0 前言
近年来，以电子信息、生物工程和新材料等为核心的高新技术的迅猛发展，带动多种现代学科、现代技术的交叉融合，对传统产业产生了深远影响，纺织技术正在向智能化、自动化、连续化发展，高速高效、高灵活性、高品质和环保节能是纺织技术进步的主流，纺织数字化日益深入，正在彻底改变这一传统产业的面貌。这种数字化进程所促进的电子信息技术及计算机技术在传统纺织行业的实际应用，给整个纺织业的发展注入了巨大的活力，是未来纺织业进步的一个重要方向，同时也是实现新型纺织机械技术装备自主化的基础。纺织机械行业作为关系国计民生的领域更应该顺应这种趋势，通过信息化、数字化手段全面升级传统上落后的研发能力，进而提升行业的生产效率与质量。作为纺织行业产品数字化、信息化技术重要支撑的纺织专业CAD系统的研发和应用显得尤为重要。纺织专用CAD作为一种特殊的工业应用软件，因其简易的操作和对市场的快速反应能力而被国内外纺织企业普遍使用，成为加速新产品开发、增强市场竞争力的有效手段，针对织机研发领域，专用CAD系统的研发与应用也是数字化、信息化技术促进织机行业快速发展的一种有效方法与技术手段。
1 纺织行业专用CAD系统及其应用
目前，各种纺织专用CAD系统的开发和应用已日趋完善。如距市场最近的服装CAD系统、织物组织CAD系统、纹织CAD系统、印花CAD系统、绣花CAD系统、测配色CAD系统、针织CAD系统，这些系统几乎全部已用于纺织工业的下游行业，适应了现代纺织品消费的多品种、小批量、快交货、高艺术、高技术含量和高附加值等要求，也为纺织业的工业化生产提供了效率倍增的途径。
1.1 服装CAD系统
服装CAD系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是软件系统的载体，一般包括数字化读入设备、电脑、输出设备；服装CAD的软件是硬件的灵魂，从功能上来分一般包括服装款式设计系统、服装纸样设计系统、服装样片推码系统、服装样片排料系统与试衣系统等。
近年来随着CAD技术的开发与发展，软件价格逐渐合理化，价位有了较大的下调，尤其国产服装CAD软件，可自由选购不同的系统组合，很容易实现个人电脑打板，服装CAD发展迅速。同时，随着近期以个性化的客户为中心、以模块化设计和零部件标准化为基础、以快速反应生产为标志的服装大规模定制这种新型制造模式的出现与繁荣，对作为基础的服装CAD系统的需求加剧，也将成为服装CAD系统快速发展的契机。
1.2 织物组织CAD系统
织物组织CAD系统一般指用于色织厂、织造厂在普通织机和多臂织机上生产的小花纹或色织织物的计算机辅助设计系统。机织物CAD系统一般包括组织设计功能、纱线设计功能、图案编辑功能、织物模拟功能与文档管理和工艺计算功能。其原理在于利用计算机图形图像技术将织物设计人员的设计意图以织物仿真模拟的方法快速、形象、直观地在计算机显示器上显示出来，设计人员在计算机上输入织物组织、纱线排列和纱线种类后，计算机可自动生成织物模拟图像。设计人员可以简单方便地改变织物组织、纱线排列，对织物模拟图上各种色彩的经纬纱线进行任意的调色与配色，将设计思想完全地表达出来，从而在织物上机织造之前就能看到实际织造的结果，以达到辅助与快速设计的目的。其非常适应纺织市场多品种、小批量、快交货的要求，具有很大的发展空间，近几年发展迅速。
1.3 纹织CAD系统
人工设计大型纹样、多层组织的提花织物，仅意匠绘制和轧花就需耗时数月，采用纹织CAD技术可提高设计速度几十倍。纹织CAD系统是以计算机为主要手段来完成和运用各种数字信息和图像信息，以进行纹织产品设计的计算机辅助设计系统。纹织CAD系统的硬件配置基本上分成三大部分，即主机系统、输入设备和输出设备，计算机硬件的性能对系统性能有重要的影响。纹织CAD系统的软件构成与系统硬件的配置密切相关，系统一般可实现如纹样扫描、图案编辑、意匠修改处理、纹版处理及纹版冲机等功能。
作为一种现代化的有效手段， 纹织CAD系统的应用有效代替了传统的设计工作，从而提高了企业的产品开发速度、降低了产品的开发成本，为纺织品的多品种、小批量生产，快速适应市场需求创造了有利条件。目前，纹织CAD系统在工艺处理方面基本达到全自动化的水平，而在图案的智能化创作、仿真织物效果模拟、系统的网络化、协同化应用及多功能化等方面有待提高，是未来发展的一个热点。
1.4 印花CAD系统
印花CAD系统是利用计算机对织物印花图案进行设计及制作黑白稿，可代替传统的手工画稿、扫描、连晒、感光制版等工作，实现美术图案创作过程中的计算机辅助设计。印花CAD系统的硬件一般是由输入设备、图形工作站与输出设备组成。可实现印花图案设计、并色修改、分色制版等基本功能。
