基于清梳联工程的配棉工艺设计虚拟仿真实验建设与应用

高婵娟,谭艳君,金 波

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048;2.咸阳纺织集团有限公司,陕西 咸阳 712000)

一、清梳联和配棉虚拟仿真实验的建设背景

教育部于2017年推出新工科计划,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]。新工科践行“以学生为中心,产出导向教育”理念,深化产教融合,需要从经验分享走向实操实训,从形式走向实效,从知识考试走向能力养成[2]。实验教学是工程专业教育的根本,是现代大学发展水平的标志之一,是一流本科课程建设的重要内容[3]。

为推进现代信息技术与纺织服装实验教学项目深度融合,2019年中国纺织服装教育学会推出国家虚拟仿真实验教学项目培育计划,旨在拓展纺织服装实验教学内容的广度和深度,提升纺织服装实验教学质量和水平,实现学校教学、行业应用与技术创新的融合发展。为减少重复投资,减轻各院校的建设经济负担,将纺织和服装工程各工艺环节进行统筹规划,协调划块,各院校将重心放在打造自己承担的虚拟仿真实验建设项目,最终实现各院校建设成果的资源共享。纺织工程是我校(西安工程大学)的特色优势专业,我校将虚拟仿真实验内容锁定在纺织类高校实验建设都相对薄弱或空缺的“清梳联和配棉”环节进行建设,综合应用计算机技术、人工智能和网络技术等,打破了传统实体实验教学的限制,实现了智能化实验教学改革新模式,有效提升了学生的工程设计能力和创新能力[4-5]。目前已基本完成实验平台建设内容,实现了教学应用和项目共享。

二、清梳联和配棉虚拟仿真实验建设的出发点和必要性

1.清梳联和配棉虚拟仿真实验建设的出发点

纺织工程从实行“大纺织”教育体系后,“纺纱学”课程以棉纺纺纱技术为主线进行纺纱方法和原理的讲解。配棉是棉纺纺纱的第一步,与原料供应、产品质量、生产成本及企业经营管理等有着密切的关系,是一项技术性和实践性都很强的基础工作。棉纺织企业做好配棉不仅可以稳定生产、增效、提高成纱产品质量,而且对降低纺纱成本、节约用棉有显著影响[6-7]。

清梳联是棉纺工程的第一个环节,是由多种单机按照一定的生产工艺需求进行设计,实现预定生产目的的大型综合性生产线[8]。清梳联工程中的设备组合方式、设备选型及设备工艺参数的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。清梳联和配棉在纺纱工程中的位置如图1所示。

图1 清梳联和配棉在纺纱工程中的位置

2.清梳联和配棉虚拟仿真实验建设的必要性

随着纺纱技术的进步,纺纱工艺流程缩短,纺纱速度不断提高。原料作为纺纱的物质基础,在一定程度上,纤维性能决定纱线性能,纱线性能决定纺织品的性能,因而纺出符合质量要求的纱或线对于纺织产业链终端产品的质量至关重要。纺纱的第一步就是根据目标纱线的线密度和质量要求进行纤维原料的选配。棉纺织企业传统的原料选配方法是分类排队法,由于配棉的高消耗,长期以来只有理论教学,内容只有分类和排队的概念。其中,分类就是将适合生产某种产品或某一线密度和用途的原棉挑选出来划分为一类,共分为若干类;排队则是在分类的基础上,把地区、性质相近的排在一个队内,以便接批使用。由于内容比较抽象,学生不易理解分类和排队在现实中的应用方法。利用虚拟仿真技术进行配棉工艺设计,学生可以选择某一线密度的纱线,根据系统中理论知识的提示,按照系统中的步骤完成配棉的设计,实现配棉方案的模拟应用。这有助于帮助学生掌握原料选配的方法及不同原料间指标差异性控制的原则,了解选配的原料参与纺纱生产的方式,从而进一步挖掘原料选配及排列规律与纱线质量和成本的关联性。

清梳联工程由于设备数量多,运行潜在危险大,设备间通过输纤管道和除尘管路连接,存在空间结构复杂、占地面积大、费用高、运行维护难度大等实际问题[9]。这些都导致大多数纺织类高校在清梳联工程实验建设方面都处于不完善甚至空缺的状态,无法实现实体实验教学。教学方面,长期以来课堂中设备原理和工艺设计的讲解多借助平面图进行分析,近些年利用Flash技术制作了部分设备的原理动画,但仅仅是原理示意图,不能有效展示设备结构的三维状态、设备机件构造及机件间的作用关系。企业生产的视频资料中设备都处于封装状态,无法还原设备运转的实际情况。这些都造成学生在学习这部分内容时理解不充分,学习效果不佳。教学体系方面,纺织工程培养大纲设置中有“生产实践”和“毕业实践”等环节,由于学生参加生产实践会给企业的生产管理带来一定的干扰,这导致学生到企业参观实践的难度增加,动手操作机会变少。

通过以上分析可知,基于清梳联工程的配棉工艺设计实验项目具备了高危险、高成本、高消耗、操作不可逆、大型综合训练等多个虚拟仿真实验建设的要素,依靠智能技术的可复制性、在线共享性等特征进行虚拟仿真实验的建设,具有切实的必要性。

