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摘要：本论文探讨在搭建聚酯熔融纺丝工程实验课程虚拟仿真实验环境过程中所涉及到的建设内容，主要包括纺丝试验机各机构的模型，如螺杆挤出机、箱体、纺丝甬道、卷绕机构及其它们的内部构造等；纺丝试验机的操作流程及步骤，主要分为加热准备阶段、螺杆冲料阶段、纺丝阶段、停机阶段；纺丝试验机各机构的工艺条件的选择及范围等。并阐述了聚酯熔融纺丝工程实验课程虚拟仿真实验环境的建设步骤，主要包括数据的采集，模型的搭建、模型的导入、动画的制作和交互控制等。该建设内容的探讨为酯熔融纺丝工程实验课程的虚拟仿真平台建设提供前期参考。
关键词：聚酯；熔融纺丝；实验课程；虚拟仿真；建设内容
本文引用格式：罗海林，等.探讨聚酯熔融纺丝工程实验课程虚拟仿真环境的建设内容[J].教育现代化,2020,7(41):17-20.
一 引言
对于我国纺织化纤专业的高等教育来说，不仅要求大学生具有扎实的理论知识，同时还要具有较高的实践操作和动手能力[1]。工程实验教学是将理论知识与实践操作结合的重要手段，从而培养学生的综合能力[2]。在纺织化纤专业中，聚酯熔融纺丝工程实验教学是一个重要的实验。通过这个实验，学生可以根据聚酯化纤的成型原理，对纤维成型技术进行综合实践，自行设计工艺参数，并亲自操作纺丝试验机，可以充分体验和理解理论课程中关于聚酯化纤成型技术的知识。
但是，在聚酯熔融纺丝工程实验教学中所使用的纺丝试验机是集熔融挤出、拉伸、卷绕于一体的大型加工设备。在实验教学过程中，由于受到设备台套数、高成本、高消耗、安全性等因素的限制，一般只能作为一些验证或演示性的实验[3]。因此，这种教学方法会导致学生对聚酯熔融纺丝成型加工技术的认识和理解不全面，急需开发出一种新的手段来辅助聚酯纺丝工程实验的教学。
随着数字化、信息化技术的发展和虚拟仿真技术的推广，数字化实验课程的建设逐渐成为实验教学方法改革的重要方向之一[4]。以虚拟仿真技术为基础开展聚酯纺丝工程实验的教学，可以将教学内容涉及到的各种设备模型，操作流程等以三维视角进行全方位的展示。而且虚拟仿真技术还能够将聚酯纺丝工程实验的场景还原，帮助学生了解各种设备的结构，运行原理，操作方法，工艺流程等，来辅助学生完成该实验的具体操作步骤，加深对聚酯纺丝工程知识的理解[5,6]。
由于聚酯熔融纺丝工程实验是一个专业性和综合性很强的实验，所使用的设备结构复杂、工艺流程长，在虚拟仿真的过程中需要展示设备中不同组成部分的结构及其运行原理，还有设备的操作和控制原理，以及整个纺丝工艺的流程和操作步骤，因此涉及到的内容繁多。本论文主要是在真正建设虚拟仿真环境前，依据本实验室现有的设备和条件，归纳和总结在建设聚酯熔融纺丝工程实验教学中需要涉及到的设备各组成部分的结构及运行原理、工艺条件、操作步骤等内容，并简要探讨聚酯熔融纺丝工程实验虚拟仿真环境的搭建步骤。
二纺丝试验机的结构
本实验室的熔融纺丝试验机是由我校自行设计，与上海金伟纺机有限公司联合制造而成，可进行少量热塑性高聚物切片的单组份及双组份复合熔融纺制聚酯长丝。该纺丝试验机主要由螺杆挤出机、箱体、纺丝甬道、牵伸卷绕机、控制柜等机构组成，图1为纺丝流程图，图2为纺丝试验机设备图。这几部分机构协同合作，共同完成熔融纺丝的工艺过程，其中每一部分机构都具有各自复杂的机械结构特点和运行原理[7]。
螺杆挤出机由内至外依次为螺杆、套筒、加热瓦片和保温罩，进料端有循环水冷却装置、切片加料斗和挤出电机，熔体出口与箱体中的熔体输送管相连。螺杆的直接为25mm，螺杆的长径比为28：1，且螺距与螺杆的直径相同，螺杆的旋转由挤出电机驱动。套筒的长度和孔径要与螺杆相适应。三块加热瓦片包覆在套筒上，按螺杆中物料的前进方向依次排列为螺杆供热。为了纺制并列、皮芯、海岛等多组分合成纤维，该纺丝试验机上同时配有2条螺杆挤出机。
