自動投補及聯(lián)缸染色裝置設計

于義琳 羅瑞琪 閻婧宇 趙諾琦

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

1970 年起木材單板染色主要采用現(xiàn)代化工業(yè)合成染料，該方法由日本和意大利優(yōu)先采用，染料采用自動投補技術(shù)，用于生產(chǎn)重組裝飾材料。對于濃度檢測來說，格靈達麥克貝斯油墨配方軟件具有自動生成配方、多通道計算速度快的特點，能夠高效配比，降低成本。武林、于志明課題組研究木材聯(lián)缸染色，提出采用木材染色來大程度解決染色廢水的污染問題，實現(xiàn)木材聯(lián)缸染色。利用瑞士公司的光譜光度儀測量殘液光譜數(shù)據(jù)，計算得到需投補量，進而進行自動投補[1]。李春生等提出引進瑞士公司的配色系統(tǒng)和顏色控制系統(tǒng)進行木材染色，對木材染色行業(yè)起到了一定的助推作用[2]。該文提出的計算機木材染色配色方法和技術(shù)，能夠在保證配色精度的同時，計算出最經(jīng)濟的木材染色方案。結(jié)合自動控制技術(shù)和檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)，設計聯(lián)缸自動投補染色裝置，實現(xiàn)多缸同染無色差。采用光譜檢測與pH 值等多種參量檢測，以續(xù)投染料為控制對象進行控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)根據(jù)剩余染液相關(guān)性質(zhì)自動投補新一批次所需染料的功能。

1 自動投補原理與方法

自動控制是指利用附加的設備或裝置，使機器、設備或生產(chǎn)過程在不需要人直接參與的情況下，按預定的規(guī)則自動地工作或運行參數(shù)。在木材單色和多色配色實驗中，采用計算機配色系統(tǒng)對殘留染料溶液進行補充。補充后染料溶液與原液的光密度曲線基本吻合，色差值很小，可用于實現(xiàn)多缸染色。該文在計算機配色系統(tǒng)中使用校正功能，利用技術(shù)人員在長期工作中積累的經(jīng)驗對染料配方進行修改，從而最大限度地發(fā)揮人機互補性，減少多缸染色的色差。

分光光度計一般由照明光源、單色器、光度計量裝置和輸出裝置等組成。照明光源發(fā)出的光是在可見光波長范圍內(nèi)連續(xù)分布的光，單色器利用棱鏡、彎曲光柵和彩色干擾濾色片將光源的光分散，分解為一定波長間隔的（如5 nm、10 nm）若干個單色光。單色光在測量部分被分為對稱的2 束光，即樣品光束和參照光束。參照光束照射在標準白板上，樣品光束照射在被測物體表面，檢測比較被反射回來的2 束光，可以得到樣品對該波長光的反射率。根據(jù)物體色三刺激值和光源三刺激值計算公式，可以計算出在照明A 照射下的物體色三刺激值和光源三刺激值。

利用計算機配色技術(shù)中的三刺激值法，對仿珍貴木材染料配方的調(diào)配方法進行研究，并得出幾種仿珍貴材貴木材的染料配方。

計算機配色研究須基于顏色模型，但模型較多且各自的用途不同，該文采用L*a*b*顏色空間研究木材顏色問題。L*a*b*空間由亮度或光亮度分量L*和2 個色度分量a*和b*組成，a*的色彩是從深綠到灰，再到亮粉紅色。b*則是從亮藍色到灰，再到焦黃色。從3 個刺激量X、Y、Z 到L*a*b*顏色空間的轉(zhuǎn)換公式為

式中：L*為亮度或光亮度分量，a*、b*為色度分量，X、Y、Z 為3 個刺激量，X0、Y0、Z0分別為CIE 標準照明體的三刺激值

L*a*b*顏色空間滿足全部的可見光譜，并可以準確地顯示、打印輸入設備中的色彩，滿足該文對珍貴木材的顏色采色需求。

2 聯(lián)缸染色裝置及原理

一直以來木材染色都面臨著一個困境，應用分缸染色時，由于批量過大，即便是品種相同的木材單染色也總會有缸差。染廠以往的解決方案是盡量采用大小不同的染缸，然后使用體積較大的缸，對數(shù)量多的、品種一致的木材進行單染色。應用以上傳統(tǒng)方法，雖然可以降低染色工藝中染缸的數(shù)量，以及同一批木材染色的色差，但是隨之也產(chǎn)生了另外一些難題。染色機的可變載能力是有局限的，且工業(yè)上染色機過載使用是不具有經(jīng)濟性的，嚴重時會增加染色的色差，導致產(chǎn)品不合格，因此該文采用了聯(lián)缸的技術(shù)。

