謝嘉偉，汝欣，周香琴

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

圓型針織內(nèi)衣機(jī)是一款運用一次成型無縫針織技術(shù)，由電腦控制編織生產(chǎn)產(chǎn)品的紡織機(jī)械設(shè)備。設(shè)計師根據(jù)針織工藝需求，自由地設(shè)計編織機(jī)械動作相關(guān)參數(shù)，生產(chǎn)出無縫針織內(nèi)衣機(jī)產(chǎn)品。織物CAD技術(shù)作為紡織行業(yè)的核心技術(shù)，圓型針織內(nèi)衣機(jī)依托于其配套的針織CAD系統(tǒng)實現(xiàn)對織物的設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)對產(chǎn)品的編織。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與針織行業(yè)不斷融合，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的CAD系統(tǒng)允許用戶在任何地方進(jìn)行系統(tǒng)操作，降低客戶端操作成本，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。研究一款性能穩(wěn)定、操作便捷的在線圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物CAD系統(tǒng)對圓型針織內(nèi)衣機(jī)以及針織CAD技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。

1 相關(guān)研究

目前，國外的圓型針織內(nèi)衣機(jī)依然處于領(lǐng)先地位，配套的CAD軟件大多被國外所壟斷。德國邁耶西為其提花圓機(jī)所用的PIC系統(tǒng)和MDSI系統(tǒng)、意大利圣東尼為針織圓機(jī)所使用的Photo軟件和Quasars軟件等，大都健壯性好，但穩(wěn)定性較差，以及必須與自家公司生產(chǎn)的編織機(jī)進(jìn)行配套使用，價格昂貴，且大多運行于PC端，維護(hù)成本高、運行效率低。國內(nèi)對圓型針織內(nèi)衣機(jī)的研究相對較少，主要集中在橫機(jī)、經(jīng)編機(jī)、圓機(jī)等機(jī)型，例如江南大學(xué)的經(jīng)編機(jī)織物CAD系統(tǒng)、緯編針織物CAD系統(tǒng)、浙江大學(xué)的紡織物定制平臺等。

針對上述問題，本文應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對圓型針織內(nèi)衣機(jī)，開發(fā)一款在線織物CAD系統(tǒng)，提供在線的織物花型圖案設(shè)計和鏈表動作工藝設(shè)計，生成上機(jī)文件指導(dǎo)內(nèi)衣機(jī)編織生產(chǎn)，使得用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，實現(xiàn)客戶端的零安裝和零維護(hù)，并降低用戶設(shè)計門檻。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

2.1.1 在線設(shè)計需求

圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物CAD系統(tǒng)的核心是生成可指導(dǎo)內(nèi)衣機(jī)編織機(jī)構(gòu)進(jìn)行編織生產(chǎn)的上機(jī)文件，其本質(zhì)是實現(xiàn)對圓型針織內(nèi)衣機(jī)中各編織工作機(jī)構(gòu)控制參數(shù)設(shè)計。因此，本文系統(tǒng)通過繪制圖形的方式實現(xiàn)織物花型繪制，并通過動作指令的方式為用戶提供更多編織工作機(jī)構(gòu)控制參數(shù)設(shè)計。

2.1.2 數(shù)據(jù)管理需求

數(shù)據(jù)管理包含用戶數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，保證數(shù)據(jù)安全性與唯一性，并且需要考慮對數(shù)據(jù)的維護(hù)，包含存儲、查看、刪除、下載等基本操作。

2.1.3 非功能性需求

系統(tǒng)應(yīng)基于Web端的主流框架和技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，保證系統(tǒng)功能的先進(jìn)性。考慮到系統(tǒng)處于初期研發(fā)階段，系統(tǒng)需求存在變數(shù)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可升級性應(yīng)予以保證。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文以B/S（Browser/Server）三層架構(gòu)模式構(gòu)建系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示，主要包括客戶端交互層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)存儲層。B/S架構(gòu)極大地簡化客戶端的負(fù)荷，使得系統(tǒng)更加快捷。

客戶端交互層主要實現(xiàn)用戶交互，其中在線設(shè)計服務(wù)包括花型圖案設(shè)計與鏈表動作設(shè)計，花型圖案設(shè)計實現(xiàn)對花型多圖層的繪制，鏈表動作設(shè)計實現(xiàn)對圓型針織內(nèi)衣機(jī)編織工作機(jī)構(gòu)動作指令的編輯。

