關(guān)于制革生產(chǎn)的智能化發(fā)展思考

李波，但衛(wèi)華，但年華

（1.四川大學(xué)皮革化學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2. 四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國(guó)家工程研究中心，四川 成都610065）

1 制革生產(chǎn)過程面臨改造

皮革有“人類的生存裝備”之美譽(yù)，早在從猿向人類進(jìn)化過程中的北京猿人就用骨針縫制皮衣服，從古至今皮革在人類的衣食住行中發(fā)揮著重要作用，皮革作為服裝、鞋靴、箱包和球類等一些高等級(jí)日常生活甚至軍用商品被廣泛應(yīng)用。無(wú)可否認(rèn)，對(duì)現(xiàn)代皮革工業(yè)而言，先進(jìn)的制革自動(dòng)化也已成為皮革生存發(fā)展不可或缺的“裝備”。

制革自動(dòng)化是生產(chǎn)力發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志，也是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。進(jìn)入到信息化時(shí)代的制革生產(chǎn)裝備水平自然成為行業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的標(biāo)志。放棄傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，擺脫靠體力及技能進(jìn)入智能化、數(shù)字化控制成為必然趨勢(shì)[1-3]。

現(xiàn)代規(guī)?；聘锷a(chǎn)中包括高流量多品種的物料出入及高強(qiáng)度多形式的機(jī)械化操作，采用人工的操作或管理不僅提高了勞動(dòng)力成本，也受到人為因素的影響。為此，難以保證生產(chǎn)過程技術(shù)參數(shù)的精度及產(chǎn)品的穩(wěn)定。甚至可能因人工操作不當(dāng)都會(huì)造成生產(chǎn)工藝執(zhí)行的誤差，甚至影響到人體健康和環(huán)境安全[4]。然而，在皮革制造中，一方面，從動(dòng)物體上剝下來(lái)的原料皮張與張之間性狀品質(zhì)不規(guī)則，如皮張的大小、厚度、傷殘的多樣性；另一方面，將復(fù)雜操作的人工技能進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)變創(chuàng)建系統(tǒng)智能化裝備的難度大。因此，逐步地，片段性、局部性的自動(dòng)控制特征成為必然。

采用傳統(tǒng)的方法，制革生產(chǎn)很難獲得穩(wěn)定的質(zhì)量。統(tǒng)一品種的原料皮因來(lái)源（飼養(yǎng)、地區(qū)、季節(jié)）、儲(chǔ)存方式的不同，以及成品革的要求不同等，都需要適當(dāng)調(diào)整加工工藝。因此，在制品狀態(tài)、化工材料使用、機(jī)械操作方式、環(huán)境條件變化及物料傳輸過程，都靠人為主導(dǎo)來(lái)完成，難以獲得穩(wěn)定的質(zhì)量，甚至難以保證不同批次成革質(zhì)量的最佳狀態(tài)或一致性[5]。以2 個(gè)干燥加工為例：1）繃板干燥是常用的皮革干燥方式，操作過程中靠人眼識(shí)別皮革邊緣，依次用專用的夾子沿革周邊夾持好后，再將夾子尾鉤插入多孔金屬板中以將革繃緊在孔板上進(jìn)行干燥。問題是手動(dòng)夾皮力量、距離都是人工掌握，因人而異。卸皮時(shí)以人工為主，不僅費(fèi)力且操作環(huán)境溫度高，夏天的高溫使人體力損耗大。2）手工補(bǔ)傷是提高等級(jí)或利用率的常用方法。根據(jù)肉眼觀察傷殘后進(jìn)行填補(bǔ)，但是常常因光線及尋找不及出現(xiàn)漏補(bǔ)或修補(bǔ)不規(guī)范，結(jié)果是勞動(dòng)效率低，操作質(zhì)量不穩(wěn)定。中國(guó)皮革協(xié)會(huì)發(fā)布了《制革裝備行業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖》，提出了皮革強(qiáng)國(guó)，裝備先行[6]。皮革的機(jī)械裝備自20 世紀(jì)初起的高速發(fā)展，迄今已經(jīng)120 年，制革生產(chǎn)線中大量的手工操作被機(jī)械化替代，能夠進(jìn)入更新?lián)Q代面將直面智能化改造。只有通過智能化升級(jí)才能徹底解決手工操作的低效和操作者受到危險(xiǎn)環(huán)境的威脅，保證操作質(zhì)量的穩(wěn)定[5]。