箱体内由导热油填充，导热油经加热后由油泵循环输送，计量泵、喷丝组件和熔体输送管等机构均包裹在箱体中。计量泵由一对齿轮和三块板、联轴节等组成，齿轮密封装在中间板的8字形孔与上下板之间，主动齿轮由转动电机经联轴节带动；为精确计量各条螺杆不同熔体组分的输送量，需要为每条螺杆分别配备一个计量泵，本实验室纺丝试验机共配有2个计量泵。喷丝组件是纺丝的核心机构之一，由组件盖板、组件套、过滤板、导流板、分配板和喷丝板等组成，过滤板、导流板、分配板和喷丝板由上而下依次叠放在组件套内，并由组件盖密封在组件套内，不同喷丝板孔的结构可以纺制不同的异形丝，如三角形、扁平丝等。在2种组份复合熔融纺丝时，2种熔体组份分别经各自的螺杆、计量泵后进入箱体的熔体输送管喷丝组件，由压力经组件内的导流板、分配板和喷丝板等组合作用排列成具有特定结构，经喷丝板喷出后形成具有并列、皮芯海岛等结构的合成纤维。不同结构的纤维，其纺丝组件内的过滤板、导流板、分配板和喷丝板等组合或结构并不相同，纺丝前，根据需要进行组装和替换。
纺丝甬道是一个很长的纺丝通道，位于喷丝组件下方。纺丝甬道中离喷丝出口不远处设置有冷吹风装置和上油装置。冷吹风装置采用直形侧吹风形式，由风机将经过调温调湿的冷风输送到出风口。上油装置由储油罐，油剂齿轮泵，输油管，上油喷嘴，导丝钩等组成，储油罐中的油剂由油剂齿轮泵经输油管输送至上油喷嘴，经过导丝钩的丝条与上油嘴接触，使油剂粘附到丝条上。
牵伸卷绕机一般由导丝机构和卷绕机构两部分组成。导丝机构包括上、下两个导丝盘，上下导丝盘的直接由微小的差异，一般上导丝盘比下导丝盘大0.5%，两个导丝盘分别由电机同轴驱动旋转。卷绕机构是纤维的成型机构，包括往复导导丝器、摩擦辊和筒管等。导丝导丝器由槽筒带动导丝钩往复运动、筒管由摩擦辊传动旋转。
控制柜分为前纺控制柜和后纺控制柜。前纺控制柜主要控制螺杆挤出机和箱体中计量泵的启停和运转、显示螺杆机头与计量泵间和计量泵与喷丝组件间的熔体压力以及显示设定螺杆挤出机各区温度和箱体温度。后纺控制柜主要是控制导丝机构中上下导丝盘和卷绕机构中往复导丝器和摩擦辊的启停和纺丝速度，并对纺丝甬道的冷吹风装置和上油装置的各个参数进行显示设定。前纺控制柜和后纺控制柜上都依次设有相应的仪表和按钮。
根据该纺丝试验机的工作原理、结构和各机构的功能，该纺丝试验机共占用上下2间实验室，分别称为前纺实验间和后纺实验间。其中螺杆挤出机、箱体及前纺控制柜设置在前纺实验间；而牵伸卷绕机、后纺控制柜设置在后纺实验间；纺丝甬道则由前纺实验间穿过楼层进入后纺实验间，其中冷吹风装置和上油装置位于前纺实验间。
三 纺丝试验机的操作步骤
根据本实验室现有的纺丝试验机设备及实验条件，按照纺丝工艺流程，整个纺丝实验操作步骤分为加热准备阶段、螺杆冲料阶段、纺丝阶段、停机阶段。
加热准备阶段：首先打开螺杆进料端的循环水冷却装置，防止加料斗中的物料粘结和挤出电机受热损坏。开启前纺控制柜电源，开启箱体导热油泵开关，设定导热油加热温度，开启导热油加热开关，箱体加热一般需要5小时才能完全热透，等待箱体温度达到设定温度。打开螺杆三个区的加热开关，并设定好相应的加热温度，等待螺杆升温至预设温度。
螺杆冲料阶段：首先打开计量泵开关，根据工艺设定转数，转数调节应先慢后快，慢慢提高。开启螺杆电机并调至相应转数，先慢后快，慢慢提高速度，并随时关注熔体压力情况，不能超压。将干燥好的聚酯切片加入料斗中，尽量少接触空气，防止物料回潮。从箱体的排料口观察熔体流动情况，需要熔体成连续稳定细流状态。
纺丝阶段：在排料正常后，依次停止螺杆挤出电机、计量泵电机。将组装好并预热过的纺丝组件安装到箱体的排料口位置。再依次开启计量泵电机、螺杆挤出电机，等待出丝。此时，开启后纺控制柜，分别设定好上下导丝盘丝、往复导丝器和摩擦辊的转速后并依次启动。待组件挤出的初生丝稳定后，开启侧吹风，开启油剂齿轮泵。卷绕时，将初生丝截断，并投入到纺丝甬道中，在纺丝甬道下端用吸枪吸住，使丝条依次经过侧吹风装置、上油嘴、下导丝盘、上导丝盘、往复导丝器、最后卷绕到丝筒上。
停机阶段：待纺丝完成后，首先停止上下导丝盘丝、往复导丝器和摩擦辊的运行，关闭后纺控制柜。再依次停止螺杆挤出电机、计量泵电机的运行。卸下箱体中的纺丝组件，并及时拆开组件各部件进行煅烧。关闭螺杆各区的加热开关，停止导热油的加热。待螺杆冷却后，关闭循环水冷却装置。待导热油冷却至80℃以下后关闭导热油泵。最后关闭前纺控制柜。
四 纺丝试验机的工艺条件
