第50卷第4期 中（8 皮革Vol. 50 No.4 2021 年 4 月CHINA LEATHER Apr.2021 冉诗雅\赵义红2，王巍l l2，杨璐铭
(I•制革清洁技术国家工程实验室（四川大学），四川成都610065;
2.皮革化学与工程教育部重点实验室（四川大学），四川成都610065)
摘 要：数字化技术是“智能制造工程”的核心技术，也是皮革行业转型升级的关键因素。从皮革加工、皮革检测、皮革制品设计、皮革制品生产与皮革企业管理五大方面，对数字化技术在皮革领域的应用研究现状进行 了系统地综述，并展望了数字化技术在皮革行业数控设备研发、自动化生产以及智能化管理等方面的未来发 展和面临的挑战，为皮革行业的数字化进程提供参考。 关键词：数字化技术；皮革行业；皮革加工；自动化；智能制造工程
中图分类号 TS 58 文献标识码 A DOI:10. 13536/jki.issnl001-6813. 2021-004-007
Application status and prospect of digital
technology in leather industry
RAN Shiya', ZHAO Yihong2, WANG Wei12, YANG Luming' 2
(1. National Engineering Laboratory for Clean Technology Leather Manufacture,Sichuan
University,Chengdu 610065, China； 2.The Key Laboratory of Leather Chemistry and Engineering,Ministry of Education,Sichuan University,Chengdu 610065, China)
A b s t r a c t:Digital technology,as the core technology of"intelligent manufacturing engineering" ,is the key factor in the transformation of leather industry.Herein,the applications of digital technology in leather making,leather inspection,leather product design,leather product processing and leather enterprise management were systematically summarized.The future development and challenges of digital technology in numerical control equipment,automated production and intelligent management of leather industry were prospected,which provide a reference for the digital process of leather industry.
K e y w o r d s：digital technology；leather industry；leather making；automation；intelligent manufacturing engineering
引言
2015年，我国正式发布《中国制造2025》行动纲 领，将《制造强国发展战略》聚焦于“五大工程”上，“智能制造工程”是“五大工程”之一，也是科技制造 发展的主攻方向，而数字化是“智能制造工程”的关
收稿日期：2020-04-丨4；修订日期：2021-03-17
第一作者简介：冉诗雅（1997—)，女，硕士研究生，729276623@qq *通讯联系人：杨撕铭（1982—)，女，博士，副教授,yangluminglulu@qq.c(
键性技术11。在“互联网+”大背景下，作为我国支柱 产业之一的皮革行业也加快了转型升级的步伐[2]。
数字化技术融合了网络通信技术、计算机视觉技 术、现代控制技术等现代化技术，具有“高速、高效、高 新”的特点[3]。为改善传统工业劳动强度大、产业结
