柔性纖維薄片單張分離技術(shù)研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TS156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2025）07-0001-11

纖維薄片因具有柔軟和輕薄等特性，以及具有生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量高、成本低、原料來源廣泛等特點(diǎn)，在紡織服裝、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛應(yīng)用[。然而，也正是由于纖維薄片的柔軟和輕薄性，而使得其難以精準(zhǔn)快速分離。為滿足自動(dòng)化設(shè)備的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后研發(fā)出了氣流式吸附分離法[2]、摩擦分離法[3]、靜電分離法[4]、氣流誘導(dǎo)法[5]、針刺吸盤分離法[6]和機(jī)械手抓取法[7]等多種分離方法。其中，針刺吸盤抓取分離法、機(jī)械手抓取分離法、氣流式吸附分離法和靜電吸附分離法在織造布單張分離中應(yīng)用較為廣泛。在使用機(jī)械手抓取和針刺吸盤法進(jìn)行分離時(shí)，可靠性較高，但容易導(dǎo)致纖維薄片結(jié)構(gòu)的損壞，無法保證無損分離；氣流式吸附分離法在分離過程中不直接與分離物質(zhì)接觸，能夠避免污染和損傷，但在分離輕薄、柔軟且易變形的纖維薄片時(shí)，容易一次性吸附多張薄片，影響其精準(zhǔn)性和可靠性；靜電分離法具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)環(huán)境要求較高，在分離纖維薄片時(shí)需要較高電壓，且當(dāng)電極間距過小時(shí)，容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)無損且穩(wěn)定的分離效果。摩擦分離法和氣流誘導(dǎo)分離法主要用于印刷和金融類設(shè)備中紙質(zhì)薄片的單張分離。摩擦分離法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，而且對(duì)紙質(zhì)薄片損傷較小，但能耗較高且適用性有限；氣流誘導(dǎo)分離法在分離具有一定硬度的紙質(zhì)薄片時(shí)，可靠性和分離效率較高。但對(duì)于較柔軟的薄片，氣流可能導(dǎo)致多張薄片同時(shí)被分離，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的單張分離。而針對(duì)堆疊無紡布自動(dòng)化單張分離的研究主要集中在人工單張分離后的抓取路徑和算法的優(yōu)化上，對(duì)于堆垛狀態(tài)下無紡布的單張分離仍需依靠人工操作，目前尚缺乏精準(zhǔn)、高效、無損的自動(dòng)化分離技術(shù)。

根據(jù)其生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)不同，纖維薄片可分為織造布、無紡布（非織造布）和紙張3大類。本文對(duì)纖維薄片精準(zhǔn)分離的研究成果進(jìn)行綜述，重點(diǎn)分析各類纖維薄片分離技術(shù)的原理及其特點(diǎn)，梳理當(dāng)前分離技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，最后探討單張分離技術(shù)面臨的主要困難及其未來發(fā)展方向，為今后的研究提供參考。

1 織造布的單張分離

織造布是通過纖維在紡織工藝中交織、編織或連接而形成的材料?？椩觳家蚱渚哂卸鄻有?、耐用性和可塑性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在服裝面料領(lǐng)域中，成為最常見的應(yīng)用之一。根據(jù)原理的不同，可進(jìn)一步分為氣流式吸附分離、靜電分離、機(jī)械手抓取分離和針刺吸盤分離。

1. 1 氣流式分離

氣流式分離是一種在操造作過程中不直接與分離物質(zhì)接觸的分離方法。這種方法能夠避免對(duì)分離物質(zhì)的污染和損傷，保持了物質(zhì)的原有特性，提高生產(chǎn)效率、減少人工干預(yù)以及能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)操作等[8-9]。根據(jù)吸附原理，織造布的吸附可分為伯努利吸附和柯恩達(dá)吸附。

1. 1. 1 伯努利吸附分離

伯努利原理是指在流體（包括氣體和液體）流動(dòng)中，流速增加會(huì)導(dǎo)致流體壓力下降，反之，流速減慢則壓力增加，在吸盤與物體之間形成低壓區(qū)域，從而產(chǎn)生吸附力。如圖1所示，通過高壓氣泵使得氣體從伯努利吸盤上方的進(jìn)氣口流入，從下方的噴嘴噴出，因流入的為高壓氣體，因此在下方噴嘴處氣體將快速噴出，由伯努利效應(yīng)形成負(fù)壓氣場(chǎng)將面料吸附分離[10]。

圖1伯努利吸盤工作原理[10]

