無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模型建立及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

沈穎樂(lè)， 叢洪蓮， 俞旭良， 鄭培曉

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122)

針織產(chǎn)品面料柔軟、貼體、伸縮性大，在外觀上比機(jī)織產(chǎn)品更含蓄、柔和、貼合人體體形。成形產(chǎn)品的生產(chǎn)更為靈活，可以在編織過(guò)程中通過(guò)變換紗線的粗細(xì)和種類，改變編織的密度和織針針數(shù)，形成各種不同厚度和紋理效果的組織，通過(guò)立體效果的花紋等來(lái)塑造產(chǎn)品的形態(tài)。無(wú)縫生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用推廣，改善了服用性能，能滿足消費(fèi)者追求舒適、時(shí)尚、功能、個(gè)性的多樣化需求，符合產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型要求，是針織服用產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

隨著無(wú)縫生產(chǎn)技術(shù)的成熟，對(duì)成形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、性能等方面的研究也越來(lái)越多。國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)縫成形產(chǎn)品研究主要包括：一是針對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣尺寸預(yù)測(cè)的研究，為紗線原料類別、織造參數(shù)等工藝的快速確定建立基礎(chǔ)[2-4]；二是針對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣的工藝設(shè)計(jì)和塑身性能等進(jìn)行的研究[5-7]，為無(wú)縫成形產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了方向。與產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型有關(guān)的研究主要有：王薇等[8]建立了緯編提花織物的設(shè)計(jì)模型，并總結(jié)了不同種類的提花織物得到工藝編織信息的轉(zhuǎn)換算法；汝欣等[9]設(shè)計(jì)了一套針對(duì)無(wú)縫針織內(nèi)衣機(jī)花型及鏈條動(dòng)作的文件數(shù)據(jù)。目前，意大利圣東尼公司在無(wú)縫圓機(jī)市場(chǎng)占有率最大，使用的是與機(jī)器配套的設(shè)計(jì)系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)使用自主研發(fā)系統(tǒng)的企業(yè)較少，主要是紡織高校的研究,包括江南大學(xué)自主研發(fā)的CKCAD圓緯設(shè)計(jì)系統(tǒng)和基于互聯(lián)網(wǎng)的CKDS圓緯設(shè)計(jì)系統(tǒng)，適用于多針道、電腦提花等各類圓緯機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；此外，浙江理工大學(xué)對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)、交互系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[10-11]。

目前，對(duì)無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝參數(shù)與性能的關(guān)系以及織物通用的工藝設(shè)計(jì)模型已有一定研究，但國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝快速設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的研究尚有欠缺。為建立無(wú)縫成形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型，本文針對(duì)無(wú)縫成形產(chǎn)品的款式設(shè)計(jì)、選針信息和紗嘴控制等工藝模型進(jìn)行了研究，以期在建立以上模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫成形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模型

無(wú)縫成形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型示意圖如圖1所示。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)涉及款式設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)?？钍皆O(shè)計(jì)可建立用作繪制款式造型的設(shè)計(jì)花型圖;工藝設(shè)計(jì)可建立填充選針信息的編織花型圖，以及配置密度等工藝參數(shù)的立體花型圖，為直觀表示紗線編織狀態(tài)建立產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)花型圖。

圖1 設(shè)計(jì)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of design model

1.1 設(shè)計(jì)花型圖模型

設(shè)計(jì)花型圖為設(shè)計(jì)系統(tǒng)中花型的基本形狀圖，它與各種通用繪圖軟件的功能基本相同。利用不同的顏色對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖的不同區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，但這些顏色并沒(méi)有實(shí)際意義，為使機(jī)器能識(shí)別工藝信息，必須將設(shè)計(jì)花型中的顏色與組織小圖聯(lián)合起來(lái)，生成可以直接使用并編碼到機(jī)器上的工藝花型文件。

設(shè)計(jì)花型圖繪制的是成形產(chǎn)品的花型圖案，每個(gè)意匠格表示一個(gè)線圈，利用顏色區(qū)分不同的組織。通常設(shè)計(jì)花型圖的花寬w是由機(jī)器針數(shù)而定，花高h(yuǎn)根據(jù)織物的大小以及密度決定。實(shí)際在做工藝時(shí)，尤其是拷貝版型時(shí)，需要在原版的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大縮小，推算其所需花高后繪圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 花型圖Fig.2 Design pattern

