緯編CAD技術進展與發(fā)展趨勢

張永超+叢洪蓮+張愛軍

摘要：文章對當今國內外緯編CAD技術進行了詳細的介紹，其中包括邁耶西、圣東尼、福原等國外知名公司，以及國內相關企業(yè)、各大紡織高校開發(fā)的緯編針織物CAD系統(tǒng)，并對各類CAD系統(tǒng)的特點及技術進展進行了詳細說明。同時對緯編針織物CAD系統(tǒng)織物設計、織物仿真、虛擬展示等各主要功能做了詳細介紹，并對緯編針織物CAD技術向標準化、網絡化、智能化方向發(fā)展進行了預測。

關鍵詞：緯編；CAD技術；進展；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TS184.4；TP391.7

文獻標志碼：A

Progress and Developing Trend of Weft-knitting CAD Technology

Abstract： The article introduces in details the weft-knitting CAD technologies available at home and abroad， including the weft-knitting CAD systems developed by foreign companies such as Mayer & Cie， Santoni， Fukuhara， etc.， as well as those developed by domestic enterprises and textile colleges. The characteristics and technical progress of all kinds of CAD systems are described in details. At the same time fabric design， fabric simulation and virtual display of weft-knitting CAD system are introduced. It also forecasts the future developing trend of weft-knitting CAD technique towards standardization， Internet-based and intelligent.

Key words： weft-knitting； CAD technology； progress； developing trend

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，其應用已經深入到各個行業(yè)之中。傳統(tǒng)的紡織業(yè)勞動密集，生產成本高，生產效率低下，已不能順應當今國際市場競爭的需求，因此需要借助計算機強大的圖像、信息處理技術實現(xiàn)對機械式以及電腦提花產品的工藝設計、來樣處理以及上機織造。CAD技術在紡織中的應用最早起源于20世紀60年代，美國IBM公司成功研制出紋織自動化系統(tǒng)，直至20世紀70年代紡織CAD技術才開始得到實際應用。經過30多年的不斷發(fā)展，CAD技術已在針織、機織、服裝等各個領域得到應用推廣。

緯編電腦提花圓機于20世紀70年代最早出現(xiàn)在德國MORAT公司，其生產的Moratronik ST4 Jacquard電腦提花大圓機代表了國際先進水平。隨后日本福原、德國邁耶西等國際知名緯編機械制造公司相繼推出了單雙面緯編提花圓機。隨著電腦提花圓機市場需求量的不斷增加，選針器作為其核心部件之一，其市場也被不斷開拓。由于緯編提花圓機選針系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，與之配套的緯編CAD軟件成為不可或缺的工具。尤其是日本的WAC公司，其最先研制出的適應性廣、功能較為強大的緯編CAD軟件迅速占領市場，其余各國也相應地推出與之機型配套的CAD軟件。直至20世紀80年代緯編CAD軟件逐步投入使用。經過幾十年的發(fā)展，緯編CAD軟件已經逐漸走向成熟。

1 緯編CAD技術進展

1.1 國外緯編CAD技術進展

國外的機械制造、電子化程度一直處在世界前列，在緯編CAD系統(tǒng)方面發(fā)展的也較為成熟。國外的緯編CAD系統(tǒng)大多是與其針織設備配套的軟件系統(tǒng)，主要用于某一種型號或某一系列的針織設備，如意大利圣東尼公司、德國的邁耶西公司、日本福原公司等，這些公司開發(fā)的CAD系統(tǒng)專供其生產的針織設備使用。

意大利圣東尼公司開發(fā)的CAD系統(tǒng)是目前市面上較為成熟的制版系統(tǒng)。如圖1，圣東尼CAD系統(tǒng)包括花型組織繪制軟件與上機工藝設計軟件兩個子系統(tǒng)，其不同的機型上機工藝設計軟件有所不同。花型繪制軟件目前較為常見的為photon軟件，可以用該軟件中的繪圖工具繪制花型，也可導入已有bmp格式圖片，并對花型進行針法鋪設。工藝設計軟件包括QUASARS軟件、針對圣東尼SM-DJ2T（S）機型專門開發(fā)pulsar軟件等。該類軟件主要用于設置機器動作，對織物的密度、紗嘴、機速等一系列參數(shù)進行設置。

