基于在線虛擬仿真技術的織造實驗教學探索

劉基宏， 肖學良， 李聰慧， 楊瑞華， 傅佳佳

(江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122)

一、 在線虛擬仿真實驗教學的必要性

紡織工程專業(yè)為實現對接“大紡織”行業(yè)的人才培養(yǎng)目標，實驗教學最好使用實際生產設備。然而，很多織造生產設備價格昂貴，使用場地大，設備使用環(huán)境要求高。以劍桿織機為例，單臺織機加外圍面積需10平方米，市場售價20萬元以上，機器運行噪聲為80 dB，織機運行環(huán)境需恒溫恒濕，織造工藝的前期準備工序繁瑣，導致目前紡織院校使用生產型劍桿織機進行實驗教學的設備數量極其有限[1]。因此，學生對此類織機無法動手實踐操作，致使學生對織造工藝的認知欠缺，缺乏解決工程實際問題的能力。

紡織類院校大多采用小樣機進行織造實驗教學，但小樣機的參數設置與生產型織機完全不同，學生感受不到操作的要求，無法獲得真實的生產體驗，反而影響了學生對紡織機械的認知，使學生誤以為學會了使用紡織生產設備。另外，即使部分紡織院校購買了生產型織機，具備生產型織機的實驗教學條件，但織機類型多(包括有梭織機、片梭織機、劍桿織機、噴氣織機、噴水織機和三維織機等)，機構復雜，生產操作差別大，一臺織機無法涵蓋所有引緯類型，紡織工程專業(yè)教學介紹各種引緯方式的織機，而高校實驗室不可能配齊所有類型織機。

基于虛擬仿真技術的實驗教學可很好地模擬生產型織機外形、結構部件和操作運行程序，同時可讓學生很好地感知生產型織機的上機生產工藝流程，解決實際教學過程中實驗條件的不足等問題[2-3]，讓學生在課上課下反復觀摩操作，大大拉近了教學與生產實際的距離，有利于學生畢業(yè)后快速熟悉紡織企業(yè)崗位工作，減少企業(yè)的培養(yǎng)成本。為此，我校(江南大學)紡織科學與工程學院構建了織造設備在線模擬系統(tǒng)，仿真織機操作的所有內容，可實現操作中所有參數輸入及設定。通過對該系統(tǒng)生成的參數報告的可行性評價，可了解使用者對于織物生產中參數設定的掌握情況，以完成脫離織機的操作性教學，有效提升實驗教學質量。

二、 在線虛擬仿真實驗教學的實施

1. 實驗目的

基于在線虛擬仿真技術的實驗教學目的在于：(1)了解系統(tǒng)線上模擬織機的主界面；(2)了解引緯參數的設定方法及參數意義；(3)了解經紗張力及停車擋調整的數據設定方法及參數意義；(4)了解機械調整量的設定方法及參數意義；(5)了解空氣壓力的設定方法及參數意義；(6)了解有梭織機梭子飛行曲線的設定方法及參數意義；(7)了解落布的設定方法及參數意義；(8)了解綜合數據的設定方法及參數意義。

2. 實驗內容

實驗開始前，教師介紹仿真軟件操作流程，實驗以學生操作為主，學生自主學習和練習。實驗內容包括：(1)采用我校開發(fā)的在線軟件系統(tǒng)實現模擬上機操作；(2)實驗過程中根據面料的材料和結構輸入參數；(3)利用虛擬仿真系統(tǒng)中提供的輔助工具，學習操控織機運行的慢動作，進而掌握織機五大運動的協(xié)同動作；(4)以平紋或斜紋等簡單織物組織為上機模擬對象，從參數輸入、動作運行、織物效果等角度，展示在線虛擬仿真各階段的模擬效果；(5)上傳模擬織物虛擬仿真的練習作業(yè)，包括各類參數設置、織機運行動作視頻、織物下機效果等仿真模塊。最后，教師根據學生作業(yè)中的練習情況在后臺進行成績評定。

3. 實驗步驟

本實驗為線上虛擬仿真實驗，在線虛擬仿真系統(tǒng)將各類織造工藝參數模塊化、細致化，經過在線虛擬運行后，給出反饋信息和調整意見。以平紋織物為例，學生輸入紗線、織造和工藝參數后，從參數輸入、動作運行、織物效果等角度，展示織機虛擬仿真各階段的模擬效果，最后學生撰寫實驗報告。具體實驗步驟如下：

(1) 開啟電腦，打開軟件，在人機交互主界面輸入用戶名和密碼，進入虛擬仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)的用戶名和密碼輸入界面

(2) 在線選擇織機菜單，選擇相應的織機類型(如圖2所示)，如噴氣織機、劍桿織機和片梭織機等，在織機類型中可選擇不同操作練習的模塊。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)主界面

