李波，但衛(wèi)華，但年華

（1.四川大學(xué)皮革化學(xué)與工程教育部重點實驗室，四川成都610065；2. 四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程研究中心，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，早在從猿向人類進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日常生活甚至軍用商品被廣泛應(yīng)用。無可否認，對現(xiàn)代皮革工業(yè)而言，先進的制革自動化也已成為皮革生存發(fā)展不可或缺的“裝備”。

制革自動化是生產(chǎn)力發(fā)展的一個標(biāo)志，也是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。進入到信息化時代的制革生產(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入智能化、數(shù)字化控制成為必然趨勢[1-3]。

現(xiàn)代規(guī)模化制革生產(chǎn)中包括高流量多品種的物料出入及高強度多形式的機械化操作，采用人工的操作或管理不僅提高了勞動力成本，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，從動物體上剝下來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源（飼養(yǎng)、地區(qū)、季節(jié)）、儲存方式的不同，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行干燥。問題是手動夾皮力量、距離都是人工掌握，因人而異。卸皮時以人工為主，不僅費力且操作環(huán)境溫度高，夏天的高溫使人體力損耗大。2）手工補傷是提高等級或利用率的常用方法。根據(jù)肉眼觀察傷殘后進行填補，但是常常因光線及尋找不及出現(xiàn)漏補或修補不規(guī)范，結(jié)果是勞動效率低，操作質(zhì)量不穩(wěn)定。中國皮革協(xié)會發(fā)布了《制革裝備行業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖》，提出了皮革強國，裝備先行[6]。皮革的機械裝備自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械化替代，能夠進入更新?lián)Q代面將直面智能化改造。只有通過智能化升級才能徹底解決手工操作的低效和操作者受到危險環(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

隨著我國人口紅利的逐漸下降，人工成本逐年增加，現(xiàn)實壓力倒逼制造業(yè)發(fā)展智能制造來釋放智能化的效益空間，使制革工人脫離高強度和簡單重復(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智能化對制革行業(yè)的發(fā)展具有很大的促進作用，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。但因制革生產(chǎn)過程的不連續(xù)，成批濕操作和單張機加工交替進行，從而面對成批濕操作與單張機加工的交替，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)線的模式來實現(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)是機械化和自動化的特征，為了組成濕操作生產(chǎn)線，目前較先進的皮張輸送方式是：原料皮從原皮庫輸送到到轉(zhuǎn)鼓采用皮張懸掛在輸送線上，分張計重后送入轉(zhuǎn)鼓。由于剛出鼓的皮大多處于滴水狀態(tài)，皮張在轉(zhuǎn)鼓之間或轉(zhuǎn)鼓與單張加工設(shè)備之間的轉(zhuǎn)運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)鼓的自動化控制是制革企業(yè)長期以來的目標(biāo)[7-11]，早期的轉(zhuǎn)鼓自動控制主要集中在轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)控制，以及自動加料控制，但最終因缺乏自動在線監(jiān)測而終止使用。因此，智能化在線加工質(zhì)量監(jiān)測成為發(fā)展的目標(biāo)。

轉(zhuǎn)鼓自動控制系統(tǒng)中還應(yīng)包括供水系統(tǒng)來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，近年來開始使用的轉(zhuǎn)鼓自動配料、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，自動配料、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)。

更進一步，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，整個車間采用中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)獲取，該系統(tǒng)能夠提供生產(chǎn)率、運轉(zhuǎn)時間、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)計奠定基礎(chǔ)。

2.2 干操作車間操作的智能化

2.2.1 機械加工智能化

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，這樣勢必增加操作強度，延長加工時間。一種簡單實現(xiàn)通過式加工的方式是用兩臺相同的非通過式機器，在兩臺設(shè)備中間配以轉(zhuǎn)皮、傳送等輔助裝置，由前臺設(shè)備加工約一半的皮張后傳送至后臺設(shè)備加工剩余部分。利用這樣的方式可將兩臺去肉機或削勻機用傳送裝置連接實現(xiàn)通過式去肉或削勻，能夠有效降低勞動強度，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)，實現(xiàn)輔助皮張傳出的先進技術(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。單張機加工和干整飾時，不同工序之間加工時間不同，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，即皮革自動疊層碼垛機，可以通過活動傳送帶和供料輸送帶實現(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，可能需要幾十個夾子才能沿皮革邊緣夾持好，此操作需要人員多，勞動強度較大，屬于繃板干燥的輔助手工操作。機械手可完成重復(fù)性的手工操作以降低勞動強度，提高生產(chǎn)率。在機器手臂上安裝視覺系統(tǒng)來實時識別每張皮的邊緣，從而決定夾持皮子的一系列部位點，進而規(guī)劃機械臂的空間運動軌跡來完成夾持和取皮操作。胡曉兵等[13]發(fā)明了一種自動繃緊皮革的裝置，由電磁鐵、夾緊鐵和機械手相互配合，自動完成皮革壓緊和松開。

