纬编CAD技术进展与发展趋势

2015-12-31张永超丛洪莲张爱军

纺织导报 2015年7期

张永超+丛洪莲+张爱军

摘要：文章对当今国内外纬编CAD技术进行了详细的介绍，其中包括迈耶西、圣东尼、福原等国外知名公司，以及国内相关企业、各大纺织高校开发的纬编针织物CAD系统，并对各类CAD系统的特点及技术进展进行了详细说明。同时对纬编针织物CAD系统织物设计、织物仿真、虚拟展示等各主要功能做了详细介绍，并对纬编针织物CAD技术向标准化、网络化、智能化方向发展进行了预测。

关键词：纬编；CAD技术；进展；发展趋势

中图分类号：TS184.4；TP391.7

文献标志码：A

Progress and Developing Trend of Weft-knitting CAD Technology

Abstract： The article introduces in details the weft-knitting CAD technologies available at home and abroad， including the weft-knitting CAD systems developed by foreign companies such as Mayer & Cie， Santoni， Fukuhara， etc.， as well as those developed by domestic enterprises and textile colleges. The characteristics and technical progress of all kinds of CAD systems are described in details. At the same time fabric design， fabric simulation and virtual display of weft-knitting CAD system are introduced. It also forecasts the future developing trend of weft-knitting CAD technique towards standardization， Internet-based and intelligent.

Key words： weft-knitting； CAD technology； progress； developing trend

随着计算机技术的不断发展，其应用已经深入到各个行业之中。传统的纺织业劳动密集，生产成本高，生产效率低下，已不能顺应当今国际市场竞争的需求，因此需要借助计算机强大的图像、信息处理技术实现对机械式以及电脑提花产品的工艺设计、来样处理以及上机织造。CAD技术在纺织中的应用最早起源于20世纪60年代，美国IBM公司成功研制出纹织自动化系统，直至20世纪70年代纺织CAD技术才开始得到实际应用。经过30多年的不断发展，CAD技术已在针织、机织、服装等各个领域得到应用推广。

纬编电脑提花圆机于20世纪70年代最早出现在德国MORAT公司，其生产的Moratronik ST4 Jacquard电脑提花大圆机代表了国际先进水平。随后日本福原、德国迈耶西等国际知名纬编机械制造公司相继推出了单双面纬编提花圆机。随着电脑提花圆机市场需求量的不断增加，选针器作为其核心部件之一，其市场也被不断开拓。由于纬编提花圆机选针系统的不断发展与完善，与之配套的纬编CAD软件成为不可或缺的工具。尤其是日本的WAC公司，其最先研制出的适应性广、功能较为强大的纬编CAD软件迅速占领市场，其余各国也相应地推出与之机型配套的CAD软件。直至20世纪80年代纬编CAD软件逐步投入使用。经过几十年的发展，纬编CAD软件已经逐渐走向成熟。

1 纬编CAD技术进展

1.1 国外纬编CAD技术进展

国外的机械制造、电子化程度一直处在世界前列，在纬编CAD系统方面发展的也较为成熟。国外的纬编CAD系统大多是与其针织设备配套的软件系统，主要用于某一种型号或某一系列的针织设备，如意大利圣东尼公司、德国的迈耶西公司、日本福原公司等，这些公司开发的CAD系统专供其生产的针织设备使用。

意大利圣东尼公司开发的CAD系统是目前市面上较为成熟的制版系统。如图1，圣东尼CAD系统包括花型组织绘制软件与上机工艺设计软件两个子系统，其不同的机型上机工艺设计软件有所不同。花型绘制软件目前较为常见的为photon软件，可以用该软件中的绘图工具绘制花型，也可导入已有bmp格式图片，并对花型进行针法铺设。工艺设计软件包括QUASARS软件、针对圣东尼SM-DJ2T（S）机型专门开发pulsar软件等。该类软件主要用于设置机器动作，对织物的密度、纱嘴、机速等一系列参数进行设置。

德国迈耶西公司开发的纬编CAD系统与其公司纬编圆机设备配套使用，目前市面上应用较多的是PIC系统和MDS1系统，图 2 为迈耶西CAD系统的概况。PIC系统是迈耶西电脑提花圆机应用较多的CAD系统，其分为花型编辑器、色彩排列编辑器以及工艺卡编辑器 3 个子系统。PIC系统中花型编辑器用于对织物花型进行设计，可通过绘图工具进行基本的花型绘制，也可直接导入已绘制好的bmp格式的花型图片，对于有组织结构变化的花型还可对其进行组织铺设；色彩排列编辑器主要针对调线织物，对其色彩、调线手指等进行设置排列；工艺卡编辑器主要对路数、色彩数、循环数等标准工艺参数以及减少色彩、色彩分配等花型参数进行设置。MDS1系统是迈耶西较新的基于OVJA系列电脑提花圆机的CAD软件。MDS1系统具有花型绘制、组织铺设、工艺检测等功能，能够实现针筒和针盘花型设计功能。与PIC系统相比，该系统将多个软件统一到一个软件中去，操作更为简单便捷，但该软件应用时速度很慢，导入上机文件到机器中需 1min左右；而且该软件不够稳定。

