配棉與清梳聯(lián)虛擬仿真實驗教學平臺的設計與開發(fā)

高嬋娟　譚艷君　金波　盛翠紅

［摘 要］ 實驗教學是一流本科課程建設的重要內(nèi)容，針對紡織工程中配棉的高消耗，清梳聯(lián)工程設備數(shù)量多、外形大、費用高和危險性大等問題，利用虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真和三維建模等技術，設計和開發(fā)了以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝設計虛擬仿真實驗教學平臺，彌補了配棉和清梳聯(lián)工程實體實驗的空白，有效提高了學生對配棉和清梳聯(lián)工程知識體系的理解與掌握。實驗具有強交互性、創(chuàng)新設計性、趣味性和共享性等特點，在人才培養(yǎng)、社會化服務、資源共享等方面取得了顯著成效。

［關鍵詞］ 實驗教學；配棉；清梳聯(lián)；虛擬仿真

［基金項目］ 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驗”（教高函〔2023〕7號）；2021年度“紡織之光”中國紡織工業(yè)聯(lián)合會高等教育教學改革研究項目“基于新工科理念的‘紡紗學課程虛擬仿真實驗的建設與應用研究”（2021BKJGLX012）；2021年度西安工程大學校級教育教學改革項目“虛擬仿真技術在‘紡紗學課程教學中的建設與應用研究”（21JGZD01）

［作者簡介］ 高嬋娟（1970—），女，陜西西安人，碩士，西安工程大學紡織科學與工程學院副教授，主要從事功能性紡織產(chǎn)品生產(chǎn)技術及信息技術在紡織中的應用研究；譚艷君（1963—），女，山東淄博人，學士，西安工程大學紡織科學與工程學院教授級高工，主要從事新型染整助劑的合成及染色和印花應用研究；金 波（1975—），男，陜西咸陽人，學士，咸陽紡織集團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 ［文獻標識碼］ 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、新質量等作為高校新工科建設和教育改革的基本內(nèi)容［1］。實驗教學是現(xiàn)代大學發(fā)展水平的標志，是一流本科課程建設的重要內(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《關于一流本科課程建設的實施意見》指出，建設虛擬仿真實驗教學一流課程［3］。紡織工程設備數(shù)量多、外形大、占地面積多、費用高，運行危險性大，一些紡織院?，F(xiàn)有實驗設備陳舊，生產(chǎn)線不完整，不能正常反映實際企業(yè)生產(chǎn)水平，一定程度上影響了學生學習的積極性［4-5］。近年來，由于企業(yè)質量管理要求等因素，學生到企業(yè)動手實踐和學習的機會越來越少。實驗教學條件的不足，造成學生學習效果欠佳，難以理解理論知識，而虛擬仿真技術推進了現(xiàn)代信息技術和實驗教學項目的有效融合，拓展了實驗教學內(nèi)容，延伸了實驗教學時間和空間［6-7］，實現(xiàn)了智能化實驗教學的新模式，為實驗教學提供了一種新的解決方案［8］。

一、配棉和清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗建設的意義

（一）配棉虛擬仿真實驗建設的意義

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，原棉性能指標差異較大，因而配棉是棉紡織企業(yè)一項重要的具備技術性、經(jīng)濟性、實踐性和基礎性的工作，與企業(yè)的原料供應、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)成本及企業(yè)經(jīng)營管理等密切相關［9］。棉紡企業(yè)做好配棉不僅可以增進穩(wěn)定生產(chǎn)、增效，提高成紗質量，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，需要考慮原棉產(chǎn)地、原棉庫存、包型規(guī)格、棉臺容量、生產(chǎn)計劃、混棉隊數(shù)與各隊包數(shù)、混棉成本與混棉質量等多方面因素［10］。

“紡紗學”是紡織工程的專業(yè)基礎課程之一，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)實踐中采用分類排隊法的配棉方法。由于配棉的高效耗，無法實現(xiàn)實體實驗，經(jīng)過理論學習后，學生對配棉的知識大多一知半解，利用虛擬仿真技術進行配棉工藝設計，有利于學生理解原料選配及指標差異性控制的方法，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)律對紗線質量的影響。

（二）清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗建設的意義

“清梳聯(lián)”是紡織工程的第一個生產(chǎn)工序，是由多種單機按照一定的生產(chǎn)工藝需求設計，實現(xiàn)預定生產(chǎn)目的的大型綜合性生產(chǎn)線［11］?！扒迨崧?lián)”工程中設備的選型、組合方式及工藝參數(shù)設計對紡紗質量和紡紗成本影響顯著，在紡紗工程中的地位舉足輕重。

新時代新工科教育理念需要產(chǎn)教融合，需要從經(jīng)驗分享走向實操實訓，從形式主義走向注重實效，從知識考試走向能力養(yǎng)成［12-13］。利用虛擬仿真技術構建清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗，有助于學生理解和掌握清梳聯(lián)機組設備的組合方式、設備結構、工作原理以及工藝設計的方法。

二、配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)的構成

配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)綜合運用了虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真、三維建模等技術，構建了開放的虛擬仿真實驗平臺，為學生構建了與實際生產(chǎn)企業(yè)相符合的演練環(huán)境，實驗具有強烈的體驗感和真實感，具有強互動性、可操作性和共享性等。配棉工藝設計虛擬仿真以清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗為背景，實驗系統(tǒng)包括安全操作、配棉工藝設計、清梳聯(lián)工程設備認知和設備工藝參數(shù)設計四個模塊，實驗系統(tǒng)架構如圖1所示。

