配棉与清梳联虚拟仿真实验教学平台的设计与开发

        高婵娟¹，谭艳君¹ ，金  波²,盛翠红¹  

（1.西安工程大学，纺织科学与工程学院，陕西西安，710048 ）

（2.咸阳纺织集团有限责任公司，陕西咸阳，712000）

[摘   要]：实验教学是一流本科课程建设的重要内容，针对纺织工程中配棉的高消耗，清梳联工程设备数量多、外形大、费用高和危险性大等问题，利用虚拟现实、分布式交互仿真和三维建模等技术，设计和开发了以清梳联工程为背景的配棉工艺设计虚拟仿真实验教学平台，弥补了配棉和清梳联工程实体实验的空白，有效提高了学生对配棉和清梳联工程知识体系的理解和掌握。实验具有强交互性、创新设计性、趣味性和共享性等特点，在人才培养、社会化服务、资源共享等方面取得显著成效。

[关键字]：实验教学；配棉；清梳联；虚拟仿真

[基金项目]：2021年度“纺织之光”中国纺织工业联合会高等教育教学改革项目，“基于新工科理念的“纺纱学”课程虚拟仿真实验的建设与应用研究”（2021BKJGLX012）；2021年度西安工程大学校级教育教学改革项目，“虚拟仿真技术在《纺纱学》课程教学中的建设与应用研究”（21JGZD01）；2021年度陕西省教育厅一流本科课程（陕教〔2021〕107号），“配棉工艺过程与抓棉工艺设计虚拟仿真实验”（序号432）。

[作者简介]：高婵娟，(1970-)，女，陕西西安人，硕士，西安工程大学纺织科学与工程学院，副教授，研究方向为功能性纺织产品生产技术及信息技术在纺织中的应用;谭艳君，(1963-)，女，山东省淄博市人，学士，西安工程大学纺织科学与工程学院，教授级高工，研究方向为新型染整助剂的合成及染色和印花应用;金波，(1975-)，男，陕西咸阳人，学士，咸阳纺织集团有限责任公司一分厂，厂长，研究方向为功能性纤维的纺纱方法及工艺研究。

[中图分类号]：G101.8        [文献标识码]：A   

教育部于2017年提出了以工程教育新理念、新模式、新方法、新内容、新质量等作为高校“新工科”建设和教育改革的基本内容^[1]。实验教学是现代大学发展水平的标志，是一流本科课程建设的重要内容，是“新工科”专业人才培养的重要途径^[2-3]。纺织工程设备数量多、外形大、占地面积多、费用高，运行危险性大，造成大多数纺织院校现有实验设备陈旧，生产线不完整，不能正常反映实际企业生产水平，一定程度影响了学生学习的积极性^[4-5]。近年来，由于企业质量管理要求等因素导致学生到企业动手实践的机会越来越少，加之从2020年初持续至今的新冠疫情影响，学生到企业学习的机会愈加困难。实验教学条件的不足，造成学生学习效果不佳，理论知识难以理解，而虚拟仿真技术推进了现代信息技术和实验教学项目的有效融合，拓展了实验教学内容、延伸了实验教学时间和空间^[6-7]，实现了智能化实验教学的新模式，为实验教学提供了一种新的解决方案^[8]。 

一、配棉和清梳联工程虚拟仿真实验建设的意义

（一）配棉虚拟仿真实验建设的意义

我国是世界上最大的棉纺织生产基地，产能基本占到全球总产能的一半。原棉由于产地、品种的不同，导致原棉性能指标差异较大，因而配棉是棉纺织企业一项重要的技术性、经济性和实践性基础性工作，与企业的原料供应、产品质量、生产成本及企业经营管理等密切相关^[9]。棉纺企业做好配棉不仅可以增进稳定生产、增效，提高成纱质量，而且对降低纺纱成本、节约用棉有着显著影响。在制定配棉方案时，需要考虑原棉产地、原棉库存、包型规格、棉台容量、生产计划、混棉队数与各队包数、混棉成本与混棉质量等多方面因素^[10]。

“纺纱学” 是纺织工程的专业基础课程之一，课程讲解以传统的棉纺纱线成形原理为主线。我国棉纺织企业长期在生产实践中采用的配棉方法是分类排队法。由于配棉的高效耗，无法实现实体实验，理论学习后，学生对于配棉的知识大多一知半解，利用虚拟仿真技术进行配棉工艺设计，有利于学生理解原料选配及指标差异性控制的方法，了解选配的原料以何种方式、方法参与纺纱生产，理解选配原料的排列规律对纱线质量的影响。

（二）清梳联工程虚拟仿真实验建设的意义

“清梳联”是纺织工程的第一个生产工序，是由多种单机按照一定的生产工艺需求设计，实现预定生产目的的大型综合性生产线^[11]。“清梳联”工程中设备的选型、组合方式及工艺参数设计对纺纱质量和纺纱成本影响显著，在纺纱工程中的地位举足轻重。

