基于Unity 3D仿真技术的转杯纺纱虚拟仿真实验建设与教学应用

ISSN 1002-4956CN11-2034/T实验技术与管理Experimental Technology and Management第38卷第3期2021年3月

Vol.38 No.3 Mar. 2021DOI:

10.16791/.2021.03.032基于Unity 3D仿真技术的转杯纺纱虚拟

仿真实验建设与教学应用张玉泽，管晓宁，丁 倩，冯波(东华大学纺织学院，上海 201620 )摘要：转杯纺纱机占地面积大、能耗高、单台套价格高，且其纺纱过程封闭不可视，不利于实验教学的开展；

同时，现有转杯纺纱教学时长有限，主要以理论为主，不符合新工科背景下以实践为主的教学要求。为解决上述

问题，该文将虚拟仿真技术应用到转杯纺纱教学中，利用Unity 3D仿真技术对转杯纺纱机各部件进行仿真，并显

示其装配效果；同时将纺纱过程虚拟化，使学生能够对转杯纺纱机和转杯纺纱的成纱加捻机理有更直观的认识。

利用虚拟技术不仅有效地缩短了学生的学习时间，提高了学习效率，还为纺织工程其他专业课程的改革提供新的

思路和方法a关键词：转杯纺纱；Unity 3D;虚拟仿真；实践教学；纺纱中图分类号：TS103.2

文献标识码：A

文章编号：1002-4956(2021)03-0158-06Rotor spinning virtual simulation experiment construction and

teaching application based on Unity 3D simulation technologyZHANG Yuze, GUAN Xiaoning, DING Qian, FENG Bo

(College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)Abstract:

The rotor spinning machine is energy intensive, occupies large space and is associated with very high

cost. Additionally, the rotor spinning process is operated in an enclosed space which hinders the experimental

teaching. Due to the limited teaching time, most of the lectures are conducted theoretically rather than practically.

This implies that the standard teaching requirements under the new engineering curriculum are not met. Thus,

virtual simulation technology is applied to the teaching of rotor spinning to overcome the above problems. Unity

3D simulation technology is used to simulate each part of the rotor spinning machine and display its assembly

effect. Also, the virtualized spinning process provides the students a more intuitive understanding of the machine

and spinning mechanism. The use of virtual technology can not only effectively shorten the learning time and

improve the learning efficiency for the students, but also provide new ideas and methods to reform other

professional courses of the textile

words:

rotor spinning; Unity

3D;

virtual simulation; practical teaching; spinning纺纱学是一门应用学科，具有很强的实践性。转

杯纺纱是纺纱学的重要教学内容，在纺纱学的教学中

占有很大比例。我校依托纺纱行业背景和优势学科资

源，于2017年开始将虚拟仿真技术应用于转杯纺纱的收稿日期：2020-06-01基金项目：国家自然科学基金项目（ 61379011)作者简介：张玉泽（ 1988—通信作者：冯波（1971— this article: ZHANG Y Z, GUAN X N, DING Q, et al. Rotor spinning virtual simulation experiment construction and teaching application

based on Unity 3D simulation technology [J], Experimental Technology and Management, 2021, 38(3): 158-162. (in Chinese)),)，男实验教学中[1]，通过虚拟仿真技术与实验教学的有机

结合，有效解决实验场地、成本等因素制约问题，从

而构建更加完善的实践教学体系。，山东滨州，硕士，实验师，主要研究方向为纺纱及机织，zhangyuze@。D男，上海，实验师，主要研究方向为纺织，fengb@。仿真技术的转杯纺纱虚拟仿真实验建设与教学应用[J].实验技术与管理，2021，38(3):