由圖2可知，由于它是二維平面圖形，可利用二維矩陣進(jìn)行描述[12]，即任意一個(gè)意匠格的花色信息可通過(guò)對(duì)應(yīng)的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行信息儲(chǔ)存。因?yàn)闄C(jī)器一般先做產(chǎn)品下部的扎口，所以設(shè)計(jì)花型圖需倒置，花型圖案的橫列數(shù)從上往下編號(hào)，建立二維矩陣：

(1)

式中：i是花型圖案的縱行號(hào)，取值范圍為1，2，…，w，從左至右進(jìn)行編號(hào)；j是花型圖案的橫列號(hào)，取值范圍為1，2，…，h，從上至下編號(hào)；c(i,j)表示花紋循環(huán)中第i縱行第j橫列處的意匠信息，利用顏色代碼ck來(lái)賦值：

c(i,j)=ck

(2)

式中：k為顏色種類總數(shù)；ck表示顏色代碼，ck具體取值為1，2，…，可設(shè)置具體顏色。

1.2 編織花型圖模型

設(shè)計(jì)花型圖的花色信息不能直接被電子式圓機(jī)讀取，需要將其轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的選針數(shù)據(jù)，具體可用編織花型圖來(lái)表示，編織花型圖中被填充的組織小圖是用來(lái)表示1個(gè)或幾個(gè)完整循環(huán)的織物組織選針信息的圖，每個(gè)意匠格代表1個(gè)線圈，同理可建立二維矩陣：

(3)

式中：u是組織循環(huán)的縱行號(hào)，取值范圍為1，2，…，w′，從左至右進(jìn)行編號(hào)；v是組織循環(huán)的橫列號(hào)，取值范圍為1，2，…，h′，從上至下編號(hào)；p(u,v)表示組織循環(huán)中u縱行v橫列處的選針信息，利用顏色號(hào)pk來(lái)賦值：

p(u,v)=pk

(4)

pk代表的顏色表示的是每路2個(gè)選針器與中間片三角的工作狀態(tài)，按照分類討論共有6種顏色。圖3示出選針系統(tǒng)的示意圖，將織針被選中的狀態(tài)記為1，未被選中則記為0，將所得的三位數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制得到的數(shù)值記作組織意匠顏色代碼pk，如二進(jìn)制010對(duì)應(yīng)十進(jìn)制2并記作黑色，圖3最后1列顯示的是代碼與所對(duì)應(yīng)的組織意匠顏色。

圖3 選針系統(tǒng)編織示意圖Fig.3 Schematic diagram of knitting needle selection system

黑和綠代表的第2選針器工作狀態(tài)不同，黑色代表第2選針器不工作，織針不編織；綠色代表第2選針器工作，織針喂入紗線成圈，可鉤取到面紗與地紗。

當(dāng)?shù)?選針器工作時(shí)，織針未被選中，也就無(wú)法被中間片三角作用，因此此時(shí)記為1或0都無(wú)影響；當(dāng)中間片挺針三角退出工作時(shí)，在第1個(gè)選針區(qū)被選上的織針只能上升到集圈高度，舊線圈不會(huì)從針頭上退下來(lái)，再墊上新紗線時(shí)就形成集圈(紅4)；有2根紗線編織時(shí)，織針被第2選針器選中形成添紗平針(黃5)，中間片挺針三角工作時(shí)被2個(gè)選針器都選上形成的組織與之相同，都為添紗編織。

紅4和藍(lán)6代表的選針器工作狀態(tài)是相同的，但紅4組織代表的是集圈組織，產(chǎn)品中若編織集圈組織則需要在機(jī)器上機(jī)軟件上設(shè)置中間片三角的工作狀態(tài)，中間片三角默認(rèn)是工作的狀態(tài)。

1.3 立體花型圖模型

以上的花型圖定義的是機(jī)器的選針工作，屬于花型選針層。為了實(shí)現(xiàn)織物的穿紗配置與密度的快速改變，建立花型設(shè)計(jì)的另一個(gè)層面——紗嘴與壓針三角層，也稱為立體花型設(shè)計(jì)模塊。立體花型設(shè)計(jì)主要包括2步：第1步給出一個(gè)要快速改變織物密度的區(qū)域；第2步在給出區(qū)域中填上相應(yīng)的包含有密度信息的顏色，同理可建立二維矩陣：