福原CAD系统主要包括花型编辑器pattern edit，多色提花编辑器multi color jacquard，工艺参数编辑器parameter& striper，wac格式转换器等几个软件。Pattern edit用于对织物的花型进行设计，设计过程中可直接在新建的花型中绘制，也可直接打开已保存为bmp格式的图片，再进行处理。该软件操作界面直观，但步骤繁琐。Parameter & striper用于对织物的上机工艺进行设置，主要包括路数、颜色、纱嘴等参数设置。

WAC Designer软件在国外众多纬编CAD软件系统中应用较为广泛，是与日本WAC电脑提花选针系统相配套的花型设计软件，由于其软件格式与机器设备兼容性好，在国内提花圆机市场中应用极其广泛。该软件界面操作简单，但是功能较少，处理复杂的花型图案较为繁琐。

1.2 国内纬编CAD技术进展

国内纬编CAD系统较国外系统起步晚，且不够成熟，多以仿国外系统功能为主。目前国内致力于开发纬编CAD系统的公司较少，主要的研究来源于一些纺织院校。

国内纺织高校对于纬编CAD系统的开发研究包括浙江大学朱艳在花型准备、编织信息等几个方面着手，开发了针织圆机计算机辅助花样制作原型系统。武汉科技学院潘鄂菁开发了插片系列、滚筒系列、摆片系列、提花轮系列和多针道系列共五大系列纬编产品花型设计CAD，其具有统一相似操作界面，并且可以根据针织企业设备情况定制设计。电子科技大学胡孝树以Visual Basic 6.0和MS-Access 2003为开发工具，开发了拨片式圆形纬编机、提花轮纬编提花圆形纬编机、滚筒式提花和圆齿片提花圆形纬编机上机工艺设计和纬编针织物效应模拟软件，其能够实现上机工艺设计及其织物效应模拟。江南大学自主研发设计了纬编CKCAD1.0系统，该系统适用于多针道、机械式提花、电脑提花等各类圆纬机产品开发。CKCAD1.0系统具有较好的人机界面，操作方便快捷；其具有较好的仿真功能，仿真效果逼真形象；此外，该系统较好的虚拟展示效果，使得织物能够更直观形象的展示在用户面前；系统较好的兼容性，能够适应国内外各类提花、机械圆机的花型、工艺设计。

国内独立开发纬编CAD系统的相关企业很少，多与开发控制系统的企业进行合作并采用其开发的CAD系统，如国内的金天梭纬编机械制造公司，其采用恒强公司开发的控制系统并配套使用恒强公司开发的HqPDS制版系统来实现机械动作的设置。

纵观国内外纬编CAD系统的发展现状，国外CAD技术较为成熟，功能较为完善，但是目前软件在织物仿真、虚拟展示等方面没有涉及，而且软件的兼容性不好，基本上各公司的软件只配套该公司生产的机型。国内纬编CAD系统开发研究较少，仅有部分纺织高校有所研究，但是都没有能够推向市场。

2 纬编CAD系统功能

纬编CAD系统功能主要包括织物设计、织物仿真、织物虚拟展示、辅助功能等几个模块。

2.1 织物设计

纬编针织物设计包括对织物花型组织以及上机工艺进行设计。

在花型组织设计方面，对于多针道纬编针织产品而言主要依靠织针及三角排列。该类织物通常采用编织图进行设计。如图3 所示为多针道纬编针织产品的织物设计图，它由编织图、织针排列图、三角配置图共同组成且一一对应。在电脑提花针织物设计中，由于其花型较大，编织图不能够直观的表现其花型效果，因此要采用意匠图来表示。在花型设计过程中，可利用画笔、填充等工具完成花型图案的设计，也可导入已有图片，根据不同的机型铺设不同的组织，如图4 所示为经换色、边缘处理后进行组织覆盖的花型意匠图。

织物的上机工艺设计包括对织物的密度、速度、纱嘴动作、穿纱等一系列设备信息进行设置，从而使纬编设备顺利完成各类针织产品的编织。

2.2 织物仿真

织物的仿真功能是纬编CAD系统重要的功能之一，尤其是纬编提花针织物，在完成织物的工艺花型设计后通过织物仿真功能可直接看到织物的成品外观结构，节约了打样过程中对时间、原料等资源的浪费。

