（纺织工程专业论文）三维熔粘布设备和工艺的分析研究.pdf

摘要 “熔粘布”是一个全新的纺织产品概念，重新分类和界定了现实应用中的一类产 品，熔粘布及其同类产品生产基本都要用“一步织”的工艺过程这也是熔粘布的特征 和分类依据，“一步织”也是一个纺织上刚被承认的概念，产生于研究熔粘布的过程。 目前熔粘布类产品主要是产业用纺织品，用于土木工程，产品包装( 酒瓶，蒜袋等) ， 桑蚕业等以及其它工业用途等。 熔粘布经过热变形后定型： 艺可以制成具有三维结构的三维熔粘布，( 又称三维 植被网垫或立体网) 是一种新型的环保固土材料，本文从研究熔粘布复合成型机工艺 开始，讨论分析了该设备的两个工艺问题。即加热区设计问题和啮合成型机构的结构 设计问题，随后提出了设备改进方案。在研究两个工艺过程时发现两个工艺过程中有 一个共同之处就是解决问题的过程基本都相同。进而可以将这个过程提炼出来，由对 三维熔粘布成型机的工艺中共同过程的研究引出了在纺织工艺设计中引入“设计模 式”概念的论题，又进一步讨论了其应用和意义。 正文中第一章介绍了三维熔粘布的主要工艺原理和生产设备；第二章重点分析了 两个工艺问题，并结合数学建模，计算机模拟分析解决问题的过程并阐述了设备改进 的设想。第三章则通过总结第二章中的工艺问题的共同特征引出了在工艺设计中引入 设计模式的构想，而且通过一个实际的例子给出了提取模式的过程，最后着重讨论了 在纺织工业中使用设计模式的意义，即通过模式思想的引入来重新科学的组织分类复 杂的纺织工艺问题，使纺织工艺的知识更加系统化理论化，进而更加有效的推动重用 过去的经验和计算机仿真模型。在计算机技术广泛应用的条件下，通过重剧和继承来 发挥基于计算机仿真的工艺设计在节约成本提高工作效率上的潜力更加有意义。第四 章主要简单介绍了在解决工艺问题过程中使用的自行开发的小程序。 关键词：熔粘布三维熔粘布工艺设计c a d 设计模式 a b s t r a c t i o n m e l t g l u ec l o t hi saa b s o l u t e l yd e wp r o d u c tc o n c e p t i o ni nt e x t i l ei n d u s t r y i tc l a s s i f i e da k i n do fp r o d u c t t h em e l t g l u ec l o t ha n dt h i sc l a s so fp r o d u c t si sm a d et h r o u g ha s p e c i a l p r o c e s s “i m m e d i a t ew e a v e a no t h e rn e wc o n c e p t i o ni nt e x t i l ep r o c e s s e sc o n c e i v e di nt h e s t u d yo fm e l t g l u ec l o t h m e l t g l u ec l o t hc a nb eu s e di nm a n yf i e l d ，s u c ha sl i n e ri ns p o t s g a r m e n t s ，p a c k a g i n gc l o t ha n do t h e ri n d u s t r yu s e s m e l t - g l u ec l o t hcanb em a d ei n t ot h r e ed i m e n s i o ns t r u c t u r eb yh e a tf o r m i n gp r o c e s s t h e p r o d u c tb ec a l l e d3 dm e l t g l u ec l o t ho re r o s i o nc o n t r o lm a t ( e c m ) i nf o r e i g nc o u n t y i ti s ak i n do f n e w p r o d u c tw i t ht h r e ed i m e n s i o ns t r u c t u r et h a tb eu s e di ne r o s i o nc o n t r o lw o r k s ， a sb e g i n n i n gis t u d yt h et w om a i np r o c e s s e so f3 dm e l t g l u ec l o t hc o m p o s i t em a c h i n e ，t h e p a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no fh e a t i n gu ps e c t i o na n df o r m i n gd e v i c ed e s i g n a f t e rt h a tt h e m a n u s c r i p tg i v eac o n c e i v i n go fn e wi m