浙江大学新近开发成功的印花CAD设计系统，解决了图形拼接、连曝连晒、边界复色以及放大、缩小等手工处理较繁较难的工艺问题，加速了设计者创新的进程。印花CAD设计系统的可视化编程，使图案色彩得到逼真的还原再现，画面直观、感性，十分方便修改或创新打印图案，代表着印花CAD系统的先进水平，在此基础上的完善与提升，是未来印花CAD系统发展的一个重要方向。
1.5 绣花CAD系统
绣花CAD系统主要是对绣花花样进行计算机辅助设计，并将设计的花样格式转变为绣花机的针法，进而生成绣花机能够识别的纸带或磁碟，用于单头或多头电脑绣花机的生产。一般具有花版编辑、花版管理与花版输出等基本功能。绣花CAD系统内部通过集成丰富的图形功能，可快速高效地生成精致而美观、符合客户个性化要求的花版，可提高产品的设计效率，进而提升产品的市场竞争力。未来的发展方向重点在于增加系统的功能，提高系统的智能化与集成化。
1.6 测配色CAD系统
测配色CAD系统通过对来样进行测色，精确测量染料的成份，测定织物色差、褪色牢度、沾色牢度、白度、亮度等指标，然后根据测色对色号、染料进行检索，最后利用同色异谱效应提供多个配方，优选出最佳配方，打印输出，实现系统自动进行打样配色的目标。系统一般可实现测色、色号、染料检索与配色等功能。
测配色CAD系统通过改变传统意义上繁复的人工打样配色任务，借助于计算机实现系统自动打样配色目标，提高了配色精度，降低了生产成本，同时也减少环境污染，有利于企业的长远发展与进步。目前的热点在于提高系统的稳定性、集成度、智能化与协同化。
1.7 针织CAD系统
针织CAD系统，即针织品计算机辅助设计系统，是实现针织物设计更加方便快捷的软件系统，概指针织圆纬机CAD系统与针织横机CAD系统两种不同的系统。其中：针织圆纬机CAD系统是将针织线圈抽象成一个个方格，用规定的符号画在格内，以示织物线圈组织规律，然后在计算机屏幕上进行花型设计，经软件处理，转换成电脑提花圆纬机和电脑提花织袜机所能通用的数据格式进行生产。一般具有花型输入、图形编辑与数据转换等基本功能；针织横机CAD系统可以设计计算出羊毛衫、羊绒衫产品的生产工艺数据，输出工艺图和工艺单，便于针织横机生产。一般具有产品设计、单件重计算、折合转计算与打印尺寸表等基本功能。
针织CAD系统通过将设计人员从繁复的工作中解脱出来，使其在关键的花型和款式设计上投入更多的精力，从而加快新产品的研发进度，进而提升产品的市场竞争力，可以为企业带来更多的利润。近年来通过对理色功能的研究与应用，针织CAD系统发展迅速，未来的研究热点主要集中在提高系统的集成度与协同化方面。
总体上而言，我国纺织专用CAD系统发展迅速，能够较好地满足企业的实际需求，但在智能化、集成化与网络协同化等方面水平偏低，需要改进。
2 织机设计专用CAD系统及其应用研究
目前计算机辅助设计制造领域的热点问题是将参数化设计技术与CAD软件二次开发技术相结合，根据具体产品设计需求对通用CAD系统进行专用化的研究与开发，开发自主的CAD系统。它能够极大地提高产品设计效率，实现快速设计，提高产品竞争力。有关这方面技术的研究，国内外已经广泛地展开。韩国Y.J.Chang等人运用AutoLISP及Visual Basic开发语言，基于AUTOCAD平台开发出了用于内齿轮油泵集成快速设计的二维设计平台；杨海飞等人利用Visual Basic语言开发了一个基于SolidWorks的螺纹连接标准件库，用于实现螺纹连接件的快速自动设计；李宇彤采用VBA、Visual Basic开发语言，开发出了一套基于AutoCAD软件的专用液压缸智能计算机辅助设计系统，可以实现液压缸主要尺寸参数的初始估算、零部件结构的参数化设计及设计结果的工程分析校核等工作；邓春晓采用Visual Basic开发语言，研制开发了基于AutoCAD软件的DT Π型带式输送机计算机辅助设计系统，可以实现选型设计过程的程序化与零部件的参数化绘图；安向东基于AUTOCAD 平台研制了用于纺织机械设计的液压传动CAD系统，可以实现液压元件的流体静力学计算、流体动力学计算、液压元件计算、液压元件查询、液压系统图绘制等功能。从研究的现状来看，大多集中在模具、汽车等标准比较完善、机电一体化水平较高的行业，取得了一系列的良好收益，而在纺织机械行业的研究与应用很少，很自然就在一定程度上制约着整个行业的进一步发展。