Fig.1Working principle of Bernoulli suction cups[10

Ozcelik等[11]通過伯努利吸盤非接觸吸附對(duì)面料轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了噴嘴處放置一個(gè)圓錐形擋板能夠使氣流方向發(fā)生改變，高速氣流對(duì)面料的沖擊力變?nèi)?，從而提高吸附穩(wěn)定性。馬梓鴻等[12]探討了利用伯努利吸盤對(duì)面料堆垛分層的可行性，并基于面料柔軟、透氣等特性構(gòu)建了面料堆垛多孔介質(zhì)模型和伯努利非接觸式堆垛分層吸附力理論模型。為驗(yàn)證該模型的有效性和非接觸式吸附系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了面料堆垛分層吸附試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)模型計(jì)算所得出的工藝參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)面料堆垛的分層吸附過程中，成功率高達(dá) 93% ，充分表明所構(gòu)建的吸附工藝模型與系統(tǒng)具備高度的有效性和可靠性。

圖2 面料堆垛分層吸附試驗(yàn)[12]

Fig.2Fabric stack layered adsorption test[12]

楊鑫等[13]針對(duì)非接觸拾取面料時(shí)，易出現(xiàn)吸附不穩(wěn)定、掉落和不易分層等現(xiàn)象的問題，探究面料透氣性對(duì)吸附效果的影響。研究中將面料等效成多孔介質(zhì)，基于ALE方法建立結(jié)構(gòu)場(chǎng)與流場(chǎng)相互作用的流固耦合數(shù)學(xué)模型、面料非接觸吸附幾何模型和網(wǎng)格劃分。如圖3所示，為驗(yàn)證模型，搭建了非接觸拾取試驗(yàn)臺(tái)。研究結(jié)果顯示，面料透氣率提升，其吸附能力呈下降趨勢(shì)。該研究成果為后續(xù)針對(duì)面料非接觸吸附過程中進(jìn)氣壓力變量的精確調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)與指導(dǎo)方向。

采用伯努利原理設(shè)計(jì)的吸盤，在處理如面料、皮革、半導(dǎo)體硅片及大型食品等重物或硬質(zhì)材料的吸附與轉(zhuǎn)移時(shí)展現(xiàn)出良好的效能，然而，在吸附并分離輕薄、柔軟且易變形的纖維薄片時(shí)，其精準(zhǔn)性和可靠性會(huì)受到挑戰(zhàn)，難以確保每次操作都能達(dá)到精確無誤的效果。這主要是因?yàn)檩p薄織物的物理特性，如柔軟度、易褶皺及低剛度，使得對(duì)吸盤產(chǎn)生的吸附力更為敏感和復(fù)雜，從而增加了操作的不確定性。伯努利吸附分離技術(shù)的未來發(fā)展方向應(yīng)是開發(fā)具有自適應(yīng)能力的智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)被吸附物體的特性和工作環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整吸附參數(shù)，引入機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被吸附物體的自動(dòng)識(shí)別、定位和跟蹤等。

圖3 面料非接觸拾取試驗(yàn)[13]

1. 1.2 柯恩達(dá)吸附分離

柯恩達(dá)效應(yīng)是一種流體力學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)流體遇到凸出的物體表面時(shí)，流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)而沿著物體表面流動(dòng)。通過這一現(xiàn)象，流體可以將物體表面上的物品牢牢吸附，利用大氣壓強(qiáng)將其緊貼吸盤，從而實(shí)現(xiàn)物品的抓取與分離。

劉漢邦等[14]探討了基于柯恩達(dá)機(jī)理的非接觸式吸盤上帶有氣流導(dǎo)向孔對(duì)吸附性能的影響。如圖4所示，初級(jí)氣流從節(jié)能裝置入口進(jìn)入儲(chǔ)氣腔，形成射流并沿?cái)U(kuò)散管內(nèi)壁流動(dòng)，在喉部產(chǎn)生低壓區(qū)，吸引周圍氣體進(jìn)入，次級(jí)氣流是初級(jí)氣流的2～10倍，混合后的氣流一起進(jìn)入非接觸夾持器，在夾持器底部產(chǎn)生更強(qiáng)的負(fù)壓，從而抓取服裝面料。并對(duì)服裝面料進(jìn)行吸附性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，帶有氣流導(dǎo)向孔的末端執(zhí)行器使氣流干擾面積降低了 95% 以上，使得在相同供給氣流的情況下，末端執(zhí)行器提升 15% ～20% 左右的吸附能力。重量越輕，透氣量越小，對(duì)服裝面料的抓取效果越好。

Fig.3Fabric non-contact pickup test[13]

圖4基于柯恩達(dá)機(jī)理非接觸式吸盤[14]

Fig.4Non-contact suction cup based on the Coanda ffect[14]