(5)

式中：i是花型圖案的縱行號(hào)，取值范圍為1，2，…，w，從左至右進(jìn)行編號(hào)；j是花型圖案的橫列號(hào)，取值范圍為1，2，…，h，從上至下編號(hào)；d(i,j)表示紗嘴與壓針三角層中第i縱行第j橫列處的紗嘴、密度信息，利用顏色號(hào)dk來(lái)賦值。

意匠格所在的縱行數(shù)對(duì)應(yīng)了機(jī)器上特定的織針，橫列數(shù)對(duì)應(yīng)路數(shù)，當(dāng)織針運(yùn)轉(zhuǎn)到特定的選針器和紗嘴位置時(shí)就執(zhí)行意匠格所定義的命令，因此，控制密度的壓針三角與紗嘴進(jìn)入或退出工作的角度將根據(jù)意匠格所在縱行數(shù)對(duì)應(yīng)的機(jī)器角度確定。

花型的多個(gè)層面設(shè)計(jì)使花型中的單個(gè)格子可以控制機(jī)器上不同的機(jī)械動(dòng)作，最大的優(yōu)點(diǎn)就是在選針工作的同時(shí)可以控制紗嘴或壓針三角。因?yàn)樗鼈兪窃诓煌膶用嫔?，每個(gè)層面的顏色都可被定義不同的動(dòng)作指令。

1.3.1 壓針三角控制

機(jī)器通過(guò)壓針三角的運(yùn)動(dòng)收緊或放松織物的密度，每一個(gè)壓針三角都由一個(gè)步進(jìn)馬達(dá)控制，每個(gè)馬達(dá)從零位開(kāi)始正負(fù)方向上都有80個(gè)刻度的密度數(shù)值變化，數(shù)值從小到大，密度從緊到松。設(shè)計(jì)系統(tǒng)為直觀表現(xiàn)織物密度，定義dk1表示線圈縱向高度。在立體花型層面設(shè)置有15種不同的線圈密度變化，它們對(duì)應(yīng)于顏色板上前15個(gè)顏色。這僅僅改變的是在第2個(gè)步驟被賦予顏色區(qū)域的壓針三角高度，這個(gè)命令也稱為密度的快變。

立體花型層面的密度設(shè)計(jì)主要是針對(duì)產(chǎn)品局部的部位，在開(kāi)始時(shí)可先設(shè)計(jì)產(chǎn)品面料整體的線圈高度，在識(shí)別到密度的快變指令后進(jìn)行局部的微調(diào)。

1.3.2 紗嘴控制

無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)靈活的三角系統(tǒng)與功能強(qiáng)大的選針系統(tǒng)相配合能編織復(fù)雜的提花，而裝備了多類型的導(dǎo)紗嘴完成的墊紗工藝則為靈活的編織提供了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)中間片挺針三角作用的織針能上升在8號(hào)和7號(hào)紗嘴處墊上色紗，后被壓針三角壓下；在第2個(gè)選針系統(tǒng)上升的織針能在6、5、4號(hào)紗嘴及2、1號(hào)紗嘴處鉤取面紗和地紗；沒(méi)有被抬升的織針不能在相應(yīng)位置墊紗。8個(gè)紗嘴是相互獨(dú)立的，所以提供了各種紗嘴組合，以發(fā)揮所有的編織可能性。

紗嘴與壓針三角層的另一部分顏色dk2是用來(lái)控制紗嘴動(dòng)作的，在選針層面上看不到這些顏色，可以在花型配置中定義顏色所控制的紗嘴的動(dòng)作。將控制紗嘴的顏色值dk2定義為

(6)

式中,a、b分別表示面紗、地紗穿紗信息。

當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到編織花型圖的線圈在第1選針器選中時(shí)，提取立體花型圖對(duì)應(yīng)位置的紗嘴信息，如有7、8號(hào)紗嘴色紗信息則記錄紗線信息；同理在第2選針器選中時(shí)，記錄4、5、6號(hào)紗嘴面紗信息；有上述任意情況則記錄1、2號(hào)紗嘴地紗信息。