引文格式：张玉泽，管晓宁，丁倩，等.基于Unity 3

张玉泽，等：基于Unity 3D仿真技术的转杯纺纱虚拟仿真实验建设与教学应用1591转杯纺纱实验教学中的问题转杯纺纱课程包括理论教学和实验教学两部分[2]。

教学中通过多媒体技术对各部件的结构图和原理图的

展示居多，而学生能动手参与的探究性纺纱工艺设计

和综合性实验偏少。(3 )实验教学学时不够。转杯纺纱教学中长期存

在着重理论、轻实践的问题，实践教学仅占2个学时，

实验教学过程又分成教师理论讲解、操作演示和学生

分组实验3个环节。学生可用实验时间很短，而实验

过程又比较复杂，导致学生很难在规定时间内掌握机器

的操作方法并进行有效的工艺设计实验[6_理论教学课程的内容包括转杯纺纱的加捻成纱原理、

转杯纺纱机的组成及工艺过程、转杯纺纱机的主要工

艺参数的作用与选择、转杯纺纱的质量控制等；实验

教学则是学习转杯纺纱机的操作，并对转杯纺纱机进

行拆装训练，最终完成纺纱工艺设计及纺纱实验。目

前，实验教学仍存在如下问题。(1 )实验设备数量有限、设备成本高、损耗大。

单台转杯纺纱机一般含纺纱器100头左右，占地面积

大都在50 m2以上，能耗65 kW/h左右，且设备造价

高，单台套需400万元左右；因此，仅有少数纺织高

校配有转杯纺纱机。我校在以往的实验环节中，由于

仪器数量的限制，通常以小组为单位，难以保证每个

学生的总学时；此外，实验过程中机器噪音大（90 dB

以上），会对学生的身心健康产生一定影响[2]。(2 )教学中实验演示部分比重过大&5]。转杯纺纱应用层

仿真层

机构及原理

可视化

实验教务

管理通用服务层实验结果

自动审批实验报告

管理实验教学

管理2虚拟转杯纺纱实验整体架构和开发流程2.1整体架构转杯纺纱虚拟仿真实验以3D仿真技术、多媒体

技术和网络技术为依托，以转杯纺纱机为载体，采用

面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、

智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体。

整体构架分为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层

和应用层[9]，如图1所示。工艺设计习题测试仿真分析器实验资源

管理互动交流动画展示

建模与装配理论知识

学习教学效果智能指导项目开放

共享支撑层安全管理数据管理资源管理

与监控服务容器域管理数据层用户信息基础原件库规则库答案库实验教程图1整体架构图转杯纺纱虚拟仿真实验项目涉及多种类型虚拟实

验组件及数据。在数据层里，分别设置虚拟实验的用

户信息、基础原件库、规则库、答案库、实验教程等

来实现对相应数据的存放和管理。支撑层是转杯纺纱虚拟仿真实验教学与开放共享

平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，

负责整个基础系统的运行、维护和管理。通用服务层是转杯纺纱虚拟仿真实验教学管理平

台提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，有助

于快速在虚拟实验环境中完成虚拟仿真实验搭建。仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实

验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，并

为应用层提供实验结果数据的格式化输出。应用层针对学生提供具体应用服务。2.2开发流程如图2所示，转杯纺纱虚拟仿真实验开发流程包

括前期设计准备和交互模块开发两部分['前期设计

准备由专业教师完成，专业教师根据转杯纺纱教学的

教学目标、课程内容为专业设计人员提供转杯纺纱的

纺纱原理、转杯纺纱机整体结构和各部件的图片与尺

寸、转杯纺纱工艺设计标准、转杯纺纱机工作场景、

纺纱运动过程等素材，并编写设计脚本。交互模块开

发主要包括主程序框架设计、界面控制、交互设计以

及反馈设计等。开发人员根据专业教师提供的素材，

对主程序框架中的纺纱原理、机器结构、纺纱运动过

程等使用3ds Max、Photoshop等软件进行设计；利用

C语言完成对界面控制、交互设计的开发；反馈设计

包括设计实验步骤导航和音效提醒

160实验技术与管理纺纱原理教学目标纺纱机结构与

部件图片与尺寸制定纺纱工艺设计标准工作场景课程标准运动过程图2用户交互操作主程序控制教师开发人员交互界面设计网页发布反馈设计开发流程3转杯纺纱虚拟仿真实验设计与实现纱机各个机构及部件组成的实物的3D展示及语音和