p r o v e m e n to nt h em a c h i n e i nt h ep r o c e s so f s t u d y i n gt h ep r o c e s sc o n f i g u r a t i o nif o u n dt h a tt h et w os o l u t i o no ft h ep r o c e s sp r o b l e m s w e r ei ns a m ef o r mo rp a t t e r n s oie x t r a c t e dan e wi d e af r o mt h a tw h i c hc a nb eu s e dt o s y s t e m a t i z et h ep r o c e s sp r o b l e m si nt e x t i l ei n d u s t r y h e r ei m p o r t e dan e wc o n c e p t i o n “p a t t e r n ”，b e s i d e s ，t h em a n u s c r i p tp r e s e n t e dd e e pd i s c u s s i o no nt h en e w i d e a i nm a n u s c r i p tp r e s e n t e dai n t r o d u c t i o no f t h e3 dm e l t g l u ec l o t hc o m p o s i t em a c h i n ei nf i r s t c h a p t e r i nt h es e c o n dc h a p t e rp r e s e n tt w os o l u t i o n so ft h ep r o c e s sc o n f i g u r a t i o nb y m a t h e m a t i c m o d e l i n ga n dc o m p u t e re m u l a t i n ga n dt h es u g g e s t i o n o fm e c h a n i c a l i m p r o v e m e n to nt h e3 dm e l t g l u ec l o t hc o m p o s i t em a c h i n e a f t e rt h ed i s c u s s i o ni nt h e c h a p t e rt w o ，i nc h a p t e rt h r e ew ee d u c e dt h en e wi d e at h a ti m p o r t “p a t t e r n ”a san e ww a yo f o r g a n i z i n gv a s tc o m p l e xp r o c e s sp r o b l e m si nt e x t i l ei n d u s t r y w i t hr e o r g a n i z i n gb yt h e p a t t e r n ”，t h ek n o w l e d g ei nt e x t i l ei n d u s t r yw i l lb em o r es y s t e m a t i z e da n dm o r ee x p e r i e n c e a n de m u l a t o rw i l lb eb e t t e rr e u s e d i nm o d e mi n d u s t r ye l e c t r o n i c t e c h n i q u eb ew i l d l y e m b o d i e di na l lk i n d so fi n d u s t r i e si n c l u d et e x t i l e ，s oi ti sm o r ei m p o r t e dt or e u s et h e e m u l a t o r sa n de x p e r i e n c e sa si tc a ns a v el o t so fo u rm o n e ya n dt i m e a tl a s tc h a p t e r j u s ta b r i e fi n s t r u c t i o no ft h ec o m p u t e rs o f t w a r et h a tb ed e v e l o p e dt oe m u l a t et h ep r o c e s st h a t m e n t i o n e di nc h a p t e rt w o 【k e y w o r d s ：m e l t g l u ec l o t h3 dm e l t - g l u ec l o t h p r o c e s sc o n f i g n r a t i o n c a d p a t