業(yè)務(wù)邏輯層主要實現(xiàn)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理及存儲。用戶安全管理與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理為該層核心，通過接收前端交互層的請求，對數(shù)據(jù)作處理，并進(jìn)行響應(yīng)。數(shù)據(jù)庫訪問接口提供了業(yè)務(wù)邏輯層對數(shù)據(jù)庫的訪問與數(shù)據(jù)操作。

數(shù)據(jù)庫層提供云端數(shù)據(jù)庫對不同用戶數(shù)據(jù)信息、資源文件的存儲。相比于傳統(tǒng)的單機(jī)圓型針織內(nèi)衣機(jī)CAD系統(tǒng)，云端數(shù)據(jù)庫的使用極大方便了對數(shù)據(jù)、文件的訪問與調(diào)用，不再局限于單機(jī)環(huán)境下，可以隨時隨地進(jìn)行查看。

本文系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)，前后端獨立開發(fā)的模式降低了系統(tǒng)代碼耦合度。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，HTML5、Boostrap框架實現(xiàn)系統(tǒng)頁面的結(jié)構(gòu)與美化，JQuery庫極大簡化了JavaScript編程；通過Ajax通訊協(xié)議，使得系統(tǒng)進(jìn)行織物花型與鏈表動作工藝設(shè)計時，實現(xiàn)局部數(shù)據(jù)更新，設(shè)計頁面狀態(tài)得以保留；業(yè)務(wù)邏輯層采用Java語言進(jìn)行實現(xiàn)，以SpringBoot框架為基礎(chǔ)，能夠高效穩(wěn)定地將CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對象模型，實現(xiàn)高效管理；MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫性能良好、操作方便，因而將其作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。并且，使用JDBC驅(qū)動，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)存儲層間的交互。

Fig.1 Web-based circular knitted underwear woven fabric CAD system architecture圖1 基于Web端的圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物CAD系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.2 System technology architecture圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 在線設(shè)計服務(wù)

3.1 花型圖案設(shè)計

本文開發(fā)的圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物CAD系統(tǒng)通過圖案設(shè)計方式實現(xiàn)對織物花型設(shè)計，圖案設(shè)計方式更符合用戶對針織物的視覺感官，為用戶提供一種形象好、效率高的設(shè)計模式。

針織物結(jié)構(gòu)一般有線圈圖、編織圖、三角配置圖及意匠圖4種表示方法。其中，意匠圖是通過圖形中的方格及方格內(nèi)的符號表示織物花型與結(jié)構(gòu)，相比于其他3種，意匠圖更便于織物的表示與設(shè)計繪制，因此本系統(tǒng)通過意匠圖的方式對花型圖層進(jìn)行表示。Canvas畫布元素是基于像素的即時二維繪圖，其畫布元素上的像素點只能攜帶顏色和位置兩個數(shù)據(jù)信息，因此本系統(tǒng)采用多圖層的設(shè)計模式，利用不同圖層的單獨繪制表示圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物的不同工藝數(shù)據(jù)，通過選針器層、色控紗嘴層、密度電機(jī)層三層設(shè)計方式實現(xiàn)織物的花型圖案設(shè)計，每個圖層中的顏色都對應(yīng)著相應(yīng)的動作。并且，每個圖層都具有兩個畫布元素Canvas，通過監(jiān)聽鼠標(biāo)事件和對應(yīng)事件觸發(fā)的JavaScript執(zhí)行腳本實現(xiàn)基本繪制功能。

3.1.1 繪圖工具

HTML5提供了豐富的繪圖函數(shù)API接口方法，但原生的API接口較為低級，只適用于完成簡單的繪圖邏輯，若直接使用原生繪圖API實現(xiàn)本系統(tǒng)多圖層繪圖邏輯，不僅操作繁瑣，還會產(chǎn)生很多重復(fù)性工作。因此，結(jié)合系統(tǒng)的繪圖設(shè)計機(jī)制，在原生API的基礎(chǔ)上進(jìn)行封裝設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)各繪圖工具。