文字介绍，机构及原理为演示型实验，上机工艺为操

作性实验，如图3所示。3.1整体实验设计转杯纺纱虚拟仿真实验由整体介绍、机构及原理

和上机工艺3个模块组成。整体介绍模块是对转杯纺丄细纱支数

_~ZL_转条杯子梳定辊转量速

转

|__|速

||分一|捻度捻系数图3整体设计图3.2虚拟转杯纺纱机机构与原理由于转杯纺纱过程密闭不可视，利用Unity 3D技

术建立转杯纺纱机及纺纱器的模型，并制作纺纱过程

中各部件运动状态及纤维转移状态的动画，可以让学

生对转杯纺纱原理有更直观的认识[13]。其部分代码

如下：///〈summary〉///纺纱器分解

///〈/summary〉IEnumerator FangShaQiFenJie(){ive(true);//移除主相机高亮组件Destroy(ponent〇);//小相机添加高亮组件Xi aoCamera. AddComponent();ck(ZhaunBeiYiDong);yield return new WaitForSeconds(2f);

//给纺纱器的部件添加点击事件

FangShaQiDianJiShiJian();}图4为已完成的部分虚拟转杯纺纱机机构及原

理场景。3.3转杯纺纱上机工艺实现转杯纺纱工艺的设计和计算是现实教学中的重要

内容，其工艺参数主要包含喂人纤维条的定量fv

(g/(5 m))、喂给罗拉线速度7VW ( m/min )、分梳辊转

速况（r/min )、转杯转速W ( r/min )、捻度7引纱罗

拉线速度F ( m/min )和纺纱支数A； ( tex ) [2]。分梳

辊转速％主要影响分梳辊对纤维的梳理质量，为独立

参数，与其他纺纱工艺无必然联系，因此在转杯纺纱

上机工艺虚拟仿真设计时，主要对其他工艺参数设置

的合理性进行判断，其计算公式为：

张玉泽，等：基于Unity 3D仿真技术的转杯纺纱虚拟仿真实验建设与教学应用161(c)纤维输送原理

图4（d)纤维凝聚原理虚拟转杯纺纱系统部分场景校提供实验教学服务[141。学生可通过用户登录模块登

VWNw 200^NeV

录系统（转杯纺纱虚拟仿真实验教学平台与学校登录

(2)系统相连，可通过东华大学统一身份认定登录，其他

兄弟院校人员可注册后登录）。4.1操作步骤学生利用电脑、智能手机等网络终端设备登录虚

拟仿真实验平台，选择转杯纺纱虚拟仿真实验项目，

获取实验指导书，熟悉实验流程后可进行虚拟实验。

完成虚拟实验并提交报告后，教师可在线批改并发布

实验成绩，如图5所示。4.2 实际应用及效果评价转杯纺纱虚拟仿真实验项0建设完成后，已连续

3年多在我校纺织工程专业师生中开展应用，使用人

数达到800人次以上。以2017—2018学年第2学期

2016级纺织工程专业的其中2个班级共计90名学生

为样本进行教学效果分析。班级1采用普通教学模式，

班级2采用虚拟教学与正常教学相结合的方式，对这

2个班级学生的综合学习时间、学习效率、实际实验掌

握情况及考核成绩等方面进行对比分析[15_16],结果如

表1所示。学生的学习效率根据学生随堂学习时对知识

点的学习进度得出；学习掌握程度则是根据第2次课程

时，随机抽取学生测试其对知识点的掌握程度得出[17]。由表1对比结果可见，采用虚拟仿真教学模式，

学生的综合学习时间和学习效率均有较大幅度的提

高，学生对知识点的掌握程度也更加扎实，综合考核

成绩反映出的教学效果也更加良好。虚拟转杯纺纱上机实验按照实际实验工艺参数进

行设计。当纺纱工艺参数出现设计不合理时，系统会

弹出相应对话框提醒学生重新设定工艺参数。其部分

程序代码为：int tl2 = ();

float tl3 = (InputFieldl3. text);

if(30000>t8 || t8 > 100000){Text("转杯转速填写错误，请修改")；}else if (t9 < 5000 |丨 t9 > 10000){Text("分梳转速填写错误，请修改”)；}else if(tl0>97||tl0< 15){Text("纱线号数填写错误，请修改")；}4转杯纺纱虚拟仿真实验教学应用目前，转杯纺纱虚拟仿真实验教学平台的架构已