(3) 認識織機模擬主界面組成模塊，包括上機參數設置窗口、機器慢動作回放窗口、生產參數匯總表、生成織物模擬效果、開機關機按鈕和正常運行及緊急情況指示燈等，如圖3所示。根據模塊信息回答問題：界面由哪些菜單構成？每一個菜單的功能是什么？

圖3 織機各部件功能導航系統(tǒng)

圖4 織機參數輸入界面

(4) 選擇系統(tǒng)導航菜單，選擇引緯數據設定菜單，如圖4所示。回答以下問題：引緯數據設定內容有哪些？每一個參數分別是什么含義？引緯參數設定與紗線品種之間的關系是什么？紗線原料的變化如何影響織機的引緯？

(5) 選擇經紗目標張力以及停車擋調整設定菜單，回答以下問題：經紗目標張力及停車擋調整的數據設定內容有哪些？經紗目標張力及停車擋調整的數據設定與紗線品種之間的關系是什么？經紗目標張力及停車擋調整的數據設定與織物組織之間的關系是什么？

(6) 選擇機械調整量設定菜單，回答以下問題：機械調整量設定的內容是什么？機械調整量設定中經緯紗線的線密度之間的關系是什么？

(7) 選擇空氣壓力設定菜單，回答以下問題：空氣壓力設定的內容是什么？空氣壓力設定與紗線原料之間的關系是什么？空氣壓力設定與紗線線密度之間的關系是什么？

(8) 選擇緯紗飛行曲線設定菜單，如圖5所示，回答以下問題：飛行曲線設定的內容是什么？

圖5 緯紗飛行曲線設定菜單

(9) 選擇落布方法設定菜單，回答以下問題：落布設定的內容是什么？落布中計算用紗量與產品產量的方法是什么？

(10) 選擇綜合數據設定菜單，如圖6所示，回答以下問題：綜合數據設定的內容是什么？哪些綜合數據設計需要考慮紗線參數？

圖6 綜合數據設定菜單

(11) 選擇其他菜單項，并說明其功能。

(12) 完成實驗報告，提交作業(yè)，關閉電腦。

利用虛擬仿真實驗教學，如圖7所示，可讓學生更好地理解織機工藝、流程、細節(jié)、模塊，培養(yǎng)學生運用理論知識分析問題、解決工程實際問題的能力。

圖7 虛擬仿真運行數據匯總

4. 評價方式

本虛擬仿真實驗的實施，以學生素質和能力發(fā)展為出發(fā)點，以學習成果為導向，注重培養(yǎng)學生提出問題的多種解決方案的能力，注重形成性過程評價，而不是簡單的一次考核。通過考核與反饋，建立相關實驗教學項目學時互認和轉換機制。

在課程教學中，通過完成2個實驗項目進行評價，考核如下：實驗操作占40%，實驗報告占30%，實驗校正占30%。課程目標與考核方式對應的權重分配如表1所示。學生學習成績需結合這三個方面進行綜合評定，從而分析學生對知識的掌握程度以及應用能力，并針對學習各個環(huán)節(jié)中存在的突出問題提出建設性改進措施。

表1 課程目標與考核方式對應的權重分配

5. 教學效果

本虛擬仿真系統(tǒng)還可與其他軟件建立接口，以提高系統(tǒng)的拓展性，同時也提高學生的學習興趣。主要表現在以下幾個方面：(1)學生查閱資料及在實驗中形成自主學習能力，通過虛擬實驗處理數據，更加容易撰寫實驗報告以及相關的研究論文。(2)利用虛擬仿真實驗平臺，使學生掌握專業(yè)相關的基礎實驗、專業(yè)綜合實驗，實驗中可以反復操作，也可以進行各類錯誤測試，以加深學生對實驗室操作及相關理論知識的理解。(3)利用虛擬仿真實驗平臺與其他軟件的集成方法，理解織機工藝性、流程化、系列化、模塊化設計思想，培養(yǎng)學生運用理論知識分析問題、解決工程問題的能力，虛擬平臺也可以進一步擴展系統(tǒng)的應用。

三、 結語

本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的應用不僅解決了紡織專業(yè)學生無法進行實際操作的問題，而且能夠實現課堂教學內容與工廠實際生產的對接，突破了當前紡織工程專業(yè)教學偏重理論的問題，以培養(yǎng)更全面的紡織專業(yè)人才。同時，本系統(tǒng)也可作為紡織企業(yè)員工的培訓軟件，讓工人有機會學習織造知識，提高織布工人的專業(yè)素養(yǎng)。這不僅能夠提高工人對于所生產面料相關參數設定的認知，也能夠增強車間布料織造設定出現問題時解決的及時性。總體而言，本系統(tǒng)具有較高的實用性，是極為有用的紡織工程專業(yè)教學與實踐培訓工具。