基于柯恩達(dá)效應(yīng)制作的吸盤主要適用于面料厚度在 0.2mm 以上，重量較輕，透氣量較小的服裝面料的抓取。無接觸式吸附有一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于抓取物體表面不會(huì)有任何損傷，但對(duì)于更加輕薄的纖維薄片的抓取過程中如果吸附力過小，會(huì)導(dǎo)致纖維薄片途中滑落，吸附力過大，很容易抓取多張?？露鬟_(dá)吸附分離技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?，未來發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是利用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，對(duì)流體在復(fù)雜表面上的流動(dòng)進(jìn)行精確模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，研發(fā)更加環(huán)保、節(jié)能的柯恩達(dá)吸附分離技術(shù)。

1. 2 靜電分離法

靜電分離法是指通過靜電發(fā)生器產(chǎn)生靜電并施加到需要抓取的物體上，當(dāng)靜電力或靜電力產(chǎn)生的摩擦力大于被抓取物重力時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)物體的分離在研究服裝面料等織物的靜電吸附時(shí)，通常采用雙極型靜電吸附。分離原理如圖5所示，吸附電極由兩片薄金屬片組成，中間有一層絕緣層，以確保電極與被吸附物體表面之間的絕緣[15]。工作時(shí)，電極兩面會(huì)在高壓靜電發(fā)生器的作用下產(chǎn)生相等且極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。電場(chǎng)作用下，電荷在物體表面產(chǎn)生極化，異性電荷相吸，實(shí)現(xiàn)吸附。

圖5 雙極型靜電吸附原理[15]

黨帥等[16探討了織物參數(shù)和靜電極板參數(shù)對(duì)靜電吸附力影響。建立了靜電吸附力模型，通過理論分析結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了靜電吸附力和電極上施加電壓、織物密度、絕緣層介電常數(shù)、絕緣層厚度、極板占空比、電極間距有關(guān)。劉立東等[17則針對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器在加工過程中抓取轉(zhuǎn)移面料吸附力不穩(wěn)定問題，對(duì)電極板的形狀布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化。為驗(yàn)證優(yōu)化后的靜電極板的吸附性能，制備了優(yōu)化后的靜電吸附電極，制備過程如圖6（a）所示。首先在聚酰亞胺基板上固定一個(gè)遮擋板，使用噴涂技術(shù)在基板的一面噴涂金屬層，并去除遮擋板，基板翻轉(zhuǎn)后，使用相同的噴涂方法在另一面噴涂電極，最后，使用加熱金屬滾輪對(duì)基板施加壓力，確保金屬電極緊密附著在聚酰亞胺表面，優(yōu)化后的電極板具有更好的抗壓性能。如圖6（b）所示，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，梳狀電極最適合紡織服裝行業(yè)的面料抓取和轉(zhuǎn)移，優(yōu)化后的靜電板較傳統(tǒng)的電極板相比，吸附力提高了 13% ，使抓取力度得到了很大提升，為解決面料自動(dòng)抓取和轉(zhuǎn)移問題提供了新方法。

Fig.5Principle of bipolar electrostatic adsorption[15]

圖6優(yōu)化后的吸附力試驗(yàn)[17]

Fig.6Test on optimized adsorption force[17]

由于靜電分離法中的靜電吸附力對(duì)環(huán)境要求較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造成本高，使得靜電吸附技術(shù)在化纖和服裝面料等行業(yè)應(yīng)用較少。而且靜電吸盤的電壓很高，當(dāng)電極很近時(shí)，容易產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。靜電分離法在應(yīng)用于纖維薄片單張分離時(shí)，面臨著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，難以實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的分離效果。靜電分離法在未來發(fā)展中應(yīng)更加注重技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對(duì)靜電分離過程進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)，提高分離效率和穩(wěn)定性。研究靜電分離過程中的能耗和排放問題，提出節(jié)能減排的改進(jìn)措施。

1.3 機(jī)械手抓取分離

機(jī)械手抓取分離是通過物理接觸的方式，將堆疊在一起的多個(gè)物體逐一分離出來，其工作原理主要基于機(jī)械傳動(dòng)和精密控制。這種分離方式已被應(yīng)用到各種工業(yè)領(lǐng)域，主要通過采用多種夾持方式和適應(yīng)不同形狀材料的設(shè)計(jì)，使其能夠靈活地適應(yīng)各種需求。近幾年，在服裝行業(yè)中也是各大學(xué)者的研究熱點(diǎn)，張蕾等[18]和黃晨靜等[19]采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)出了一種三抓機(jī)械手。該機(jī)械手采用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃相結(jié)合的方式，通過提取織物的幾何特征并根據(jù)抓取的任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)毛巾、布片等柔軟織物進(jìn)行抓取。