完成，并为我校及其他开设有纺织工程专业的兄弟院

162实验技术与管理登录虚拟仿真实验系统

选择转杯纺纱虚拟仿真实验系统选择实验模板

根据教学内容对内容

进行重新制定和修改0=获取实验指导书：实验目的

实验内容

实验方法

实验步骤

实验要求

注意事1项(教师辅助介绍、从旁指导）A布置实验任务

检测和査看学生操作时长

批阅实验报告

发布实验成绩和结构说明结束实验退出虚拟仿真实验平台系统图表组别班级15虚拟转杯纺纱实验操作流程1不同教学模式下学习时间与考核成绩对比学习效率/%6793理论学习时间/min9060操作练习时间/min4530学习掌握程度/%6288操作成绩73.488.3期末总成绩81.292.3班级25结语纺织工程专业属于较为传统的工科专业，教学模

[6]

王曦，郑天勇，于保康.纺织丁程专业虚拟仿真实验教学探

索[J]•纺织服装教育，2019, 34(5): 454-458.[7] 孙启龙，蔡莹莹，王茹，等.虚拟实验在纺织实验教学中的

应用[•!].纺织服装教育，2019, 34(3): 273-275.[8]

杨建成，杨涛，赵永立，等.机械基础及纺织装备设计虚拟

式相对固定和陈旧，已不能满足新工科背景下教学的

要求，而虚拟仿真技术为传统教学模式的改革提供了

新的思路和方向。本文将3D虚拟仿真技术与传统教

学模式相结合，不仅解决了传统教学中教学设备不足

的问题，还有效提高了学生的学习效率和教学效果，

对学生理论知识的掌握和实践能力的提高均具有积极

的作用。虚拟仿真教学将成为未来纺织工程专业教学

的重要途径。参考文献（References)[1]

仿真实验中心建设[J].实验室科学，2017, 20(4): 183-186.[9] 何斌，刘超，谭冬宜，等.虚拟仿真在纺织类实验教学中的

应用[J].纺织科技进展，2017(6): 62-64.[10]

葛岩，张晓君，庞钦存，等.喷油泵虚拟装配实验开发与教

学应用[J].实验技术与管理，2019,36(3): 150-154, 158.[11]

王雨，王英，王恒，等.基于增强现实技术的机械原理实验

教学系统设计[J].实验技术与管理，2019,36(11): 109-112.[12]

吕庆功，牟仁玲，许文婧，等.钢铁生产全流程虚拟仿真实

践教学平台的建设与应用[J].实验室研究与探索，2019,

38(7): 83-87, 93.[13] 刘旸，陈浩政，高良田，等.虚拟船厂、船舶交互仿真实验

教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设

工作的通知[EB/OL]. (2013-08-13)[2020-05-15]. old.

教学系统设计与应用卩].实验室研究与探索，2019, 38(6):

79-84,114.[14] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建

设与管理[J]•实验技术与管理，2018, 35(11): 225-228, 233.[15] 费杰，鲁博洋，唐鹤云，等•基于Unity与单片机的DR可交

/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7946/201308/

.[2]

[3]

郁崇文.纺纱学[M]. 2版.北京：中国纺织出版社，2014: 10.阿孜古丽•乌休尔.浅谈技信息，2008(31): 195.李龙.“纺纱学”“纺纱学”教学方法[J].黑龙江科 互仿真教学工作站的设计与应用[J].实验室研究与探索，

2019, 38(8): 110-113, 133.[4]

蔡宝，朱文华，孙张驰，等.虚拟现实技术在铣削加工实训

课程教学改革实践探索[J].轻纺工业与技

[16]

教学中的应用[J]•实验技术与管理，2020, 37(1): 137-140.术，2013,42(3): 107—108.[17] 张树团，王晶，张春平，等.关于提升实验教学质量的思考

[J].实验技术与管理，2017, 34(增刊1): 96-98.[5]

储长流，毕松梅，孙妍妍.纺织工程专业课程教学现状及存

在问题探讨[J].广西轻工业，2010,26(5): 112-113.