配棉與清梳聯虛擬仿真實驗教學平臺的設計與開發

高嬋娟　譚艷君　金波　盛翠紅

［摘 要］ 實驗教學是一流本科課程建設的重要內容，針對紡織工程中配棉的高消耗，清梳聯工程設備數量多、外形大、費用高和危險性大等問題，利用虛擬現實、分布式交互仿真和三維建模等技術，設計和開發了以清梳聯工程為背景的配棉工藝設計虛擬仿真實驗教學平臺，彌補了配棉和清梳聯工程實體實驗的空白，有效提高了學生對配棉和清梳聯工程知識體系的理解與掌握。實驗具有強交互性、創新設計性、趣味性和共享性等特點，在人才培養、社會化服務、資源共享等方面取得了顯著成效。

［關鍵詞］ 實驗教學；配棉；清梳聯；虛擬仿真

［基金項目］ 2023年度第二批國家級一流本科課程“配棉工藝過程與抓棉工藝虛擬仿真實驗”（教高函〔2023〕7號）；2021年度“紡織之光”中國紡織工業聯合會高等教育教學改革研究項目“基于新工科理念的‘紡紗學課程虛擬仿真實驗的建設與應用研究”（2021BKJGLX012）；2021年度西安工程大學校級教育教學改革項目“虛擬仿真技術在‘紡紗學課程教學中的建設與應用研究”（21JGZD01）

［作者簡介］ 高嬋娟（1970—），女，陜西西安人，碩士，西安工程大學紡織科學與工程學院副教授，主要從事功能性紡織產品生產技術及信息技術在紡織中的應用研究；譚艷君（1963—），女，山東淄博人，學士，西安工程大學紡織科學與工程學院教授級高工，主要從事新型染整助劑的合成及染色和印花應用研究；金 波（1975—），男，陜西咸陽人，學士，咸陽紡織集團有限公司一分廠廠長，主要從事功能性纖維的紡紗方法及工藝研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0033-05［收稿日期］ 2022-11-13

教育部于2017年提出了以工程教育新理念、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］。實驗教學是現代大學發展水平的標志，是一流本科課程建設的重要內容，是新工科專業人才培養的重要途徑［2］。2019年，教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》指出，建設虛擬仿真實驗教學一流課程［3］。紡織工程設備數量多、外形大、占地面積多、費用高，運行危險性大，一些紡織院校現有實驗設備陳舊，生產線不完整，不能正常反映實際企業生產水平，一定程度上影響了學生學習的積極性［4-5］。近年來，由于企業質量管理要求等因素，學生到企業動手實踐和學習的機會越來越少。實驗教學條件的不足，造成學生學習效果欠佳，難以理解理論知識，而虛擬仿真技術推進了現代信息技術和實驗教學項目的有效融合，拓展了實驗教學內容，延伸了實驗教學時間和空間［6-7］，實現了智能化實驗教學的新模式，為實驗教學提供了一種新的解決方案［8］。

一、配棉和清梳聯工程虛擬仿真實驗建設的意義

（一）配棉虛擬仿真實驗建設的意義

我國是世界上最大的棉紡織生產基地，產能基本占全球總產能的一半。原棉由于產地、品種的不同，原棉性能指標差異較大，因而配棉是棉紡織企業一項重要的具備技術性、經濟性、實踐性和基礎性的工作，與企業的原料供應、產品質量、生產成本及企業經營管理等密切相關［9］。棉紡企業做好配棉不僅可以增進穩定生產、增效，提高成紗質量，還對降低紡紗成本、節約用棉有著顯著影響。在制訂配棉方案時，需要考慮原棉產地、原棉庫存、包型規格、棉臺容量、生產計劃、混棉隊數與各隊包數、混棉成本與混棉質量等多方面因素［10］。