宗澤等[20針對(duì)傳統(tǒng)三指機(jī)械手存在靈巧性較低、抓取姿態(tài)少且絕大多數(shù)難以獲得較完整觸覺估計(jì)的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于滑塊搖桿機(jī)構(gòu)的三指機(jī)械手。如圖7所示，他們提出與傳統(tǒng)偏航俯仰型不同的翻滾俯仰型掌指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，用于手指的屈伸與轉(zhuǎn)動(dòng)，可豐富三指機(jī)械手的抓取姿態(tài)，提高其靈巧性。實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)小物體的抓取，具備較好的靈巧性和較高的實(shí)用價(jià)值。

Fig.7Three-finger robotic hand[20]

但大多數(shù)機(jī)械手只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的夾取動(dòng)作，對(duì)于其形狀多變、平展面積大及厚度小的柔軟物并不能有效抓取?；冈吹萚21]和楊一銘[22]等在皮革物理特性的基礎(chǔ)上，提出了一種非規(guī)整幾何圖形柔軟物多指抓取機(jī)械手的設(shè)計(jì)。如圖8所示，該機(jī)械手由八爪魚仿生結(jié)構(gòu)和履帶式指尖末端組成，通過八爪魚仿生結(jié)構(gòu)和八邊形繃板的配合實(shí)現(xiàn)非規(guī)整幾何圖形柔軟物的繃展功能，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于柔軟可形變的大件皮革類零件的抓取效果較好。

圖8多指機(jī)械手[21]

Fig.8Multi-finger robotic hand[21]

傳統(tǒng)剛性機(jī)械手具有較高的精確度和穩(wěn)定性，廣泛用于高強(qiáng)度、重復(fù)性的工作。但剛性機(jī)械手易對(duì)抓取物體表面造成一定的損傷，且自由度有限，影響機(jī)械手的靈活性[23-24]。一些學(xué)者就將機(jī)器人與彈性聚合物結(jié)合設(shè)計(jì)出了軟體機(jī)械手，在抓取易損物體時(shí)，通過自身材料的被動(dòng)變形，更好地完成抓取任務(wù)。Su等[25]和Liu[26]等探究了軟體機(jī)械手逐層分離裁片的影響因素，提出軟體機(jī)械手的裁片單點(diǎn)抓取及多點(diǎn)布局抓取模型，解決了輕薄面料落料精度不高的問題;王楠等[27]對(duì)軟體機(jī)械手逐層抓取織物過程中織物的屈曲形態(tài)變化進(jìn)行有限元模擬與分析，證明了織物初始屈曲高度與紗線的彈性模量無關(guān)，與抓取機(jī)構(gòu)施加的正壓力和機(jī)械手設(shè)定的初始指間距有一定的關(guān)系，從而提升了織物逐層分離的準(zhǔn)確率。

柔性機(jī)械手在抓取分離時(shí)具有高度的柔性，且成本低廉。但對(duì)于具有透氣性的皮革和無紡布面料的抓取效果不理想，很容易一次性抓取多層面料，適用于抓取尺寸較大且柔軟的織造布。未來研究應(yīng)通過對(duì)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及材料科學(xué)的深入研究，設(shè)計(jì)更為精細(xì)、高效的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而確保在分離過程中不會(huì)對(duì)物品造成任何形式的損傷。同時(shí)，通過深度融合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與人工智能算法，為后續(xù)的精準(zhǔn)分離和高可靠性執(zhí)行提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1. 4 針刺吸盤抓取

針刺吸盤核心原理不是直接涉及“吸盤”的負(fù)壓吸附，而是利用微型突刺對(duì)面料進(jìn)行抓取?？梢钥醋魇轻槾碳夹g(shù)與吸附原理的一種結(jié)合，但更側(cè)重于針刺的機(jī)械抓取。針刺吸盤抓取工作原理如圖9所示，通過針刺組件與被吸附物體表面接觸，并利用負(fù)壓原理實(shí)現(xiàn)吸附的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)針刺吸盤接近被吸附物體時(shí)，氣缸驅(qū)動(dòng)針刺向下運(yùn)動(dòng)，使針刺的尖端與被吸附物體表面接觸或輕微刺入。負(fù)壓系統(tǒng)與針刺結(jié)構(gòu)相配合，通過產(chǎn)生負(fù)壓來增強(qiáng)針刺與被吸附物體之間的吸附力，防止抓取過程中物體滑落或移動(dòng)。