花型圖案設(shè)計模塊繪圖工具的封裝設(shè)計如表1所示，系統(tǒng)實現(xiàn)了點、剪切、復(fù)制、直線、描邊、畫筆、填充等一共17個繪圖工具的封裝。繪制圖形時，用戶選擇相應(yīng)的繪圖工具，就能調(diào)用對應(yīng)的繪圖API在系統(tǒng)雙畫布機(jī)制下進(jìn)行圖形繪制，操作簡單、繪制效率高。

Table1 Wrapper API design for drawing tools表1 繪圖工具的封裝API設(shè)計

3.1.2 顏色動作配置

顏色動作配置即定義各種顏色與選針器、色控紗嘴、密度電機(jī)的動作對應(yīng)關(guān)系。同時，為了隨時依據(jù)工藝設(shè)計需求，改變圖案與顏色動作的匹配關(guān)系，花型圖案與不同顏色動作的配置就能形成不同的工藝設(shè)計，設(shè)計更加靈活多變，本文系統(tǒng)采用顏色動作配置獨立設(shè)計及對花型圖案進(jìn)行匹配的設(shè)計方式。

顏色動作配置主要包含對配置進(jìn)行讀取、修改、保存更新。其主要業(yè)務(wù)流程如圖3所示，在客戶端交互層進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與編輯，業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行配置信息的處理與存儲，最終將配置信息保存值數(shù)據(jù)庫中。前后端信息傳輸使用Ajax通訊實現(xiàn)，其傳輸接口如表2所示，提供4個主要的傳輸接口，客戶端交互層調(diào)用相應(yīng)的方法從而向業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)送請求以及相應(yīng)的顏色動作配置信息，業(yè)務(wù)邏輯層通過相應(yīng)的接口進(jìn)行接收并處理，最終響應(yīng)客戶端交互層。

Fig.3 Color action configuration business process圖3 顏色動作配置業(yè)務(wù)流程

3.2 鏈表動作設(shè)計

鏈表動作設(shè)計模塊為生成上機(jī)文件提供數(shù)據(jù)來源，提供指令式的設(shè)計方式對內(nèi)衣機(jī)編織工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作設(shè)計，以便精確地控制各機(jī)構(gòu)的工作動作參數(shù)和時機(jī)。

Table2 Color action configuration data transfer interface表2 顏色動作配置數(shù)據(jù)傳輸接口

3.2.1 鏈表編輯

內(nèi)衣機(jī)編織過程的編織動作較多，且其動作分類面向底層指令控制，對用戶設(shè)計門檻高，不便于工藝設(shè)計。因此，本系統(tǒng)從面向用戶的角度，以方便用戶設(shè)計為目的，將鏈表動作分為速度、電機(jī)氣閥、報警、三角、紗嘴、選針器、花型、步進(jìn)電機(jī)以及特殊功能九大類，并增加動作備注及鏈表步驟循環(huán)，為用戶的鏈表動作工藝設(shè)計降低門檻，設(shè)計簡單明了。

鏈表動作設(shè)計模塊需提供鏈表步驟的插入、刪除和動作的編輯與刪除，依據(jù)設(shè)計需求與動作分類，設(shè)計如圖4所示的鏈表動作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包含3層：最外層為步驟數(shù)據(jù)、第二層為某步驟數(shù)據(jù)下的動作類別數(shù)據(jù)、最里層為某動作類別下的動作詳情，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)便于客戶端顯示，同時在該結(jié)構(gòu)下方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作與修改。

Fig.4 Chain-list action data structure圖4 鏈表動作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

JSON格式是輕量級的數(shù)據(jù)交互格式，使用JSON存儲數(shù)據(jù)層次明確、易于讀寫，簡化數(shù)據(jù)操作流程。鏈表動作數(shù)據(jù)的JSON格式如圖5所示。

遍歷上述鏈表動作數(shù)據(jù)格式，使用＜table＞標(biāo)簽元素作為載體，建立Web端的可視化表格，實時將變化后的數(shù)據(jù)映射至鏈表動作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，便于數(shù)據(jù)的實時緩存。