2 制革生產(chǎn)智能化思考

隨著我國(guó)人口紅利的逐漸下降，人工成本逐年增加，現(xiàn)實(shí)壓力倒逼制造業(yè)發(fā)展智能制造來(lái)釋放智能化的效益空間，使制革工人脫離高強(qiáng)度和簡(jiǎn)單重復(fù)的操作，減少操作誤差及保證質(zhì)量穩(wěn)定。生產(chǎn)線中核心裝備的智能化和過程檢測(cè)智能化對(duì)制革行業(yè)的發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用，有利于提升傳統(tǒng)制革行業(yè)的智能化制造水平，促進(jìn)制革行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展與質(zhì)量效益相結(jié)合。工業(yè)智能化的標(biāo)準(zhǔn)模式是流水線上的定制化生產(chǎn)，這樣能夠把定制化的高收益和流水線的高效率、低成本結(jié)合起來(lái)。但因制革生產(chǎn)過程的不連續(xù)，成批濕操作和單張機(jī)加工交替進(jìn)行，從而面對(duì)成批濕操作與單張機(jī)加工的交替，很難組成從原皮投產(chǎn)到成品革輸出的連續(xù)生產(chǎn)線。需要分段組成生產(chǎn)線的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

2.1 濕操作車間操作的智能化

采用生產(chǎn)線組織生產(chǎn)是機(jī)械化和自動(dòng)化的特征，為了組成濕操作生產(chǎn)線，目前較先進(jìn)的皮張輸送方式是：原料皮從原皮庫(kù)輸送到到轉(zhuǎn)鼓采用皮張懸掛在輸送線上，分張計(jì)重后送入轉(zhuǎn)鼓。由于剛出鼓的皮大多處于滴水狀態(tài)，皮張?jiān)谵D(zhuǎn)鼓之間或轉(zhuǎn)鼓與單張加工設(shè)備之間的轉(zhuǎn)運(yùn)就需要在透水輸送線上完成，并在輸送線的下方設(shè)置排污水溝以便分類收集和集中處理。

濕操作車間的主要操作大都與轉(zhuǎn)鼓相關(guān)，轉(zhuǎn)鼓的自動(dòng)化控制是制革企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)[7-11]，早期的轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)控制主要集中在轉(zhuǎn)鼓運(yùn)轉(zhuǎn)控制，以及自動(dòng)加料控制，但最終因缺乏自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)而終止使用。因此，智能化在線加工質(zhì)量監(jiān)測(cè)成為發(fā)展的目標(biāo)。

轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)控制系統(tǒng)中還應(yīng)包括供水系統(tǒng)來(lái)提供高溫和常溫的水，按照不同的比例混合冷熱水就以得到所需溫度的水，并定量地加入到轉(zhuǎn)鼓中，準(zhǔn)確的水溫和水量的有利于制革工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性。

投入準(zhǔn)確量的化料是保證正確處理皮料的必要條件，也是保證成革批與批皮之間性能一致性的基本條件。制革生產(chǎn)中采用手工添加化工材料可能導(dǎo)致昂貴化料的濺出而且危害身體健康，近年來(lái)開始使用的轉(zhuǎn)鼓自動(dòng)配料、加料系統(tǒng)可以減少操作中的失誤，改善工作環(huán)境的空氣質(zhì)量且最小化化工材料的損耗，提供清潔的加工場(chǎng)所和健康的工作環(huán)境[12]。使用清潔生產(chǎn)技術(shù)是制革工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，同時(shí)，自動(dòng)配料、加料系統(tǒng)和供水系統(tǒng)中記錄的工藝參數(shù)是收集工藝數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