计算机辅助设计技术已较好地实现了特定零件的参数化设计，但针对部件级的参数化设计方法的研究还很少；系统的开发主要是针对二维的，三维系统的开发还很少；直接面向纺织机械行业的研究与应用更少，面向织机行业的专用CAD系统的研发未见报道。安向东基于AUTOCAD平台研制了用于纺织机械设计的液压传动CAD系统，属于传统二维CAD系统。随着设计方法与设计工具的极大进步，2D设计系统由于效率低下、功能单一及兼容性差等诸多问题，终将被有着众多优点的3D系统所取代；同时，目前所开发的绝大多数专用CAD，功能单一，仅仅停留在设计建模这一块，没有形成一种包含已有设计资源、可实现快速变型设计、分析仿真等更多功能的集成专用CAD系统，以更好地提升织机设计制造水平。
3 一种基于数字化技术的织机设计专用CAD系统概述
传统织机产品的研发过程中，设计人员往往陷入重复绘图的不利状况之中，耗费了宝贵的研发时间，限制了创新思维的充分发挥，是制约整个织机行业发展的一个重要因素。同时随着设计方法与设计工具的极大进步，二维CAD系统由于效率的低下、功能单一及兼容性差等诸多问题，不再适应设计工作的需求。
针对上述问题，笔者以SolidWorks为开发平台、以VB为开发工具，提出建立一种针对零、部件级，面向三维的织机关键零部件专用CAD系统的思路。这种专用CAD系统是一种广义上的CAD系统，不仅仅包括计算机辅助设计部分，还包含计算机辅助分析CAE及产品数据管理等功能。
系统总体方案设计框架图如图1所示。包括四个主要组成部分：通用CAD系统，定制的用户界面模块，程序设计模块和数据管理模块。
图1 织机数字化设计专用系统总体设计框架图
通用CAD系统是产品参数化设计系统的宿主，是实现系统功能的基础；
定制的用户界面模块包括登录界面、系统选项界面、3D图库界面、原型推理机设计界面、CAE分析与仿真界面，可以实现设计计算及分析仿真的功能，也可以实现数据管理模块的功能，提供给用户进行交互的设计操作；
设计计算及分析仿真程序模块:主要由产品选型模块、一般设计与计算模块、原型推理优化设计模块、分析与仿真模块及其他功能模块组成，完成产品设计分析和零部件及织机设备产品的参数化设计工作；
数据管理模块，由数据库管理系统和数据库组成，负责对产品设计专用系统的数据的管理。系统数据库是在参数化零部件库的基础上建立的，包括专用基础件(包括通用件、专用件及标准件)数据库、部件数据库、产品设备(装配件)数据库和一些辅助信息库，其中专用基础件数据库是实现设备数据库的基础。
该专用CAD系统由多个窗体组成，限于篇幅，本文仅对一些主要窗体进行介绍。系统主窗体如图2所示，是一个集成各子功能模块的系统界面，通过调用各子窗体进行交互操作得以实现系统的所有功能。
系统登录窗体的运行效果图如图3所示，主要用于防止非法用户进入系统内部进行非法操作，保障系统操作安全。用户管理窗体的运行效果如图4所示，主要功能是实现对于用户信息的增、删、改、查等操作。操作员权限管理窗体的运行效果如图5所示，主要功能是针对不同的使用者赋予相应权限的操作。系统选项窗体的运行效果如图6所示，主要功能是集成一些常用的系统功能以利于系统的快速操作。
织机3D图库窗体如图7所示，主要功能在于对系统中存储的织机基础信息进行操作、查询、修改与完善等操作。基于原型推理辅助设计模块主窗体如图8所示，主要功能在于实现织机零部件的快速变型设计。
图2 织机数字化设计专用系统主窗体
图3 登陆窗体
图4 用户管理窗体
图5 操作员权限管理窗体
图6 系统选项窗体
图7 织机3D图库界面
图8 基于原型推理辅助设计模块界面
对织机设计与制造加工行业而言，通过有效整合和利用现有织机零部件资源，建立一种可作为纺织机械基础信息资源支持平台的织机专用系统，为其添加进高效的推理模式与产品智能设计技术，可以极大的提高织机设计效率，缩短产品上市周期。
4 结论
本文首先详细介绍了作为纺织机械行业重要数字化创新技术的各类专用CAD系统及其研发现状，接下来分析了织机设计领域CAD系统的研发现状，针对织机设计领域缺乏专业CAD系统的不利因素，提出并详细描述了一种集成各种数字化、信息化手段的织机设计专用CAD系统设计思路，最后对正数字化创新技术在纺机设计中的应用进行了展望。
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本文标题：浅析数字化创新技术在纺织行业中的应用
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