基于棉袜机的织物花型CAD系统研究

冀永乐，张团善，颜亚飞，张 帆，蒙春学

（西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048）

花型CAD系统的主要功能[1]是：将设计人员设计的花型经一定的处理后，转换成控制计算机需要的花型信号。在传统的花型设计时，需要人工先进行花型图案的构思，然后利用特殊的符号表示不同的色纱在设计纸上按照织物组织形状排列出来，这样设计出来的花型图案对称效果比较差，修改起来比较麻烦，工作量大，因此对花型CAD系统的研究是棉袜织物生产过程中的前提条件，是提高生产效率的关键。

CAD技术随着机械加工的发展变得成熟起来，它使得设计工作更加的主动便捷，工作人员也能更轻松的用电脑操作来完成设计工艺，主要是将不同颜色按照组织规律填入到方格中拼成一个完整的花型图案，直观效果比较好。在利用CAD设计时可以利用区域性换色，复制等操作，实现更加完整美观的花型图案，将其保存为bmp文件应用到机器控制器中；另一方面设计人员在修改设计方案时也比较方便，可以提高设计效率[2]。

针织袜机花型CAD系统的关键在花型编辑的方便简捷和易于修改，它是决定棉袜产品外观的决定性因素。文献[3]提出了对绘图所需的各种图形元素进行抽象，按 C++的继承特性将共同的属性像线条颜色、背景色等和操作方法如剪切、复制等集合于父类，构建出相关的类层次花型文件，花型设计方案简单，局限性大。文献[4]提出了两种花形设计的方法，一种是先根据色纱数、花宽、花高画出色纱方格和意匠方格，选择完色纱后工艺人员凭借想象或以现有图片作样本，利用各种作图工具逐个填充意匠方格形成一定花纹;另一种可以把现有的图片扫描，转换成bmp格式的图片，然后再把它转换成意匠图花型图案，操作难度大，意匠图不易理解。

本课题基于恒强棉袜机针织CAD系统上借助Qt语言研究花型CAD系统。利用Qt语言强大的界面编辑能力和模块化控制的优势进行花型CAD设计，花型设计多种多样，花型存储文件方便其它机器上应用，实用性好。

1 棉袜机CAD系统分析

1.1 开发软件介绍

Qt是由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架[5]，容易扩展，以其跨平台移植方面的优越性能著称[6]。Qt Creator是一个用于Qt开发的跨平台集成开发环境[7]。它的优点有：一，操作方便，在进行程序设计时，采用程序模块化包装，能够方便更快的查找出程序设计所遇到的问题。二，在界面设计时，能够直接移入所用的工具框，大大减少了程序设计，提高了软件开发的效率。

Qt的模块化程度高，可重用性较好，对于用户开发来说是非常方便。它由数个模块构成，每个模块都有自己的类使得元件之间的协同工作变得十分简单[8]。

1.2 系统构成

软件系统分为不同模块，各个模块中间分工协同工作，使系统运作效率提高。系统框图如图1所示[9]。

图1 棉袜机花型CAD系统框图

系统的构成主要考虑以下几个方面。

一是，图形操作简单以及操作指令方便有效，考虑到花型设计人员的操作简单性，参考其它应用广泛的绘图软件布局以及快捷设置，提高系统的实用性。

二是，系统各个模块分工合作，实现其功能模块化，尽量减少各个系统之间的耦合性，这样可以方便查找错误，使代码包装更方便。

1.3 图形处理模块

图形处理模块是花型设计的核心功能。在纺织品工艺设计中要进行大量的色纱配置，组织选择以及织物设计，传统设计中大多数的工作都是人工完成，每设计一种新的花型，设计人员需要画图设计，使得纺织品花型设计新品少，周期长，达不到市场更新换代的需求。随着计算机辅助设计系统的快速发展，加快了纺织品花型设计系统的优化。纺织CAD系统主要为了解决市场需求扩大同花型设计效率低下之间的矛盾，也是图形处理模块主要实现的目标[10]。

