配棉与清梳联虚拟仿真实验教学平台的设计与开发

高婵娟　谭艳君　金波　盛翠红

［摘 要］ 实验教学是一流本科课程建设的重要内容，针对纺织工程中配棉的高消耗，清梳联工程设备数量多、外形大、费用高和危险性大等问题，利用虚拟现实、分布式交互仿真和三维建模等技术，设计和开发了以清梳联工程为背景的配棉工艺设计虚拟仿真实验教学平台，弥补了配棉和清梳联工程实体实验的空白，有效提高了学生对配棉和清梳联工程知识体系的理解与掌握。实验具有强交互性、创新设计性、趣味性和共享性等特点，在人才培养、社会化服务、资源共享等方面取得了显著成效。

［关键词］ 实验教学；配棉；清梳联；虚拟仿真

［基金项目］ 2023年度第二批国家级一流本科课程“配棉工艺过程与抓棉工艺虚拟仿真实验”（教高函〔2023〕7号）；2021年度“纺织之光”中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目“基于新工科理念的‘纺纱学课程虚拟仿真实验的建设与应用研究”（2021BKJGLX012）；2021年度西安工程大学校级教育教学改革项目“虚拟仿真技术在‘纺纱学课程教学中的建设与应用研究”（21JGZD01）

［作者简介］ 高婵娟（1970—），女，陕西西安人，硕士，西安工程大学纺织科学与工程学院副教授，主要从事功能性纺织产品生产技术及信息技术在纺织中的应用研究；谭艳君（1963—），女，山东淄博人，学士，西安工程大学纺织科学与工程学院教授级高工，主要从事新型染整助剂的合成及染色和印花应用研究；金 波（1975—），男，陕西咸阳人，学士，咸阳纺织集团有限公司一分厂厂长，主要从事功能性纤维的纺纱方法及工艺研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 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］。实验教学是现代大学发展水平的标志，是一流本科课程建设的重要内容，是新工科专业人才培养的重要途径［2］。2019年，教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》指出，建设虚拟仿真实验教学一流课程［3］。纺织工程设备数量多、外形大、占地面积多、费用高，运行危险性大，一些纺织院校现有实验设备陈旧，生产线不完整，不能正常反映实际企业生产水平，一定程度上影响了学生学习的积极性［4-5］。近年来，由于企业质量管理要求等因素，学生到企业动手实践和学习的机会越来越少。实验教学条件的不足，造成学生学习效果欠佳，难以理解理论知识，而虚拟仿真技术推进了现代信息技术和实验教学项目的有效融合，拓展了实验教学内容，延伸了实验教学时间和空间［6-7］，实现了智能化实验教学的新模式，为实验教学提供了一种新的解决方案［8］。

一、配棉和清梳联工程虚拟仿真实验建设的意义

（一）配棉虚拟仿真实验建设的意义

我国是世界上最大的棉紡织生产基地，产能基本占全球总产能的一半。原棉由于产地、品种的不同，原棉性能指标差异较大，因而配棉是棉纺织企业一项重要的具备技术性、经济性、实践性和基础性的工作，与企业的原料供应、产品质量、生产成本及企业经营管理等密切相关［9］。棉纺企业做好配棉不仅可以增进稳定生产、增效，提高成纱质量，还对降低纺纱成本、节约用棉有着显著影响。在制订配棉方案时，需要考虑原棉产地、原棉库存、包型规格、棉台容量、生产计划、混棉队数与各队包数、混棉成本与混棉质量等多方面因素［10］。

“纺纱学”是纺织工程的专业基础课程之一，课程讲解以传统的棉纺纱线成形原理为主线。我国棉纺织企业长期在生产实践中采用分类排队法的配棉方法。由于配棉的高效耗，无法实现实体实验，经过理论学习后，学生对配棉的知识大多一知半解，利用虚拟仿真技术进行配棉工艺设计，有利于学生理解原料选配及指标差异性控制的方法，了解选配的原料以何种方式、方法参与纺纱生产，理解选配原料的排列规律对纱线质量的影响。

（二）清梳联工程虚拟仿真实验建设的意义

“清梳联”是纺织工程的第一个生产工序，是由多种单机按照一定的生产工艺需求设计，实现预定生产目的的大型综合性生产线［11］。“清梳联”工程中设备的选型、组合方式及工艺参数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。

新时代新工科教育理念需要产教融合，需要从经验分享走向实操实训，从形式主义走向注重实效，从知识考试走向能力养成［12-13］。利用虚拟仿真技术构建清梳联工程虚拟仿真实验，有助于学生理解和掌握清梳联机组设备的组合方式、设备结构、工作原理以及工艺设计的方法。

二、配棉与清梳联工程虚拟仿真实验系统的构成

配棉与清梳联工程虚拟仿真实验系统综合运用了虚拟现实、分布式交互仿真、三维建模等技术，构建了开放的虚拟仿真实验平台，为学生构建了与实际生产企业相符合的演练环境，实验具有强烈的体验感和真实感，具有强互动性、可操作性和共享性等。配棉工艺设计虚拟仿真以清梳联工程虚拟仿真实验为背景，实验系统包括安全操作、配棉工艺设计、清梳联工程设备认知和设备工艺参数设计四个模块，实验系统架构如图1所示。

三、配棉与清梳联工程虚拟仿真实验建设内容

（一）安全操作模块

安全模块包含三部分内容：一是服装安全认知，引导学生了解纺织企业生产特点，男女职工服装鞋帽的安全要求；二是生产厂区安全要点认知，针对纺织企业的加工材料都是易燃品，要求学生了解生产工场的防火防爆等消防安全设施配置；三是生产设备的安全操作认知，纺织企业设备数量多，运转速度快，特别是清梳联设备大都带有打手、锯齿、梳针等危险性机件，要求学生掌握设备操作安全规范要求。