t e m 独创性声明 6 2 7 4 4 6 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞挂王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吖呵 签字日期丑形年1 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云连王些左堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳可 、j 汗 导师签名 净 签字日期多纱形年月歹日 签字日期：，二_ 叫年1 月，日 “熔粘布”1 1 - 2 l 是在研究一种新的土工产品时产生的一种纺织产品新概念，它突 破了传统纺织概念，同时也将现实应用中的一大类产品按其制造机理归为类，又在 生产中创新的提出“一步织”1 3 l 的新型纺织工艺概念，为纺织的发展开辟了一个全新 的产品和应用领域。熔粘布的基本结构有别于传统的机织布，传统的机织布是由经纱 和纬纱交织而成，成布是靠经纱和纬纱的摩擦力来取得稳定的结构，而熔粘布的经丝 和纬丝是靠高聚物材料本身在熔粘点热熔粘接合在一起而形成布的稳定结构，如图 o 一1 所示： 图0 1 传统机织布和熔粘布的结构对比 图0 1 右上方是传统机织布交织点结构的示意图，左图和右下为熔粘布熔粘点 结构示意图i 这种结构与传统的机织结构相比，具有尺寸稳定强，特别是制成网状织 物，布面强力大等优点，其工艺流程短设备简单，通过化纤改性或采用人造纤维素长 丝、人造蛋白质长丝也可以尝试制造可贴身服用的织物，目前只有一部分运动装的衬 里采用此种产品。下表是熔粘布与传统机织物i l l 的综合比较。 表i 熔粘布与传统机织物的比较 结构方面生产方丽 颈舀燃牯布机织布项嚣熔猫审机织稚 熔粘布主要在产业用，其规格各异用途也不同，丝细的可以应用于包装或特种织 物的加强材料和支撑材料等1 4 i ；丝粗的就可以制成土工网挚用于水土保持，河堤路基 的防护等。以高聚物为原料的熔粘布还可以经过热定型和复合制成一种具有三维结构 的三维熔粘布，已经被广泛应用在路基防护水土保持等领域，这种产品的设备和工艺 就是本文讨论的主要内容。 三维熔粘布( 又叫做塑料三维植被网垫，国外产品名为e r o s i o nc o n t r o lm a t 或缩 写e c m ，也可叫做“立体网”。根据专利名称1 5j ) 是一种新型的土工材料，近年来在 国内外广泛应用于增强路基或河堤的防护，阻止水土流失。是一种造价低廉而有效的 固土材料。其机理是在植草平面上铺上一层有立体结构的三维熔粘布，将草籽和土壤 播撒到其中，这样可以在草长出来以前保护嫩草或草籽不会受到雨水的侵蚀随土壤一 起被带走；到草长大以后其根系在网中穿插并深入到地下土壤，使整个草皮形成一个 整体互相借力，在土壤表面形成坚固的保护层m j 。 三维熔粘布结构如图0 2 所示，是由两层或三层高聚物制成的熔粘布组成，上 层是经过热变形定型处理的波浪状，通常为了加强结构抗压性要两层或三层复合在一 起；下层是一层或两层平面熔粘布，主要起保形和加强结构稳定性作用，层与层之间 在接触点处被局部加热熔粘合在一起。 图0 2 三维熔粘饰 功能上将三维熔粘布还有以下两种类似产品： l 、由塑料长丝编结而成的软体三维网，如图o 一3 所示 图0 3 经编三维网垫 主要用在坡度不是很大的地方的路基和大面积植草。 2 、塑料经过模具加工和拉伸制成的板状三维网如图o 4 所示 图o 一4 板状三维网 主要用在河滩或坡度较大的植草平面，但此种立体网格造价比较高，不适合大面 积使用。 目前，我国用量比较大比较成功的还是三维熔粘布，在国内该产品已经被成功用 于铁路边坡防护，1 9 9 8 年铁道部门推广试验，约使用2 5 万平方米，节省工程造价约 4 0 0 万元。图0 5 为当时的施工现场。 图0 5 铺设三维熔粘布施工现场 1 9 9 9 年推广应用，约使用5 0 万平方米，可节省工程造价约8 0 0 万元。2 0 0 0 年又 推广应用，约使用8 0 万平方米，又可节省工程造价约1 2 8 0 万元i “。其他还有江苏汾 灌高速公路路基边坡防护，三峡工程路堑边坡防护，宁夏古王高速公路工程，京九铁 路路基等大型工程。该产品的使用和生产的规模j 下在不断扩大，具有很好的社会效益 和市场前景。目前，国内已有多家单位可以生产和经营这种产品，如青岛海宁塑料机 械有限公司，泰安经纬塑料有限公司，绍兴耐特，河北沧州东风塑料集团，江苏丹阳 鼎泰工程材料公司等等，市场基本呈现供不应求的状态。 随着生产的不断扩大，设备的工艺问题也逐步显现出来。本文着重分析了我校自 行研制的三维熔粘布生产设备中的主要工艺，通过建立计算机仿真模型，分析解决工 艺问题，根据分析提出了对该设备的改造意见。最后总结了在分析和解决问题过程中 所用到的方法和思路，对其进行了扩展讨论。 正文 第一章三维熔粘布生产工艺和设备介绍 一、概述 纺织是近代工业的先行者，经过几百年的发展从手工到机械化，发展到了现代， 为了节约成本提高效率，产生了许多新的纺纱与织造方法，利用物理化学等其他手段 使工艺不断整合，减少工艺步骤。