更進(jìn)一步，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，整個(gè)車間采用中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)獲取，該系統(tǒng)能夠提供生產(chǎn)率、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、停轉(zhuǎn)間隔等信息，并可設(shè)置大屏幕顯示生產(chǎn)參數(shù)如溶液溫度、pH 和生產(chǎn)進(jìn)程等便于操作人員知曉和協(xié)調(diào)，后期可提供制革工藝大數(shù)據(jù)分析，為數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.2 干操作車間操作的智能化

2.2.1 機(jī)械加工智能化

刀軸類加工設(shè)備大都為非通過式，即一張皮需要在加工部分皮張后，調(diào)頭加工未處理的部分，這樣勢(shì)必增加操作強(qiáng)度，延長(zhǎng)加工時(shí)間。一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)通過式加工的方式是用兩臺(tái)相同的非通過式機(jī)器，在兩臺(tái)設(shè)備中間配以轉(zhuǎn)皮、傳送等輔助裝置，由前臺(tái)設(shè)備加工約一半的皮張后傳送至后臺(tái)設(shè)備加工剩余部分。利用這樣的方式可將兩臺(tái)去肉機(jī)或削勻機(jī)用傳送裝置連接實(shí)現(xiàn)通過式去肉或削勻，能夠有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工效率。

引導(dǎo)皮張從設(shè)備傳出屬于通過式設(shè)備的共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輔助皮張傳出的先進(jìn)技術(shù)是用專用裝置輔助從通過式設(shè)備中輸出皮張并碼垛，與柔性輸送線配合實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接。

生產(chǎn)線分同步生產(chǎn)線和非同步生產(chǎn)線，非同步生產(chǎn)線具有極大的靈活性和生產(chǎn)潛力,即各工段的生產(chǎn)與輸送線運(yùn)行是不同步的,在線上不同的工位上,根據(jù)生產(chǎn)的需要,在一定的節(jié)拍范圍內(nèi)可以自由調(diào)節(jié),并具備存放寄存的功能。單張機(jī)加工和干整飾時(shí)，不同工序之間加工時(shí)間不同，適合于非同步生產(chǎn)線。目前有連接不同工序的輸送暫存設(shè)備，即皮革自動(dòng)疊層碼垛機(jī)，可以通過活動(dòng)傳送帶和供料輸送帶實(shí)現(xiàn)連續(xù)堆疊，便于相鄰制革工序間的半制品輸送，提高設(shè)備適應(yīng)智能化生產(chǎn)線的能力，可提升制革加工效率和自動(dòng)化程度。

2.2.2 手工操作的智能化

繃板干燥中的夾皮、取皮由人工完成，由于皮張形狀不規(guī)則且需保證各方向的拉力均勻，可能需要幾十個(gè)夾子才能沿皮革邊緣夾持好，此操作需要人員多，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，屬于繃板干燥的輔助手工操作。機(jī)械手可完成重復(fù)性的手工操作以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。在機(jī)器手臂上安裝視覺系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)識(shí)別每張皮的邊緣，從而決定夾持皮子的一系列部位點(diǎn)，進(jìn)而規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)完成夾持和取皮操作。胡曉兵等[13]發(fā)明了一種自動(dòng)繃緊皮革的裝置，由電磁鐵、夾緊鐵和機(jī)械手相互配合，自動(dòng)完成皮革壓緊和松開。

對(duì)于面積很大的牛皮，為了保證每個(gè)部位的揩槳效果，特別是皮子的中心部位，不得不反復(fù)揩漿。急需智能化的裝備來(lái)替代手工揩漿。胡曉兵等[14]發(fā)明了一種智能揩漿裝置，噴漿機(jī)構(gòu)通過紅外線傳感器感知有無(wú)皮革通過，并控制噴頭對(duì)傳送帶上輸送的皮革表面智能噴漿，再由柔性輥對(duì)皮革表面的色漿均勻敷平，完成智能揩漿。不過，從專利技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化的智能繃板和智能揩漿還有一段很長(zhǎng)的路要走。

