基于清梳聯工程的配棉工藝設計虛擬仿真實驗建設與應用

高嬋娟,譚艷君,金 波

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048;2.咸陽紡織集團有限公司,陜西 咸陽 712000)

一、清梳聯和配棉虛擬仿真實驗的建設背景

教育部于2017年推出新工科計劃,以工程教育新理念、新模式、新方法、新內容、新質量等作為高校新工科建設和教育改革的基本內容[1]。新工科踐行“以學生為中心,產出導向教育”理念,深化產教融合,需要從經驗分享走向實操實訓,從形式走向實效,從知識考試走向能力養成[2]。實驗教學是工程專業教育的根本,是現代大學發展水平的標志之一,是一流本科課程建設的重要內容[3]。

為推進現代信息技術與紡織服裝實驗教學項目深度融合,2019年中國紡織服裝教育學會推出國家虛擬仿真實驗教學項目培育計劃,旨在拓展紡織服裝實驗教學內容的廣度和深度,提升紡織服裝實驗教學質量和水平,實現學校教學、行業應用與技術創新的融合發展。為減少重復投資,減輕各院校的建設經濟負擔,將紡織和服裝工程各工藝環節進行統籌規劃,協調劃塊,各院校將重心放在打造自己承擔的虛擬仿真實驗建設項目,最終實現各院校建設成果的資源共享。紡織工程是我校(西安工程大學)的特色優勢專業,我校將虛擬仿真實驗內容鎖定在紡織類高校實驗建設都相對薄弱或空缺的“清梳聯和配棉”環節進行建設,綜合應用計算機技術、人工智能和網絡技術等,打破了傳統實體實驗教學的限制,實現了智能化實驗教學改革新模式,有效提升了學生的工程設計能力和創新能力[4-5]。目前已基本完成實驗平臺建設內容,實現了教學應用和項目共享。

二、清梳聯和配棉虛擬仿真實驗建設的出發點和必要性

1.清梳聯和配棉虛擬仿真實驗建設的出發點

紡織工程從實行“大紡織”教育體系后,“紡紗學”課程以棉紡紡紗技術為主線進行紡紗方法和原理的講解。配棉是棉紡紡紗的第一步,與原料供應、產品質量、生產成本及企業經營管理等有著密切的關系,是一項技術性和實踐性都很強的基礎工作。棉紡織企業做好配棉不僅可以穩定生產、增效、提高成紗產品質量,而且對降低紡紗成本、節約用棉有顯著影響[6-7]。

清梳聯是棉紡工程的第一個環節,是由多種單機按照一定的生產工藝需求進行設計,實現預定生產目的的大型綜合性生產線[8]。清梳聯工程中的設備組合方式、設備選型及設備工藝參數的設計對紡紗質量和紡紗成本影響顯著,在紡紗工程中的地位舉足輕重。清梳聯和配棉在紡紗工程中的位置如圖1所示。

圖1 清梳聯和配棉在紡紗工程中的位置

2.清梳聯和配棉虛擬仿真實驗建設的必要性

隨著紡紗技術的進步,紡紗工藝流程縮短,紡紗速度不斷提高。原料作為紡紗的物質基礎,在一定程度上,纖維性能決定紗線性能,紗線性能決定紡織品的性能,因而紡出符合質量要求的紗或線對于紡織產業鏈終端產品的質量至關重要。紡紗的第一步就是根據目標紗線的線密度和質量要求進行纖維原料的選配。棉紡織企業傳統的原料選配方法是分類排隊法,由于配棉的高消耗,長期以來只有理論教學,內容只有分類和排隊的概念。其中,分類就是將適合生產某種產品或某一線密度和用途的原棉挑選出來劃分為一類,共分為若干類;排隊則是在分類的基礎上,把地區、性質相近的排在一個隊內,以便接批使用。由于內容比較抽象,學生不易理解分類和排隊在現實中的應用方法。利用虛擬仿真技術進行配棉工藝設計,學生可以選擇某一線密度的紗線,根據系統中理論知識的提示,按照系統中的步驟完成配棉的設計,實現配棉方案的模擬應用。這有助于幫助學生掌握原料選配的方法及不同原料間指標差異性控制的原則,了解選配的原料參與紡紗生產的方式,從而進一步挖掘原料選配及排列規律與紗線質量和成本的關聯性。