進(jìn)氣接頭（控制鋼針伸出）

圖9針刺吸盤抓取原理

針刺吸盤通過其細(xì)針狀的剛性桿作為吸附面積，能夠形成較大的摩擦力，從而確保對(duì)物體產(chǎn)生穩(wěn)定的吸附力。這種吸附力使得針刺吸盤能夠牢固地固定各種材質(zhì)和形狀的物體，包括平滑表面、多孔或表面不規(guī)則的物體，如紙張、布料、塑料薄片、玻璃纖維等[28-29]。針刺吸盤在工廠的應(yīng)用較多，如針刺吸盤對(duì)手套、毛毯等大孔徑材料的抓取，在抓取較大孔徑面料時(shí)較為穩(wěn)定。Yamazaki等[30和Abe等[31抓取純棉面料的研究中發(fā)現(xiàn)針刺吸盤抓取對(duì)于輕薄的面料不適用，因?yàn)橐环矫婷媪陷^薄、厚度小，針刺容易刺穿面料從而抓取多張，另一方面針刺吸盤在抓取面料時(shí)可能會(huì)對(duì)面料造成一定的損傷。

針刺吸盤在處理高孔隙率材料時(shí)之所以表現(xiàn)出色，是因?yàn)槠溽槧罱Y(jié)構(gòu)能夠輕松插入材料內(nèi)部的空隙，有效實(shí)現(xiàn)抓取，同時(shí)這種插人過程對(duì)材料的整體結(jié)構(gòu)影響較小，往往可以忽略不計(jì)。然而，在應(yīng)對(duì)空隙較小的織造布時(shí)，則呈現(xiàn)出顯著的差異性，針刺的介人很可能導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的破壞，這種損傷會(huì)直接影響到織造布的使用性能，從而限制了針刺吸盤在此類應(yīng)用中的適用性。因此在選擇和使用針刺吸盤時(shí)，需要根據(jù)面料的材質(zhì)和工藝要求進(jìn)行綜合考慮。未來的針刺吸盤應(yīng)采用更先進(jìn)的材料，如高強(qiáng)度、高耐磨、耐腐蝕的材料，以提高其使用壽命和性能。優(yōu)化針刺吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用可調(diào)節(jié)的針刺長(zhǎng)度、角度、形狀和排列方式等以適應(yīng)不同厚度和形狀的被吸附物體，提高吸附效率和穩(wěn)定性。

2 紙張的單張分離

纖維是紙張的主要構(gòu)成成分，特別是棉纖維，為紙張?zhí)峁┝吮匾慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗皺性和耐用性等特性。這使得紙張?jiān)谑褂眠^程中不易破損，能夠經(jīng)受住折疊、揉搓等物理操作。目前應(yīng)用于紙張的單張分離技術(shù)，根據(jù)原理的不同可分為2種：摩擦分離法和氣流誘導(dǎo)分離法。

2.1 摩擦分離法

摩擦分離法主要應(yīng)用在印刷、點(diǎn)鈔機(jī)和金融類設(shè)備中（如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和自動(dòng)存取款機(jī)等）對(duì)紙幣的單張分離和傳輸[32]。在這些設(shè)備中，常用FRR（FeedandReverseRoller）方法和摩擦墊式對(duì)紙張分離。FRR方法原理如圖10所示，通過分離輥摩擦分離出第一張紙，然后使用反向輥提供反向力以阻止剩余的紙張被第一張紙張帶走。

Fig.9Grasping principle of needle-punch suction cup

圖10FRR摩擦分離原理[32]

Fig.10 FRR friction separation principle[32]

摩擦墊分離原理如圖11所示，與FRR方式相同，但并非依賴于反向輥來產(chǎn)生制動(dòng)力，而是運(yùn)用摩擦墊來實(shí)施這一功能，當(dāng)送紙輥旋轉(zhuǎn)以輸送紙張時(shí)，其摩擦力首先作用于紙張堆的最頂層，引導(dǎo)該紙張向摩擦墊方向移動(dòng)。隨著頂層紙張的運(yùn)動(dòng)，由于紙張間的相互接觸，下層的紙張也會(huì)受到一定程度的拖動(dòng)。然而，摩擦墊與紙張接觸界面具有更高的摩擦力，這一設(shè)計(jì)確保了只有直接與摩擦墊接觸的頂層紙張能夠完全克服阻力，被成功送出，從而實(shí)現(xiàn)精確的分離效果。

圖11摩擦墊摩擦分離原理[33]

