基于在线虚拟仿真技术的织造实验教学探索

刘基宏， 肖学良， 李聪慧， 杨瑞华， 傅佳佳

(江南大学 纺织科学与工程学院， 江苏 无锡 214122)

一、 在线虚拟仿真实验教学的必要性

纺织工程专业为实现对接“大纺织”行业的人才培养目标，实验教学最好使用实际生产设备。然而，很多织造生产设备价格昂贵，使用场地大，设备使用环境要求高。以剑杆织机为例，单台织机加外围面积需10平方米，市场售价20万元以上，机器运行噪声为80 dB，织机运行环境需恒温恒湿，织造工艺的前期准备工序繁琐，导致目前纺织院校使用生产型剑杆织机进行实验教学的设备数量极其有限[1]。因此，学生对此类织机无法动手实践操作，致使学生对织造工艺的认知欠缺，缺乏解决工程实际问题的能力。

纺织类院校大多采用小样机进行织造实验教学，但小样机的参数设置与生产型织机完全不同，学生感受不到操作的要求，无法获得真实的生产体验，反而影响了学生对纺织机械的认知，使学生误以为学会了使用纺织生产设备。另外，即使部分纺织院校购买了生产型织机，具备生产型织机的实验教学条件，但织机类型多(包括有梭织机、片梭织机、剑杆织机、喷气织机、喷水织机和三维织机等)，机构复杂，生产操作差别大，一台织机无法涵盖所有引纬类型，纺织工程专业教学介绍各种引纬方式的织机，而高校实验室不可能配齐所有类型织机。

基于虚拟仿真技术的实验教学可很好地模拟生产型织机外形、结构部件和操作运行程序，同时可让学生很好地感知生产型织机的上机生产工艺流程，解决实际教学过程中实验条件的不足等问题[2-3]，让学生在课上课下反复观摩操作，大大拉近了教学与生产实际的距离，有利于学生毕业后快速熟悉纺织企业岗位工作，减少企业的培养成本。为此，我校(江南大学)纺织科学与工程学院构建了织造设备在线模拟系统，仿真织机操作的所有内容，可实现操作中所有参数输入及设定。通过对该系统生成的参数报告的可行性评价，可了解使用者对于织物生产中参数设定的掌握情况，以完成脱离织机的操作性教学，有效提升实验教学质量。

二、 在线虚拟仿真实验教学的实施

1. 实验目的

基于在线虚拟仿真技术的实验教学目的在于：(1)了解系统线上模拟织机的主界面；(2)了解引纬参数的设定方法及参数意义；(3)了解经纱张力及停车挡调整的数据设定方法及参数意义；(4)了解机械调整量的设定方法及参数意义；(5)了解空气压力的设定方法及参数意义；(6)了解有梭织机梭子飞行曲线的设定方法及参数意义；(7)了解落布的设定方法及参数意义；(8)了解综合数据的设定方法及参数意义。

2. 实验内容

实验开始前，教师介绍仿真软件操作流程，实验以学生操作为主，学生自主学习和练习。实验内容包括：(1)采用我校开发的在线软件系统实现模拟上机操作；(2)实验过程中根据面料的材料和结构输入参数；(3)利用虚拟仿真系统中提供的辅助工具，学习操控织机运行的慢动作，进而掌握织机五大运动的协同动作；(4)以平纹或斜纹等简单织物组织为上机模拟对象，从参数输入、动作运行、织物效果等角度，展示在线虚拟仿真各阶段的模拟效果；(5)上传模拟织物虚拟仿真的练习作业，包括各类参数设置、织机运行动作视频、织物下机效果等仿真模块。最后，教师根据学生作业中的练习情况在后台进行成绩评定。

3. 实验步骤

本实验为线上虚拟仿真实验，在线虚拟仿真系统将各类织造工艺参数模块化、细致化，经过在线虚拟运行后，给出反馈信息和调整意见。以平纹织物为例，学生输入纱线、织造和工艺参数后，从参数输入、动作运行、织物效果等角度，展示织机虚拟仿真各阶段的模拟效果，最后学生撰写实验报告。具体实验步骤如下：

