经编CAD技术的研究进展与应用现状

2016-05-14张爱军钟君丛洪莲

纺织导报 2016年7期

张爱军钟君丛洪莲

摘要：经编CAD系统是用于设计和开发经编针织物的重要工具。本文从织物设计、织物仿真及织物三维虚拟展示 3 方面详细地阐述了国内外经编CAD系统的研究进展情况，同时介绍了国内外经编CAD系统的应用现状，主要包括德国Procad系统、Design Scope系统，西班牙Lace Drafting Software SAPO系统，日本武村提花设计系统，江南大学WKCAD系统，武汉纺织大学HZCAD系统等。最后，分析了经编CAD技术的发展趋势，认为设计系统的功能将进一步拓展，仿真技术进一步完善，CAD系统趋向于网络化和智能化。

关键词：经编；CAD技术；研究进展；应用现状；发展趋势

中图分类号：TS186.1 文献标志码：A

Research Progress and Application Status of Warp-knitting CAD Technology

Abstract： This paper described the progress made in the research of domestic and foreign warp-knitting CAD systems in details， from the aspects of fabric design， fabric simulation to 3D virtual display. Additionally， this paper introduced the application status of domestic and foreign warp-knitting CAD systems， including Procad system and Design Scope system developed by Germany， Lace Drafting Software SAPO system developed by Spain， the SUPER.LECS-III jacquard design system developed by Japanese Wutsuen， the WKCAD system of Jiangnan University and the HZCAD system of Wuhan Textile University， etc. Finally， it analyzed the developing trend of CAD technology. This paper predicted that the function of design system would be further expanded， simulation technology would be further improved， and networking and intelligence would be the trend of CAD system.

Key words： warp-knitting； CAD technology； research progress； application status； developing trend

针织CAD技术即计算机辅助设计技术，它利用了计算机强大的计算功能和图形、图像处理能力，实现针织物的设计、仿真及展示。随着计算机技术的迅速发展以及针织企业对信息化、智能化生产的追求，CAD技术已深入应用到纺织领域。针织CAD的研究起源于20世纪60年代，由美国IBM公司研制，20世纪70年代CAD软件初步成形，20世纪80年代CAD软件开始真正运用于各个企业。经过50多年的发展，针织CAD技术已逐步成熟，成为辅助针织物设计和生产必不可少的工具。

经编CAD系统主要包括织物设计及仿真模拟两大模块。在织物设计方面，国内外开发的CAD系统功能较齐全，但在稳定性、兼容性等方面存在一些差异；国外对仿真方面的研究起步早，CAD仿真功能已逐步完善，国内软件仿真功能与国外差距比较明显。国外最典型的经编CAD软件是由德国TEXION公司开发的Procad，系统适用于多梳贾卡织物、双针床织物、少梳织物的花型设计与仿真；德国EAT公司开发了图案和款式设计软件Design Scope系统；西班牙CADT公司开发了花边织物设计软件Lace Drafting Software SAPO；日本武村研发了提花设计系统。国内CAD软件目前应用较多的有江南大学开发的WKCAD系统，武汉纺织大学开发的HZCAD系统，浙江大学开发的提花织物CAD系统。

1 经编CAD技术的研究进展

经编CAD利用计算机技术实现经编织物设计与模拟仿真，对经编CAD技术的研究进展主要从织物设计、仿真及虚拟展示等 3 方面探讨。

1.1 织物设计研究进展

织物设计模块是经编CAD系统的基础模块，用于指导和控制经编机实现不同类型织物的编织，主要包括花型设计、组织结构设计、原料设计、穿经设计、工艺参数设计、上机工艺输出等功能。同时，很多CAD系统还兼具估算梳栉送经量、织物克重、用纱比等辅助工艺计算功能。目前，国内外CAD软件的织物设计功能都较齐全，能完成不同机型的上机文件设计与导出，但在系统的便捷度、稳定性、兼容性等方面存在一定差异。

在织物设计方面，经编CAD系统一般可实现少梳高速织物、双针床织物、少梳贾卡织物及多梳贾卡织物的设计。针对近几年织物设计的需求，主流的CAD系统还具有一些特殊设计功能，例如可使用 2 种颜色设计无底贾卡织物，不需人工检查，自动完成漏针检测；可实现无底无缝、贾卡提花鞋材、WB浮纹等织物的设计。

以双贾卡提花鞋面织物为例，在设计贾卡提花鞋面工艺时，首先要确定各把梳栉的组织结构及穿经情况，双贾卡鞋面通常由 4 把梳栉编织成形，2 把满机号的贾卡梳及 2 把地梳，各把梳栉的垫纱数码如表 1 所示；然后需参考鞋面菲林稿尺寸大小及密度要求，建立相应尺寸的贾卡意匠图，并根据菲林稿轮廓及贾卡花型设计要求，分别绘制出鞋面第一和第二贾卡意匠图，如图 1 所示，绘制贾卡意匠图时，通常使用CAD软件中贾卡画笔、填色、换色、复制等工具；根据需求设定各把梳栉的送经量、上机密度等工艺参数；最后导出机器能识别的上机文件，即完成了双贾卡鞋面工艺文件的设计。