，
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革中（8 皮革第50卷制
构落后、生产率低等现状，皮革行业积极推动数字化 进程，在皮革加工生产、皮革制品检测、皮革制品管理 销售的过程中引入了数控编程技术、视觉检测技术、计算机辅助设计/制造技术等多种现代化技术4。“皮革行业数字化”是新经济常态下的大趋势，也是 带领皮革企业朝着智能化、自动化方向发展
的新途 径[5]。本文将从皮革加工、皮革检测、皮革制品设计、皮革制品生产与皮革企业管理5大方面，对数字化技 术在皮革领域的应用研究现状进行系统地综述和展 望，为皮革行业数字化进程的发展提供新思路、新 参考。
1数字化技术在皮革加工中的应用
1.1皮革的湿加工
制革过程集化学处理和物理机械处理于一体，在 制革生产加工时会使用多种重型机械，在机械设备数 量中所占比例最大的就是转鼓6。近年来随着计算 机技术、数字化技术的高速发展，转鼓的机械性能得 到大幅度改善，转鼓的使用过程也基本实现肉动化7:。以STC系列单片机为核心的调温控制器，吋对 转鼓供水系统的混合水温度实现自动化控制8。以比例积分微分控制（PI】）控制）为基础的智能转鼓，不 仅能使内鼓溶液温度测量误差不超过±2弋，还可以 对内鼓的转速进行智能检测和监控，达到自动化生产 标准。转鼓的微机自动控制系统除了以p m控制 为基础外，基于可编程控制器（PLC)改进后的新型转 鼓能对鞣制过程所需的温度、时间、PH值、加料量等 工艺参数进行实时监测w:，国内研发出的智能转鼓 数字化传感技术，还可以获取制革加T.过程中能源、水、化工原料的消耗量以及污水排放总量等相关数 据，利用这些信息不仅可以控制生产成本，还可以计 算出皮革生产碳足迹，为欧盟委员会产品环境足迹项 目提供数据支持["匕
1.2皮革的废液回收
在皮革鞣制过程中，铬废料的排放会对环境产生 潜在的危害。位于捷克北部的KORTAN公司开发出 一种计算机综合控制与监控系统，可以去除和冋收制 革工业生产中含有铬离子的鞣制废液以及固体废物12]。在冋收过程中，该系统会确定各制革工序的 生产状态，并根据工艺规程对各工序的生产参数（温 • 30 •度、压力、浓度等）进行模拟控制，将处理好的废液放 人带有混合传感器的计量储罐中。该系统的研发为 制革废物冋收利用技术的规模化应用提供了 一条有 利途径。
1.3皮革的削匀
在制革工业中，数字化技术除了应用在转鼓的智 能化控制上以外，削匀机的程序化控制过程也离不开 数字化技术。在皮革染整前，为了消除皮革部位差，使其厚度均匀、内里平整，需对皮革肉面进行削匀加 工[13]。李国龙等人M4]利用零编程数字控制方法构建 了集PC+运动控制卡+ A/D卡于一体的皮革削匀控 制系统，将皮革削匀效率提高了 25%。
1.4皮革的染
为改善皮革外观并增加其商业价值，大多数轻革 在鞣制后需要进行染处理。计算机辅助颜预测 和质量控制技术，能降低企业对人工配的依赖性，提高配质量和生产效率。目前市面上常见的测
配 软件主要有：如Datacolor公司的Matc.l i系统，X- R ite公司的Color Master系统，这类开放式测配软 件；以及科莱恩公司的智能颜料膏系统，这类封闭式 测配软件15:。而国内江门裕华皮革有限公司研发 的皮革自动化染系统，是集加料池抽料、染料配制、热水供应、转鼓染于-体的智能化染控制系统，能实现皮革染的批量化生产'161。
在计算机辅助皮革染技术的应用研究中，杨峰等 人17以Kubelka-Munk单常数理论为配依据，通过 Color Master配软件建立了皮革染基础数据库。虽然Kubelka-Mimk模型是计算机配软件中常用的 配理论依据，但皮革工艺和原料等复杂因素往往会 影响该模型的配准确度，因此hwahar M等人18建 立了基于人丁神经网络模型的测软件，该软件可根 据给定染料浓度的参数值来预测皮革的颜，其研究 结果表明：与传统的Kubdka-lVUmk模型相比，人T：神经网络具有更好的颜预测性能。此外，基于计算机 视觉技术和数字图像处理技术，吴林林h9设计的皮 革测配系统，可通过连续灰度区间统计法来判断 皮革表面颜的一致性，并结合染料和标样的颜 值，将配比例信号输入染料调配系统，使其用调配 好的染料对皮革进行&动染，同时与该系统配套的