2.3 質(zhì)量檢測(cè)的智能化

傳統(tǒng)的制革生產(chǎn)中，靠眼觀手摸的方式來(lái)評(píng)定皮革的質(zhì)量，具有很大的主觀性，且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，操作人員在制革生產(chǎn)中需要長(zhǎng)時(shí)間從事同樣的評(píng)判，會(huì)造成視覺和觸覺的疲勞，從而進(jìn)一步增大質(zhì)量評(píng)定的誤差。

藍(lán)皮分級(jí)是制革生產(chǎn)中重要的一環(huán)，盡早識(shí)別出不同傷殘量的藍(lán)皮，組成不同的質(zhì)量等級(jí)批次，采取相應(yīng)的加工方式，生產(chǎn)出不同類型或等級(jí)的成品革，從而減少同一批皮革質(zhì)量的差異，避免按照高等級(jí)皮加工后無(wú)法滿足成革要求所造成的退貨或按低等級(jí)結(jié)算的損失。

機(jī)器視覺系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀三維世界的識(shí)別。大部分的工業(yè)視覺系統(tǒng)都用于檢測(cè)以提高生產(chǎn)效率、控制產(chǎn)品質(zhì)量、采集數(shù)據(jù)和產(chǎn)品分類。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)藍(lán)皮和成革分級(jí)是一個(gè)發(fā)展方向，機(jī)器視覺系統(tǒng)的能夠保證評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的客觀統(tǒng)一，能夠定量傷殘面積所占百分比。

機(jī)器視覺的皮革缺陷檢測(cè)基于皮革的紋理特征和灰度值等，利用圖像分割算法將原始圖像分離為缺陷區(qū)域或非缺陷區(qū)域[15，16]。學(xué)者們對(duì)藍(lán)皮和成革的分級(jí)有一些研究[17，18]，臺(tái)灣的學(xué)者建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過收集170 個(gè)有傷殘的皮樣并將其分為7 類傷殘，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)皮張傷殘分級(jí)[19，20]。在當(dāng)時(shí)的條件下，或許只能處理170 個(gè)樣本，目前，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的普及，可以大大擴(kuò)大樣本數(shù)，且能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)特征進(jìn)而判斷藍(lán)皮的分級(jí)。

松面是一種常見的皮革缺陷，從原皮到成革的過程中都可能會(huì)出現(xiàn)松面，如果到成革時(shí)才判斷出松面就會(huì)很被動(dòng)，需要皮革松面的早期檢測(cè)。目前可以對(duì)原皮或加工的過程中的半制品利用超聲波來(lái)比較松面革和緊實(shí)革之間的差異，及早發(fā)現(xiàn)會(huì)松面的革以便及時(shí)采取措施或?qū)⒃ぐ床煌N類的成革來(lái)組織生產(chǎn)[21]，從而減少后期的加工難度。如果能將這樣的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到制革生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，無(wú)疑是制革行業(yè)的福音。

剖層機(jī)和削勻機(jī)等是影響得革率和加工質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)對(duì)剖層和削勻前、后的皮張進(jìn)行厚度的監(jiān)測(cè)以便剖層機(jī)或削勻機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確控制，減少?gòu)U革屑，提高得革率。澳大利亞紡織技術(shù)皮革研究中心研制了一種新型的厚度測(cè)定儀，可以迅速測(cè)量整張皮革多點(diǎn)的厚度值以便對(duì)剖層和削勻前的皮革厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)。如果將此技術(shù)改進(jìn)為測(cè)量傳送帶上通過革的厚度分布，并將測(cè)試結(jié)果傳送至具有智能控制的剖層機(jī)或削勻機(jī)，便可根據(jù)皮革厚度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)剖層機(jī)和削勻機(jī)的加工間隙，實(shí)現(xiàn)精確的連續(xù)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性是社會(huì)發(fā)展到一定程度的結(jié)果，智能化不僅能夠降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，還能在一定程度上消除人的弱點(diǎn)，提高協(xié)調(diào)能力、響應(yīng)速度，減少人為錯(cuò)誤。我們期待在不久的將來(lái)數(shù)字化制革工藝能夠?yàn)槠じ锂a(chǎn)品的快速定制提供技術(shù)支撐，機(jī)器視覺定位技術(shù)能夠輔助上、下料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)皮張送入和輸出通過式制革設(shè)備。