王冰等[33]對(duì)復(fù)印機(jī)紙張的進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，為解決復(fù)印機(jī)送紙單元“雙張”現(xiàn)象的問題，對(duì)復(fù)印機(jī)紙張分離的方法和原理進(jìn)行研究，建立了反向輥式紙張分離方法模型，并基于該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)紙張?jiān)诓煌俣认碌倪M(jìn)給動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，紙張的彎曲變形量隨著進(jìn)給速度的增加而減小，通過調(diào)整紙道的出口角度和紙張進(jìn)給的加速度改變紙張端部的運(yùn)動(dòng)位置，保證紙張的準(zhǔn)確傳送。提高了復(fù)印機(jī)進(jìn)紙單元中紙張分離的可靠性。Kawamoto等[34對(duì)靜電復(fù)印用紙以及送紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)及有限元方面的分析和研究，提高了靜電復(fù)印紙的質(zhì)量和送紙機(jī)構(gòu)的性能。Yanabe等[35-36]對(duì)打印機(jī)的送紙機(jī)構(gòu)利用橡膠輪捻出紙張和傳遞紙張進(jìn)行了一系列的研究，對(duì)于提高打印機(jī)的送紙效率和穩(wěn)定性具有重要意義。柴德望等[7通過采用修正的庫(kù)倫摩擦力模型建立起紙張通過重疊分離機(jī)構(gòu)模型。探討了紙張?jiān)谕ㄟ^分離機(jī)構(gòu)的過程中，自身所受變形力的變化，分析了紙張分離的影響因素，并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，重疊分離機(jī)構(gòu)的交疊量越大，越有利于紙幣分離。剝離輪轉(zhuǎn)矩和剝離輪摩擦系數(shù)的增加，對(duì)單張紙幣通過分離機(jī)構(gòu)延遲越大，而雙張紙幣通過分離機(jī)構(gòu)時(shí)，對(duì)連張紙幣的抑制作用增強(qiáng)，便于紙幣分離。

摩擦分離法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，而且對(duì)紙幣沒有損傷，所以在印刷和金融自助類設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛。但織造布和無紡布較為柔軟且易變性，想要通過摩擦分離法對(duì)其進(jìn)行單張分離，還需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出適用于柔軟纖維薄片的摩擦分離機(jī)構(gòu)。摩擦分離機(jī)構(gòu)未來應(yīng)采用先進(jìn)的表面處理技術(shù)，如激光紋理化、微納結(jié)構(gòu)加工等，以改善摩擦表面的性能。引入圖像識(shí)別技術(shù)和算法，提高紙幣面額、真?zhèn)蔚刃畔⒌淖R(shí)別準(zhǔn)確率，使用先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紙幣的分離狀態(tài)等。

2.2 氣流誘導(dǎo)分離

氣流誘導(dǎo)分離是楊一晨等[38]提出的一種用于紙質(zhì)標(biāo)簽分離的技術(shù)。其原理是使堆疊標(biāo)簽在被拾取之前通過對(duì)側(cè)面施加誘導(dǎo)氣流使之發(fā)生預(yù)分離。如圖12所示，由于氣流與堆疊紙質(zhì)標(biāo)簽的相互作用，使堆垛紙質(zhì)標(biāo)簽之間產(chǎn)生分離縫隙，從而實(shí)現(xiàn)了堆疊紙質(zhì)標(biāo)簽快速和高可靠性分離，在預(yù)分離后通過吸盤對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行吸附分離。

Fig.11Friction separation principle of friction pad[33]

圖12氣流誘導(dǎo)預(yù)分離示意圖[38] Fig.12Schematic diagram of airflow-induced pre-separation[38]

研究提出了氣流誘導(dǎo)紙質(zhì)標(biāo)簽分離的完整實(shí)現(xiàn)方案，并探討了流體壓力、標(biāo)簽的約束和受力以及標(biāo)簽的物理特性對(duì)標(biāo)簽分離性能的影響。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該方案的標(biāo)簽分離模塊的詳細(xì)構(gòu)造，隨后完成了其制造流程與調(diào)試工作，并將其成功整合至全自動(dòng)包裝機(jī)械系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了針對(duì)標(biāo)簽分離功能的試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)首張標(biāo)簽總是優(yōu)先分離，分離時(shí)間小于0.1s，分離效率達(dá)到3600張/ ，且標(biāo)簽分離模塊能達(dá)到 張的處理效率及 99.9% 的可靠性，驗(yàn)證了該分離方法的高效率和高可靠性。還測(cè)試了四種不同規(guī)格的紙質(zhì)標(biāo)簽在氣流誘導(dǎo)作用下的分離效果，表明該紙質(zhì)標(biāo)簽分離方法具有廣泛的適應(yīng)性。