新时期“新工科”教育理念需要产教融合，需要从经验分享走向实操实训，从形式主义走向注重实效，从知识考试走向能力养成^[12-13]。利用虚拟仿真技术构建清梳联工程虚拟仿真实验有助于学生理解和掌握清梳联机组设备的组合方式、设备结构、工作原理以及工艺设计的方法。

二、配棉与清梳联工程虚拟仿真实验系统的构成

配棉与清梳联工程虚拟仿真实验系统综合运用了虚拟现实、分布式交互仿真、三维建模等技术，构建了开放的虚拟仿真实验平台，为学生构建了与实际生产企业相符合的演练环境，实验具有强烈的浸没感和真实感，具有强互动性、可操作性和共享性等。配棉工艺设计虚拟仿真以清梳联工程虚拟仿真实验为背景，实验系统包括安全操作、配棉工艺设计、清梳联机组设备认知和原理透视展现和设备工艺参数设计四个模块，实验系统架构如图1所示。

图1 配棉与清梳联工程虚拟仿真实验系统架构

三、配棉与清梳联工程虚拟仿真实验建设内容

（一） 安全操作模块

安全模块包含三部分内容。一是服装安全认知，引导学生了解纺织企业生产特点，男女职工服装鞋帽的安全要求；二是生产厂区安全要点认知，针对纺织企业的加工材料都是易燃品，要求学生了解生产工场的防火防爆等消防安全设施配置；三是生产设备的安全操作认知，纺织企业设备数量多，运转速度高，特别是清梳联设备大都带有打手、锯齿、梳针等危险性机件，要求学生掌握设备操作安全规范要求。

（二） 清梳联工程虚拟仿真实验设计

清梳联工程虚拟仿真实验选择高效短流程的特吕茨施勒联合机组为模型，设备组合在棉纺织行业具有一定的普遍适应性、典性型和先进性^[14]。实验系统包括的核心设备有实现开松、除杂作用的往复式抓棉机、双轴流开棉机、多仓混棉机、多滚筒清棉机等；实现梳理作用的梳棉机；实现辅助作用的重杂分离器、异性纤维探除装置和除微尘装置等；实现安全防护作用的桥式吸铁装置、火星探除装置等；以及将这些设备连接在一起的凝棉器、输棉风机、电气配棉器、清梳联喂棉箱等连接装置。清梳联工程整体框架结构虚拟仿真效果如图2所示。

图2 清梳联工程整体框架结构虚拟仿真效果

（三） 配棉工艺设计模块

1. 配棉方案设计

根据系统提示寻找棉包，弹出配棉方案设计菜单界面。首先根据需要选择纺纱线密度，并依据线密度确定适合的纺纱工艺流程及配棉方案。这部分考核的知识点是线密度和纺纱工艺流程之间的合理匹配，引导学生掌握普梳系统适用于纺制中、粗特纱，精纺系统适用于纺制细特棉纱和特种用纱，在此基础上分析纺纱系统和纱线质量及成本的关系。设计界面如图3所示。

图3 配棉方案设计界面

配棉方案需要按照传统的分类排队法完成。原棉的品级是根据原棉的成熟程度、色泽特征、轧花质量并参考强力、成熟度系数等物理指标评定，级别的高低标志着棉纤维品质的好坏，纤维的长度及细度又对所纺纱线的强度及强度均匀度系数、条干均匀度、毛羽，以及纺纱工艺参数设计都有重要的影响，实验设计要求选配原料的品级、长度和细度三个主要指标必须满足成份差异控制要求，否则显示选择错误。通过实验，引导学生理解和掌握原料选配的原则和方法。             

2. 配棉方案比例设计及混和原料平均指标的计算

根据原料选配的结果自动生成原料选配表，根据提示设计混和原料各组份比例和计算排包数量，以及计算混和棉平均指标，设计界面如图4所示。

图4 混和原料比例设计和混和棉平均指标计算界面

    通过实验操作，强化学生对配棉各组分分配比例设计的意义，占比多为主要组份，对纱线性能影响大，并掌握混和棉平均指标的加权平均算法的适用性。

3. 配棉方案排包设计及配棉方案虚拟仿真

配棉方案、各成份比例和排包数量确定后，弹出排包图平面设计界面，选配原料各成份依次用1、2、3、4、5数字代表，要求各组份的排包数量和设计数量一致，设计完成后，可实现以清梳联工程为背景的配棉方案虚拟仿真，并可实现往复式抓棉机的虚拟仿真抓棉过程，仿真效果如图5所示。通过实验，引导学生理解和掌握往复式抓棉机“成份正确，多包细抓、混和均匀”的工艺设计原则^[15]。

图5 配棉方案排包设计虚拟仿真效果

（四） 清梳联机组设备认知模块

通过清梳联虚拟仿真实验，让学生认知往复式抓棉机、火星探除器、重力除杂器、双轴流开棉机、多仓混棉机、精细开棉机、异性纤维处理装置、除微尘机和梳棉机等设备，并通过虚拟仿真透视的展示设备的工作原理，双轴流开棉机原理透视展示如图6所示。通过实验，引导学生掌握清梳联机组不同设备在组合中的位置、功能及原理，理解清梳联机组“先自由开松，后握持开松，杂质早落少碎”的工艺配置^[16]。