第4期冉诗雅等数字化技术在皮革行业的应用现状及展望制革
用户界面能对配效果进行实时评价和分析
1.5皮革的干燥
为了去除坯革中的水分、改善成革性能，在制革 干态整饰工程中需要对皮革进行干燥处理。太阳能 是一种低成本、环保、无污染的能源，目前太阳能干燥 技术已在热水生产和皮革干燥过程中得到广泛应用2°]。太阳能自动化烘干设备是一种经济节能的加 工生产设备，通过该设备来自动调节干燥温度和相对 湿度，能有效提高皮革干燥时的速度，使皮革实现接 近于开放式干燥时的物理特性，可用于规模化的皮革 干燥生产过程，实现最大化的生产效率和经济效益[21]。
1.6皮革的涂饰
为改善皮革外观，保护其表面和掩盖轻微的视觉 缺陷，皮革需要进行涂饰。在皮革喷涂过程中，也广 泛应用了机器视觉技术和数控技术，主要体现在皮革 喷涂系统的智能控制技术和数码印花等高新技术上。早在1999年，加拿大的Lang等人就研发了自动化皮革喷涂原型系统，可实现手动喷涂和自动喷涂的选 择控制。此后，侯铁年等人[23]又以V B语言为基础，用系统微机替代单片机来控制皮革喷涂，开发了皮革 自动喷涂软件仿真系统，并优化了喷涂轨迹、喷涂速 度等喷涂参数。为了达到“有皮则喷，无皮停喷”的自动化控制喷涂目的，王凡;24]基于机器视觉技术设 计的皮革喷涂系统，可以对皮革形状进行识别，并根 据形状检测结果对皮革进行精确喷涂，能够节省涂饰 剂、减小污染，为实现高质量、高效率的规模化皮革喷 涂生产打下了基础。
在皮革的整饰过程中，皮革印花有掩饰皮革瑕 疵、增加皮革美观度的作用[251。数码皮革印花工艺 是
计算机技术、数字化技术、图像处理技术飞速发展 的产物，它可将摄影图片、绘画作品、文字图案直接转 移至皮革面料上，同时还能保持皮革粒面的天然质 感26。数码印花技术、智能墨滴变换技术可实现在 皮革上直接进行喷墨打印加工，印刷出的图案具有高 精度、防退的特质[27_$。数码印花技术在欧美国 家的市场中占比达到79%，我国市场上较为成熟的数 码印花方式包括热转印数码印花、分散直喷数码印 花、活性数码印花、涂料直喷数码印花、阳离子数码印花等:M。较传统皮革印花技术而言，数码皮革印花 技术在彩种类和图案样式上都有更多选择性，同时 节约了人力成本、减少了人为印刷误差，也满足了各 类体对特殊皮革整饰的需求3(、
2数字化技术在皮革检测中的应用
2. 1皮革分类识别及缺陷检测
2. 1. 1皮革的分类识别
皮革基于机器视觉检测技术的工作主要有皮革 识别分类和皮革表面缺陷检测。皮革的分类属于典 型的模式识别问题，包括轮廓提取、特征采集、分类抉 择、分类系统设计31:。利用纹理特征识別技术，Cho-onjong K等人32设计了一种基于神经网络的分类器 对皮革图像进行分类抉择，准确率可达84%，但系统 运行速度较慢。Hoang K等人[33i通过提取牛皮纹理 特征对皮革质量进行等级划分评定。同样基于纹理 分析技术，刘昶M通过研究提取算法来描述鞣制类 型皮革图像的毛孔特征，以此对
皮革纹理图像进行分 类。而赵海535]主要通过主聚类的改进算法和去除 纹理的颜分类算法，设计了皮革颜识别分类系 统，但这种系统不能同时对两份皮革图像进行分类，因此提高算法运行速度和颜搜索分类自动化程度 是完善该系统的关键。
2.1.2皮革表面的缺陷检测
皮革表面瑕疵的查是影响皮革产品质量和皮 革制品生产效率的重要因素:〜。在皮革表面缺陷检 测的研究中，也广泛应用了机器视觉检测技术。早在 1997年，H«ang K等人[371就提出了一种利用图像中 像素点的空间信息和灰度值来识别皮革表面缺陷的 阈值分割方法。到了 2003年，Tsai D等人38基于傅 里叶变换（FT)，同样将纹理图像中闲难的缺陷检测 转化为非纹理图像中简单的阈值问题，完成对皮革表 面缺陷的自动检测。随后，改进模糊C一均值聚类方 法和纹理图像分割方法开始在皮革表面缺陷的检测 研究中得到广泛应用。崔杨M通过提取皮革图像的 纹理特征，并利用共生矩阵对特征进行聚类，从而实 现对皮革表面缺陷信息的自动检测。常竞401基于遗 传算法对不同类型的半成品皮革缺陷图像进行分割 处理，并采用有针对性的图像检测方法对各类缺陷进 行了精确定位。陈虹:4n采用基于纹理图像分割方法