（二）清梳联工程虚拟仿真实验设计

清梳联工程虚拟仿真实验选择高效短流程的特吕茨施勒联合机组为模型，设备组合在棉纺织行业具有一定的普遍适应性、典型性和先进性［14］。实验系统包含的核心设备有实现开松、除杂作用的往复式抓棉机、双轴流开棉机、多仓混棉机、多滚筒清棉机，实现梳理作用的梳棉机，实现辅助作用的重杂分离器、异性纤维探除装置和除微尘装置，实现安全防护作用的桥式吸铁装置、火星探除装置，以及将这些设备连接在一起的凝棉器、输棉风机、电气配棉器、清梳联喂棉箱等连接装置。清梳联工程整体框架结构虚拟仿真效果如图2所示。

（三）配棉工艺设计模块

1.配棉方案设计。根据系统提示寻找棉包，弹出配棉方案设计菜单界面。先根据需要选择纺纱线密度，并依据线密度确定适合的纺纱工艺流程及配棉方案。这部分考核的知识点是线密度和纺纱工艺流程之间的合理匹配，引导学生掌握普梳系统适用于纺制中、粗特纱，精纺系统适用于纺制细特棉纱和特种用纱，在此基础上分析纺纱系统和纱线质量及成本的关系。设计界面如图3所示。

配棉方案需要按照传统的分类排队法完成。原棉的品级根据原棉的成熟程度、色泽特征、轧花质量并参考强力、成熟度系数等物理指标评定，級别的高低标志着棉纤维品质的好坏，纤维的长度及细度又对所纺纱线的强度及强度均匀度系数、条干均匀度、毛羽，以及纺纱工艺参数设计都有重要的影响，实验设计要求选配原料的品级、长度和细度三个主要指标必须满足成分差异控制要求，否则显示选择错误。通过实验，引导学生理解和掌握原料选配的原则和方法。

2.配棉方案比例设计及混合原料平均指标的计算。根据原料选配的结果自动生成原料选配表，根据提示设计混合原料各组分比例和计算排包数量，以及计算混合棉平均指标，设计界面如图4所示。通过实验操作，强化学生对配棉各组分分配比例设计的意义，占比多为主要组分，对纱线性能影响大，并掌握混合棉平均指标的加权平均算法的适用性。

3.配棉方案排包设计及配棉方案虚拟仿真。配棉方案、各组份比例和排包数量确定后，弹出排包图平面设计界面，选配原料各组分依次用1、2、3、4、5数字代表，要求各组分的排包数量和设计数量一致，设计完成后，可实现以清梳联工程为背景的配棉方案虚拟仿真，并可实现往复式抓棉机的虚拟仿真抓棉过程，仿真效果如图5所示。通过实验，引导学生理解和掌握往复式抓棉机“成分正确，多包细抓、混合均匀”的工艺设计原则［15］。

（四）清梳联机组设备认知模块

通过清梳联虚拟仿真实验，让学生认知往复式抓棉机、火星探除器、重力除杂器、双轴流开棉机、多仓混棉机、精细开棉机、异性纤维处理装置、除微尘机和梳棉机等设备，并通过虚拟仿真透视的展示设备的工作原理，双轴流开棉机原理透视展示如图6所示。通过实验，引导学生掌握清梳联机组不同设备在组合中的位置、功能及原理，理解清梳联机组“先自由开松，后握持开松，杂质早落少碎”的工艺配置［16］。

（五）设备工艺参数设计模块

纺织企业的生产技术管理有原材料管理、工艺管理、设备管理、操作管理和空调管理五大基础性管理，但在生产技术管理中，工艺管理具有主导作用。工艺设计的合理性和先进性与纺织企业优质、高产、低消耗关系密切。纺织企业加强工艺研究，提高工艺设计的合理性，是企业优质、高产和低消耗的保障。实验设计了对清梳联机组中实现开松和梳理的往复式抓棉机、双轴流开棉机、多仓混棉机、梳棉机等关键设备工艺参数设计，引导学生在认知设备的基础上，掌握设备工艺设计的原则和方法，以及关键工艺参数对纺纱半成品质量和成纱质量的影响。以往复式抓棉机为例，设计的知识点是通过往复式抓棉机工艺参数设计，引导学生理解并掌握抓棉小车运行速度、抓棉打手转速、抓棉小车下降距离和打手刀片伸出肋条的距离等工艺参数对抓棉效果及纺纱质量的影响，设计界面如图7所示。

结语

纺织企业生产从原料选配开始，需要针对不同产品进行科学合理的原料选配，满足成纱质量的同时有效控制纺纱成本。实验利用虚拟现实、分布式交互仿真和三维建模等技术构建了以清梳联工程为背景的配棉工艺设计虚拟仿真实验教学平台。通过实验，可有效提高学生对配棉知识体系的理解和掌握，熟悉清梳联工程中设备的组合、工作原理、工艺参数设计，理解工艺设计和纺纱半成品质量及成纱质量之间的因果关系。实验教学平台弥补了实体实验由于高消耗、高危险、高成本无法实现的缺憾，具有强交互性、创新设计性、趣味性和共享性等特点，可有效提高纺织工程学生的工程设计能力和专业创新能力。该教学实验已被认定为省级虚拟仿真实验教学一流课程，也在全国纺织类大学生工程训练综合能力竞赛中得以应用，并和国内多家纺织院校和企业签订了共享协议，在人才培养、社会化服务、资源共享等方面取得显著成效。

参考文献

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［3］教育部.关于一流本科课程建设的实施意见：高教〔2019〕8号［A/OL］.（2019-10-31）［2022-10-05］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

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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