“紡紗學”是紡織工程的專業基礎課程之一，課程講解以傳統的棉紡紗線成形原理為主線。我國棉紡織企業長期在生產實踐中采用分類排隊法的配棉方法。由于配棉的高效耗，無法實現實體實驗，經過理論學習后，學生對配棉的知識大多一知半解，利用虛擬仿真技術進行配棉工藝設計，有利于學生理解原料選配及指標差異性控制的方法，了解選配的原料以何種方式、方法參與紡紗生產，理解選配原料的排列規律對紗線質量的影響。

（二）清梳聯工程虛擬仿真實驗建設的意義

“清梳聯”是紡織工程的第一個生產工序，是由多種單機按照一定的生產工藝需求設計，實現預定生產目的的大型綜合性生產線［11］。“清梳聯”工程中設備的選型、組合方式及工藝參數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。

新時代新工科教育理念需要產教融合，需要從經驗分享走向實操實訓，從形式主義走向注重實效，從知識考試走向能力養成［12-13］。利用虛擬仿真技術構建清梳聯工程虛擬仿真實驗，有助于學生理解和掌握清梳聯機組設備的組合方式、設備結構、工作原理以及工藝設計的方法。

二、配棉與清梳聯工程虛擬仿真實驗系統的構成

配棉與清梳聯工程虛擬仿真實驗系統綜合運用了虛擬現實、分布式交互仿真、三維建模等技術，構建了開放的虛擬仿真實驗平臺，為學生構建了與實際生產企業相符合的演練環境，實驗具有強烈的體驗感和真實感，具有強互動性、可操作性和共享性等。配棉工藝設計虛擬仿真以清梳聯工程虛擬仿真實驗為背景，實驗系統包括安全操作、配棉工藝設計、清梳聯工程設備認知和設備工藝參數設計四個模塊，實驗系統架構如圖1所示。

三、配棉與清梳聯工程虛擬仿真實驗建設內容

（一）安全操作模塊

安全模塊包含三部分內容：一是服裝安全認知，引導學生了解紡織企業生產特點，男女職工服裝鞋帽的安全要求；二是生產廠區安全要點認知，針對紡織企業的加工材料都是易燃品，要求學生了解生產工場的防火防爆等消防安全設施配置；三是生產設備的安全操作認知，紡織企業設備數量多，運轉速度快，特別是清梳聯設備大都帶有打手、鋸齒、梳針等危險性機件，要求學生掌握設備操作安全規范要求。

（二）清梳聯工程虛擬仿真實驗設計

清梳聯工程虛擬仿真實驗選擇高效短流程的特呂茨施勒聯合機組為模型，設備組合在棉紡織行業具有一定的普遍適應性、典型性和先進性［14］。實驗系統包含的核心設備有實現開松、除雜作用的往復式抓棉機、雙軸流開棉機、多倉混棉機、多滾筒清棉機，實現梳理作用的梳棉機，實現輔助作用的重雜分離器、異性纖維探除裝置和除微塵裝置，實現安全防護作用的橋式吸鐵裝置、火星探除裝置，以及將這些設備連接在一起的凝棉器、輸棉風機、電氣配棉器、清梳聯喂棉箱等連接裝置。清梳聯工程整體框架結構虛擬仿真效果如圖2所示。

（三）配棉工藝設計模塊

1.配棉方案設計。根據系統提示尋找棉包，彈出配棉方案設計菜單界面。先根據需要選擇紡紗線密度，并依據線密度確定適合的紡紗工藝流程及配棉方案。這部分考核的知識點是線密度和紡紗工藝流程之間的合理匹配，引導學生掌握普梳系統適用于紡制中、粗特紗，精紡系統適用于紡制細特棉紗和特種用紗，在此基礎上分析紡紗系統和紗線質量及成本的關系。設計界面如圖3所示。