在纺纱方面，我国纺织界曾提出“二步纺”，如今 已能实现，即“清钢并联+ 新型纺( 转杯纺、摩擦纺、喷气纺等等) ”，j 卸对，人们又利 用仿生原理仿桑蚕吐丝的方法，纺制出各种化学长丝，例如：涤纶丝、锦纶丝、 丙纶丝等等，实现了一步纺；在织布方面，也有许多新型无梭织机的研制开发成功， 例：喷气织机、剑杆织机。从而促进了纺织工业的迅猛发展。在研究熔粘布的生 产过程中，提出了“一步织”的概念。它的特点是成丝与织造在同一机台上一次完成， 在制造概念上较传统纺织是一个飞跃。高聚物( 聚乙烯、聚丙烯等) 平面熔粘布经过 热定型和复合就是三维熔粘布。 二、三维熔粘布工艺介绍 1 、平面熔粘布 1 1 制丝原理 熔粘布的制丝过程基本与熔体法仿丝相同。众所周知，制造化学长丝的方法很多， 有熔体纺丝法l 、溶液纺丝法( 于法纺丝、湿法纺丝) 等等，其中熔体纺丝法的工艺 流程如图1 1a 所示。 螺耗 切片料头 卷铙簿管 ( a ) 容体法仿丝工艺流程( b ) 喷丝板示意图 图1 - 由图1 - 1a 可见，固体高聚物经加热后成熔体f 液体) ，又经螺杆的挤压由喷丝板上 的小孔输出而成丝。喷丝板上的孔，其孔径的大小、数目的多少、孔形的变换及其分 布的情况视具体情况而定。 现假设：块喷丝板上有8 个均布的小圆孔，如图l lb 所示，那么经喷丝板的 孔而挤出的产品就是8 根圆截面的长丝。 孔 喷 丝 萝m弋夕m厂k 1 2 成布原理 假设( 参见文献 8 】) ： ( 1 ) 上述喷丝板是由内喷丝板( 一圆板) 和外喷丝板( 一圆环) 组成。 ( 2 ) 外喷丝板固定不动，内喷丝板作顺时针方向旋转，其阃隙很小( 不会从缝隙中 挤出原料) 。 ( 3 ) 8 个圆孔的中心均布在内喷丝板和外喷丝板的交界圆上，即每个圆孔的一半在 内喷丝板上，一半在外喷丝板上，如图1 2 所示。 o f a ) 岛 l b ) 口睁 f c jd ) o f e l 图1 2内、外喷丝板运行过程示意图 当设备运行时，就会发生下列几种情况： ( 1 ) 内、外喷丝板之间的相对位置在不同瞬间的情况： 如图1 - 2 ( a ) 和图】- 2 ( e ) 所示，那么，此时内喷丝板和外喷丝板的小孔完全重 合在一起，机器生产出的产品如制丝时一样，仍然是8 根圆截面长丝。 如图1 2 ( b ) 和图1 2 ( d ) 所示，内喷丝板和外喷丝板的小孔不完全重合时，从 喷丝板挤出的长丝数仍然是8 根，但截面是异形的，所以得到的是一种异形长丝。 如图3 ( c ) 所示，内、外喷丝板小孔分开时，从内喷丝板和外喷丝板的小孔挤出 的仍然是长丝，但长丝数目由8 根变为1 6 根，并且每根长丝的细度变细了，是上述长 丝细度的一半，其截面是半圆形的。 ( 2 ) 成布过程情况：当外喷丝板固定不动，内喷丝板不断地顺时针方向旋转时， 则熔料不断地从内、外喷丝板上的小孔中挤出，即得到我们称为的长丝。内、外喷丝 板上的小孔分开时，外喷丝板的小孔挤出经丝，内喷丝板的小孔挤出纬丝，它们的粗 细情况与( 】) 、巾得到的长丝的细度一样：当小孔重合时即形成熔粘布的熔粘点。靠 内喷丝板的旋转，使内、外喷丝板上的小孔不断的分丌与重合，就可得到熔粘布。 为详细说明问题，现再设两个条件：如图l 一3 ( 内、外喷丝板示意图) a 长丝挤出方向由纸内向纸外。 b 外喷丝板挤出经丝的线速度与内喷丝板旋转小孔挤出纬丝的线速度相同。 那么，从图1 3ar 展开图) 可见： a 由外喷丝板上的每半个小孑l 挤出的是经丝( 1 ，2 ，3 ，8 ，) 。 b 由内喷丝板上的每半个小孔挤出的是纬丝( 1 ，2 ，3 ，8 1 。 成布过程如下： 刚开始时，由内喷丝板处挤出的作旋转运动的纬丝1 和由外喷丝板处挤出的喷丝 位置固定不动的经丝1 在1 l 点粘合由于纬丝1 是旋转的，经过一段时问后：纬 丝1 和经丝2 在点1 2 粘合，继后纬丝l 和经丝3 在点1 3 粘合，一直到纬 丝1 和经丝8 在点1 8 粘合，接着纬丝l 又和经丝l 在1 l 点粘合，这是一个循 ( 内、外域丝扳承意图) 圭幺 粘台蔗 l 2 。3 4 5 f 6 7 。8 ( 展开圉) ( a ) 成布过程示意图( b ) 圆筒状熔粘布 图1 3 环的结束点也是下一个循环的丌始点。 同理：作旋转运动的纬丝2 也可与经丝( 2 ，3 ，8 ，l ) 在粘合i 点( 2 2 ， 2 3 ，2 8 ，2 1 ) 处作循环粘合；，作旋转运动的纬丝8 也可与经丝( 8 ，1 ， 6 ，7 ) 在粘合点( 8 8 ，8 1 ，8 6 ，8 7 ) 处作循环粘合。 机器不断地运转，于是，生产出一个圆筒形的网状物，在输出的过程中，若用一 把切割刀将圆形网状物剖开，就得到一次成型的熔粘布( 参见图1 3 ) 。 分析：在熔粘布中，由外喷丝板处挤出的经丝( 1 ，2 ，3 ，4 ，8 ) 在展开 图中是垂直方向的，从理沦上讲，其长度足可以无限长的，相当于机织布的经纱：由 内喷丝板处挤出的纬丝( 1 ，2 ，3 ，8 ) 在展开图中呈倾斜的4 5 。角的直线，当外 喷丝板处挤出经丝的输出速度 h ) 对h 的安全范围无影响。 