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制中（8 皮革第50卷革
和模糊C一均值聚类方法对皮革图像进行分割处理 和缺陷检测，并采用灰度图像直方图来对皮革表面缺 陷种类进行分类。贺福强;42]以粒子优化模糊聚类 算法和自适应小波频带重构算法为基础，对皮革瑕疵 实行自动化识别检测。基于视觉显著度，严飞华43建立了瑕疵检测模型，并通过纹理特征提取技术提高 了皮革图像缺陷检测的精度。在国外基于视觉技术 检测皮革缺陷的应用实例中，美国Gerber公司研发的 Taurus X L)皮革剪裁数控系统可识别最小缺陷面积为 0.25 crrT 44；法国Lectra公司研发的Vector裁床整机 器可通过视觉装置获得皮革缺陷信息并以数字化形 式进行存储[45]。
在红外检测技术应用于皮革缺陷的研究中，万长 青[461基于红外热像技术，对汽车座椅皮革的缺陷区 域和无缺陷区域的红外热像图进行对比，从而实现对 汽车座椅皮革表面缺陷的无损检测^ GUAND 47发明 了基于光谱技术的皮革质量检测系统，通过光谱传感 器将收集到的皮革表面信息传输给控制器，同时 GUAND 481还利用红外检测技术，完成无线信号对远 程数据的传输过程，实现对皮革制品表面的全面扫描 检测。
综上，可以看出，目前皮革表面缺陷分类提取算 法主要分为：基于形状特征对缺陷进行分类[49^"、基 于纹理表现对缺陷进行分类[39,41_431。将数字化技术 应用于皮革分类及表面质S检测工作中，能更好地检 测区分出皮革缺陷中外观形状没有规律、不易被人眼 所发现的差、污斑、伤痕，在提高检测速度的同时也 降低了劳动强度。
2.2皮革物理性能检测
数字化技术在皮革物理性能检验中主要应用于 皮革感官性能的评定、皮革面积的数字化测量、皮革 厚度的数字化测量、皮革收缩温度和皮革排放气体的 数字化检测等方面。
2.2.1皮革感官性能的数字化检测
超微电极
对皮革感官性能进行定性定量的客观性测试评 价在皮革物理性能的检验中尤为重要，通过对皮革的 抗张强度、崩裂强度、延伸率等力学指标进行分析，苏 真伟等人|51_52]建立了评定皮革手感的数学模型，随 后又将人工神经网络应用于服装革手感检测信号的 • 32 •处理中，以此实现对皮革手感进行量化检测。针对皮 革柔软度、丰满度等皮革触觉参数的测定，张明53利用智能传感技术，探索了采用指尖皮肤传感装置测试 皮革触觉特性的新方法，排除了传统检测时主观评价 所带来的人为误差，更精确、客观地对皮革品质的好 坏进行检测。
2.2.2皮革面积的数字化检测
在皮革面积的检测方面，张江雯[54基于数字化 图像处理技术提出了棋盘格角点检测方法，该方法通 过对采集的皮革图像进行轮廓提取、缺陷识别，来实 现对皮革有效面积的的智能化测量。此外，在皮革制 品加工过程中需要对皮革进行剪裁处理，这时往往会 出现基线模型与实际皮革形状面积存在偏差的问题。针对这类误差问题，Pacella M等人提出了皮革剖
面形状监测法—
—单段法和多段法，通过研究表明，多段法对于皮革轮廓偏差的监测有更好的效果。Grieco A等人[561设计了皮革面积误差度量系统，该系 统可实时捕获每个切割零件的形状图像，并通过计算 切割后的皮革零件与基线模型之间的形状偏差面积，来实现对皮革剪裁质量差异的检测。通过上述皮革 面积误差检测技术，可以进一步提高数控切割机在皮 革行业的使用效率。
2.2. 3皮革厚度的数字化检测
在皮革厚度的测量方面，宁铎等人[57成功研制 出MH-YD1S型手持式数字皮革厚度测定仪，能在生 产现场快速准确地获取皮革厚度参数，实现了在满足 “恒定压强”这一测量条件下，对三维空间里任意方 向上的皮革厚度进行实时测量。同时宁铎等人158还 对传统皮革厚度测定仪产品进行了改良，在不增加机 械按钮开关的情况下，通过软件方式获取测量开始时 计时信号，实现对生产线上的皮革半成品厚度的准确 测量。
2.2.4皮革收缩温度的数字化检测
在皮革收缩温度的检测方面，为了解决皮革收缩 温度仪对微小收缩位移的高精确测量这一技术难题，孟多等人591基于机器视觉技术，采用图像位移传感 器提取皮样收缩微小位移信息，使检测精度达到〇.01 mm，实现了非接触式皮革收缩温度检测，解决了传统
第4期冉诗雅等数字化技术在皮革行业的应用现状及展望制革