配棉方案需要按照傳統的分類排隊法完成。原棉的品級根據原棉的成熟程度、色澤特征、軋花質量并參考強力、成熟度系數等物理指標評定，級別的高低標志著棉纖維品質的好壞，纖維的長度及細度又對所紡紗線的強度及強度均勻度系數、條干均勻度、毛羽，以及紡紗工藝參數設計都有重要的影響，實驗設計要求選配原料的品級、長度和細度三個主要指標必須滿足成分差異控制要求，否則顯示選擇錯誤。通過實驗，引導學生理解和掌握原料選配的原則和方法。

2.配棉方案比例設計及混合原料平均指標的計算。根據原料選配的結果自動生成原料選配表，根據提示設計混合原料各組分比例和計算排包數量，以及計算混合棉平均指標，設計界面如圖4所示。通過實驗操作，強化學生對配棉各組分分配比例設計的意義，占比多為主要組分，對紗線性能影響大，并掌握混合棉平均指標的加權平均算法的適用性。

3.配棉方案排包設計及配棉方案虛擬仿真。配棉方案、各組份比例和排包數量確定后，彈出排包圖平面設計界面，選配原料各組分依次用1、2、3、4、5數字代表，要求各組分的排包數量和設計數量一致，設計完成后，可實現以清梳聯工程為背景的配棉方案虛擬仿真，并可實現往復式抓棉機的虛擬仿真抓棉過程，仿真效果如圖5所示。通過實驗，引導學生理解和掌握往復式抓棉機“成分正確，多包細抓、混合均勻”的工藝設計原則［15］。

（四）清梳聯機組設備認知模塊

通過清梳聯虛擬仿真實驗，讓學生認知往復式抓棉機、火星探除器、重力除雜器、雙軸流開棉機、多倉混棉機、精細開棉機、異性纖維處理裝置、除微塵機和梳棉機等設備，并通過虛擬仿真透視的展示設備的工作原理，雙軸流開棉機原理透視展示如圖6所示。通過實驗，引導學生掌握清梳聯機組不同設備在組合中的位置、功能及原理，理解清梳聯機組“先自由開松，后握持開松，雜質早落少碎”的工藝配置［16］。

（五）設備工藝參數設計模塊

紡織企業的生產技術管理有原材料管理、工藝管理、設備管理、操作管理和空調管理五大基礎性管理，但在生產技術管理中，工藝管理具有主導作用。工藝設計的合理性和先進性與紡織企業優質、高產、低消耗關系密切。紡織企業加強工藝研究，提高工藝設計的合理性，是企業優質、高產和低消耗的保障。實驗設計了對清梳聯機組中實現開松和梳理的往復式抓棉機、雙軸流開棉機、多倉混棉機、梳棉機等關鍵設備工藝參數設計，引導學生在認知設備的基礎上，掌握設備工藝設計的原則和方法，以及關鍵工藝參數對紡紗半成品質量和成紗質量的影響。以往復式抓棉機為例，設計的知識點是通過往復式抓棉機工藝參數設計，引導學生理解并掌握抓棉小車運行速度、抓棉打手轉速、抓棉小車下降距離和打手刀片伸出肋條的距離等工藝參數對抓棉效果及紡紗質量的影響，設計界面如圖7所示。

結語

紡織企業生產從原料選配開始，需要針對不同產品進行科學合理的原料選配，滿足成紗質量的同時有效控制紡紗成本。實驗利用虛擬現實、分布式交互仿真和三維建模等技術構建了以清梳聯工程為背景的配棉工藝設計虛擬仿真實驗教學平臺。通過實驗，可有效提高學生對配棉知識體系的理解和掌握，熟悉清梳聯工程中設備的組合、工作原理、工藝參數設計，理解工藝設計和紡紗半成品質量及成紗質量之間的因果關系。實驗教學平臺彌補了實體實驗由于高消耗、高危險、高成本無法實現的缺憾，具有強交互性、創新設計性、趣味性和共享性等特點，可有效提高紡織工程學生的工程設計能力和專業創新能力。該教學實驗已被認定為省級虛擬仿真實驗教學一流課程，也在全國紡織類大學生工程訓練綜合能力競賽中得以應用，并和國內多家紡織院校和企業簽訂了共享協議，在人才培養、社會化服務、資源共享等方面取得顯著成效。

參考文獻

［1］劉磊，張嘉鷺.“新工科”背景下工程機械類虛擬仿真實驗教學資源建設［J］.實驗技術與管理，2021，38（1）：140-143.