氣流誘導(dǎo)分離法主要適用于有一定硬度的紙質(zhì)薄片的單張分離。但對(duì)具有柔軟特性的織造布和非織造布進(jìn)行單張分離有一定困難，主要原因是在采用側(cè)面氣流進(jìn)行預(yù)分離的過程中，極易因氣流的擾動(dòng)而發(fā)生非預(yù)期的集體位移，導(dǎo)致多張同時(shí)被分離，而非理想的逐一分離。此現(xiàn)象不僅破壞了分離過程的精確性，也極大地削弱了薄片在分離過程中的穩(wěn)定性，使得后續(xù)處理步驟的可行性與效率均受到嚴(yán)重影響。因此，將此類基于側(cè)面氣流預(yù)分離的方法應(yīng)用于柔軟纖維薄片的分離過程，將面臨諸多技術(shù)瓶頸與理論挑戰(zhàn)，需要更為精細(xì)的氣流控制技術(shù)、更優(yōu)化的薄片堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及更深入的分離機(jī)制來加以克服。

3 無紡布的單張分離

無紡布（也稱為非織造布）是一種通過機(jī)械、化學(xué)或熱處理等方法，將纖維（如短纖維、長(zhǎng)纖維或合成纖維）相互連接形成的材料，具有優(yōu)異的阻隔性能和良好的柔韌性，可以輕松地彎曲和卷曲，而不會(huì)輕易斷裂。無紡布因其生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)便性、靈活性以及多功能性，在眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用潛力，這些領(lǐng)域包括過濾技術(shù)、油水分離工藝、醫(yī)學(xué)研究以及生物技術(shù)等[39]。

無紡布由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，如纖維的隨機(jī)分布、高柔性和較低的機(jī)械強(qiáng)度，常常出現(xiàn)纖維交叉和重疊現(xiàn)象。如圖13所示，化纖濾器中的無紡布過濾膜，具有柔軟、輕薄等特點(diǎn)，但這些特點(diǎn)也使得單張分離變得更加困難。如圖14所示，目前無紡布的單張分離主要依賴人工操作，而在這一過程中，工作人員容易受到工作環(huán)境的影響。尤其是在化纖濾器的表層，通常沉積有硫酸類物質(zhì)、硫化合物、鋅鹽以及纖維素磺酸鋅等刺激性化學(xué)污染物。因此，在進(jìn)行無紡布過濾膜的人工裝配時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以確保安全。然而，這一過程存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率較低。

圖13無紡布過濾膜

Fig.13Nonwoven filter membranes

圖14無紡布過濾膜人工分離和組裝 Fig.14 Manual separation and assembly of nonwoven filter membranes

李佳偉等[40]將機(jī)器視覺和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到了無紡布面膜的分揀，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了基于Delta機(jī)器人的面膜生產(chǎn)自動(dòng)分揀包裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳送帶上面膜通過速度在40-80袋/ 時(shí)，準(zhǔn)確抓取并將面膜放置在指定位置的成功率在 95% 以上的設(shè)計(jì)目標(biāo)。王浩等[41]針對(duì)高速、高精度的視覺檢測(cè)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤算法等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)面膜檢測(cè)與分揀的實(shí)際工程項(xiàng)目展開研究，通過對(duì)算法的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)傳送帶速度為500mm/s 時(shí)，識(shí)別率和漏檢率可達(dá) 99.83% 和0.2% ，字符識(shí)別率高于 99.50% ，且跟蹤精度為0.81mm ，機(jī)器人末端對(duì)面膜的抓取。兩位學(xué)者的研究取得了一定進(jìn)展，但仍未能實(shí)現(xiàn)面膜的全自動(dòng)化分揀，當(dāng)前仍需人工將單張面膜隨機(jī)分布在傳送帶上，然后再進(jìn)行后續(xù)的分揀操作。

目前，無紡布的單張分離仍然處于半自動(dòng)化階段，學(xué)者們主要集中于抓取精度和抓取路徑的研究，而對(duì)于抓取前堆垛薄片的單張分離問題研究相對(duì)較少。未來的研究應(yīng)聚焦于開發(fā)一種能夠精確分離纖維類柔軟且輕薄堆垛薄片的裝置，以提高自動(dòng)化程度和分離效率。

4 總結(jié)與展望

為更好地探究柔軟纖維薄片的分離技術(shù)，本文深入探討了織造布、無紡布和紙質(zhì)材料的分離方法，并闡述了各類分離技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景。相較于紙張和織造布的單張分離技術(shù)的快速發(fā)展，基于無紡布類纖維薄片分離技術(shù)的研究尚處于起步階段，其針對(duì)性研究則主要聚焦于人工單張分離后抓取路徑和算法的優(yōu)化研究，而對(duì)于堆垛狀態(tài)下無紡布的單張分離，相關(guān)研究較為匱乏。實(shí)際上，在自動(dòng)化抓取之前，堆垛無紡布的單張分離才是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵，未來應(yīng)致力于開發(fā)針對(duì)無紡布這一類柔軟，輕薄材料的高效分離裝置。

