关于制革生产的智能化发展思考

李波，但卫华，但年华

（1.四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都610065；2. 四川大学制革清洁技术国家工程研究中心，四川 成都610065）

1 制革生产过程面临改造

皮革有“人类的生存装备”之美誉，早在从猿向人类进化过程中的北京猿人就用骨针缝制皮衣服，从古至今皮革在人类的衣食住行中发挥着重要作用，皮革作为服装、鞋靴、箱包和球类等一些高等级日常生活甚至军用商品被广泛应用。无可否认，对现代皮革工业而言，先进的制革自动化也已成为皮革生存发展不可或缺的“装备”。

制革自动化是生产力发展的一个标志，也是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础。进入到信息化时代的制革生产装备水平自然成为行业生产力发展的标志。放弃传统的生产模式，摆脱靠体力及技能进入智能化、数字化控制成为必然趋势[1-3]。

现代规模化制革生产中包括高流量多品种的物料出入及高强度多形式的机械化操作，采用人工的操作或管理不仅提高了劳动力成本，也受到人为因素的影响。为此，难以保证生产过程技术参数的精度及产品的稳定。甚至可能因人工操作不当都会造成生产工艺执行的误差，甚至影响到人体健康和环境安全[4]。然而，在皮革制造中，一方面，从动物体上剥下来的原料皮张与张之间性状品质不规则，如皮张的大小、厚度、伤残的多样性；另一方面，将复杂操作的人工技能进行数字化转变创建系统智能化装备的难度大。因此，逐步地，片段性、局部性的自动控制特征成为必然。

采用传统的方法，制革生产很难获得稳定的质量。统一品种的原料皮因来源（饲养、地区、季节）、储存方式的不同，以及成品革的要求不同等，都需要适当调整加工工艺。因此，在制品状态、化工材料使用、机械操作方式、环境条件变化及物料传输过程，都靠人为主导来完成，难以获得稳定的质量，甚至难以保证不同批次成革质量的最佳状态或一致性[5]。以2 个干燥加工为例：1）绷板干燥是常用的皮革干燥方式，操作过程中靠人眼识别皮革边缘，依次用专用的夹子沿革周边夹持好后，再将夹子尾钩插入多孔金属板中以将革绷紧在孔板上进行干燥。问题是手动夹皮力量、距离都是人工掌握，因人而异。卸皮时以人工为主，不仅费力且操作环境温度高，夏天的高温使人体力损耗大。2）手工补伤是提高等级或利用率的常用方法。根据肉眼观察伤残后进行填补，但是常常因光线及寻找不及出现漏补或修补不规范，结果是劳动效率低，操作质量不稳定。中国皮革协会发布了《制革装备行业技术发展路线图》，提出了皮革强国，装备先行[6]。皮革的机械装备自20 世纪初起的高速发展，迄今已经120 年，制革生产线中大量的手工操作被机械化替代，能够进入更新换代面将直面智能化改造。只有通过智能化升级才能彻底解决手工操作的低效和操作者受到危险环境的威胁，保证操作质量的稳定[5]。

2 制革生产智能化思考

随着我国人口红利的逐渐下降，人工成本逐年增加，现实压力倒逼制造业发展智能制造来释放智能化的效益空间，使制革工人脱离高强度和简单重复的操作，减少操作误差及保证质量稳定。生产线中核心装备的智能化和过程检测智能化对制革行业的发展具有很大的促进作用，有利于提升传统制革行业的智能化制造水平，促进制革行业的创新发展、绿色发展与质量效益相结合。工业智能化的标准模式是流水线上的定制化生产，这样能够把定制化的高收益和流水线的高效率、低成本结合起来。但因制革生产过程的不连续，成批湿操作和单张机加工交替进行，从而面对成批湿操作与单张机加工的交替，很难组成从原皮投产到成品革输出的连续生产线。需要分段组成生产线的模式来实现智能化生产。