［2］高東鋒.信息化時代高校實驗教學改革的要求、思路與路徑［J］.中國高教研究，2018（4）：93-96．

［3］教育部.關于一流本科課程建設的實施意見：高教〔2019〕8號［A/OL］.（2019-10-31）［2022-10-05］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

［4］高嬋娟，譚艷君，盛翠紅，等.虛擬仿真技術在清梳聯實驗教學中的應用［J］.棉紡織技術，2020，48（4）：71-74.

［5］孫啟龍，蔡瑩瑩，王茹，等.虛擬實驗在紡織實驗教學中的應用［J］.紡織服裝教育，2019，34（3）：273-275.

［6］王萍，張巖，李媛媛，等.在紡織工程相關專業開設虛擬仿真實驗的探索［J］.紡織服裝教育，2019，34（3）：276-279.

［7］孫科學，郭宇鋒，程勇，等.新工科背景下虛擬仿真實驗教學中心建設探索［J］．實驗室科學，2020，23（6）：183-189.

［8］劉利娜，程蕓燕.教育信息化背景下虛擬仿真實踐教學體系構建［J］.軟件導刊·教育技術，2019，18（6）：43-45.

［9］邱兆寶.配棉混包排列優化模型與效果評價［J］.棉紡織技術，2013，41（4）：14-17.

［10］朱峰.公檢棉計算機配棉系統應用研究［J］.棉紡織技術，2014，42（4）：5-9.

［11］董志強，郭東亮，白金報.清梳聯智能化技術的發展與應用［J］.棉紡織技術，2019，47（5）：10-14.

［12］劉海峰，龐在詳，王曉東，等.新工科背景下智能制造虛擬仿真實訓教學平臺建設與應用［J］.實驗室技術與管理，2020，37（10）：254-262.

［13］張寧，趙毅強，蘭馗博，等.“新工科”背景下關于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議［J］.實驗技術與管理，2020，37（3）：185-188.

［14］王東余，唐華.短流程高效清梳聯的使用實踐［J］.棉紡織技術，2017，45（2）：51-54.

［15］錢鴻彬.棉紡織工廠設計［M］.北京：中國紡織出版社，2012：55-56.

［16］郁崇文.紡紗學［M］.北京：中國紡織出版社，2019：47-50.

Design and Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for Cotton Assorting

and Blowing-carding Unit

GAO Chan-juan1， TAN Yan-jun1， JIN Bo2， SHENG Cui-hong1

（1. School of Textile Science and Engineering， Xian Polytechnic University， Xian， Shaanxi 710048，

China; 2. Xianyang Textiles Group Co.， LTD.， Xianyang， Shaanxi 712000， China）

Abstract： Experimental teaching is an important part of the construction of first-class undergraduate courses. In view of the large consumption of cotton assorting and the large number of equipment， the large shape， the high cost and the high risk of blowing-carding unit in textile engineering， the technologies of virtual reality， distributed interactive simulation and three-dimensional modeling are used to design and develop a virtual simulation experiment teaching platform for cotton assorting process design based on the engineering of blowing-carding unit， which makes up for the blank of the physical experiment of cotton assorting and the engineering of blowing-carding unit. It effectively helps the students understand and master the knowledge systems of cotton assorting and the engineering of blowing-carding unit. The experiment is interative， innovative， interesting and sharing. It has achieved remarkable results in personnel training， social services， and resource sharing.

Key words： experiment teaching; cotton assorting; blowing-carding unit; virtual simulation