以上结论经辅助程序的反复验算和与实际的对照证明，以上所讨论的线性关系 均正确，本数学模型也基本反映了各参数之问的实际关系。对于采用链条，4 0 a ， 4 8 a 时的情况并没有在本设备上作实际上机试验，只是用机械设计的理论计算而得 ( 即通过本模型得到) 的结论。( 模型的使用参见所附计算机软件) 至此仿真模型的计算机试验过程结束，说明本仿真模型基本可用。有一定的设计 参考作用。并可通过实际上机不断校验准确。 三、设备机构改进设想 l 、对加热区的改进 如上面对加热区的分析可知，在满足工艺要求的时候加热区对三维熔粘布的预热 和加热区在熔粘布给进方向上的长短关系不大，只与加热器的功率，熔粘布吸热效率 和熔粘布经过加热器的速度。所以，对于加热区的设计可以作如下改进设想，如图 3 一l 所示 住蔼罐 f l 新j i 到热瓷 璐磐i ? 。 ，f 、l 热传出嚣、 r l ， l ju 、藿( ) oi。# ，。， 纩 、馕 ，k 产、 j i - - ，- ， 图3 1 加热区的改进设想 1 ) 缩d , h n 热区的长度，加热区的长度与加热效果基本没有关系所以考虑减小 加热区的长度，好处是可以防止熔粘布因受热变软粘在加热器上，另外可 以减小热损失。 2 ) 在加热区上方加上，热辐射反射平面，减少热损失，材料可以考虑陶瓷或 有反射作用的钢化玻璃。 3 ) 在熔粘布下面加一对滚轴，一方面可以将熔粘布从加热面上抬起来，另一 方面可以减少熔粘布在的加热面上的摩擦。 4 ) 在烘箱内改变放热瓷管的排布，减小加热区的长度。 2 、对三层复合焊接区的改进 热粘合区采用热油加热的热棍对三维熔粘布进行局部加热与平面熔粘布焊接，缺 点是机构复杂加热温度反映慢经常出现由于热滚温度过热大面积的平面熔粘布被熔 化。就以上机构上的缺点提出以下机构改进方案。 图3 2 粘合机构的改进设想 1 ) 将加热辊的界面形状改成正多边形，如图3 2 所示提高加大放热面加热效 率。 2 ) 加热热源采用内置到热滚中的电热瓷管，其排列如图所示均匀的在圆周方向 排列，可以对整个热辊外表面进行均匀加热，电热瓷管比较容易控制温度， 调节反应比较快，而且机构简单。 3 ) 热辊的安装位置改到前面与前链轮相切的地方，如图3 2 所示这样，焊接点 在泡钉的支持下，突出接近加热辊，就可以避免熔化大块的熔粘布。 3 、改进后的优点 对加热区的改进主要作用是减少平面熔粘布熔化在烘箱中的情况发生，而且可以 减小设备的占地面积，新的安装结构可以更有效的减少热损失；对粘合部分的改造减 小了平面熔粘布在热粘合时与粘合辊的接触面积，可以避免实际生产中平面熔粘布因 受热过渡而粘在加热辊上。采用电热瓷管作为热源以后替代了原来笨重复杂的热油循 环加热系统，调节温度反映速度快。同时也大大减小了设备占地面积。 第三章由三维熔粘布生产工艺研究引出的理论问题 纺织工艺中的设计模式问题 一、问题的引出 在以上的工艺研究过程中我们可以注意到两个工艺问题基本上是用的同一种思 路，如图4 1 所示 图4 1 从具体工艺问题到抽象过程 即第一步，综合物理化学和机械等方面的知识分析出相关参数；第二步，建立瞬 间数学表达式：第三步，将瞬蒯表达式输入计算机，在计算机中编制仿真程序，第四 步，根据输出仿真结果得到各个工艺参数的配置关系，分析数据。 我们可以称以上的这个过程为一个标准过程或一种模式。对于其他的工程中的工 艺问题也可以用类似的过程和方法来解决问题，特别是纺织中的工艺问题，纺织上的 工艺问题都是比较综合的问题，工艺种类繁多，有化学的，物理的。一直以来就缺少 系统化的分类和整理，这里指的是从解决问题的方法角度的横向的分类整理，而不是 基于具体问题本身( 如按生产原判分类) 的纵向的分类。横向的分类是抽象的，这种 抽象把解决一种问题的综合方法和过程以及其巾的部分数据封装到一起，这里暂时称 这种分类的节点为“模式”，按照问题本身的特征分类整理。如图4 2 所示 耧，樊疗浊t 崩， r 魏织卜艺 钲) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 她- li 饪式2 i 模) t3 模，弋4 “”采承其体妇芝问题 图4 - - 2 新的工艺分类方法与传统分类方法的对比 这样可以更加容易的将纺织这一工程领域中积累的科学方法推广到其他学科领 域，也有助于纺织科技本身的发展。特别是在计算机技术广泛应用的条件下，如果没 有对行业中科学问题整体的一个统一和标准化，就很难实现纺织行业整体的发展和升 级，发展速度总是不变，只有科学总结过去的经验，才能不断的节约成本和时间，不 断的加速发展。基于问题特征的分类方法或称基于“模式”的分类方法，将整个纺织 科学体系有机的组织了起来，不仅可以从具体问题中抽象出模式，也可以从一些模式 中找到问题的共同特征，再进行一个更深层次的抽象，形成纺织科学体系，更易于科 学经验的积累。如下图所示 继 承 是h 镶 图4 3 模式与具体问题之间的关系 下面就讨论从三维熔粘布工艺研究中引出的观点基于计算机技术的纺织工 艺设计问题中应用设计模式的意义。 