陶建勤

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2.常州市新型紡織材料重點實驗室，江蘇 常州 213164)

傳統(tǒng)的紡織企業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)計主要依賴于工藝設(shè)計員憑經(jīng)驗取值與人工計算。日益激烈的市場競爭促進(jìn)了紡織企業(yè)對新產(chǎn)品的研究與開發(fā)需求，而大量復(fù)雜、繁瑣的人工設(shè)計過程不可避免地導(dǎo)致了工藝設(shè)計結(jié)果的人為誤差與設(shè)計效率的降低[1-2]。精梳毛紡織品日趨輕薄型與高檔化，促進(jìn)了市場對高端品質(zhì)毛紗的需求，隨著紡織工藝設(shè)計技術(shù)的不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)紡織工藝設(shè)計過程的“快而準(zhǔn)”成為必然趨勢[3-5]。本文針對紡織產(chǎn)業(yè)需要通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)智能數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)，研究并設(shè)計基于Excel軟件應(yīng)用的精梳毛紡工藝設(shè)計。通過Excel軟件實現(xiàn)毛紡工藝設(shè)計過程智能性與結(jié)果精確性的要求，制作“精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作簿”(以下簡稱為“工作簿”)，服務(wù)于毛紡織企業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)過程。

1 工作簿的設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

在深入分析傳統(tǒng)紡紗工藝設(shè)計的過程、內(nèi)容與方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合分析Excel軟件對紡紗工藝設(shè)計工作所能提供的技術(shù)支持[6]，確定紡紗工藝設(shè)計在Excel軟件應(yīng)用中的功能目標(biāo)。

1.1.1 功能目標(biāo)的定位

功能目標(biāo)的定位在于使設(shè)計者能快速、高效地完成紡紗生產(chǎn)工藝設(shè)計全過程中各環(huán)節(jié)的各項具體工作，包括：生產(chǎn)任務(wù)明確功能、工藝設(shè)計過程引導(dǎo)功能、工藝要素顯示功能、各類工藝參數(shù)設(shè)計方法提示功能、原料自動配比功能、自動取值功能、自動計算功能以及“工藝設(shè)計單”自動生成功能。

1.1.2 功能目標(biāo)的實現(xiàn)方法

功能目標(biāo)的實現(xiàn)針對功能目標(biāo)的定位，充分利用Excel軟件現(xiàn)有功能，采取有效的技術(shù)措施。

1.1.2.1生產(chǎn)任務(wù)明確功能

通過建立“紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”工作表為設(shè)計者提供生產(chǎn)任務(wù)的輸入界面，并根據(jù)紡紗生產(chǎn)任務(wù)單的信息構(gòu)成確定該輸入界面的具體內(nèi)容，“紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”所在工作表的填寫界面見圖1。

圖1 “紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”所在工作表的填寫界面

1.1.2.2工藝設(shè)計過程引導(dǎo)功能

通過Excel工作薄的工作表分割工藝設(shè)計步驟，并通過工作表名稱欄顯示，包括工作簿封面、紡紗生產(chǎn)任務(wù)單、工藝設(shè)計第1步、工藝設(shè)計第2步、工藝設(shè)計第3步與工藝設(shè)計單等6個工作表。精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作簿的工作表名稱欄見圖2。其中“工藝設(shè)計單”所在工作表是對工藝設(shè)計方案的最終呈現(xiàn)。通過工作表名稱欄引導(dǎo)設(shè)計者逐步完成設(shè)計全程各項具體工作，同時力促提高設(shè)計者初次應(yīng)用工作簿時的適應(yīng)性。

圖2 精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作簿的工作表名稱欄

1.1.2.3工藝要素顯示功能

在歸納紡紗各工序工藝要素的基礎(chǔ)上，將工藝參數(shù)按設(shè)計方法進(jìn)行分類[7]，為設(shè)計單元格的功能布局提供依據(jù)。為此，工藝參數(shù)分為直接輸入類、選擇并輸入類與計算類3種?！爸苯虞斎腩悈?shù)”是指直接由產(chǎn)品規(guī)格種類、設(shè)備種類等客觀要求或條件所決定的參數(shù)；“選擇并輸入類參數(shù)”是指需要設(shè)計者針對紗線具體品種與質(zhì)量要求，結(jié)合設(shè)備技術(shù)條件、原料規(guī)格與品質(zhì)情況、生產(chǎn)成本等因素，通過理性分析進(jìn)行選擇后再輸入相應(yīng)單元格的參數(shù)；“計算類參數(shù)”是指需要應(yīng)用相應(yīng)計算式進(jìn)行計算才能得到的參數(shù)。