2.1 湿操作车间操作的智能化

采用生产线组织生产是机械化和自动化的特征，为了组成湿操作生产线，目前较先进的皮张输送方式是：原料皮从原皮库输送到到转鼓采用皮张悬挂在输送线上，分张计重后送入转鼓。由于刚出鼓的皮大多处于滴水状态，皮张在转鼓之间或转鼓与单张加工设备之间的转运就需要在透水输送线上完成，并在输送线的下方设置排污水沟以便分类收集和集中处理。

湿操作车间的主要操作大都与转鼓相关，转鼓的自动化控制是制革企业长期以来的目标[7-11]，早期的转鼓自动控制主要集中在转鼓运转控制，以及自动加料控制，但最终因缺乏自动在线监测而终止使用。因此，智能化在线加工质量监测成为发展的目标。

转鼓自动控制系统中还应包括供水系统来提供高温和常温的水，按照不同的比例混合冷热水就以得到所需温度的水，并定量地加入到转鼓中，准确的水温和水量的有利于制革工艺的标准化和稳定性。

投入准确量的化料是保证正确处理皮料的必要条件，也是保证成革批与批皮之间性能一致性的基本条件。制革生产中采用手工添加化工材料可能导致昂贵化料的溅出而且危害身体健康，近年来开始使用的转鼓自动配料、加料系统可以减少操作中的失误，改善工作环境的空气质量且最小化化工材料的损耗，提供清洁的加工场所和健康的工作环境[12]。使用清洁生产技术是制革工业可持续发展的必然选择，同时，自动配料、加料系统和供水系统中记录的工艺参数是收集工艺数据的基础。

更进一步，通过工业网络将所有设备联网，整个车间采用中央控制系统实现监测控制和数据获取，该系统能够提供生产率、运转时间、停转间隔等信息，并可设置大屏幕显示生产参数如溶液温度、pH 和生产进程等便于操作人员知晓和协调，后期可提供制革工艺大数据分析，为数字化工艺设计奠定基础。

2.2 干操作车间操作的智能化

2.2.1 机械加工智能化

刀轴类加工设备大都为非通过式，即一张皮需要在加工部分皮张后，调头加工未处理的部分，这样势必增加操作强度，延长加工时间。一种简单实现通过式加工的方式是用两台相同的非通过式机器，在两台设备中间配以转皮、传送等辅助装置，由前台设备加工约一半的皮张后传送至后台设备加工剩余部分。利用这样的方式可将两台去肉机或削匀机用传送装置连接实现通过式去肉或削匀，能够有效降低劳动强度，提高加工效率。

引导皮张从设备传出属于通过式设备的共性技术，实现辅助皮张传出的先进技术是用专用装置辅助从通过式设备中输出皮张并码垛，与柔性输送线配合实现设备之间的连接。

生产线分同步生产线和非同步生产线，非同步生产线具有极大的灵活性和生产潜力,即各工段的生产与输送线运行是不同步的,在线上不同的工位上,根据生产的需要,在一定的节拍范围内可以自由调节,并具备存放寄存的功能。单张机加工和干整饰时，不同工序之间加工时间不同，适合于非同步生产线。目前有连接不同工序的输送暂存设备，即皮革自动叠层码垛机，可以通过活动传送带和供料输送带实现连续堆叠，便于相邻制革工序间的半制品输送，提高设备适应智能化生产线的能力，可提升制革加工效率和自动化程度。

2.2.2 手工操作的智能化

绷板干燥中的夹皮、取皮由人工完成，由于皮张形状不规则且需保证各方向的拉力均匀，可能需要几十个夹子才能沿皮革边缘夹持好，此操作需要人员多，劳动强度较大，属于绷板干燥的辅助手工操作。机械手可完成重复性的手工操作以降低劳动强度，提高生产率。在机器手臂上安装视觉系统来实时识别每张皮的边缘，从而决定夹持皮子的一系列部位点，进而规划机械臂的空间运动轨迹来完成夹持和取皮操作。胡晓兵等[13]发明了一种自动绷紧皮革的装置，由电磁铁、夹紧铁和机械手相互配合，自动完成皮革压紧和松开。