二、传统工艺设计过程与基于计算机的工艺过程的比较 设备工艺参数的合理配置一直是影响纺织产品质量的决定性因素，也是许多纺织 工程师的主业，在计算机技术大量应用以前，大部分的工艺调整和计算都是通过经验 公式，手工计算，然后进行f 交工艺试验设计，工艺试验，但存在以下几点不足。 1 ) 工艺设计调整完全基于经验，对新产品开发显得力量有限。 2 ) 试验成本高。纺织工艺通常比较繁琐，很多工艺试验都要多车间合作，动用许 多设备完成和人力，并且需要耗用大量的原料。 3 ) 虽然进行正交试验设计，但试验采样点毕竟有限通常只能提高一小部分的效率， 或节约一些成本，没有能够将工艺优化的潜力挖掘出来，无法了解工艺参数变 化过程的全貌 随着计算机技术的广泛应用，提供给工程师更高速快捷的运算手段，也可以处理 更大量的数据，这就意味着可以进行更精确的工艺试验，可以通过系统仿真对工艺首 先进行模拟试验，然后根掘模拟结果再到车间进行实际的试验，这样既节约了成本也 省去了反复探索的时间的浪费，这种过程在织物纹案没计中表现的最为突出。于是各 种纺织c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 如雨后春笋般发展起来。但总结起来有如下 几个特点： 1 ) 对同一工艺问题进行了多次重复的试验和研究，几乎每一家研制纺织c a d 系 统都是从零开始，很少有彼此的借鉴和重用。 2 ) 有很大一部分c a d 只是解决一两个细节问题而研制，没有将纺织工艺进行大 的分类和系统的分析。 3 ) 专用性太强，人工和计算机系统分不清。许多系统是基于某一设备或某一工艺 而设计，而且其中大部分是将针对某一工艺的设计和针对的某一设备的设计混 杂在一起，没有将工艺和设备分丌，致使一个人做的工艺设计或试验无法应用 到其它设备上。 基于计算机技术的工艺设计有别于传统的工艺设计，可以用如下的两个过程给与 对比 凇撞：量嚣；玺- 或整曲、 t z 条件分所装 t 椒耀分析缨鬻发蚪l 奄试输 t 擞蒯文岛r 岂鞫翌骏 蛰，鞋汁嚣学橙型 i 蛾汁 计按撼上艺过 群格熨佰赛轩 f ：累 撮搦俯囊站壤进露实 阵蛙备曲工岂试骏 忙统r 艺踺睁驰过程 鞲j 二引嚣剪l 辅助曲f 一2 设计过程 图4 4 传统解决工艺设计过程与基于计算机的工艺设计工艺过程的对比 传统的工艺设计过程，由于试验的采样有限有可能进行多次试验才能找到合适的 工艺条件，上图所表示的过程可能要重复多次，每一次都要用实际设备动用大量人力， 成本高。而基于计算机的工艺试验过程则不同，工艺首先在计算机上进行模拟，可以 省去通过一遍一遍反复试验寻找合适工艺参数的过程，直接找到合适的理论工艺条件 附近。然后通过实际试验进行微调和验证。采样范围更大，更能挖掘出工艺的潜力， 获得最低的成本条件。 然而，基于计算机仿真的工艺试验成功的关键是 1 ) 所建立的工艺仿真模型能反映实际的工艺过程。 2 ) 当参数范围改变时这个模型是否仍然适用，在类似的工艺条件下这个模型是否 可以得到应用。如果工艺仿真模型不能重用，没有可推广性和扩展性，那么耗 费在这一工艺设计建模上的时间成本不会比传统的工艺试验少多少。也就失去 了计算机仿真在成本节约上的意义。 所以，目前研究基于计算机技术的工艺设计过程或设计纺织c a d ，关键是要发挥 仿真模型和软件的可重用性，只有建立一套通用的仿真模型和软件体系才能避免火量 的重复劳动和探索，做到节约时间和成本。如何实现这种软件资源和经验资源的有效 重用? 首先就要对纺织工艺过程进行系统的分类整理，在基本过程就得找到其中相似 的地方，这样才能更有效的实现重用。这里建议引入“模式”或“设计模式”的概念 和其关系来重新分类组织纺织巾的工艺设计问题。 三、纺织参数工艺设计问题中的设计模式的概念和基本构成 l 、设计模式的概念 设计模式这一概念最早是由一位建筑工程大师c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 于二十世纪 七十年代提出的，应用于建筑领域，八十年代中期由w a r dc u n n i n g h a m 和k e n tb e c k 将其思想引入到软件领域1 1 2 l ，在管理领域也有广泛应用。现下是计算机软件领域的热 门讨论话题。设计模式的基本思想是“每一个模式描述了一个我们周围不断重复发生 的问题，以及浚问题的解决方案的核心。这样，你就能一次又一次的使用该方案而不 必做重复劳动”。1 1 3 1 “设计模式”做为一种思想被提炼出来以后就被广泛的应用到了 各个领域中，特别是规模较大又有一定复杂程度的系统设计领域和工程领域。 应用到纺织工程里则应更加强调它在解决方案上的意义。因为纺织上的工艺问题 都是综合性比较强的问题，涉及到机械、电子、化学、物理、计算机等领域，它的解 决方案是一系列综合手段和方法应用的集合，以问题的特征为线索将这些解决方案系 统化的集合封装起来。模式概念可以在纺织上应用正是基于对解决方案的这一抽象认 识。 2 、设计模式的基本构成 c h r i s t o p h e ra l e x a n d e r 将模式分为三个部分：首先是周境( c o n t e x t ) ，指模式在何 种状况下发生作用：其二是动机( s y s t e mo f f o r c e s ) ，意指问题或预期的目标；其三是 解决方案( s o l u t i o n ) ，指平衡各动机或解决所阐述问题的一个构造或配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) 。