图形处理模块的主要功能如下。

（1）基本绘图操作：包括点，直线，圆，喷涂等基本绘图操作。

（2）图形编辑：包括图形的复制，粘贴，剪切，取消，重绘，导入图形，导出图形等。

（3）颜色处理：包括颜色的选择，区域性颜色的改变等。

（4）选择区域操作：包括区域换色，图形的镜像，旋转等功能。

（5）调色板管理：通过设定所需色纱的调色板，应用调色板中的颜色来进行绘图设计，调色板管理功能在图形处理模块尤为重要。

（6）绘图操作：在系统绘图界面上通过放大画布，在其上进行表格填充，绘制设计图案，并进行尺寸及花型在成品中的位置设计等。

1.4 文件管理模块

该棉袜CAD系统主要有花型位图文件[11]，色设配置文件，指令文件。

花型设计完成后，直接保存为256色的BMP格式，目的是方便设计的花型文件能够在棉袜机的硬件控制系统中应用。

色纱配置文件，在花型设计过程中，画布上每一个小方格代表一个像素，每个像素占用一个字节存储空间，通过对每个小方格的颜色填充来实现色纱的灵活配置。

指令文件是计算机处理后的机器指令，花型位图文件与相应的色纱文件，通过程序转换为指令文件应用到机器控制器中。

2 棉袜机编制原理

电脑棉袜机是通过传动系统、送纱系统、编织系统和密度系统之间的相互协调动作进行编织的[12]。棉袜机在选针系统和三角系统的紧密配合下，可以形成成圈编织、集圈编织、浮线编织[13-15]。编织不同部位时，需要选针器和气阀控制不同的三角配合，使织针按照特定的集圈编织走针轨迹，完成特定的动作[16]。

棉袜机编织时主要由橡筋梭编织系统提供纬纱，由主编织梭喂入主纱进行成圈编织，而色纱梭主要配合完成色纱编织。织针以大约30Hz左右的频率做上下20mm的往复运动，同时还要能够提供引线拉力，来勾拉纱线编织成袜[17]。根据旧线圈、新线圈和织针在成圈过程中相对位置的不同可将成圈过程分为：起针一退圈一压针垫纱一带纱一闭口一套圈一脱圈一弯纱一成圈一牵拉[18]。

棉袜机三角系统平面结构图如图2[19]。

图2 棉袜机三角系统平面结构图

1中菱角，2左(右)菱角，3平针菱角4左活络板，5右活络板，6左活络头，7右活络头，8左退圈辅助护板，9右退圈辅助护板，10挑针器，11揿针器，12压针刀，13扎口分针刀，14辅助压针板，15拦针刀，16退圈刀，17起针刀，18橡筋刀，19选针器，20、21、22提花刀，23 C3、C4、C5平针刀，24中刚圈，25下刚圈。

袜子成圈编织时，平针刀和选针器将参与成圈编织的织针选至退圈点，织针分别垫上C2～C5色纱、F1主纱，在左菱角压针的作用下完成弯纱成圈[20]。棉袜机采用从袜口向下进行顺序编织，利用袜机控制系统不断调整三角，气阀选针器与织针之间的配合关系以完成袜子织物成型编织[21]。编织顺序如图3。

图3 棉袜机成型编织顺序

绵袜在编织前必须严格设计袜子各个部位的针数及行列数，这样才能够使得编织出来的袜子有特定的形状，具有一定的舒适性。

3 CAD系统实现

花型设计界面主要包括工具栏、色纱颜色选择区域、画布工作区域等部分。色纱颜色选择区域主要是确定某种颜色在图像中所代表的调色板索引值，因此所列出的每种颜色都能够在对应的调色板中索引。画布工作区域是花型设计的主区域，把画布放大后可视为多个小方格组成，每个方格单位为像素，然后在其绘画基础上加入一些合适的图形转换工具。

该系统能够实现的功能：导入图像、花型绘图、色彩配置管理；可对图形进行局部放大、颜色填充等多种功能；选择功能包括旋转、镜像，区域换色等编辑操作。软件设计出的花型如图4所示。

图4 软件设计花型效果图

4 结语

本课题以棉袜机为研究对象，在恒强棉袜机制版系统的基础上研究棉袜花型CAD系统。系统应采用模块化结构，可以缩短产品研发周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场需求的变化。还能降低程序复杂程度，使程序设计更为简单。通过该CAD系统应用操作，系统可以初步达到对花型设计的预期效果。与其他CAD系统相比具有花型设计操作简单、数据结构包装便捷、操作方便等优点，具有参考应用价值。

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