1.2 织物仿真研究进展

仿真模块是在完成织物花型、工艺设计后，利用CAD软件模拟织物外观状态，为设计者提供依据，以便及时调整花型和工艺，减少繁杂的打样工序，实现快速反应和高效生产。国外关于经编织物仿真研究起步早、发展快，仿真系统功能完善，可实现各类织物的仿真，其中Procad和SAPO两套系统的仿真图都具有很好的真实感；国内也对经编织物的仿真进行了研究，但在仿真效果、速度等方面与国外存在差距。

经编织物的仿真方法主要包括二维仿真和三维仿真。二维仿真虽不能精确地反映织物形态，但实用性强、仿真速度快，是最常用的仿真方法；三维仿真效果逼真、立体感强，但也存在一些问题，如仿真速度、三维模型建立等问题。因此，国内外对经编织物的三维仿真研究不如二维仿真研究透彻。

织物仿真时首先要建立线圈模型，二维仿真常将线圈结构简化为几何模型，国内外常见的几种线圈结构模型为P. 格罗斯勃第一模型、P. 格罗斯勃第二模型、G. L. 安立逊的简化模型；三维仿真研究是对经编组织结构的三维仿真模拟，仿真时首先要实现纱线三维仿真，然后确定线圈结构的三维模型，最后通过线圈的连接实现经编组织结构的仿真，最具代表性的研究成果是O. Goktepe利用NURBS曲线建立的线圈三维模型。

目前，国内外经编CAD系统通常对单层花型循环较大的经编织物进行二维仿真，如花边织物，对本身具有立体结构的织物进行三维仿真，如间隔织物、绒类织物等。图 2 所示为一款多梳经编织物的实物图及二维仿真图，图 3、图 4 分别为经编间隔织物和绒类织物的三维仿真图，三者均由WKCAD软件仿真实现。此外，最新的Procad软件实现了基于力学模型的织物线圈变形，能够很好地表示纱线在织物中的状态，虽然还不能实现与真实织物完全一致，但相对于以前仅仅基于几何建模的仿真方法已有很大进步，代表了目前经编仿真研究的最高水平，图 5 为Procad软件的网眼织物仿真图。

1.3 织物虚拟展示研究进展

随着计算机技术及电子商务的不断发展，三维虚拟展示技术已逐步兴起，包括汽车、家具、纺织品等虚拟展示。纺织品虚拟展示是指将三维建模的纺织品依据自然状态展示在人体、座椅、床等三维物体上，实现立体视觉效果。

国外对织物虚拟展示技术的研究较早，对静态展示和动态展示都进行了研究，目前市场上已出现不少商业化的虚拟展示系统，如美国格柏的V-Stitcher系统，瑞士日内瓦大学的MIRALAB实验室和H&M公司联合推出的My Virtual Model试衣网站，韩国CLO Virtual Fashion公司开发的Marvelous Designer。我国关于三维虚拟展示的研究现阶段处于发展期，杭州森动数码科技有限公司与几家知名IT科技厂家合作研发了“3D虚拟试衣”软件，此外，浙江大学、中科院研究生院等一些科研院校也对三维虚拟展示进行了研究，取得了一定进展。

织物虚拟展示需建立三维人体模型、三维织物模型及展示空间的三维场景。三维人体是虚拟展示的主体，建模方法主要有几何建模、三维软件建模以及三维扫描数据重建等方法，其中，三维软件建模方法使用最多；三维织物建模方法主要有几何建模法、物理建模法（基于粒子系统）以及混合建模法（结合几何与物理建模法）；三维场景是虚拟展示的空间，在三维场景模型建立基础上，还可设定灯光、场景风格等，模拟真实场景效果。图 6 为一款经编无缝服装三维虚拟展示图。

2 经编CAD技术的应用现状

2.1 国外经编CAD技术的应用现状

国外拥有领先的图形学技术，对经编CAD研究水平较高，与国内相比，最突出的优势是织物仿真方面，仿真效果逼真、速度快，可实现二维以及三维动态仿真。国外主要的经编CAD软件有德国TEXION公司开发的Procad系统，EAT公司开发的Design Scope，西班牙CADT公司开发的Lace Drafting Software SAPO系统以及日本武村公司的SUPER LACE花型设计系统等。

德国TEXION公司研发的Procad花型设计系统分为Procad Developer、Procad Warpknit两部分，该系统功能全面，性能一流，在市场上占有较大份额。Procad Developer软件除设计功能外还包括Procad simulace以及Procad simujac模块，这 2 个模块用于多梳及多梳贾卡织物的仿真；Procad Warpknit由Procad velours，Procad warpknit3D这些子模块组成，Warpknit适用于少梳、双针床绒类织物及间隔织物的设计与开发，并可进行二维仿真、三维仿真，三维仿真时纱线可实现股线效果，仿真效果较逼真，操作方便。