德國邁耶西公司開發(fā)的緯編CAD系統(tǒng)與其公司緯編圓機設備配套使用，目前市面上應用較多的是PIC系統(tǒng)和MDS1系統(tǒng)，圖 2 為邁耶西CAD系統(tǒng)的概況。PIC系統(tǒng)是邁耶西電腦提花圓機應用較多的CAD系統(tǒng)，其分為花型編輯器、色彩排列編輯器以及工藝卡編輯器 3 個子系統(tǒng)。PIC系統(tǒng)中花型編輯器用于對織物花型進行設計，可通過繪圖工具進行基本的花型繪制，也可直接導入已繪制好的bmp格式的花型圖片，對于有組織結構變化的花型還可對其進行組織鋪設；色彩排列編輯器主要針對調線織物，對其色彩、調線手指等進行設置排列；工藝卡編輯器主要對路數(shù)、色彩數(shù)、循環(huán)數(shù)等標準工藝參數(shù)以及減少色彩、色彩分配等花型參數(shù)進行設置。MDS1系統(tǒng)是邁耶西較新的基于OVJA系列電腦提花圓機的CAD軟件。MDS1系統(tǒng)具有花型繪制、組織鋪設、工藝檢測等功能，能夠實現(xiàn)針筒和針盤花型設計功能。與PIC系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)將多個軟件統(tǒng)一到一個軟件中去，操作更為簡單便捷，但該軟件應用時速度很慢，導入上機文件到機器中需 1min左右；而且該軟件不夠穩(wěn)定。

福原CAD系統(tǒng)主要包括花型編輯器pattern edit，多色提花編輯器multi color jacquard，工藝參數(shù)編輯器parameter& striper，wac格式轉換器等幾個軟件。Pattern edit用于對織物的花型進行設計，設計過程中可直接在新建的花型中繪制，也可直接打開已保存為bmp格式的圖片，再進行處理。該軟件操作界面直觀，但步驟繁瑣。Parameter & striper用于對織物的上機工藝進行設置，主要包括路數(shù)、顏色、紗嘴等參數(shù)設置。

WAC Designer軟件在國外眾多緯編CAD軟件系統(tǒng)中應用較為廣泛，是與日本WAC電腦提花選針系統(tǒng)相配套的花型設計軟件，由于其軟件格式與機器設備兼容性好，在國內提花圓機市場中應用極其廣泛。該軟件界面操作簡單，但是功能較少，處理復雜的花型圖案較為繁瑣。

1.2 國內緯編CAD技術進展

國內緯編CAD系統(tǒng)較國外系統(tǒng)起步晚，且不夠成熟，多以仿國外系統(tǒng)功能為主。目前國內致力于開發(fā)緯編CAD系統(tǒng)的公司較少，主要的研究來源于一些紡織院校。

國內紡織高校對于緯編CAD系統(tǒng)的開發(fā)研究包括浙江大學朱艷在花型準備、編織信息等幾個方面著手，開發(fā)了針織圓機計算機輔助花樣制作原型系統(tǒng)。武漢科技學院潘鄂菁開發(fā)了插片系列、滾筒系列、擺片系列、提花輪系列和多針道系列共五大系列緯編產品花型設計CAD，其具有統(tǒng)一相似操作界面，并且可以根據(jù)針織企業(yè)設備情況定制設計。電子科技大學胡孝樹以Visual Basic 6.0和MS-Access 2003為開發(fā)工具，開發(fā)了撥片式圓形緯編機、提花輪緯編提花圓形緯編機、滾筒式提花和圓齒片提花圓形緯編機上機工藝設計和緯編針織物效應模擬軟件，其能夠實現(xiàn)上機工藝設計及其織物效應模擬。江南大學自主研發(fā)設計了緯編CKCAD1.0系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于多針道、機械式提花、電腦提花等各類圓緯機產品開發(fā)。CKCAD1.0系統(tǒng)具有較好的人機界面，操作方便快捷；其具有較好的仿真功能，仿真效果逼真形象；此外，該系統(tǒng)較好的虛擬展示效果，使得織物能夠更直觀形象的展示在用戶面前；系統(tǒng)較好的兼容性，能夠適應國內外各類提花、機械圓機的花型、工藝設計。