图6 双轴流开棉机原理透视展示

（五） 设备工艺参数设计模块

 纺织企业的生产技术管理有原材料管理、工艺管理、设备管理、操作管理和空调管理五大基础性管理，但在生产技术管理中，工艺管理具有主导作用,工艺设计的合理性，先进性和纺织企业优质，高产，低消耗关系密切。纺织企业加强工艺研究，提高工艺设计的合理性，是企业优质、高产和低消耗的保障。实验设计了对清梳联机组中实现开松和梳理的往复式抓棉机、双轴流开棉机、多仓混棉机、梳棉机等关键设备工艺参数设计，引导学生在认知设备的基础上，掌握设备工艺设计的原则和方法，以及关键工艺参数对纺纱半制品质量和成纱质量的影响。以往复式抓棉机为例，设计的知识点是通过往复式抓棉机工艺参数设计，引导学生理解并掌握抓棉小车运行速度、抓棉打手转速、抓棉小车下降距离和打手刀片伸出肋条的距离等工艺参数对抓棉效果及纺纱质量的影响，设计界面如图7所示。

图7 往复式抓棉机工艺参数设计界面

四.结语

纺织企业生产从原料选配开始，需要针对不同产品进行科学合理的原料选配，满足成纱质量的同时有效控制纺纱成本。实验利用虚拟现实、分布式交互仿真和三维建模等技术构建了以清梳联工程为背景的配棉工艺设计虚拟仿真实验教学平台。通过实验，可有效提高学生对配棉知识体系的理解和掌握，熟悉清梳联工程中设备的组合、工作原理、工艺参数设计，理解工艺设计和纺纱半制品质量及成纱质量的之间的因果关系。实验教学平台弥补了实体实验由于高消耗、高危险、高成本无法实现的缺憾，具有强交互性、创新设计性、趣味性和共享性等特点，可有效提高纺织工程学生的工程设计能力和专业创新能力。该教学实验已被认定为省级虚拟仿真实验教学一流课程，也在全国大学生纺织类工程训练综合能力竞赛中得以应用，并和国内多家纺织院校和企业签订了共享协议，在人才培养、社会化服务、资源共享等方面取得显著成效。

[参考文献]

[1] 刘磊，张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2021，38（1）:140-143.

[2] 关于一流本科课程建设的实施意见:高教﹝2019﹞8号文件[Z].2019.

[3] 高东锋.信息化时代高校实验教学改革的要求、思路与路径［J］.中国高教研究,2018( 4) : 93-96．

[4] 高婵娟，谭艳君，盛翠红，等.虚拟仿真技术在清梳联实验教学中的应用[J].棉纺织技术，2020，48（4）：71-74.

[5] 孙启龙，蔡莹莹，王茹，等.虚拟实验在纺织实验教学中的应用[J].纺织服装教育，2019,34（3）:273-275.

[6] 王萍，张岩，李媛媛，等.在纺织工程相关专业开设虚拟仿真实验的探索[J].纺织服装教育，2019,34（3）:276-279.

[7] 孙科学，郭宇锋，程勇，等．新工科背景下虚拟仿真实验教学中心建设探索[J]．实验室科学，2020,23（6）：183-189.

[8] 刘利娜,程芸燕.教育信息化背景下虚拟仿真实践教学体系构建[J].软件导刊·教育技术，2019，18（6）:43-45.

[9] 邱兆宝.配棉混包排列优化模型与效果评价[J].棉纺织技术，2013，41（4）：14-17.

[10] 朱峰.公检棉计算机配棉系统应用研究[J].棉纺织技术，2014，42（4）：5-9.

[11] 董志强,郭东亮,白金报.清梳联智能化技术的发展与应用[J].棉纺织技术，2019，47（5）：10-14.

[12] 刘海峰，庞在详，王晓东，等.新工科背景下智能制造虚拟仿真实训教学平台建设与应用[J].实验室技术与管理,2020,37(10):254-262.

[13] 张宁，赵毅强，兰馗博，等.“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议[J]．实验技术与管理，2020,37(3)：185-188.

[14] 王东余,唐华.短流程高效清梳联的使用实践[J].棉纺织技术，2017，45（2）：51-54.

[15] 钱鸿彬.棉纺织工厂设计[M].北京：中国纺织出版社，2012.

[16] 郁崇文.纺纱学[M].北京：中国纺织出版社，2019.

Design and Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for Cotton Assorting and Blowing -carding unit

GAO CHanJuan¹ ，TAN YanJun¹ ,  JIN Bo²，SHENG CuiHong¹

（1.School of Textile Science and Engineering，XIAN Polytechnic University,Xi’an 710048，China)

(2.Xian Yang Textiles Group Co.，LTD. Xian Yang 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 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 improves the students to understand and master the knowledge systems of cotton assorting and the engineering of blowing-carding unit.The experiment has the characteristics of the strong interaction,the innovative design, interest and shareability etc..It has achieved remarkable results in personnel training, social services, and resource sharing.

Key words: experiment teaching; cotton assorting; blowing-carding unit; virtual simulation