經編CAD技術的研究進展與應用現狀

張愛軍 鐘君 叢洪蓮

摘要：經編CAD系統是用于設計和開發經編針織物的重要工具。本文從織物設計、織物仿真及織物三維虛擬展示 3 方面詳細地闡述了國內外經編CAD系統的研究進展情況，同時介紹了國內外經編CAD系統的應用現狀，主要包括德國Procad系統、Design Scope系統，西班牙Lace Drafting Software SAPO系統，日本武村提花設計系統，江南大學WKCAD系統，武漢紡織大學HZCAD系統等。最后，分析了經編CAD技術的發展趨勢，認為設計系統的功能將進一步拓展，仿真技術進一步完善，CAD系統趨向于網絡化和智能化。

關鍵詞：經編；CAD技術；研究進展；應用現狀；發展趨勢

中圖分類號：TS186.1 文獻標志碼：A

Research Progress and Application Status of Warp-knitting CAD Technology

Abstract： This paper described the progress made in the research of domestic and foreign warp-knitting CAD systems in details， from the aspects of fabric design， fabric simulation to 3D virtual display. Additionally， this paper introduced the application status of domestic and foreign warp-knitting CAD systems， including Procad system and Design Scope system developed by Germany， Lace Drafting Software SAPO system developed by Spain， the SUPER.LECS-III jacquard design system developed by Japanese Wutsuen， the WKCAD system of Jiangnan University and the HZCAD system of Wuhan Textile University， etc. Finally， it analyzed the developing trend of CAD technology. This paper predicted that the function of design system would be further expanded， simulation technology would be further improved， and networking and intelligence would be the trend of CAD system.

Key words： warp-knitting； CAD technology； research progress； application status； developing trend

針織CAD技術即計算機輔助設計技術，它利用了計算機強大的計算功能和圖形、圖像處理能力，實現針織物的設計、仿真及展示。隨著計算機技術的迅速發展以及針織企業對信息化、智能化生產的追求，CAD技術已深入應用到紡織領域。針織CAD的研究起源于20世紀60年代，由美國IBM公司研制，20世紀70年代CAD軟件初步成形，20世紀80年代CAD軟件開始真正運用于各個企業。經過50多年的發展，針織CAD技術已逐步成熟，成為輔助針織物設計和生產必不可少的工具。

經編CAD系統主要包括織物設計及仿真模擬兩大模塊。在織物設計方面，國內外開發的CAD系統功能較齊全，但在穩定性、兼容性等方面存在一些差異；國外對仿真方面的研究起步早，CAD仿真功能已逐步完善，國內軟件仿真功能與國外差距比較明顯。國外最典型的經編CAD軟件是由德國TEXION公司開發的Procad，系統適用于多梳賈卡織物、雙針床織物、少梳織物的花型設計與仿真；德國EAT公司開發了圖案和款式設計軟件Design Scope系統；西班牙CADT公司開發了花邊織物設計軟件Lace Drafting Software SAPO；日本武村研發了提花設計系統。國內CAD軟件目前應用較多的有江南大學開發的WKCAD系統，武漢紡織大學開發的HZCAD系統，浙江大學開發的提花織物CAD系統。

1 經編CAD技術的研究進展

經編CAD利用計算機技術實現經編織物設計與模擬仿真，對經編CAD技術的研究進展主要從織物設計、仿真及虛擬展示等 3 方面探討。

1.1 織物設計研究進展

織物設計模塊是經編CAD系統的基礎模塊，用于指導和控制經編機實現不同類型織物的編織，主要包括花型設計、組織結構設計、原料設計、穿經設計、工藝參數設計、上機工藝輸出等功能。同時，很多CAD系統還兼具估算梳櫛送經量、織物克重、用紗比等輔助工藝計算功能。目前，國內外CAD軟件的織物設計功能都較齊全，能完成不同機型的上機文件設計與導出，但在系統的便捷度、穩定性、兼容性等方面存在一定差異。

在織物設計方面，經編CAD系統一般可實現少梳高速織物、雙針床織物、少梳賈卡織物及多梳賈卡織物的設計。針對近幾年織物設計的需求，主流的CAD系統還具有一些特殊設計功能，例如可使用 2 種顏色設計無底賈卡織物，不需人工檢查，自動完成漏針檢測；可實現無底無縫、賈卡提花鞋材、WB浮紋等織物的設計。

以雙賈卡提花鞋面織物為例，在設計賈卡提花鞋面工藝時，首先要確定各把梳櫛的組織結構及穿經情況，雙賈卡鞋面通常由 4 把梳櫛編織成形，2 把滿機號的賈卡梳及 2 把地梳，各把梳櫛的墊紗數碼如表 1 所示；然后需參考鞋面菲林稿尺寸大小及密度要求，建立相應尺寸的賈卡意匠圖，并根據菲林稿輪廓及賈卡花型設計要求，分別繪制出鞋面第一和第二賈卡意匠圖，如圖 1 所示，繪制賈卡意匠圖時，通常使用CAD軟件中賈卡畫筆、填色、換色、復制等工具；根據需求設定各把梳櫛的送經量、上機密度等工藝參數；最后導出機器能識別的上機文件，即完成了雙賈卡鞋面工藝文件的設計。