2.1 聯(lián)缸染色原理

將2 臺～4 臺的染缸通過循環(huán)管和閥門互相連接，利用泵提供染料循環(huán)的動力，使染液在染缸之間流動，從而進行循環(huán)染色，這樣做是為了即使是在多次染色的情況下，也能使染色精度和色差控制在理想的范圍內(nèi)。為了保證染色成品的質(zhì)量合格，該文采用控制染料流通速度和木材溫差的染色工藝。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)及功能

該裝置設計目的在于提供一種木材單板聯(lián)缸染色裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中單板浸染技術(shù)不能連續(xù)更換不同的染缸進行染色處理，不便于進行復染或多種顏色混染的問題，減少了浸染工作效率低問題的發(fā)生概率，裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 裝置整體構(gòu)架

裝置的工作原理及使用流程是用液壓缸驅(qū)動浸染籠上移至染色缸上部，將待浸染的木材單板插設在不同的木材單板插接槽內(nèi)，通過活動卡扣合上上蓋，將3 種染色液分別放置在3 個染色缸內(nèi)，通過減速電機驅(qū)動絲杠滑座，在絲桿上直線運動，液壓缸驅(qū)動浸染籠下移至染色缸內(nèi)部進行浸染，從而能夠電動驅(qū)動木材單板，連續(xù)更換不同的染缸進行染色處理，便于進行復染或多種顏色混染[3]。

液壓缸上側(cè)傳動連接伸縮桿一端通過染籠支架，來驅(qū)動浸染籠升降，進行浸染處理。浸染籠內(nèi)部兩側(cè)壁安裝有多個隔板，且2 個隔板之間有木材單板插接槽，能夠?qū)⑾噜彽?塊木材單板隔開浸染，提高浸染的效率[4]。

3 染色工藝與過程

參照圖1 所示的聯(lián)缸染色裝置，實驗中的木材染色工藝流程如下：通過管路和可控流量計向第一染缸和第二染缸投入等量、等濃度的紅、黃、藍色染料和助染劑，再向染缸中投入待染木材，通過熱電偶加熱染缸，使用恒溫浸漬法對木材進行染色。

然后自動補投裝置通過比色皿、分光光度計以及pH 計，獲得染色殘液吸收光譜和pH 值數(shù)據(jù)，并輸入基于該裝置的軟件中，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測，再通過前述設計的算法對染液濃度及配比進行分析，最終得到染缸內(nèi)部剩余顏色的配比，從而自動向染缸中投補所需的紅、黃、藍染料和助染劑，使染料配比恢復初始狀態(tài)，減小聯(lián)缸染色的色差，再利用染缸對待染木材進行染色，如此循環(huán)[5]。

上述聯(lián)缸染色及自動投補裝置不僅能保證木材的染色質(zhì)量，提高染色效率，還能在理論上實現(xiàn)無限循環(huán)續(xù)染，避免浪費、污染，染色流程圖如圖2 所示。

圖2 染色流程圖

4 結(jié)論

通過將自動控制和檢測技術(shù)相結(jié)合，形成了一種生產(chǎn)效率高，各缸之間的被染物顏色穩(wěn)定一致的聯(lián)缸染色方法，同時可以根據(jù)下一缸所需的顏料進行自動補色。木材自動投補聯(lián)缸染色裝置很好地實現(xiàn)了色料的自動補償，也達到了對木材顏色精度的要求。傳統(tǒng)染色過程中染料的浪費和加工的一次性問題也得到了很好的改進。該文設計的裝置可以實現(xiàn)多批次的染色，并且高效利用染料，促進染料循環(huán)利用，避免浪費。