实现织物的仿真功能，首先需要建立一个线圈模型。可采用Pierce理想线圈模型，通过设置控制点并结合样条曲线对线圈模型进行改进，最终模拟出实际线圈的形态。其次可引入光照模型，如OpenGL、Lambert漫反射模型等，通过明暗变化来实现线圈的立体感，从而获得线圈图元。最后，根据织物的编织信息对线圈图元进行贴图，并通过消隐实现线圈之间的相互穿套，从而得到织物的仿真视图。图5所示根据（a）中的编织意匠信息得出图（b）所示的织物仿真图。

2.3 织物虚拟展示

织物虚拟展示是指将织物覆盖在立体沙发、窗帘、人体等三维物体上进行展示，从而实现更为立体的视觉效果。

织物虚拟展示可在二维贴图的基础上采用网格划分和纹理映射相结合的方法实现。在二维场景图像中采用网格划分建立二维曲面模型，再利用纹理映射的方法将织物映射到三维场景中，从而实现织物的虚拟展示。在纹理映射过程中，分别将目标模型与织物纹理图案进行网格划分，且一一对应，并采用双线性差值方法实现映射点的一一对应，如图6所示为双线性纹理映射原理。该虚拟展示方法建模较为简单，速度快，且展示效果较为逼真。

由于织物虚拟展示本质上是两个图片的合成与叠加，因此在场景选择上应尽量选取素色且无花纹的图像，若场景模型图像过于花哨，将影响织物的展示效果。如图7所示为织物在人体上的虚拟展示图。

2.4 辅助功能

2.4.1 参数设置

参数设置包括对花型参数、工艺参数、原料、穿纱等进行设置，完善产品信息，并确定设计方式。花型参数主要包括花型名、机型、机号、路数、花高、花宽等信息，工艺参数是对产品信息的补充说明，包括幅宽、横密、纵密、效率等。

2.4.2 工艺检测

纬编产品设计时，受一些原则的限制，如“不同花纹纵行一定排不同踵位的针”、“花宽能被总针数整除”等。而该模块利用计算机强大的运算功能，依据这些原则，对产品工艺进行快速检测、判断，避免人工检查的费时、费力以及遗漏问题，提高设计效率，保证工艺有效性。

2.4.3 工艺输出

设计者完成产品设计之后，要最终实现在机器上的生产编织，关键是要能有效输出该产品的相关工艺。目前的输出形式主要有上机工艺单和上机文件两种。系统根据产品信息，可自动生成。

上机工艺单，可显示于屏幕编辑工作区，可上下翻屏、滚动查看。其内容包括有机型、原料等一些列参数信息，以及意匠图（编织图）等，可通过打印获得。用户则可根据工艺单的信息进行调机。

上机文件，可与电脑圆机精确对接，被读取信息之后，直接控制机器动作，进行编织生产。但不同的圆机只能识别特定的文件类型。因此，一款功能完备的纬编CAD系统应不断提高其兼容性。

3 纬编CAD技术发展趋势

CAD技术在生产中的应用日益广泛，体现在产品生命周期的不断缩短。面对激烈的市场竞争，企业只有以高质量、低价格、短周期的产品去适应市场的需求才能获得生存与发展，这也必然要求CAD系统更进一步的发展。

3.1 纬编CAD技术向标准化方向发展

尽管CAD系统种类繁多，量大面广，但目前市场上也仍未出现一款功能齐备、操作规范的标准CAD软件。特别是织物的模拟显示功能，就鲜少有软件具备。其难点在于受组织结构、纱线形态等因素的影响，模拟显示失真、显示速度受限，这些都大大减少CAD系统的应用范围。因此，对三维仿真模型以及算法的优化，还有待进一步的研究。

3.2 纬编CAD技术向网络化方向发展

CAD/CAM的综合发展是当前研制的重点。将这两个独立的体系结合，其联合软件可自由在办公室和生产车间之间转换，实时反馈生产信息，便于管理者、设计师对产品的实时监控与及时修正。Internet、PDM、网络数据库、电子商务等技术的飞速发展，恰恰为系统集成化提供了技术平台，以适应CIMS信息共享、并行工程的要求，改变现有辅助设计的模式与方式。

3.3 纬编CAD技术向智能化方向发展

将人工智能技术引入CAD系统，使其拥有行业领域专家的经验、知识和数据，并参与产品方案决策、工艺设计、生产安排的全过程，完成高效的辅助设计、分析、决策功能，真正实现从“辅助设计”向“自动化设计”转变。随着工业4.0计划推动与实施，未来10年将步入“分散化”生产的新时代。其采用高新网络技术将虚拟空间与现实相融合，CAD系统将能够实现实时管理，客户个性化定制等各种智能化需求。

参考文献

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