國內獨立開發(fā)緯編CAD系統(tǒng)的相關企業(yè)很少，多與開發(fā)控制系統(tǒng)的企業(yè)進行合作并采用其開發(fā)的CAD系統(tǒng)，如國內的金天梭緯編機械制造公司，其采用恒強公司開發(fā)的控制系統(tǒng)并配套使用恒強公司開發(fā)的HqPDS制版系統(tǒng)來實現(xiàn)機械動作的設置。

縱觀國內外緯編CAD系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，國外CAD技術較為成熟，功能較為完善，但是目前軟件在織物仿真、虛擬展示等方面沒有涉及，而且軟件的兼容性不好，基本上各公司的軟件只配套該公司生產的機型。國內緯編CAD系統(tǒng)開發(fā)研究較少，僅有部分紡織高校有所研究，但是都沒有能夠推向市場。

2 緯編CAD系統(tǒng)功能

緯編CAD系統(tǒng)功能主要包括織物設計、織物仿真、織物虛擬展示、輔助功能等幾個模塊。

2.1 織物設計

緯編針織物設計包括對織物花型組織以及上機工藝進行設計。

在花型組織設計方面，對于多針道緯編針織產品而言主要依靠織針及三角排列。該類織物通常采用編織圖進行設計。如圖3 所示為多針道緯編針織產品的織物設計圖，它由編織圖、織針排列圖、三角配置圖共同組成且一一對應。在電腦提花針織物設計中，由于其花型較大，編織圖不能夠直觀的表現(xiàn)其花型效果，因此要采用意匠圖來表示。在花型設計過程中，可利用畫筆、填充等工具完成花型圖案的設計，也可導入已有圖片，根據(jù)不同的機型鋪設不同的組織，如圖4 所示為經換色、邊緣處理后進行組織覆蓋的花型意匠圖。

織物的上機工藝設計包括對織物的密度、速度、紗嘴動作、穿紗等一系列設備信息進行設置，從而使緯編設備順利完成各類針織產品的編織。

2.2 織物仿真

織物的仿真功能是緯編CAD系統(tǒng)重要的功能之一，尤其是緯編提花針織物，在完成織物的工藝花型設計后通過織物仿真功能可直接看到織物的成品外觀結構，節(jié)約了打樣過程中對時間、原料等資源的浪費。

實現(xiàn)織物的仿真功能，首先需要建立一個線圈模型。可采用Pierce理想線圈模型，通過設置控制點并結合樣條曲線對線圈模型進行改進，最終模擬出實際線圈的形態(tài)。其次可引入光照模型，如OpenGL、Lambert漫反射模型等，通過明暗變化來實現(xiàn)線圈的立體感，從而獲得線圈圖元。最后，根據(jù)織物的編織信息對線圈圖元進行貼圖，并通過消隱實現(xiàn)線圈之間的相互穿套，從而得到織物的仿真視圖。圖5所示根據(jù)（a）中的編織意匠信息得出圖（b）所示的織物仿真圖。

2.3 織物虛擬展示

織物虛擬展示是指將織物覆蓋在立體沙發(fā)、窗簾、人體等三維物體上進行展示，從而實現(xiàn)更為立體的視覺效果。

織物虛擬展示可在二維貼圖的基礎上采用網格劃分和紋理映射相結合的方法實現(xiàn)。在二維場景圖像中采用網格劃分建立二維曲面模型，再利用紋理映射的方法將織物映射到三維場景中，從而實現(xiàn)織物的虛擬展示。在紋理映射過程中，分別將目標模型與織物紋理圖案進行網格劃分，且一一對應，并采用雙線性差值方法實現(xiàn)映射點的一一對應，如圖6所示為雙線性紋理映射原理。該虛擬展示方法建模較為簡單，速度快，且展示效果較為逼真。

由于織物虛擬展示本質上是兩個圖片的合成與疊加，因此在場景選擇上應盡量選取素色且無花紋的圖像，若場景模型圖像過于花哨，將影響織物的展示效果。如圖7所示為織物在人體上的虛擬展示圖。