三、配棉與清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗建設內(nèi)容

（一）安全操作模塊

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

（二）清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗設計

清梳聯(lián)工程虛擬仿真實驗選擇高效短流程的特呂茨施勒聯(lián)合機組為模型，設備組合在棉紡織行業(yè)具有一定的普遍適應性、典型性和先進性［14］。實驗系統(tǒng)包含的核心設備有實現(xiàn)開松、除雜作用的往復式抓棉機、雙軸流開棉機、多倉混棉機、多滾筒清棉機，實現(xiàn)梳理作用的梳棉機，實現(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，實現(xiàn)安全防護作用的橋式吸鐵裝置、火星探除裝置，以及將這些設備連接在一起的凝棉器、輸棉風機、電氣配棉器、清梳聯(lián)喂棉箱等連接裝置。清梳聯(lián)工程整體框架結構虛擬仿真效果如圖2所示。

（三）配棉工藝設計模塊

1.配棉方案設計。根據(jù)系統(tǒng)提示尋找棉包，彈出配棉方案設計菜單界面。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。這部分考核的知識點是線密度和紡紗工藝流程之間的合理匹配，引導學生掌握普梳系統(tǒng)適用于紡制中、粗特紗，精紡系統(tǒng)適用于紡制細特棉紗和特種用紗，在此基礎上分析紡紗系統(tǒng)和紗線質量及成本的關系。設計界面如圖3所示。

配棉方案需要按照傳統(tǒng)的分類排隊法完成。原棉的品級根據(jù)原棉的成熟程度、色澤特征、軋花質量并參考強力、成熟度系數(shù)等物理指標評定，級別的高低標志著棉纖維品質的好壞，纖維的長度及細度又對所紡紗線的強度及強度均勻度系數(shù)、條干均勻度、毛羽，以及紡紗工藝參數(shù)設計都有重要的影響，實驗設計要求選配原料的品級、長度和細度三個主要指標必須滿足成分差異控制要求，否則顯示選擇錯誤。通過實驗，引導學生理解和掌握原料選配的原則和方法。

2.配棉方案比例設計及混合原料平均指標的計算。根據(jù)原料選配的結果自動生成原料選配表，根據(jù)提示設計混合原料各組分比例和計算排包數(shù)量，以及計算混合棉平均指標，設計界面如圖4所示。通過實驗操作，強化學生對配棉各組分分配比例設計的意義，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的加權平均算法的適用性。

3.配棉方案排包設計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，彈出排包圖平面設計界面，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)量和設計數(shù)量一致，設計完成后，可實現(xiàn)以清梳聯(lián)工程為背景的配棉方案虛擬仿真，并可實現(xiàn)往復式抓棉機的虛擬仿真抓棉過程，仿真效果如圖5所示。通過實驗，引導學生理解和掌握往復式抓棉機“成分正確，多包細抓、混合均勻”的工藝設計原則［15］。

（四）清梳聯(lián)機組設備認知模塊

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

（五）設備工藝參數(shù)設計模塊

紡織企業(yè)的生產(chǎn)技術管理有原材料管理、工藝管理、設備管理、操作管理和空調管理五大基礎性管理，但在生產(chǎn)技術管理中，工藝管理具有主導作用。工藝設計的合理性和先進性與紡織企業(yè)優(yōu)質、高產(chǎn)、低消耗關系密切。紡織企業(yè)加強工藝研究，提高工藝設計的合理性，是企業(yè)優(yōu)質、高產(chǎn)和低消耗的保障。實驗設計了對清梳聯(lián)機組中實現(xiàn)開松和梳理的往復式抓棉機、雙軸流開棉機、多倉混棉機、梳棉機等關鍵設備工藝參數(shù)設計，引導學生在認知設備的基礎上，掌握設備工藝設計的原則和方法，以及關鍵工藝參數(shù)對紡紗半成品質量和成紗質量的影響。以往復式抓棉機為例，設計的知識點是通過往復式抓棉機工藝參數(shù)設計，引導學生理解并掌握抓棉小車運行速度、抓棉打手轉速、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量的影響，設計界面如圖7所示。

結語

紡織企業(yè)生產(chǎn)從原料選配開始，需要針對不同產(chǎn)品進行科學合理的原料選配，滿足成紗質量的同時有效控制紡紗成本。實驗利用虛擬現(xiàn)實、分布式交互仿真和三維建模等技術構建了以清梳聯(lián)工程為背景的配棉工藝設計虛擬仿真實驗教學平臺。通過實驗，可有效提高學生對配棉知識體系的理解和掌握，熟悉清梳聯(lián)工程中設備的組合、工作原理、工藝參數(shù)設計，理解工藝設計和紡紗半成品質量及成紗質量之間的因果關系。實驗教學平臺彌補了實體實驗由于高消耗、高危險、高成本無法實現(xiàn)的缺憾，具有強交互性、創(chuàng)新設計性、趣味性和共享性等特點，可有效提高紡織工程學生的工程設計能力和專業(yè)創(chuàng)新能力。該教學實驗已被認定為省級虛擬仿真實驗教學一流課程，也在全國紡織類大學生工程訓練綜合能力競賽中得以應用，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)、社會化服務、資源共享等方面取得顯著成效。

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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