對于面積很大的牛皮，為了保證每個部位的揩槳效果，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，噴漿機構(gòu)通過紅外線傳感器感知有無皮革通過，并控制噴頭對傳送帶上輸送的皮革表面智能噴漿，再由柔性輥對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的路要走。

2.3 質(zhì)量檢測的智能化

傳統(tǒng)的制革生產(chǎn)中，靠眼觀手摸的方式來評定皮革的質(zhì)量，具有很大的主觀性，且費工費時，操作人員在制革生產(chǎn)中需要長時間從事同樣的評判，會造成視覺和觸覺的疲勞，從而進一步增大質(zhì)量評定的誤差。

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

機器視覺系統(tǒng)利用計算機來實現(xiàn)人的視覺功能，實現(xiàn)對客觀三維世界的識別。大部分的工業(yè)視覺系統(tǒng)都用于檢測以提高生產(chǎn)效率、控制產(chǎn)品質(zhì)量、采集數(shù)據(jù)和產(chǎn)品分類。利用機器視覺系統(tǒng)對藍皮和成革分級是一個發(fā)展方向，機器視覺系統(tǒng)的能夠保證評判標(biāo)準(zhǔn)的客觀統(tǒng)一，能夠定量傷殘面積所占百分比。

機器視覺的皮革缺陷檢測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)者們對藍皮和成革的分級有一些研究[17，18]，臺灣的學(xué)者建立分級標(biāo)準(zhǔn)，通過收集170 個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)對皮張傷殘分級[19，20]。在當(dāng)時的條件下，或許只能處理170 個樣本，目前，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的普及，可以大大擴大樣本數(shù)，且能自動發(fā)現(xiàn)特征進而判斷藍皮的分級。

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出現(xiàn)松面，如果到成革時才判斷出松面就會很被動，需要皮革松面的早期檢測。目前可以對原皮或加工的過程中的半制品利用超聲波來比較松面革和緊實革之間的差異，及早發(fā)現(xiàn)會松面的革以便及時采取措施或?qū)⒃ぐ床煌N類的成革來組織生產(chǎn)[21]，從而減少后期的加工難度。如果能將這樣的檢測技術(shù)應(yīng)用到制革生產(chǎn)線上實現(xiàn)快速檢測，無疑是制革行業(yè)的福音。

剖層機和削勻機等是影響得革率和加工質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)對剖層和削勻前、后的皮張進行厚度的監(jiān)測以便剖層機或削勻機根據(jù)實時測量結(jié)果準(zhǔn)確控制，減少廢革屑，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定儀，可以迅速測量整張皮革多點的厚度值以便對剖層和削勻前的皮革厚度進行監(jiān)測統(tǒng)計。如果將此技術(shù)改進為測量傳送帶上通過革的厚度分布，并將測試結(jié)果傳送至具有智能控制的剖層機或削勻機，便可根據(jù)皮革厚度的統(tǒng)計規(guī)律自動調(diào)節(jié)剖層機和削勻機的加工間隙，實現(xiàn)精確的連續(xù)控制。

3 結(jié)語

先進技術(shù)的經(jīng)濟性是社會發(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強度，改善操作環(huán)境，還能在一定程度上消除人的弱點，提高協(xié)調(diào)能力、響應(yīng)速度，減少人為錯誤。我們期待在不久的將來數(shù)字化制革工藝能夠為皮革產(chǎn)品的快速定制提供技術(shù)支撐，機器視覺定位技術(shù)能夠輔助上、下料機械手實現(xiàn)皮張送入和輸出通過式制革設(shè)備。