1.1.2.4工藝參數(shù)設(shè)計方法提示功能

利用單元格的備注功能，使光標(biāo)移至單元格右上角時自動顯示對應(yīng)工藝參數(shù)的設(shè)計方法。

1.1.2.5原料自動配比功能

引用前期研究成果[8-9]，分別根據(jù)羊毛平均直徑關(guān)系式和精梳毛紗原料配比關(guān)系式所含參數(shù)，先設(shè)計原料選配過程中直接輸入類參數(shù)、選擇并輸入類參數(shù)與計算類參數(shù)單元格及其配比結(jié)果顯示單元格的布局，再將上述2個關(guān)系式依次輸入對應(yīng)單元格，實現(xiàn)單元格之間的聯(lián)動計算效果。

1.1.2.6自動取值功能

合股捻縮率與單紗捻縮率是紡紗生產(chǎn)工藝設(shè)計過程的基礎(chǔ)性參數(shù)，一直以來憑經(jīng)驗取值，但在新產(chǎn)品研發(fā)過程中，往往因取值依據(jù)不足而影響工藝設(shè)計進(jìn)度與精度，導(dǎo)致多次反復(fù)的試紡過程。為此，引用前期研究成果，嵌入捻縮率預(yù)測模型，取消對捻縮率憑經(jīng)驗進(jìn)行取值的過程。

在前期研究中，經(jīng)理論推導(dǎo)與實驗驗證得到了用于雙合股毛型紗線合股捻縮率預(yù)測的參數(shù)迭代程序[10]，預(yù)測雙合股毛型紗線合股捻縮率的參數(shù)迭代程序見圖3。圖中：Nt為單紗設(shè)計線密度，tex；T′為單紗設(shè)計捻度，捻/m；T″為股線設(shè)計捻度，捻/m；d為原料平均直徑，μm；γ為原料平均體積密度，g/m3；h、k、l、s、a、b、x、e、H、R、U、V、W、X、Y、Z、U′、V′、W′、A、B、D、E、F、G、M、P、Q分別為參數(shù)迭代過程中各迭代關(guān)系式的應(yīng)變量；c為合股捻縮率預(yù)測值，%。依據(jù)圖3所示的參數(shù)關(guān)系，先設(shè)計原始參數(shù)輸入單元格、迭代關(guān)系式輸入單元格、合股捻縮率預(yù)測值檢驗單元格，應(yīng)用數(shù)值逼近法進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選單元格及其預(yù)測結(jié)果顯示單元格的布局，再將各迭代關(guān)系式依次輸入對應(yīng)單元格，實現(xiàn)單元格之間的聯(lián)動計算效果。實際應(yīng)用時，在關(guān)聯(lián)單元格分別獲得Nt、T′、T″、d、γ的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，再通過數(shù)值逼近法使“合股捻縮率預(yù)測檢驗值”達(dá)到“0.000 0”[11]，就能快速篩選出“合股捻縮率預(yù)測值”。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引用前期研究成果[12]，根據(jù)毛紗捻縮率預(yù)測模型中參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計變量單元格及其預(yù)測結(jié)果顯示單元格的布局。實際應(yīng)用時，在關(guān)聯(lián)單元格分別獲得單紗設(shè)計捻度、實紡線密度以及原料平均直徑與原料平均體積密度的數(shù)據(jù)信息時，就能同步自動獲取單紗捻縮率預(yù)測值。

圖3 預(yù)測雙合股毛型紗線合股捻縮率的迭代程序

1.1.2.7自動計算功能

自動計算功能，是應(yīng)用Excel軟件的“插入函數(shù)”功能實現(xiàn)相應(yīng)單元格對計算類參數(shù)的自動計算與結(jié)果的自動顯示；對于需要被重復(fù)利用的工藝參數(shù)，是通過對相應(yīng)2個或多個單元格應(yīng)用Excel軟件的“鏈接”功能實現(xiàn)同一工作表內(nèi)或不同工作表之間的數(shù)據(jù)共享。