1.4 結(jié)構(gòu)花型圖模型

為將編織花型圖與紗線編織狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，可將穿紗情況、紗嘴動(dòng)作與編織花型圖結(jié)合得到產(chǎn)品具體編織狀態(tài)，即將編織花型圖轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)花型圖。

當(dāng)用1根紗線編織時(shí)，編織狀態(tài)可分為浮線、集圈和成圈，將選針數(shù)據(jù)元素pk記作0、1、2，在結(jié)構(gòu)花型圖上分別用3個(gè)符號(hào)表示，再對(duì)意匠格賦予顏色值表示不同的紗線可得到編織花型圖。

當(dāng)有2根紗線參與編織時(shí)則為添紗組織，再加入1根色紗時(shí)就為添紗提花組織，將選針數(shù)據(jù)元素pk記作1個(gè)2行的列向量：[p(1,u,v),p(2,u,v)]T。p(1,u,v)表示地紗編織信息；p(2,u,v)表示面紗編織信息。如編織花型圖意匠格的紅(4)表示地紗集圈，面紗不編織，在結(jié)構(gòu)花型圖中記作[1,0]T。

將其替換P矩陣中的數(shù)據(jù)后，得到1個(gè)全新的編織數(shù)據(jù)矩陣P′，即得到所需的結(jié)構(gòu)花型圖，如圖4所示的集圈組織的意匠圖及相應(yīng)矩陣。

圖4 集圈組織花型圖的數(shù)學(xué)表示Fig.4 Mathematical expressions of tuck stitch pattern. (a)Mathematical matrix of knit pattern; (b)Mathematical matrix of structure pattern

2 無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)上述模型使用HTML5的Canvas元素獲取一個(gè)2D上下文對(duì)象RenderingContext2D，該對(duì)象是一個(gè)編程接口，相當(dāng)于一個(gè)功能強(qiáng)大的繪圖程序，可以進(jìn)行復(fù)雜的集合圖形和字符串繪制操作。接著通過(guò)色塊分區(qū)、組織填充和圖元貼圖功能實(shí)現(xiàn)4個(gè)花型意匠圖，完成無(wú)縫成形產(chǎn)品花型工藝設(shè)計(jì)步驟。

2.1 設(shè)計(jì)花型圖實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)花型視圖顯示織物，每個(gè)視圖上都用不同的顏色表示織物的效應(yīng)或圖案。在意匠圖中，基本元素不是像素點(diǎn)而是意匠格。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，1個(gè)意匠格所含像素點(diǎn)的多少也是不同的。像素點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(x,y)，意匠格坐標(biāo)設(shè)為(i,j)，它們之間的關(guān)系如式(7)所示：

(7)

式中,gw、gh分別表示構(gòu)成1個(gè)意匠格在長(zhǎng)度、寬度上所需的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

用戶可以通過(guò)導(dǎo)入*.bmp等多種格式的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行繪制，除此之外，考慮到成形產(chǎn)品需要設(shè)計(jì)大花型，為提高效率，在無(wú)縫成形產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)中添加了多種功能的幾何繪圖工具。與常見(jiàn)的繪圖工具類似，如直線、矩形、橢圓等的畫(huà)筆工具，以及擁有換色、填充等功能的油漆桶工具，添加的繪圖工具方便設(shè)計(jì)人員對(duì)復(fù)雜線條與圖形的繪制。

2.2 立體花型圖實(shí)現(xiàn)

立體花型圖操作功能與設(shè)計(jì)花型圖相似，只是賦予了意匠格更多維度的信息，基本實(shí)現(xiàn)方法可參考2.1節(jié)的內(nèi)容。

為在Canvas上實(shí)現(xiàn)多個(gè)層面的繪圖，如圖5所示，可采用基于Canvas開(kāi)發(fā)的Java Script框架庫(kù)——Konva，它所實(shí)現(xiàn)的圖形交互效果能同時(shí)兼容桌面和移動(dòng)應(yīng)用。Konva具有4層架構(gòu)，stage是基礎(chǔ)架構(gòu)，layer構(gòu)成不同層面，有許多group存在于層中，在group中可實(shí)現(xiàn)繪制圖形、顯示圖片等操作。