3.2.2 花型檢查

鏈表動作設(shè)計需要滿足一定的工藝規(guī)范，為了減少用戶在設(shè)計鏈表動作時的工藝規(guī)范檢查頻次，在滿足基本動作編輯要求下，增加花型動作指令的工藝規(guī)范檢查，減少用戶設(shè)計工作量，提高設(shè)計效率。當(dāng)設(shè)計的花型指令數(shù)據(jù)不符合規(guī)范時，則提示不規(guī)范信息，以便設(shè)計師進(jìn)行修改。花型檢查接口設(shè)計如表3所示，客戶交互層調(diào)用ajaxFor-Pattern Examine（）方法向業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)起花型檢查請求，并攜帶鏈表動作設(shè)計數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)邏輯層通過接口“/pattern Examine”進(jìn)行請求的接收與處理，并響應(yīng)最終處理結(jié)果。

Fig 5 Chain-list action data-JSON format圖5 鏈表動作數(shù)據(jù)-JSON格式

Table 3 Pattern check interface design表3 花型檢查接口設(shè)計

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

4.1 花型圖案數(shù)據(jù)

當(dāng)花型圖案在CAD系統(tǒng)上設(shè)計完成后，對花型圖案數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存?；ㄐ蛿?shù)據(jù)存儲的時序流程如圖6所示，客戶端交互層對花型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，調(diào)用客戶單方法AjaxBy Conserve Pattern（），使用Ajax傳輸協(xié)議將花型數(shù)據(jù)傳輸至業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行數(shù)據(jù)的邏輯存儲。在Service層通過花型名稱（patternName）、用戶（userID）驗證數(shù)據(jù)是否已存在同名數(shù)據(jù)，最終將花型數(shù)據(jù)保存至后綴名為“.ca”的文件中。將文件信息存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，最終響應(yīng)客戶端交互層，提示數(shù)據(jù)存儲成功信息。

由于花型圖案繪制在＜Canvas＞畫布的標(biāo)簽元素中，畫布上存儲的是每個像素的RGB信息，需要將其轉(zhuǎn)化為使用顏色號代替的二維數(shù)組。通過調(diào)用getImageData（）方法分別得到花型的選針圖層、色控紗嘴圖層以及密度電機(jī)圖層的RGB一維數(shù)組數(shù)據(jù)，遍歷該數(shù)據(jù)并通過對RGB與顏色號的匹配，最終得到存儲顏色號的花型圖層數(shù)據(jù)。

4.2 鏈表動作數(shù)據(jù)

Fig.6 Pattern data storage timing process圖6 花型圖案數(shù)據(jù)存儲時序流程

當(dāng)鏈表動作編輯設(shè)計完成后，對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存。鏈表動作數(shù)據(jù)存儲的時序流程如圖7所示，客戶端交互層通過調(diào)用ajaxBy Conserve Chain Data（）方法獲取數(shù)據(jù)，并將鏈表動作數(shù)據(jù)傳輸至業(yè)務(wù)邏輯層。在業(yè)務(wù)邏輯層中的Controller層將JSON格式的鏈表動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Java對象模型，便于后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理。在Service層通過用戶ID（userID）、鏈表動作數(shù)據(jù)名（chain Name）驗證是否存在同名數(shù)據(jù)之后將其保存至后綴名為“.chian”的文件中。最終將文件信息存入數(shù)據(jù)庫表中，并響應(yīng)客戶交互層鏈表動作存儲成功信息。

Fig.7 Chain-list action data storagetiming process圖7 鏈表動作數(shù)據(jù)存儲時序流程

其中，鏈表動作數(shù)據(jù)是以JSON格式進(jìn)行客戶端交互層—業(yè)務(wù)邏輯層間的傳輸，由于JSON格式在業(yè)務(wù)邏輯層的處理相對繁瑣，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效管理，在業(yè)務(wù)邏輯層為鏈表動作數(shù)據(jù)建立11類動作對象類和鏈表動作數(shù)據(jù)對象類，其對象類如圖8所示。

Fig.8 Chain-list action data object struc tureclass圖8 鏈表動作數(shù)據(jù)對象結(jié)構(gòu)類

4.3 上機(jī)文件解析

鏈表動作數(shù)據(jù)為上機(jī)文件的數(shù)據(jù)來源，根據(jù)圓型針織內(nèi)衣機(jī)的工藝特點，將鏈表動作數(shù)據(jù)解析成如圖9所示的文件結(jié)構(gòu)，并將文件信息存儲至數(shù)據(jù)庫表中，便于用戶管理與操作。