1.1.2.8工藝設(shè)計單自動生成功能

利用Excel軟件的“鏈接”功能，實現(xiàn)終端“工藝設(shè)計單”與工藝設(shè)計第1步、工藝設(shè)計第2步、工藝設(shè)計第3步過程中各項設(shè)計結(jié)果之間的單元格鏈接，并按設(shè)計要求的布局同步呈現(xiàn)針對具體品種的“生產(chǎn)工藝設(shè)計單”工作表。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包括操作界面結(jié)構(gòu)布局的簡明性、完整性和平衡性方面效果的設(shè)計。

1.2.1 結(jié)構(gòu)目標(biāo)的定位

結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是通過工作表的建立、單元格的布局，達(dá)到對紡紗生產(chǎn)任務(wù)的明確、對生產(chǎn)工藝設(shè)計過程與生產(chǎn)工藝要素的體現(xiàn)，使工作簿結(jié)構(gòu)簡明、操作便捷，從而使設(shè)計者能快速適應(yīng)本文方案所提供的紡紗生產(chǎn)工藝設(shè)計過程。

1.2.2 結(jié)構(gòu)目標(biāo)的實現(xiàn)方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)，依據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性分割設(shè)計任務(wù)，明確設(shè)計步驟并安排于不同工作表之中，在此基礎(chǔ)上確定各工作表的具體內(nèi)容，并以不同工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系合理布局單元格的功能位置。同時，添加1個工藝方案呈現(xiàn)的工作表命名為“精梳毛紡生產(chǎn)工藝設(shè)計單”，其中每一個數(shù)據(jù)均通過鏈接來自于各工藝設(shè)計操作工作表，使其內(nèi)容不支持修改，滿足后續(xù)工藝實施與工藝管理的需求。

1.3 外觀設(shè)計

對工作薄、工作表、單元格進(jìn)行功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，再對工作簿整體進(jìn)行外觀效果的優(yōu)化。

1.3.1 外觀目標(biāo)的定位

外觀設(shè)計的目標(biāo)是使工作簿中每一個工作表的操作界面到達(dá)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀簡明與美觀的效果，使設(shè)計者在使用工作簿時心情愉悅。

1.3.2 外觀目標(biāo)的實現(xiàn)方法

利用Excel軟件的“隱藏”功能，隱藏工作表中用于各種中間運算的所有單元格，從而達(dá)到工作表外觀結(jié)構(gòu)的簡明性要求。例如，合股捻縮率的預(yù)測是對數(shù)據(jù)項進(jìn)行多步迭代完成的，需要一系列單元格進(jìn)行聯(lián)動計算，這將導(dǎo)致操作界面存在一系列不需要工藝設(shè)計者關(guān)注的、用于中間迭代計算的單元格信息，“工藝設(shè)計第1步”所在工作表的操作區(qū)域原型界面見圖4?！肮に囋O(shè)計第1步”所在工作表的操作界面見圖5。圖5界面的操作區(qū)域是在圖4界面的基礎(chǔ)上通過局部“隱藏”處理得到的，其結(jié)構(gòu)簡明、設(shè)計內(nèi)容明確。

圖4 “工藝設(shè)計第1步”所在工作表的設(shè)計操作區(qū)域原型界面

圖5 “工藝設(shè)計第1步”所在工作表的操作界面

同時，利用Excel軟件的“保護(hù)”功能，對工作簿及其各個工作表的結(jié)構(gòu)通過設(shè)置密碼加以鎖定，達(dá)到工作簿結(jié)構(gòu)及其工作表操作界面的穩(wěn)定性要求，避免操作過程中的意外變動。在此基礎(chǔ)上，以具有情緒減壓功能的糖果色為主色調(diào)，分別對各工作表的設(shè)計區(qū)域與非設(shè)計區(qū)域進(jìn)行調(diào)色，并對設(shè)計區(qū)域的標(biāo)題欄單元格進(jìn)行再調(diào)色，以凸顯設(shè)計內(nèi)容的主題與具體設(shè)計內(nèi)容，最終達(dá)到外觀設(shè)計的目標(biāo)，獲得如圖5所示的界面效果。

2 工作簿的應(yīng)用

2.1 工藝設(shè)計的準(zhǔn)備

打開工作簿即呈現(xiàn)工作簿封面，“工作簿封面”所在工作界面見圖6。在此界面中，點擊進(jìn)入“紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”工作表(圖1)，再根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)具體要求填入相關(guān)信息。