在这里我们为了使这一思想适合于纺织工程上的应用可以将模式的 构成做一个类推和扩展。便于与仿真模型描述结合起见，可以将设计模式的描述成规 范的三元组，一个模式m 表示为 m = ( 4 - - 1 ) 其中：i ( x ) ：表示模式的应用环境，也可以是输入的形式或是问题描述，x 表示输入 工艺参数的向量或矩阵，x 的获得主要有两个途径。 1 ) 各种工艺手册和设备手册或经验公式。 2 ) 针对一个的具体问题所进行的验证试验中获取的数据。 o ( y ) ：表示系统的设计目标的形式，y 表示具体的系统设计目标，就是以上 所述的“动机”，一般是个或一组实际的工艺参数向量。 s ：表示针对一对形式如i ( x ) 和o ( y ) 的输入和输出的一个解决方案，它 包含了解决形式如i ( x ) 的问题所需要进行的试验，仿真建模和计算等的一个 综合手段和方法的集合。 对于一个具体的工艺问题就可以描述为 m o = ( 4 2 ) 显而易见具体的工艺问题只是以上工艺问题模式的一个特例。它可以输入自己的工艺 参数同时直接应用陔问题所属模式的解决方案。模式与具体问题之间是通解与特解的 关系，所以解决了模式的问题就可以解决一批问题。 如上所述，引入模式这一概念，对纺织工程或参数设计问题进行了规范化描述， 将具体问题加以提炼和分类形成系统化的模式，针对某一类问题提出解决方案，这样 工程人员设计新工艺或利用纺织c a d 系统时就会很容易地将自己的具体问题归结到 以前解决过的某一类问题中，可以方便的借鉴以前的方法，有的放矢地将精力放在新 问题中有别于模式的部分上，避免大量的重复劳动。模式不仅可以将这些工艺问题在 横向上分类，还可以将他们进行纵向的分层，对模式进行不同层次的抽象形成系统化 的模式以及子模式，扩展模式使用的灵活性，这早上一级模比下一级模式具有更少的 特征具有更强的普遍性。设计人员使用时可以根据需要套用不同层次的模式，而且有 利于不同层次和知识水平的工程技术人员都能够方便的使用。模式既是我们认识和分 析问题的一种角度，也是科学总结和利用过去的经验的高效手段，下面就举一个实际 的例子，浇明从实际问题中抽取模式和利用模式的这一过程。 四、实例分析：时间连续工艺问题中的工艺参数设计模式 1 、问题描述 纺织工艺问题中有一类问题是时间连续的工艺问题，如浆纱、烘干、烧毛、热定 型等，对于这类工艺设计问题我们就可以在解决思路上提取出一个模式。 在上一章分析加热区时的设备可以被视为一个通用设备，做成抽象的，可以代表 一类设备的抽象设备。我们就举这个抽象的加工设备来描述它们的特征如下图4 - - 5 所示。 被拥川勿一 一竣舔_ = + 1一 图4 5 对加工设备的抽象 这旱暂时以烘箱为加工设备，烘箱只是加工设备的一种抽象的代表，它可以是丝 光工艺的浸碱池，浆纱的上浆槽，也可以是染整工艺中的树脂整理机，卷染槽等【l 引 设备它们都具有如下共同的特征： 1 ) 被加工物连续经过设备( 经纱或布的连续加工) 。 2 ) 设备具有一定的加工效果，当被加工物经过设备时某一性状随被加工的时间而 改变。 3 ) 单一设备内，对被加工物的效果在工艺前进方向上呈现一定的分布( 如均匀分 布) 如前面第二章中的加热区的烘箱，加工目标就是，在被加工物离开烘箱以后使其 温度从t ，升到t ：。相对于其它工艺也是使被加工物的某性状达到加工要求。以上的 加热区参数控制问题。就是一个典型的时间连续的加工工艺问题，下面就利用第二章 的加热区模型抽取出时间连续工艺问题的通解。 2 、抽取该类工艺问题解决方案的形成模式 根据第一章中的建模和解决问题的过程，我们现在就可以将该上艺的设计过程规 范化的表示出来，进而抽耿出一个设计模式； 由数学模型中式( 2 一1 ) 可以得到一个通用表达式 其中p ( p ，p 一p ，t ) 表示对加工对象的加工效果，是以工艺条件的各个 参数p ，p 一p 和加工时问t 为参数的函数。 o ( qz ，q 一q ) 表示工艺的设计目标，即加工要达到的一个效果，由 被加工对象本身的各个属性q ，q ：，q 决定。 因为纺织生产工艺大部分是连续生产的工艺过程，所以式( 4 - 1 ) 左边的形式通 常不容易得到而且无法精确的描述整个工艺的过程，然而每一个极短的小时间段里通 常是各种状态的关系比较容易研究，更能具体的表现整个工艺的变化过程，所以，将 式( 4 一1 ) 变成如模型中式( 2 - 2 ) 的形式，这里引入加工效率这一概念d ( p ，p “ p 一) ，这个效率的研究对象可以是对被加工物的体积或质量微分，也可以是整个被加工 物的状态变化过程的微分。 即d ( 乩p 2 , p ) ：竺垫堡! ：鱼! 型 折 则式( 4 一1 ) 表示为 l d ( p l ，p2 ，p ，) d t = q ( q 一，q ? ，q ) ( 4 2 ) q 1 只要得到一个形如式( 4 - 2 ) 的解析式就可以利用计算机算出结果，直接得到各 个参数与设计目标之间的映射关系，甚至可以直接利用描点或穷举等原始的数学方法 来计算结果。