根据现有聚酯熔融纺丝试验机组成机构的结构特点，结合它们的运行机制和控制运行条件，各机构在聚酯熔融纺丝时的运行工艺如下[8]。
挤出电机的转速可以手动控制，也可以由螺杆挤出机出口处（即计量泵前）的熔体压力自动控制，一般压力控制在5MPa左右。根据螺杆中物料的变化和螺杆各段的作用不同，将螺杆分为进料段、压缩段和计量段三段，在常规聚酯纺丝时，各段设定的温度依次为230-260℃、270-280℃、280-285℃。
箱体中导热油的温度是熔融纺丝最关键的条件，一般常规聚酯纺丝控制在285-287℃。计量泵的转速由转动电机控制，由纺丝速度和纺制聚酯纤维的纤度等条件来设置。喷丝组件根据纺丝纤维形状和组分的不同，其内部的导流板、分配板和喷丝板的结构有很大的区别，需要在纺丝前的准备工序时组装。
常规聚酯纺丝时，冷吹风温度一般控制在25℃左右，湿度控制在70%-80%，风速控制在0.4-0.6m/s,可根据不同的纺丝速度进行微调。纺丝油剂的主要成分含有润滑剂、抗静电剂、集束剂、乳化剂等，上油时与去离子水复配使用，一般浓度约为0.3-0.4%。
导丝机构和卷绕机构的纺丝速度要根据丝条的张力来配合控制，并不同的聚酯纤维的规格来选择不同的纺丝速度。一般聚酯uDY丝的纺丝速度为1000-1500m/s、MOY丝的纺丝速度在1500-3000m/s、POY丝的纺丝速度在3000-6000m/s。
五 虚拟仿真环境建设
聚酯熔融纺丝工程实验课程虚拟仿真环境建设主要包括数据的采集、纺丝试验机和实验室环境的建模、试验机运行和操作的动画制作和虚拟场景的交互控制等[9]。
首先采集数据，即分别对纺丝试验机中的螺杆挤出机、箱体、纺丝甬道、拉伸卷绕、控制柜等组成机构的整体结构及内部构造的基本尺寸进行详细测量，记录。然后利用采用3ds Max三维软件根据采集到的数据进行等比例建模，明确各机构的整体形状和各部件的规格，使纺丝过程中涉及的设备及部件能够以三维虚拟视图细致精确地展现出来。
为了虚拟聚酯熔融纺丝工程实验的虚拟仿真具有更加逼真的浸入感，首先利用unity3D交互软件自带的地形编辑器以现有的实验室为参考模拟搭建虚拟的实验室环境。然后分别将上述各机构中内部结构及框架的三维模型拖拽导入到虚拟实验室场景中，并将纺丝试验机各机构的组成模块进行组装，最后根据现实中纺丝试验机的组成结构和摆放位置，调整各机构三维模型的位置和大小，使其组装成一台虚拟仿真的纺丝试验机。
在模型搭建和导入、组装完成后，利用unity3D自带的Animation插件将聚酯熔融纺丝工程实验所需要的动画进行设计，主要包括纺丝试验机各机构内部构造及运行机制的展示、纺丝试验机各机构的控制原理、纺丝流程的操作步骤展示、各纺丝机构的工艺展示等。动画编辑主要是通过改变每帧图形中三维模型的属性来完成的，并通过调节动画的播放速度来达到所需要的动画效果。
在unity3D软件中导入VRTK，Steam VR等插件，设置VR设备的空间环境，将Steam VR中的Camera Rig加载到虚拟场景中。可以根据实验教学的需要，在手柄控制器上编写脚本，利用手柄控制器来控制三维视图、位置移动、触发事件等来交互控制动画的播放。最后将建立的unity3D项目导出为可执行的3D运行文件，以完成聚酯熔融纺丝工程实验虚拟仿真环境的建设。
六 结语
聚酯熔融纺丝工程实验所使用的纺丝试验机结构庞大且系统复杂，主要由螺杆挤出机、箱体、纺丝甬道、牵伸卷绕、控制柜等机构组成，每个机构又具有各自独特的内部构造和运行机制。纺丝试验机的操作流程主要由开机、排料、纺丝、停机等步骤组成。根据聚酯熔融纺丝工程实验的特点和纺丝要求，各机构具有特定的工艺条件，如螺杆的各区和箱体的温度、纺丝压力、纺丝速度等。
根据纺丝试验机各机构的整体结构及内部构造采集详细的尺寸数据，利用3ds Max软件等等比例建立各机构的三维模型。利用unity3D交互软件首先搭建实验室环境，导入三维模型，组装虚拟的纺丝试验机；再根据实验需要制作动画，主要包括纺丝试验机各机构内部构造的展示、工艺条件的展示和操作流程的展示；然后通过脚本利用手柄控制器来交互控制三维视角的转换和动画的播放。
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