圖6 "工作簿封面"所在工作表的界面

2.2 工藝設(shè)計的實施

應(yīng)用Excel工作簿設(shè)計精梳毛紡生產(chǎn)工藝的操作流程見圖7。

圖7 應(yīng)用Excel工作簿設(shè)計精梳毛紡生產(chǎn)工藝的操作流程

2.2.1 工藝設(shè)計第1步的實施

圖8 “工藝設(shè)計第2步”所在工作表的操作界面

按圖7所示的步驟與方法，在工作簿中點擊“工藝設(shè)計第1步”工作表，進(jìn)行合股捻縮率與單紗捻縮率的預(yù)測、纖維原料的選配、細(xì)紗規(guī)格工藝的設(shè)計，見圖5。在該工作表中，分別輸入單紗設(shè)計線密度、單紗設(shè)計捻度、合股數(shù)、股線設(shè)計捻度的數(shù)據(jù)，結(jié)合考慮細(xì)紗強力、條干的質(zhì)量要求與原料成本因素，選擇并輸入細(xì)紗截面根數(shù)[13]，此時工作表將自動顯示要求的原料平均直徑；在此基礎(chǔ)上，以原料平均直徑為依據(jù)，結(jié)合原料供應(yīng)情況及其紡紗適配性選擇配伍原料的種類，并分別輸入較細(xì)原料平均直徑、較粗原料平均直徑、較細(xì)原料直徑離散系數(shù)與較粗原料直徑離散系數(shù)的數(shù)據(jù)，此時工作表將自動顯示原料配比的結(jié)果；輸入由此確定的原料平均體積密度值，再采用“數(shù)值逼近法”對合股捻縮率預(yù)測值進(jìn)行篩選，直至合股捻縮率預(yù)測檢驗值顯示為0.000 0，由此獲得合股捻縮率預(yù)測值，工作表將同步顯示實紡線密度、單紗捻縮率預(yù)測值、細(xì)紗機前羅拉出條定量與細(xì)紗機械捻度的數(shù)據(jù)[12]。

2.2.2 工藝設(shè)計第2步的實施

按圖7所示的步驟與方法，在工作簿中點擊“工藝設(shè)計第2步”工作表，進(jìn)行前紡規(guī)格工藝的設(shè)計?！肮に囋O(shè)計第2步”所在工作表的操作界面見圖8。在所示的界面中，分別輸入前紡各道工序所用機器的出條根數(shù)、允許最大出條定量、允許最多喂入根數(shù)、允許最大喂入總量等技術(shù)參數(shù)，用于前紡各道工序并合根數(shù)、牽伸倍數(shù)與出條定量設(shè)計結(jié)果的合理性檢驗；依據(jù)細(xì)紗機前羅拉出條定量，選擇并輸入細(xì)紗工序的牽伸倍數(shù)值，此時工作表將自動顯示末道粗紗出條定量值；再以工藝流程為序，由后往前逐道選擇、輸入同時修正各道并合根數(shù)與牽伸倍數(shù)值，此時工作表將自動顯示相應(yīng)前道工序的出條定量以及所在工序的實際喂入根數(shù)與實際喂入總量值。

2.2.3 工藝設(shè)計第3步的實施

按圖7所示的步驟與方法，在工作簿中點擊“工藝設(shè)計第3步”工作表，出現(xiàn)“精梳毛紡質(zhì)量工藝的設(shè)計”?！肮に囋O(shè)計第3步”所在工作表的操作界面見圖9。在所示的界面中，針對所選原料的長度規(guī)格與所有無參數(shù)顯示的質(zhì)量工藝因素進(jìn)行參數(shù)的選擇與輸入。包括原料的交叉長度、巴布長度及其長度離散系數(shù)；包括前紡各道工序的牽伸前隔距、前羅拉加壓、前張力齒輪與后張力齒輪，混條工序的和毛油種類、油水比及其各道加油量與所用針板的針齒規(guī)格，各道針梳工序所用針板的針齒規(guī)格、各道粗紗工序所用針圈的針齒規(guī)格與針圈齒輪，細(xì)紗工序的后牽伸、后牽伸齒輪、捻度變換齒輪組、捻向、牽伸后隔距、隔距塊、鋼絲圈、升降齒輪、撐齒輪、錠速與電動機皮帶盤直徑等工藝數(shù)據(jù)。同時，工作表將自動顯示細(xì)紗機前羅拉轉(zhuǎn)速值。