三、基于清梳联工程的配棉工艺设计虚拟仿真实验建设

实验项目建设内容包括两部分,一是清梳联全流程虚拟仿真实验,二是以清梳联工程为背景的配棉工艺与抓棉工艺设计虚拟仿真实验。

1.清梳联全流程虚拟仿真实验设计

实验建设以企业实际生产线为切入点,以高效短流程的特吕茨施勒清梳联合机组作为实验建设的参照模型。实验系统包括实现纤维原料抓取作用的往复式抓棉机;实现开松、混合及除杂作用的双轴流开棉机、多仓混棉机、多滚筒清棉机;实现梳理纤维原料的梳棉机;实现纤维原料辅助加工的重杂分离器、异性纤维探除装置和除微尘机等;实现安全防护作用的桥式吸铁装置、火星探除装置等;实现组合设备连接的凝棉器、输棉风机、电气配棉器、清梳联喂棉箱等。这些设备在现有的清梳联组合中具有先进性、典型性和普遍适应性。清梳联全流程虚拟仿真实验界面如图2所示。

图2 清梳联全流程虚拟仿真实验界面

清梳联工程虚拟仿真实验内容包括整个联合机组的设备组成、设备结构和设备运行原理虚拟仿真透视,可全方位清晰地展示机组设备的前后关系及设备间输纤管道、除尘管路的连接方式。通过实验,帮助学生理解清梳联工程“清梳连接、多项自动,防火防爆”的设备组合原则,以及“多包混合、打梳结合、多松少打、渐进开松、早落少碎”的工艺配置原则[10]。虚拟仿真实验教学弥补了由于课时压缩,理论教学只是讲解部分设备的工作原理和功能的问题,也避免了学生难以理解设备实际的应用方法及设备间关联性的情况。通过虚拟仿真实验实现了实践教学与理论教学的相辅相成,有效地提升了课堂教学效果。其中多仓混棉机工作原理的虚拟仿真透视展示界面如图3所示。

图3 多仓混棉机工作原理的虚拟仿真透视展示界面

2.配棉工艺设计虚拟仿真实验设计

配棉工艺设计虚拟仿真实验包含以下4个设计模块:

(1)配棉设计模块。实验时根据提示选择纺纱线密度,设计正确的纺纱工艺系统,并根据纺纱线密度进行纤维原料的选配。通过实验,让学生理解不同的纺纱工艺系统和不同的原料选配方案对成纱质量和纺纱成本的影响。配棉方案设计界面如图4所示。

图4 配棉方案设计界面

(2)配棉混比设计模块。实验时依据配棉结果自动形成原料选配列表,根据提示信息进行各组分选配原料的混比分配,并计算出各组分原料的混包数量,继而依据原料性能和混比计算混合原料给定指标的平均值。这部分设计有原理、有计算,囊括配棉混比设计的原则、混合棉指标的计算方法等知识点。通过实验,让学生理解不同组分混比选择对成纱质量和成本的影响。配棉混比设计及混合原料平均指标计算界面如图5所示。

图5 配棉混比设计及混合原料平均指标计算界面

(3)配棉排列及仿真模块。实验时首先依据提示进行排包图的平面设计,实验设计中用数字1、2、3……依次作为选配原料各成分的代号,进行排包规律设计。设计完成后点击配棉方案虚拟仿真,选配的原料按照设计的排包规律排列在往复式抓棉机两侧,高度还原了生产现场。此模块体现的知识点是排包时需要贯彻抓棉机“多包细抓、混合均匀、成分正确”的工艺设计原则[11]。配棉方案虚拟仿真效果如图6所示。

图6 配棉方案虚拟仿真效果

(4)抓棉工艺设计模块。实验时按照“光标”指引找寻往复式抓棉机控制箱,点击指定按钮,则弹出往复式抓棉机工艺设计窗口。参数的设计需要结合设备的能力、纺纱线密度及质量要求,完成后点击开机按钮,往复式抓棉机即模拟运行,并透视展现抓棉过程。往复式抓棉机工艺参数设计界面如图7所示。

图7 往复式抓棉机工艺参数设计界面

四、基于清梳联工程的配棉工艺设计虚拟仿真实验的应用

基于清梳联工程的配棉工艺设计虚拟仿真实验综合运用了虚拟现实、分布式交互仿真、三维建模、网络通信等技术,构建了开放的3D虚拟仿真实验平台,为学生建立了与生产实际高度符合的操作演练环境,具有强烈的沉浸感和真实感。实验具有强互动性、可操作性、兼容性和共享性,与新工科教育理念相吻合。我校“配棉工艺过程与抓棉工艺设计虚拟仿真实验”项目2021年获批陕西省虚拟仿真实验教学一流课程,2023年获批国家级虚拟仿真实验教学一流课程。该实验从2021年开始在国家虚拟仿真实验中心进行共享,应用人次累计近5 000。该实验在2021年、2022年和2023年中国纺织服装教育学会举办的全国纺织类大学生工程训练综合能力竞赛中进行了应用,其中有15所纺织院校组织学生参与竞赛,参赛学生人数累计近1 000人,我校参赛学生也参与并获奖。虚拟仿真实验不仅调动了学生参与实验的积极性,而且推动了实验项目在纺织工程和服装工程专业教学和企业培训中的实践与应用。

五、结语

以清梳联工程为背景的配棉工艺设计虚拟仿真实验,将清梳联工程知识体系、配棉工艺设计和抓棉工艺设计相融合。通过清梳联工程虚拟仿真实验,学生可以有效掌握清梳联工程设备组合、设备机构和工作原理及设备间的连接方式。通过配棉工艺设计虚拟仿真实验,学生可以有效掌握配棉的方法、混合原料平均指标的计算方法、选配原料混比设计的原则和排包设计遵循的原则,理解原料选配、排包规律以及设备工艺参数选择等因素与纱线质量和纺纱成本间的因果关系。虚拟仿真实验集自主性、交互性、共享性和创新性于一体,弥补了实体实验的空缺,丰富了实践教学手段,实现了理论教学和实验教学的有机结合,提升了学生的学习热情,提高了学生的工程设计能力和创新能力。虚拟仿真实验可为其他高校纺织类专业学生学习、企业劳动技术培训提供支持,实现优质教学资源共享。