圖5 花型圖多層面信息Fig.5 Multidimensional information of knit pattern

2.3 編織花型圖實(shí)現(xiàn)

因?yàn)榫幙椈ㄐ蛨D的顏色才是能被機(jī)器識(shí)別的顏色，所以需要將設(shè)計(jì)花型圖(款式設(shè)計(jì)圖案)與組織小圖的顏色結(jié)合起來(lái)，生成可以直接使用并編碼到機(jī)器上的工藝花型文件。這種方法的優(yōu)勢(shì)是用1個(gè)只有顏色的設(shè)計(jì)花型圖與不同的結(jié)構(gòu)組合相結(jié)合，從而生成多個(gè)不同的編織花型文件。

假設(shè)在設(shè)計(jì)花型圖相同大小的矩形上從左上角的起始位置開(kāi)始，連續(xù)平鋪上所需要填充的組織小圖，那么在設(shè)計(jì)花型圖的每一個(gè)意匠格位置都有一個(gè)對(duì)應(yīng)于組織小圖的顏色pk值，之后選定需要被替換的設(shè)計(jì)花型圖顏色ck，獲取顏色值為選中顏色的坐標(biāo)，替換成對(duì)應(yīng)的pk值，其具體流程如圖6所示。

注：w—花型圖花寬；h—花型圖花高； w′—組織圖花寬； h′—組織圖花高。 圖6 組織填充流程圖Fig.6 Flow chart of weft filling

1)以c(1, 1)為起點(diǎn)，從左往右逐行在意匠圖中讀取c(i,j)的花型意匠信息，并記錄其對(duì)應(yīng)的位置。

2)若c(i,j)ck′，說(shuō)明此處不需要被填充選針意匠信息，系統(tǒng)越過(guò)該意匠格，讀取下一格的數(shù)據(jù)。

3)若c(i,j)=ck′，獲取該意匠格在組織圖上的相對(duì)位置，完成選針意匠信息的填充。

2.4 結(jié)構(gòu)花型圖實(shí)現(xiàn)

由編織花型圖矩陣P轉(zhuǎn)換得到的結(jié)構(gòu)花型圖矩陣P′數(shù)據(jù)由0、1、2構(gòu)成，相較矩陣P縱向數(shù)據(jù)得到擴(kuò)展，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 無(wú)縫添紗產(chǎn)品編織信息的數(shù)學(xué)表達(dá)Tab.1 Mathematical expressions of knitting needle information of seamless plating product

編織花型圖功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠Canvas貼圖的方法[13]。首先將紗線所有編織情況做成圖元保存在程序中，然后獲取一個(gè)位置上的選針信息，將其替換成線圈的編織信息。通過(guò)編織信息獲取對(duì)應(yīng)的圖元貼在對(duì)應(yīng)的位置，創(chuàng)建二維動(dòng)態(tài)數(shù)組k[i,j]，繪圖完成后保存k[i,j]數(shù)據(jù)信息，并使用session對(duì)象將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中，其花型設(shè)計(jì)界面如圖7所示,意匠顏色配置界面如圖8所示。

圖7 花型設(shè)計(jì)界面Fig.7 Pattern design interface

圖8 意匠顏色配置界面Fig.8 Color configuration interface

在圖7所示的界面上，用戶可在顏色板上選擇顏色，利用畫(huà)布上方一欄的工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品花型圖的快速繪制。意匠顏色配置界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)意匠顏色信息的定義，選針圖層定義選針信息，立體花型圖層定義壓針三角與紗嘴工作狀態(tài)，如圖8所示。通過(guò)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文提出的工藝設(shè)計(jì)模型的正確性。

3 結(jié) 論

本文研究了無(wú)縫成形產(chǎn)品花型工藝的設(shè)計(jì)原理，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)構(gòu)建了工藝的花型圖模型，直觀地表現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程；同時(shí)提出了設(shè)計(jì)花型圖到編織花型圖的填充算法、編織花型圖到結(jié)構(gòu)花型圖的轉(zhuǎn)換算法；通過(guò)色塊分區(qū)、組織填充和圖元貼圖功能實(shí)現(xiàn)了花型的工藝設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)模型與算法結(jié)合后開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)系統(tǒng)。結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)驗(yàn)證了產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫成形產(chǎn)品工藝的快速設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)提供了有效工具。