鑒于目前纖維薄片單張分離過程中存在的結(jié)構(gòu)損傷、分離精準(zhǔn)性和可靠性較低，以及分離效率不足等問題，為實(shí)現(xiàn)堆垛纖維薄片高效、精準(zhǔn)單張分離，未來應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破：

a）研發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、可靠性高的分離裝置，促進(jìn)與機(jī)械手的高效結(jié)合。推動(dòng)工作流程從手動(dòng)向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。

b）對(duì)分離機(jī)構(gòu)不斷地優(yōu)化，提高纖維薄片單張分離的成功率和精準(zhǔn)度。未來，要著重研發(fā)適用范圍更廣的分離機(jī)構(gòu)，不僅要能夠適用于無紡布，還要能夠兼顧其他柔性薄片的單張分離，并盡可能地節(jié)約成本，使其能夠廣泛普及。

c）未來要在纖維薄片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分離的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖片識(shí)別、機(jī)器視覺等人工智能技術(shù)，以更加高效、精準(zhǔn)的方式接替人類執(zhí)行特定任務(wù)，從而優(yōu)化人力資源的利用，讓人力資源能夠更多地投入到創(chuàng)新、決策和復(fù)雜問題解決等高價(jià)值活動(dòng)中

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Research progress in single-sheet separation technology of flexible fiber sheets

QI Lulul\"，YU Yongminla，1b，GU Minghuila，b，MEI Shunqi2a，2b，HUANGJiale3 （la.School of Intelligent Mechatronics Enginering；1b.Collaborative Inovation CenterofAdvanced Textile Equipment and Technology Co-constructed by Ministryof Education and Henan Provincial Government，Zhongyuan Universityof Technology，Zhengzhou 451191，China； 2a.College of Mechanical Engineering and Automation;

2b.Hubei Key Laboratory of Digital Textile Equipment，Wuhan Textile University，Wuhan 430O73，China;

3.Smart Manufacturing College， Zhengzhou University of Economics and Business， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：Fiber sheets can be classified into three main categories based on their production proceses and structures：woven fabrics，non-woven fabrics and paper.Due to their characteristics of softness and lightness， coupled with fast production speeds，high output，low costs，and a wide range of raw material sources，they have found widespread applications in textileand apparel，medical and hygiene，industrial production，and daily life.

To meet the needs of automated equipment，scholars at home and abroad have developed various separation methods，including air-flow adsorption separation，friction separation，electrostatic separation，air-flow induction separation，needle-punch suction cup separation， and robotic grasping separation.Among these，needle-punch suction cup grasping separation， robotic grasping separation，air-flow adsorption separation，and electrostatic adsorption separation are more widely used in the single-sheet separation of woven fabrics.When robotic grasping and needle-punch suction cup methods are used for separation，the reliability is relatively high，but the structure of the fiber sht can beeasily damaged，making itimpossible to guarantee a damage-free separation.Air-flow adsorption separation does not directly contact the material during the separation process，which helps avoid contamination and damage.However，in separating thin，soft，and easily deformable fiber sheets，it tends to absorb multiple sheets at once，afecting itsaccuracyand reliability.Electrostatic separation has advantages such as high efciency，energy-saving，andenvironmental friendliness，but it requires specificenvironmental conditions and is difficult to achieve a damage-free and stable separation effect.Friction separation and air-flow induction separation are mainly used for single-sheet separation of paper products.Friction separation has a simple structure and high reliabilitybutconsumes more energyand has limited applicability.For single-sheet separationof nonwoven fabric in stacked conditions，manual operation is still required，and there is currently a lack of precise， eficient， and damage-free automated separation technology.

Given the current issues in the single-sheet separation process of fiber shets，such as structural damage，low separation accuracy and reliability，and insufficient separation fficiency，to achieve eficient and precise singlesheetseparation of stacked fiber sheets，it is imperative to develop separation devices that areefficient， economical，and highlyreliable inthe future，soas to facilitate eficient integration with roboticarms.Continuous optimization of the separation mechanism is required to enhance the success rate and precision of single-sheet separation of fiber sheets.Additionaly，the development of separation mechanisms with a broader range of applications is required，not only suitable for non-woven fabrics but also for other flexible shets.In the future， based on the realization of automated separation of fiber sheets，artificial inteligence technologies such as image recognition and machine vision should be integrated to replace humans in executing specific tasks in amore effcient and precise manner.This willoptimize the use of human resources，allowing them to be more focusedon high-value activities such as innovation， decision-making， and complex problem-solving.

Keywords： fiber sheets; single-sheet separation; technical characteristics； applicability; research progress; development trend