1.2 織物仿真研究進展

仿真模塊是在完成織物花型、工藝設計后，利用CAD軟件模擬織物外觀狀態，為設計者提供依據，以便及時調整花型和工藝，減少繁雜的打樣工序，實現快速反應和高效生產。國外關于經編織物仿真研究起步早、發展快，仿真系統功能完善，可實現各類織物的仿真，其中Procad和SAPO兩套系統的仿真圖都具有很好的真實感；國內也對經編織物的仿真進行了研究，但在仿真效果、速度等方面與國外存在差距。

經編織物的仿真方法主要包括二維仿真和三維仿真。二維仿真雖不能精確地反映織物形態，但實用性強、仿真速度快，是最常用的仿真方法；三維仿真效果逼真、立體感強，但也存在一些問題，如仿真速度、三維模型建立等問題。因此，國內外對經編織物的三維仿真研究不如二維仿真研究透徹。

織物仿真時首先要建立線圈模型，二維仿真常將線圈結構簡化為幾何模型，國內外常見的幾種線圈結構模型為P. 格羅斯勃第一模型、P. 格羅斯勃第二模型、G. L. 安立遜的簡化模型；三維仿真研究是對經編組織結構的三維仿真模擬，仿真時首先要實現紗線三維仿真，然后確定線圈結構的三維模型，最后通過線圈的連接實現經編組織結構的仿真，最具代表性的研究成果是O. Goktepe利用NURBS曲線建立的線圈三維模型。

目前，國內外經編CAD系統通常對單層花型循環較大的經編織物進行二維仿真，如花邊織物，對本身具有立體結構的織物進行三維仿真，如間隔織物、絨類織物等。圖 2 所示為一款多梳經編織物的實物圖及二維仿真圖，圖 3、圖 4 分別為經編間隔織物和絨類織物的三維仿真圖，三者均由WKCAD軟件仿真實現。此外，最新的Procad軟件實現了基于力學模型的織物線圈變形，能夠很好地表示紗線在織物中的狀態，雖然還不能實現與真實織物完全一致，但相對于以前僅僅基于幾何建模的仿真方法已有很大進步，代表了目前經編仿真研究的最高水平，圖 5 為Procad軟件的網眼織物仿真圖。

1.3 織物虛擬展示研究進展

隨著計算機技術及電子商務的不斷發展，三維虛擬展示技術已逐步興起，包括汽車、家具、紡織品等虛擬展示。紡織品虛擬展示是指將三維建模的紡織品依據自然狀態展示在人體、座椅、床等三維物體上，實現立體視覺效果。

國外對織物虛擬展示技術的研究較早，對靜態展示和動態展示都進行了研究，目前市場上已出現不少商業化的虛擬展示系統，如美國格柏的V-Stitcher系統，瑞士日內瓦大學的MIRALAB實驗室和H&M公司聯合推出的My Virtual Model試衣網站，韓國CLO Virtual Fashion公司開發的Marvelous Designer。我國關于三維虛擬展示的研究現階段處于發展期，杭州森動數碼科技有限公司與幾家知名IT科技廠家合作研發了“3D虛擬試衣”軟件，此外，浙江大學、中科院研究生院等一些科研院校也對三維虛擬展示進行了研究，取得了一定進展。

織物虛擬展示需建立三維人體模型、三維織物模型及展示空間的三維場景。三維人體是虛擬展示的主體，建模方法主要有幾何建模、三維軟件建模以及三維掃描數據重建等方法，其中，三維軟件建模方法使用最多；三維織物建模方法主要有幾何建模法、物理建模法（基于粒子系統）以及混合建模法（結合幾何與物理建模法）；三維場景是虛擬展示的空間，在三維場景模型建立基礎上，還可設定燈光、場景風格等，模擬真實場景效果。圖 6 為一款經編無縫服裝三維虛擬展示圖。

2 經編CAD技術的應用現狀

2.1 國外經編CAD技術的應用現狀

國外擁有領先的圖形學技術，對經編CAD研究水平較高，與國內相比，最突出的優勢是織物仿真方面，仿真效果逼真、速度快，可實現二維以及三維動態仿真。國外主要的經編CAD軟件有德國TEXION公司開發的Procad系統，EAT公司開發的Design Scope，西班牙CADT公司開發的Lace Drafting Software SAPO系統以及日本武村公司的SUPER LACE花型設計系統等。

德國TEXION公司研發的Procad花型設計系統分為Procad Developer、Procad Warpknit兩部分，該系統功能全面，性能一流，在市場上占有較大份額。Procad Developer軟件除設計功能外還包括Procad simulace以及Procad simujac模塊，這 2 個模塊用于多梳及多梳賈卡織物的仿真；Procad Warpknit由Procad velours，Procad warpknit3D這些子模塊組成，Warpknit適用于少梳、雙針床絨類織物及間隔織物的設計與開發，并可進行二維仿真、三維仿真，三維仿真時紗線可實現股線效果，仿真效果較逼真，操作方便。