因为通常得到式( 4 - 2 ) 的形式后，很少有模型可以像举例中那样简单 的变换成如式( 4 - 2 ) 的形式来求解。大部分模型的数学式都是在数学上比较难解的。 所以，必须依靠计算机的帮助完成，也f 是研究基于计算机的工艺设计模式的意义所 在。 套用模式的规范形式m = i ( x ) 就是问题的形式，即在这里t ( x ) 表示时间连续的简单工艺问题， 0 ( x ) 表示输出形式，这里就是在满足加工要求时各个工艺参数之间的关系，可 以是枚举矩阵也可以是表示多维数据的一个图像等形式。 s 表示针对这一问题的解决方案，即形如式( 4 - 2 ) 的数学仿真模型和计算机对 这个模型的求解以及相应的试验和数据的集合，s 的定义不仅仅局限于数学模型或者 是一段计算机程序，可以说是它们的一个有机结合。图4 6 可以描述举例中解决方 案s 的构成。 如图4 - 6 所示将s 做为一个由三个步骤以及相关的数据组成的一个整体的解决 方案，这样我们就完成了对时间连续的简单设备加工工艺问题模式的抽取。 再遇到时间连续的简单工艺问题，就可以如法炮制轻易地得到解决方法，至少省 去了分析问题的时间，发现问题具备i ( x ) 的特征，希望得到o ( y ) 形式的解就可以直 接套用其对应的模式s 进行求解。 s s 的操作s 的数据 1 、根据实际工艺或物理化学等知识分析出工艺中 的参数 经验数据 2 、找出设计目标和时间的基本映射关系写出加工 效率对时间的积分式，形如： 计算中应用到的 各种物理和化学的常 ， j 2d ( p i ，p p ，) d t 2q ( q 棚) 量 3 、利用计算机模拟出积分式中各个参数之问的数仿真模型的输入和 量关系，再进一步分析试验。 输出数据 图4 6 时间连续问题模式的构成 3 、时间连续工艺问题模式的意义和应用 这个模式抽取出来以后就相当于得到了时间连续简单工艺问题的一个通解，这个 通解可以直接应用于其他具有相同特点的工艺问题设计中。通解的意义在于，它是所 有解共同具备的一个特征，在遇到具体问题的时候，首先想到的就是先套用通解，然 后再设法找到具体问题本身的特点，即形成一个特解。通解与特解存在着继承的关系 可以用如下的继承图来表示通解与特解的关系。 转蝌l 鹾埘 w 蹿囊麓j 髓逛褥扛： 雌琏纷弦! m 、i 熊；娄； 姑j r j ， 棼蹿0 争一 矮糖 托壤z 。j ：蔓2 ，氆毋- ， l i x i 一j 趁持矗2；j 巍；， 卜 孵陂#键淝47 荤j 蝉辔山：键墨j 攀i 拍豫 例4 7 具体问题l 和2 都是具备模式中特征同时又有自己的特点，这样在寻求它们的解 的时候就可以首先将模式中的通解部分继承下来，再根据具体问题本身的特点添加特 有过程。 例如，浆纱工艺参数的配置设计，浆纱是连续生产，经过浆槽上浆，同样是时间 连续的工艺设计问题，我们就可以应用上面的模式加以解决，首先确定它的解决方案 就是如图4 - 6 所示的三个组成部分，下一步工作就可直接进入寻找参数之间的关系的 工作，式( 4 2 ) 中的d ( p ，p ：p i ) ，就是上浆效率。它是浆料浓度，浆液温度， 纱线特数，纱线材料等为参数的函数，q ( q ，q 矿一q ，) 就是根据工艺需要的挂浆率。 建立模型后再用计算机计模拟出，时问，浆料浓度，等参数之间的关系。进而可以很 容易地根掘产品性能要求配置工艺参数。在解决这个问题的过程中省去了寻找合适的 模型，建立算法和编程序解题的过程，因为都是解微积问题，计算机程序呵以大量的 重用。从而大大缩短了从建模到工艺参数设计的时间。提高试验效率使试验成本降到 最低限度。 若把这个模式固定到c a d 软件里，就会更加实用，而且实现起来并不困难，这样 就可以大大提高工艺c a d 软件的重用性。 类似的还有其他类型的模型，时间离散，连续变化或离散变化l ”i 等类纺织工艺问 题都可以从中提取模式加以推广和应用。 五、本章结论 1 、在纺织工程中总结和使用工艺设计模式的意义 1 1 有利于发挥基于计算机技术的工艺设计的优点 如图4 4 所示，基于计算机技术的工艺设计特点是，通过计算机仿真来模拟实际 工艺，减少在实际设备上试验的成本，同时可以加大试验采样的空间充分挖掘出工艺 的潜力。然而，建立计算机仿真模型并不是很容易通常，其基本过程如图6 1 所示 幽4 7 首先是建立模型，此过程中需要过去的经验数据甚至需要做一部分验证试验才+ 能 建立比较符合实际的模型，就解决单个工艺问题而言花费在这部分的成本可能比传统 工艺还多。然而，利用计算机进行仿真的优点在于重用性，即做过一次仿真以后，对 于以后的工艺参数变化就不必再进行重复试验，试验可行性和效果可以直接在计算机 模拟中得到验证。如果这种可重用性可以扩展到其他类似工艺中那么将更大程度的节 约成本。 基于计算机的工艺设计的另一部份工作就是计算机仿真，在仿真过程中，需要按 照数学模型编制计算机程序完成计算，在遇到类似工艺的仿真问题的时候，有很大一 部分代码可以重用模式解决方案中的代码，这样即便再开发新的程序或者扩展纺织 c a d 就可以重用一部分过去的仿真程