圖9 “工藝設(shè)計第3步”所在工作表的操作界面

圖10 “工藝設(shè)計單”所在工作表的設(shè)計終稿空白界面

2.3 工藝設(shè)計結(jié)果的呈現(xiàn)

在完成上述設(shè)計步驟的基礎(chǔ)上，工作簿將自動生成一個完整的“精梳毛紡生產(chǎn)工藝設(shè)計單”，此時只需點擊“工藝設(shè)計單”工作表就能獲得設(shè)計終稿“工藝設(shè)計單”。“工藝設(shè)計單”所在工作表的設(shè)計終稿空白界面見圖10。

3 驗證實驗

3.1 生產(chǎn)任務(wù)案例

產(chǎn)品種類：純羊毛 90Z1045×2S935。

原料規(guī)格：條染復(fù)精梳毛條20 g/m。

生產(chǎn)數(shù)量：500 kg。

生產(chǎn)批號：2900111。

上機時間：××××年××月××日。

產(chǎn)品用途：用于生產(chǎn)純毛簿花呢。

質(zhì)量要求：符合FZ/T 22001—2010《精梳機織毛紗》的規(guī)定。

3.2 結(jié)果與分析

工藝設(shè)計過程采用“精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作簿”，本案“紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”所在工作表的填寫結(jié)果見圖11，本案“工藝設(shè)計第1步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面見圖12。本案“工藝設(shè)計第2步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面見圖13。本案“工藝設(shè)計第3步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面見圖14。本案“工藝設(shè)計單”所在工作表的設(shè)計終稿界面見圖15。

圖11 本案“紡紗生產(chǎn)任務(wù)單”所在工作表的填寫結(jié)果

圖12 本案“工藝設(shè)計第1步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面

圖13 本案“工藝設(shè)計第2步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面

圖14 本案“工藝設(shè)計第3步”所在工作表的設(shè)計結(jié)果界面

圖15 本案“工藝設(shè)計單”所在工作表的設(shè)計終稿界面

分析來自于毛紡車間實際生產(chǎn)任務(wù)的驗證案列，結(jié)果表明：利用本文設(shè)計與制作的“精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作簿”，不僅可以精確地對同一工作表內(nèi)不同單元格的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行同步運算與共享，還能對某一工藝數(shù)據(jù)在不同工作表之間進(jìn)行共享或同步呈現(xiàn)。不僅取代了工藝設(shè)計過程的人工計算環(huán)節(jié)，還取代了對捻縮率進(jìn)行經(jīng)驗取值及其修正環(huán)節(jié)，使經(jīng)驗性強、靈活性大的精梳毛紡工藝設(shè)計用時被有效控制在1 h以內(nèi)。

4 結(jié)束語

依據(jù)Excel軟件功能進(jìn)行設(shè)計與制作的“精梳毛紡工藝設(shè)計Excel工作薄”，創(chuàng)新了紡紗工藝設(shè)計的關(guān)鍵性技術(shù)，主要體現(xiàn)于原料自動配比、捻縮率自動取值、細(xì)紗工序與前紡各工序規(guī)格工藝的快速獲取。一方面，實現(xiàn)了產(chǎn)品規(guī)格的目標(biāo)參數(shù)輸入與其生產(chǎn)工藝的設(shè)計結(jié)果呈現(xiàn)之間的同步，方便了設(shè)計過程中對工藝數(shù)據(jù)合理性的判斷與修改，設(shè)計者只需關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量的要求對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析與實時調(diào)整。另一方面，對于最終的工藝方案呈現(xiàn)工作表“精梳毛紡生產(chǎn)工藝設(shè)計單”，企業(yè)可以根據(jù)所用設(shè)備的技術(shù)水平，進(jìn)一步進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)對加工設(shè)備的傳輸或建立流程線上的單機工藝卡等操作。由此，推進(jìn)了人性化工藝設(shè)計技術(shù)，賦予了紡紗工藝設(shè)計過程的趣味性與激勵性，有效降低了設(shè)計全程工作量，提高了毛紗生產(chǎn)工藝設(shè)計的過程效率，也為工藝實施與管理提供了有效的技術(shù)支持，使毛紡織生產(chǎn)企業(yè)能夠更好地應(yīng)對“小批量、多品種、快交貨”的市場需求。