Scope是EAT公司開發的專注于花型圖案設計的系統，其針對紡織品提花圖案的特點，開發了很多方便易用的設計工具。Procad和Scope的設計能力覆蓋了Karl Mayer公司所有的經編機型，是國外CAD系統在我國使用最廣泛的 2 套軟件。

西班牙公司開發的SAPO系統是一款花邊設計與仿真系統，能用于各類花邊工藝的設計，仿真效果出色；日本武村開發的花邊設計系統與SAPO功能相似，也主要用于花邊和賈卡提花織物的設計與仿真。這 2 套軟件主要在我國花邊企業中應用。此外韓國、印度、土耳其等國也有開發經編CAD系統，但沒有在我國推廣使用。

2.2 國內經編CAD技術的應用現狀

國內關于經編CAD的研究晚于國外，在初期以學習國外CAD的先進功能為主，目前在產品設計和仿真方面取得了一定成績，并針對國內設計需求自主研發了一些實用性強的功能。國內關于經編CAD的研發主要集中在一些高校。如江南大學研發的WKCAD系統，武漢紡織大學開發的HZCAD系統以及浙江大學設計的提花織物CAD系統等。這些CAD系統經過多年的開發，功能日趨成熟，除了在國內使用，還在日本、韓國、臺灣、土耳其、印度等經編企業集中的地區及國家得到應用。

江南大學研發的WKCAD在Windows操作系統上運行，人機界面友好，操作方便；系統兼容性強，可進行各類經編針織物的花型設計與仿真，包括多梳花邊織物、賈卡織物、高速和雙針床織物，并能設計特殊的無縫無底提花織物、鞋材織物以及WB浮紋織物等。WKCAD系統概況如圖 7 所示。

武漢紡織大學開發的HZCAD，可以設計多梳織物、賈卡織物和少梳織物，目前在花邊生產企業使用較多，設計功能靈活方便是其特色。浙江大學提花織物CAD系統在圖案設計方面的功能比較完善，在生產賈卡提花織物的企業中有大量應用。

此外，江南大學近年開發了基于互聯網的針織物設計系統iKDS，用于少梳織物設計和經編教學培訓。該系統將數據存儲在云數據庫中，用戶可在電腦或移動終端上直接通過網頁瀏覽器隨時隨地設計針織物。與單機版經編CAD軟件相比，iKDS客戶端無需安裝和維護，使用更方便快捷。

3 經編CAD技術的發展趨勢

經編CAD系統的問世，對提高經編產品設計效率、縮短產品生產周期起了很大作用，但隨著市場競爭日益殘酷，對經編CAD技術又提出了更高的要求，企業要保持設計和生產的競爭力，進一步研發、完善CAD技術是必然發展趨勢。

3.1 設計系統功能進一步拓展

目前，國內外經編CAD系統的設計功能已經齊全，但經編行業正面臨轉型，要在激烈的市場競爭中贏得商機，提高生產效率、產品質量，降低勞動成本是必然選擇。因此，經編CAD的設計系統功能需要更強大，設計方法更便捷、更人性化，有利于提高設計者的效率及織物質量。軟件開發人員需從設計者的實際需求出發，進一步拓展設計系統的功能，提供更可靠的工藝計算功能，如送經量計算、原料比計算、織物克重計算、產品成本估算等，幫助企業實現生產成本的精細化管理。

3.2 仿真技術進一步完善

經編針織物原料適用范圍廣，織物組織結構靈活多變，后整理方式復雜繁多，因此經編針織物的品種豐富，形式多樣，同時模擬織物的最終形態還需進行物理、力學性能等分析，對仿真技術要求高。雖然國內外CAD的仿真技術已經達到一定水平，但想要進一步提高仿真的真實性，研究人員還有很長的一段路要走，尤其是三維仿真技術。當前的CAD系統在三維仿真速度和仿真效果之間還很難找到一個平衡點，因此對三維仿真模型的建立及算法需進一步優化。另外對一些特殊織物的仿真還要進行深入研究，如軸向織物、雙針床提花織物、褶裥織物等。

3.3 CAD系統趨向于網絡化、智能化

現有經編織物設計通常是在單機版的CAD系統上完成，隨著電子商務、云服務器/云數據庫等新技術的迅速發展，為經編CAD技術賦予了新的設計理念與技術內容。基于互聯網的CAD系統是未來的發展趨勢。其使用環境靈活，只需要可上網的電腦或智能終端就能進行織物設計；維護成本低，客戶端無需安裝、維護，只要服務端系統升級，用戶就能擁有最新軟件功能；易于共享，企業銷售部門、生產部門可以根據權限在線查看企業設計工藝。

隨著經編企業向智能化、自動化方向發展，將智能技術引入經編CAD系統也至關重要，智能化的CAD系統除能存儲和調用數據及信息，還可輔助設計者進行工藝分析及產品設計，充分提高設計效率。

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