对于面积很大的牛皮，为了保证每个部位的揩桨效果，特别是皮子的中心部位，不得不反复揩浆。急需智能化的装备来替代手工揩浆。胡晓兵等[14]发明了一种智能揩浆装置，喷浆机构通过红外线传感器感知有无皮革通过，并控制喷头对传送带上输送的皮革表面智能喷浆，再由柔性辊对皮革表面的色浆均匀敷平，完成智能揩浆。不过，从专利技术到产业化的智能绷板和智能揩浆还有一段很长的路要走。

2.3 质量检测的智能化

传统的制革生产中，靠眼观手摸的方式来评定皮革的质量，具有很大的主观性，且费工费时，操作人员在制革生产中需要长时间从事同样的评判，会造成视觉和触觉的疲劳，从而进一步增大质量评定的误差。

蓝皮分级是制革生产中重要的一环，尽早识别出不同伤残量的蓝皮，组成不同的质量等级批次，采取相应的加工方式，生产出不同类型或等级的成品革，从而减少同一批皮革质量的差异，避免按照高等级皮加工后无法满足成革要求所造成的退货或按低等级结算的损失。

机器视觉系统利用计算机来实现人的视觉功能，实现对客观三维世界的识别。大部分的工业视觉系统都用于检测以提高生产效率、控制产品质量、采集数据和产品分类。利用机器视觉系统对蓝皮和成革分级是一个发展方向，机器视觉系统的能够保证评判标准的客观统一，能够定量伤残面积所占百分比。

机器视觉的皮革缺陷检测基于皮革的纹理特征和灰度值等，利用图像分割算法将原始图像分离为缺陷区域或非缺陷区域[15，16]。学者们对蓝皮和成革的分级有一些研究[17，18]，台湾的学者建立分级标准，通过收集170 个有伤残的皮样并将其分为7 类伤残，通过数字图像处理技术对皮张伤残分级[19，20]。在当时的条件下，或许只能处理170 个样本，目前，随着深度学习技术的普及，可以大大扩大样本数，且能自动发现特征进而判断蓝皮的分级。

松面是一种常见的皮革缺陷，从原皮到成革的过程中都可能会出现松面，如果到成革时才判断出松面就会很被动，需要皮革松面的早期检测。目前可以对原皮或加工的过程中的半制品利用超声波来比较松面革和紧实革之间的差异，及早发现会松面的革以便及时采取措施或将原皮按不同种类的成革来组织生产[21]，从而减少后期的加工难度。如果能将这样的检测技术应用到制革生产线上实现快速检测，无疑是制革行业的福音。

剖层机和削匀机等是影响得革率和加工质量的关键设备，应对剖层和削匀前、后的皮张进行厚度的监测以便剖层机或削匀机根据实时测量结果准确控制，减少废革屑，提高得革率。澳大利亚纺织技术皮革研究中心研制了一种新型的厚度测定仪，可以迅速测量整张皮革多点的厚度值以便对剖层和削匀前的皮革厚度进行监测统计。如果将此技术改进为测量传送带上通过革的厚度分布，并将测试结果传送至具有智能控制的剖层机或削匀机，便可根据皮革厚度的统计规律自动调节剖层机和削匀机的加工间隙，实现精确的连续控制。

3 结语

先进技术的经济性是社会发展到一定程度的结果，智能化不仅能够降低操作人员的劳动强度，改善操作环境，还能在一定程度上消除人的弱点，提高协调能力、响应速度，减少人为错误。我们期待在不久的将来数字化制革工艺能够为皮革产品的快速定制提供技术支撑，机器视觉定位技术能够辅助上、下料机械手实现皮张送入和输出通过式制革设备。