其產(chǎn)生對有梭織機中的其他零部件了解的積極性。此外，在模型的建立和配合的過程中，能夠很好地培養(yǎng)學生的空間想象能力，這對以后的工程學習和研究受益良多。

選取在織機上無法直接觀察到的四連桿打緯機構(gòu)(見圖4)作為另一個虛擬環(huán)境教學示例。

圖4 有梭織機中的打緯機構(gòu)1-皮帶盤,2-曲軸,3-牽手,4-搖軸,5-筘帽,6-鋼筘,7-筘座,8-筘座腳,9-曲軸牽手連接處

在圖4中，曲軸與搖軸連接在機架上，其可以轉(zhuǎn)動但不能水平移動，鋼筘安裝在筘座上，鋼筘頂端有筘帽，筘座和筘帽都固定在筘座腳上。曲軸、牽手、筘座腳以及曲軸和搖軸的連線構(gòu)成了四連桿機構(gòu)，曲軸轉(zhuǎn)動的過程會推動筘座前后運動，完成打緯過程。而有梭織機的曲軸轉(zhuǎn)動過程分為四個主要時間點，其實進行織造工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，主要通過曲軸牽手連接處上曲軸的朝向進行判斷，如圖5所示。

圖5 曲軸的運動過程

曲軸的特定朝向位置決定了此時織機的動作，曲軸的位置形態(tài)按箭頭方向依次分別命名為上心、前心、下心和后心。通過在虛擬環(huán)境中轉(zhuǎn)動織機的主轉(zhuǎn)軸可清晰地觀察到曲軸的不同位置變化，并且可直觀地感受到織機任意時刻的動作，對于學生了解織造過程，理解織機工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)有很好的促進作用。

與機織專業(yè)相關(guān)的機械設(shè)備中，類似的裝置以及相關(guān)裝置的配合關(guān)系眾多，平面圖示以及文字的描述很難有效地傳達機械的整體形態(tài)和實際工作過程，而借助于虛擬環(huán)境中的3D動畫模擬過程可以很好地彌補了這一缺陷，對輔助“機織實驗”課程的教學有良好的促進作用。

3.2虛擬環(huán)境授課的評價

在“機織實驗”課程未最終決定采用此教學改革方法之前，先通過對學生初步抽樣調(diào)查來獲取此改革方法的可行性分析，可行性分析的依據(jù)主要是依據(jù)學生對虛擬環(huán)境的感興趣程度進行主觀判斷。

初步對隨機選擇的學生進行SolidWorks的基本操作培訓后，發(fā)現(xiàn)在較短的時間內(nèi)便可以掌握部分簡單的操作，對此軟件都表現(xiàn)出一定的興趣，并對此形式的教學方式表示認同，部分學生已經(jīng)開始SolidWorks的自學，以期望更快地掌握機織專業(yè)的相關(guān)機械設(shè)備。

經(jīng)虛擬環(huán)境授課的初步試用，對紡織工程專業(yè)的老師及本科生進行虛擬環(huán)境授課可行性采樣分析，樣本總量確定15人。經(jīng)初步對虛擬環(huán)境的講解，令其與傳統(tǒng)授課情況對比后，進行主觀評判，匯總情況為:3名教師認為虛擬環(huán)境授課較傳統(tǒng)授課方式優(yōu)勢很大,2名教師認為有一定優(yōu)勢;6名學生認為優(yōu)勢很大,2名學生認為有一定優(yōu)勢,只有2名學生認為無明顯優(yōu)勢?？梢姶颂摂M環(huán)境授課較傳統(tǒng)授課方式有較大的優(yōu)勢，而構(gòu)建虛擬環(huán)境授課具有一定的實際意義。

4 結(jié) 語

本文主要通過應用CAD 技術(shù)來構(gòu)建虛擬環(huán)境以改善傳統(tǒng)的機織實驗課程中無法進行機織設(shè)備實踐操作的弊端。在CAD技術(shù)的選取中，采用了較為常用的SolidWorks軟件作為主要建模軟件，此軟件界面友好，易于上手，并以GA611型有梭織機為例，初步進行了主要機構(gòu)的模型建立。在此期間充分采納了多個有豐富機織專業(yè)教學經(jīng)驗的老師和部分本科生的建議，使得對進一步的推廣教學有了一定的基礎(chǔ)。同時，也對此教學方法的可行性進行了主觀分析和采樣調(diào)研，確保了此次引入CAD技術(shù)作為教學的一個重要部分能在一定程度上培養(yǎng)學生對機織專業(yè)的興趣，加強學生對機織設(shè)備的深入了解。

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ExplorationofTeachingReformforWeavingExperimentCourseBasedonCADTechnology

WANGJianga，ZHANGYuzea,GUANXiaoninga,WANGJuna,YANGJianpingb

(a.College of Textile, b.College of Information Science amp; Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

“Woven experiment” is one of important practical teaching aspects of textile engineering in Donghua University，it has been an essential experimental course for undergraduates.On the basis of clarifying the orientation of “weaving experiment”, it puts forward the teaching reform of constructing virtual environment by using CAD technology, because of the difficulty to practice on weaving equipment for various kinds, complicated structure, abstract to understand and bulky weight.Combined with the difficult knowledge points in “weaving” course and based on the standard GA611 shuttle loom, it chooses the mechanism which is not easy to practice and difficult to observe to establish the virtual environment.The narrative language can be told through the three-dimensional effect.The establishment of the virtual environment not only can analyze the mechanical equipment to give students an in-depth understanding of the course conveniently, but can strengthen students’s oft ware operation skills and establish a good space thinking.By an initial survey some teachers and under graduate spraise the feasibility of the virtual environment teaching.

weaving experiment; CAD technology; virtual environment

TS 105.1

A

1006-7167(2017)10-0227-04

2017-02-28

王 姜(1990-)，男，山東煙臺人，碩士，助理實驗師，研究方向：機織以及紡紗領(lǐng)域，機器學習在紡織中的應用。Tel.：18818235803；E-mail：wangjiang@dhu.edu.cn

張玉澤(1988-)，男,山東濱州人，碩士，實驗師，研究方向：紡紗以及紡織機械自動化。Tel.：18817330602；E-mail：zhangyuze@dhu.edu.cn