清梳聯工程由于設備數量多,運行潛在危險大,設備間通過輸纖管道和除塵管路連接,存在空間結構復雜、占地面積大、費用高、運行維護難度大等實際問題[9]。這些都導致大多數紡織類高校在清梳聯工程實驗建設方面都處于不完善甚至空缺的狀態,無法實現實體實驗教學。教學方面,長期以來課堂中設備原理和工藝設計的講解多借助平面圖進行分析,近些年利用Flash技術制作了部分設備的原理動畫,但僅僅是原理示意圖,不能有效展示設備結構的三維狀態、設備機件構造及機件間的作用關系。企業生產的視頻資料中設備都處于封裝狀態,無法還原設備運轉的實際情況。這些都造成學生在學習這部分內容時理解不充分,學習效果不佳。教學體系方面,紡織工程培養大綱設置中有“生產實踐”和“畢業實踐”等環節,由于學生參加生產實踐會給企業的生產管理帶來一定的干擾,這導致學生到企業參觀實踐的難度增加,動手操作機會變少。

通過以上分析可知,基于清梳聯工程的配棉工藝設計實驗項目具備了高危險、高成本、高消耗、操作不可逆、大型綜合訓練等多個虛擬仿真實驗建設的要素,依靠智能技術的可復制性、在線共享性等特征進行虛擬仿真實驗的建設,具有切實的必要性。

三、基于清梳聯工程的配棉工藝設計虛擬仿真實驗建設

實驗項目建設內容包括兩部分,一是清梳聯全流程虛擬仿真實驗,二是以清梳聯工程為背景的配棉工藝與抓棉工藝設計虛擬仿真實驗。

1.清梳聯全流程虛擬仿真實驗設計

實驗建設以企業實際生產線為切入點,以高效短流程的特呂茨施勒清梳聯合機組作為實驗建設的參照模型。實驗系統包括實現纖維原料抓取作用的往復式抓棉機;實現開松、混合及除雜作用的雙軸流開棉機、多倉混棉機、多滾筒清棉機;實現梳理纖維原料的梳棉機;實現纖維原料輔助加工的重雜分離器、異性纖維探除裝置和除微塵機等;實現安全防護作用的橋式吸鐵裝置、火星探除裝置等;實現組合設備連接的凝棉器、輸棉風機、電氣配棉器、清梳聯喂棉箱等。這些設備在現有的清梳聯組合中具有先進性、典型性和普遍適應性。清梳聯全流程虛擬仿真實驗界面如圖2所示。

圖2 清梳聯全流程虛擬仿真實驗界面

清梳聯工程虛擬仿真實驗內容包括整個聯合機組的設備組成、設備結構和設備運行原理虛擬仿真透視,可全方位清晰地展示機組設備的前后關系及設備間輸纖管道、除塵管路的連接方式。通過實驗,幫助學生理解清梳聯工程“清梳連接、多項自動,防火防爆”的設備組合原則,以及“多包混合、打梳結合、多松少打、漸進開松、早落少碎”的工藝配置原則[10]。虛擬仿真實驗教學彌補了由于課時壓縮,理論教學只是講解部分設備的工作原理和功能的問題,也避免了學生難以理解設備實際的應用方法及設備間關聯性的情況。通過虛擬仿真實驗實現了實踐教學與理論教學的相輔相成,有效地提升了課堂教學效果。其中多倉混棉機工作原理的虛擬仿真透視展示界面如圖3所示。

圖3 多倉混棉機工作原理的虛擬仿真透視展示界面

2.配棉工藝設計虛擬仿真實驗設計

配棉工藝設計虛擬仿真實驗包含以下4個設計模塊:

(1)配棉設計模塊。實驗時根據提示選擇紡紗線密度,設計正確的紡紗工藝系統,并根據紡紗線密度進行纖維原料的選配。通過實驗,讓學生理解不同的紡紗工藝系統和不同的原料選配方案對成紗質量和紡紗成本的影響。配棉方案設計界面如圖4所示。