2.4 輔助功能

2.4.1 參數(shù)設置

參數(shù)設置包括對花型參數(shù)、工藝參數(shù)、原料、穿紗等進行設置，完善產品信息，并確定設計方式。花型參數(shù)主要包括花型名、機型、機號、路數(shù)、花高、花寬等信息，工藝參數(shù)是對產品信息的補充說明，包括幅寬、橫密、縱密、效率等。

2.4.2 工藝檢測

緯編產品設計時，受一些原則的限制，如“不同花紋縱行一定排不同踵位的針”、“花寬能被總針數(shù)整除”等。而該模塊利用計算機強大的運算功能，依據(jù)這些原則，對產品工藝進行快速檢測、判斷，避免人工檢查的費時、費力以及遺漏問題，提高設計效率，保證工藝有效性。

2.4.3 工藝輸出

設計者完成產品設計之后，要最終實現(xiàn)在機器上的生產編織，關鍵是要能有效輸出該產品的相關工藝。目前的輸出形式主要有上機工藝單和上機文件兩種。系統(tǒng)根據(jù)產品信息，可自動生成。

上機工藝單，可顯示于屏幕編輯工作區(qū)，可上下翻屏、滾動查看。其內容包括有機型、原料等一些列參數(shù)信息，以及意匠圖（編織圖）等，可通過打印獲得。用戶則可根據(jù)工藝單的信息進行調機。

上機文件，可與電腦圓機精確對接，被讀取信息之后，直接控制機器動作，進行編織生產。但不同的圓機只能識別特定的文件類型。因此，一款功能完備的緯編CAD系統(tǒng)應不斷提高其兼容性。

3 緯編CAD技術發(fā)展趨勢

CAD技術在生產中的應用日益廣泛，體現(xiàn)在產品生命周期的不斷縮短。面對激烈的市場競爭，企業(yè)只有以高質量、低價格、短周期的產品去適應市場的需求才能獲得生存與發(fā)展，這也必然要求CAD系統(tǒng)更進一步的發(fā)展。

3.1 緯編CAD技術向標準化方向發(fā)展

盡管CAD系統(tǒng)種類繁多，量大面廣，但目前市場上也仍未出現(xiàn)一款功能齊備、操作規(guī)范的標準CAD軟件。特別是織物的模擬顯示功能，就鮮少有軟件具備。其難點在于受組織結構、紗線形態(tài)等因素的影響，模擬顯示失真、顯示速度受限，這些都大大減少CAD系統(tǒng)的應用范圍。因此，對三維仿真模型以及算法的優(yōu)化，還有待進一步的研究。

3.2 緯編CAD技術向網絡化方向發(fā)展

CAD/CAM的綜合發(fā)展是當前研制的重點。將這兩個獨立的體系結合，其聯(lián)合軟件可自由在辦公室和生產車間之間轉換，實時反饋生產信息，便于管理者、設計師對產品的實時監(jiān)控與及時修正。Internet、PDM、網絡數(shù)據(jù)庫、電子商務等技術的飛速發(fā)展，恰恰為系統(tǒng)集成化提供了技術平臺，以適應CIMS信息共享、并行工程的要求，改變現(xiàn)有輔助設計的模式與方式。

3.3 緯編CAD技術向智能化方向發(fā)展

將人工智能技術引入CAD系統(tǒng)，使其擁有行業(yè)領域專家的經驗、知識和數(shù)據(jù)，并參與產品方案決策、工藝設計、生產安排的全過程，完成高效的輔助設計、分析、決策功能，真正實現(xiàn)從“輔助設計”向“自動化設計”轉變。隨著工業(yè)4.0計劃推動與實施，未來10年將步入“分散化”生產的新時代。其采用高新網絡技術將虛擬空間與現(xiàn)實相融合，CAD系統(tǒng)將能夠實現(xiàn)實時管理，客戶個性化定制等各種智能化需求。

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作者簡介：張永超，女，1989年生，碩士研究生，主要研究方向為針織工藝和產品開發(fā)。

通訊作者：叢洪蓮，cong-wkrc@163.com。

作者單位：江南大學教育部針織技術工程研究中心。

基金項目：國家科技支撐項目（2012BAF13B03）。