(1) 开启电脑，打开软件，在人机交互主界面输入用户名和密码，进入虚拟仿真系统，如图1所示。

图1 虚拟仿真系统的用户名和密码输入界面

(2) 在线选择织机菜单，选择相应的织机类型(如图2所示)，如喷气织机、剑杆织机和片梭织机等，在织机类型中可选择不同操作练习的模块。

图2 虚拟仿真系统主界面

(3) 认识织机模拟主界面组成模块，包括上机参数设置窗口、机器慢动作回放窗口、生产参数汇总表、生成织物模拟效果、开机关机按钮和正常运行及紧急情况指示灯等，如图3所示。根据模块信息回答问题：界面由哪些菜单构成？每一个菜单的功能是什么？

图3 织机各部件功能导航系统

图4 织机参数输入界面

(4) 选择系统导航菜单，选择引纬数据设定菜单，如图4所示。回答以下问题：引纬数据设定内容有哪些？每一个参数分别是什么含义？引纬参数设定与纱线品种之间的关系是什么？纱线原料的变化如何影响织机的引纬？

(5) 选择经纱目标张力以及停车挡调整设定菜单，回答以下问题：经纱目标张力及停车挡调整的数据设定内容有哪些？经纱目标张力及停车挡调整的数据设定与纱线品种之间的关系是什么？经纱目标张力及停车挡调整的数据设定与织物组织之间的关系是什么？

(6) 选择机械调整量设定菜单，回答以下问题：机械调整量设定的内容是什么？机械调整量设定中经纬纱线的线密度之间的关系是什么？

(7) 选择空气压力设定菜单，回答以下问题：空气压力设定的内容是什么？空气压力设定与纱线原料之间的关系是什么？空气压力设定与纱线线密度之间的关系是什么？

(8) 选择纬纱飞行曲线设定菜单，如图5所示，回答以下问题：飞行曲线设定的内容是什么？

图5 纬纱飞行曲线设定菜单

(9) 选择落布方法设定菜单，回答以下问题：落布设定的内容是什么？落布中计算用纱量与产品产量的方法是什么？

(10) 选择综合数据设定菜单，如图6所示，回答以下问题：综合数据设定的内容是什么？哪些综合数据设计需要考虑纱线参数？

图6 综合数据设定菜单

(11) 选择其他菜单项，并说明其功能。

(12) 完成实验报告，提交作业，关闭电脑。

利用虚拟仿真实验教学，如图7所示，可让学生更好地理解织机工艺、流程、细节、模块，培养学生运用理论知识分析问题、解决工程实际问题的能力。

图7 虚拟仿真运行数据汇总

4. 评价方式

本虚拟仿真实验的实施，以学生素质和能力发展为出发点，以学习成果为导向，注重培养学生提出问题的多种解决方案的能力，注重形成性过程评价，而不是简单的一次考核。通过考核与反馈，建立相关实验教学项目学时互认和转换机制。

在课程教学中，通过完成2个实验项目进行评价，考核如下：实验操作占40%，实验报告占30%，实验校正占30%。课程目标与考核方式对应的权重分配如表1所示。学生学习成绩需结合这三个方面进行综合评定，从而分析学生对知识的掌握程度以及应用能力，并针对学习各个环节中存在的突出问题提出建设性改进措施。

表1 课程目标与考核方式对应的权重分配

5. 教学效果

本虚拟仿真系统还可与其他软件建立接口，以提高系统的拓展性，同时也提高学生的学习兴趣。主要表现在以下几个方面：(1)学生查阅资料及在实验中形成自主学习能力，通过虚拟实验处理数据，更加容易撰写实验报告以及相关的研究论文。(2)利用虚拟仿真实验平台，使学生掌握专业相关的基础实验、专业综合实验，实验中可以反复操作，也可以进行各类错误测试，以加深学生对实验室操作及相关理论知识的理解。(3)利用虚拟仿真实验平台与其他软件的集成方法，理解织机工艺性、流程化、系列化、模块化设计思想，培养学生运用理论知识分析问题、解决工程问题的能力，虚拟平台也可以进一步扩展系统的应用。

三、 结语

本虚拟仿真实验教学系统的应用不仅解决了纺织专业学生无法进行实际操作的问题，而且能够实现课堂教学内容与工厂实际生产的对接，突破了当前纺织工程专业教学偏重理论的问题，以培养更全面的纺织专业人才。同时，本系统也可作为纺织企业员工的培训软件，让工人有机会学习织造知识，提高织布工人的专业素养。这不仅能够提高工人对于所生产面料相关参数设定的认知，也能够增强车间布料织造设定出现问题时解决的及时性。总体而言，本系统具有较高的实用性，是极为有用的纺织工程专业教学与实践培训工具。