上機(jī)文件解析業(yè)務(wù)流程如圖10所示，獲取需要解析的鏈表動作數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，檢查相應(yīng)數(shù)據(jù)是否存在且動作設(shè)計是否符合工藝規(guī)范，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，生成以后綴名為“.uco”的上機(jī)文件，最后將上機(jī)文件信息存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，以便于文件管理與操作。

Fig.9 Compiled file structure of the chain-list action圖9 鏈表動作編譯文件結(jié)構(gòu)

Fig.10 On-board fileparsing business process圖10 上機(jī)文件解析業(yè)務(wù)流程

由于上機(jī)文件中的動作類別面向內(nèi)衣機(jī)底層控制，而鏈表動作設(shè)計中的動作類別面向用戶設(shè)計，這就導(dǎo)致二者動作類別不一致。例如：上機(jī)文件解析格式中的氣閥動作包含前端交互層中鏈表動作的三角、紗嘴、特殊功能3個動作類別數(shù)據(jù)，如圖11所示。

Fig.11 Parsing action-gasvalve and chain-list action圖11 解析動作-氣閥與鏈表動作

因此，將數(shù)據(jù)匹配上機(jī)文件動作格式，從而進(jìn)行解析。以氣閥解析為例，其格式匹配步驟如下：①獲取鏈表動作數(shù)據(jù)中某一步驟下的紗嘴、特殊功能、三角動作數(shù)據(jù)；②對紗嘴、特殊功能、三角的動作數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去除與解析動作氣閥無關(guān)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，并按動作參數(shù)中動作針位大小進(jìn)行遞增排序；③統(tǒng)計處理后的紗嘴、特殊功能、三角動作數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的動作針位和相同動作針位出現(xiàn)的個數(shù)；④依據(jù)動作針位以及針位出現(xiàn)的個數(shù)對紗嘴、特殊功能、三角動作按氣閥解析格式以字節(jié)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

T

的第一行表示第一個選針器的動作信息，第二行表示第二個選針器的動作信息。通過上述方式解析得到選針圖層的選針出針信息、色控紗嘴動作控制信息以及密度電機(jī)控制信息。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實例

用戶成功登錄后跳轉(zhuǎn)至用戶管理界面，用戶管理界面包括用戶基本信息管理、密碼管理以及用戶產(chǎn)品信息管理。其中，用戶產(chǎn)品信息管理包括對用戶花型圖案設(shè)計數(shù)據(jù)、鏈表動作設(shè)計數(shù)據(jù)以及上機(jī)文件的查看、檢索、刪除與下載。

系統(tǒng)在線設(shè)計服務(wù)界面包含菜單欄、花型圖案設(shè)計模塊、鏈表動作設(shè)計模塊。其中，左側(cè)為花型圖案設(shè)計模塊，從上至下分別為工具欄、花型圖案顯示界面、顏色選擇表與顏色動作配置、圖層選擇。右側(cè)為鏈表動作設(shè)計模塊，分別包含工具欄、鏈表動作編輯表以及動作選擇欄3部分。

使用本系統(tǒng)的花型圖案設(shè)計與鏈表動作設(shè)計實例如圖12所示，依據(jù)該實例生成的上機(jī)文件能夠正確指導(dǎo)圓型針織內(nèi)衣機(jī)編織生產(chǎn)出期望織物，操作便捷、設(shè)計門檻低，且易于推廣。

Fig.12 Example of fabric design圖12 織物設(shè)計實例

6 結(jié)語

本文基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了在線圓型針織內(nèi)衣機(jī)織物CAD系統(tǒng)，從圓型針織內(nèi)衣機(jī)CAD系統(tǒng)軟件和互聯(lián)網(wǎng)角度對系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析，并使用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式設(shè)計系統(tǒng)總體三層架構(gòu)，實現(xiàn)了內(nèi)衣機(jī)織物的在線設(shè)計服務(wù)，并實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)操作方便、設(shè)計門檻低，易于推廣。目前，該系統(tǒng)只能實現(xiàn)對織物花型規(guī)范的簡單檢查，智能化程度不足。因此，在系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)中，有必要對針織工藝作進(jìn)一步研究，以更好地實現(xiàn)織物編織效果預(yù)測。