圖4 配棉方案設計界面

(2)配棉混比設計模塊。實驗時依據配棉結果自動形成原料選配列表,根據提示信息進行各組分選配原料的混比分配,并計算出各組分原料的混包數量,繼而依據原料性能和混比計算混合原料給定指標的平均值。這部分設計有原理、有計算,囊括配棉混比設計的原則、混合棉指標的計算方法等知識點。通過實驗,讓學生理解不同組分混比選擇對成紗質量和成本的影響。配棉混比設計及混合原料平均指標計算界面如圖5所示。

圖5 配棉混比設計及混合原料平均指標計算界面

(3)配棉排列及仿真模塊。實驗時首先依據提示進行排包圖的平面設計,實驗設計中用數字1、2、3……依次作為選配原料各成分的代號,進行排包規律設計。設計完成后點擊配棉方案虛擬仿真,選配的原料按照設計的排包規律排列在往復式抓棉機兩側,高度還原了生產現場。此模塊體現的知識點是排包時需要貫徹抓棉機“多包細抓、混合均勻、成分正確”的工藝設計原則[11]。配棉方案虛擬仿真效果如圖6所示。

圖6 配棉方案虛擬仿真效果

(4)抓棉工藝設計模塊。實驗時按照“光標”指引找尋往復式抓棉機控制箱,點擊指定按鈕,則彈出往復式抓棉機工藝設計窗口。參數的設計需要結合設備的能力、紡紗線密度及質量要求,完成后點擊開機按鈕,往復式抓棉機即模擬運行,并透視展現抓棉過程。往復式抓棉機工藝參數設計界面如圖7所示。

圖7 往復式抓棉機工藝參數設計界面

四、基于清梳聯工程的配棉工藝設計虛擬仿真實驗的應用

基于清梳聯工程的配棉工藝設計虛擬仿真實驗綜合運用了虛擬現實、分布式交互仿真、三維建模、網絡通信等技術,構建了開放的3D虛擬仿真實驗平臺,為學生建立了與生產實際高度符合的操作演練環境,具有強烈的沉浸感和真實感。實驗具有強互動性、可操作性、兼容性和共享性,與新工科教育理念相吻合。我?！芭涿薰に囘^程與抓棉工藝設計虛擬仿真實驗”項目2021年獲批陜西省虛擬仿真實驗教學一流課程,2023年獲批國家級虛擬仿真實驗教學一流課程。該實驗從2021年開始在國家虛擬仿真實驗中心進行共享,應用人次累計近5 000。該實驗在2021年、2022年和2023年中國紡織服裝教育學會舉辦的全國紡織類大學生工程訓練綜合能力競賽中進行了應用,其中有15所紡織院校組織學生參與競賽,參賽學生人數累計近1 000人,我校參賽學生也參與并獲獎。虛擬仿真實驗不僅調動了學生參與實驗的積極性,而且推動了實驗項目在紡織工程和服裝工程專業教學和企業培訓中的實踐與應用。

五、結語

以清梳聯工程為背景的配棉工藝設計虛擬仿真實驗,將清梳聯工程知識體系、配棉工藝設計和抓棉工藝設計相融合。通過清梳聯工程虛擬仿真實驗,學生可以有效掌握清梳聯工程設備組合、設備機構和工作原理及設備間的連接方式。通過配棉工藝設計虛擬仿真實驗,學生可以有效掌握配棉的方法、混合原料平均指標的計算方法、選配原料混比設計的原則和排包設計遵循的原則,理解原料選配、排包規律以及設備工藝參數選擇等因素與紗線質量和紡紗成本間的因果關系。虛擬仿真實驗集自主性、交互性、共享性和創新性于一體,彌補了實體實驗的空缺,豐富了實踐教學手段,實現了理論教學和實驗教學的有機結合,提升了學生的學習熱情,提高了學生的工程設計能力和創新能力。虛擬仿真實驗可為其他高校紡織類專業學生學習、企業勞動技術培訓提供支持,實現優質教學資源共享。