Scope是EAT公司开发的专注于花型图案设计的系统，其针对纺织品提花图案的特点，开发了很多方便易用的设计工具。Procad和Scope的设计能力覆盖了Karl Mayer公司所有的经编机型，是国外CAD系统在我国使用最广泛的 2 套软件。

西班牙公司开发的SAPO系统是一款花边设计与仿真系统，能用于各类花边工艺的设计，仿真效果出色；日本武村开发的花边设计系统与SAPO功能相似，也主要用于花边和贾卡提花织物的设计与仿真。这 2 套软件主要在我国花边企业中应用。此外韩国、印度、土耳其等国也有开发经编CAD系统，但没有在我国推广使用。

2.2 国内经编CAD技术的应用现状

国内关于经编CAD的研究晚于国外，在初期以学习国外CAD的先进功能为主，目前在产品设计和仿真方面取得了一定成绩，并针对国内设计需求自主研发了一些实用性强的功能。国内关于经编CAD的研发主要集中在一些高校。如江南大学研发的WKCAD系统，武汉纺织大学开发的HZCAD系统以及浙江大学设计的提花织物CAD系统等。这些CAD系统经过多年的开发，功能日趋成熟，除了在国内使用，还在日本、韩国、台湾、土耳其、印度等经编企业集中的地区及国家得到应用。

江南大学研发的WKCAD在Windows操作系统上运行，人机界面友好，操作方便；系统兼容性强，可进行各类经编针织物的花型设计与仿真，包括多梳花边织物、贾卡织物、高速和双针床织物，并能设计特殊的无缝无底提花织物、鞋材织物以及WB浮纹织物等。WKCAD系统概况如图 7 所示。

武汉纺织大学开发的HZCAD，可以设计多梳织物、贾卡织物和少梳织物，目前在花边生产企业使用较多，设计功能灵活方便是其特色。浙江大学提花织物CAD系统在图案设计方面的功能比较完善，在生产贾卡提花织物的企业中有大量应用。

此外，江南大学近年开发了基于互联网的针织物设计系统iKDS，用于少梳织物设计和经编教学培训。该系统将数据存储在云数据库中，用户可在电脑或移动终端上直接通过网页浏览器随时随地设计针织物。与单机版经编CAD软件相比，iKDS客户端无需安装和维护，使用更方便快捷。

3 经编CAD技术的发展趋势

经编CAD系统的问世，对提高经编产品设计效率、缩短产品生产周期起了很大作用，但随着市场竞争日益残酷，对经编CAD技术又提出了更高的要求，企业要保持设计和生产的竞争力，进一步研发、完善CAD技术是必然发展趋势。

3.1 设计系统功能进一步拓展

目前，国内外经编CAD系统的设计功能已经齐全，但经编行业正面临转型，要在激烈的市场竞争中赢得商机，提高生产效率、产品质量，降低劳动成本是必然选择。因此，经编CAD的设计系统功能需要更强大，设计方法更便捷、更人性化，有利于提高设计者的效率及织物质量。软件开发人员需从设计者的实际需求出发，进一步拓展设计系统的功能，提供更可靠的工艺计算功能，如送经量计算、原料比计算、织物克重计算、产品成本估算等，帮助企业实现生产成本的精细化管理。

3.2 仿真技术进一步完善

经编针织物原料适用范围广，织物组织结构灵活多变，后整理方式复杂繁多，因此经编针织物的品种丰富，形式多样，同时模拟织物的最终形态还需进行物理、力学性能等分析，对仿真技术要求高。虽然国内外CAD的仿真技术已经达到一定水平，但想要进一步提高仿真的真实性，研究人员还有很长的一段路要走，尤其是三维仿真技术。当前的CAD系统在三维仿真速度和仿真效果之间还很难找到一个平衡点，因此对三维仿真模型的建立及算法需进一步优化。另外对一些特殊织物的仿真还要进行深入研究，如轴向织物、双针床提花织物、褶裥织物等。

3.3 CAD系统趋向于网络化、智能化

现有经编织物设计通常是在单机版的CAD系统上完成，随着电子商务、云服务器/云数据库等新技术的迅速发展，为经编CAD技术赋予了新的设计理念与技术内容。基于互联网的CAD系统是未来的发展趋势。其使用环境灵活，只需要可上网的电脑或智能终端就能进行织物设计；维护成本低，客户端无需安装、维护，只要服务端系统升级，用户就能拥有最新软件功能；易于共享，企业销售部门、生产部门可以根据权限在线查看企业设计工艺。

随着经编企业向智能化、自动化方向发展，将智能技术引入经编CAD系统也至关重要，智能化的CAD系统除能存储和调用数据及信息，还可辅助设计者进行工艺分析及产品设计，充分提高设计效率。

参考文献

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