霍尔传感器位移检测精度低的问题。针对皮革收缩 温度仪对温度的高精确测量问题，曹继春1w)通过对 MSW-YD4型皮革收缩温度测定仪的位移、温度测量 方式以及相关机械装置进行改进，将温度测量精度从 0.5 t提升到0. 18 T；，实现了对皮革收缩温度的高效 检测，但由于测定仪存在机械部件笨重等问题，还需 对仪器的便携性进行优化。
2.2.5皮革气体排放的数字化检测裁板机刀片
在皮革气体排放的检测方面，由于气相谱-质 谱联用（GC-MS)分析方法不适合对皮革产品进行在 线监测和监控，由半导体气体传感器与模式识别程序 相结合的电子鼻检测系统，可用于检测汽车用皮革的 异常气体排放，与感官分析方法和GC-MS分析方法 相比，该系统的检测效率更高、检测过程更便捷[61]。
捕虾笼
随着通信网络和摄像硬件的高速发展，人工检测 已不能满足皮革行业高精度实时测量的要求。在皮 革物理性能检测领域，图像处理技术和机器视觉技术 等已得到广泛应用，数字化检测替代人工检测已是大 势所趋。
3数字化技术在皮革制品生产中的应用
3. 1智能排样
钢板桩支撑在皮革制品的面料加工过程中，通常采用裁断机 辅助人工排样、裁料的半机械生产方式。由于皮革的 形状和轮廓不规则，关于如何实现皮革面料零件的自 动化组合排样、优化皮革切割顺序、实现数控设备的 智能化集成等问题，是皮革制品数字化生产及研究领 域的关注焦点。只有解决了这类问题，才能使企业降 低劳动成本、优化材料分割、最大化原料利用率，实现 高效生产[62]。
智能排样技术能够对开料零件进行自动化合理 布局，通过避开皮革原料瑕疵、孔洞等区域，使得各零 件之间互不重叠，最大化原料板材的利用率[63]。目前对于二维排样问题，常用的智能优化算法有：模拟 退火算法（simulated annealing, SA )[ 641、遗传算法(Genetic Algorithm，GA )[65、蚁算法（Ant Colony Optimization Algorithm, ACO) 6f t-、粒子算法（Particle Swarm Optimization ，PSO )[67]。而 对于优 化排样 的方法主要有两种思路：基于矩形包络的排样方法、基于图形几何规则的直接排样方法，前者算法计算简单但材料利用率低，后者利用率高但算法复杂、运行 时间长[68]。
以常用的遗传算法为理论依据，Crispin等[69]设 计的自动化排样系统，通过对给定的皮革排样区域中 对零部件施加方向性约束和非重叠约束，来解决鞋业 中出现的二维排样问题。不同的是，Z Yuping等 人[7°]研究的排样软件不仅采用了遗传算法，还结合 了模拟退火算法，并对其全局收敛性进行了优化，使 得1l i内材料排样的利用率大于70%。
在皮革排样的优化算法研究中，林庆武[71]提出 启发式边长匹配算法模型（主要涉及样片轮廓离散化
手机背光源算法、匹配寻优算法、碰撞检测算法），并将算法模型 运用到皮革智能排样系统中，提高了皮革母版的利用 率。L ee等人™则设计了快速定位与移动（QLM)算 法，与遗传算法相比，计算排样布局所需时间更少，材 料利用效率更高。同时,Alves等人[73]设计了非拟合 多边形的排样算法，以此解决汽车坐垫革生产时的零 部件排样问题。与Alves等的研究方法相近，吴龙 飞[7〜基于NFP(临界多边形）的启发式排样算法设计 了皮革切割智能化排样系统，但目前还需对此算法的 普适性进行优化研究。而温静[751则采用特征映射 Hopfield神经网络混合优化排样算法设计了智能排样 系统，但该系统在对多图形排样时易受纹理瑕疵约 束，存在一定局限性。
3.2数字化切割与裁剪
皮革制品的加工中，第一道工序是需要通过手工 或机械方式将皮革面料裁剪出所需产品零部件的特 定形状。计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM)、计算机辅助排样技术（CAN)的高速发展，使得皮革自 动化切割系统应运而生[76]。
数控裁剪的进行，需要数控系统针对皮革样片轮 廓生成有效的走刀路径，从而避免刀具过切、误切等 问题。基于直线过渡的二维扩展轮廓算法，可以提高 走刀路径的精确性和可靠性，但由于该算法运行速度 较慢，只适用于高效率的小批量生产[77]。为了提高 走刀曲线平滑率和加工效率，并实现皮革切割的规模 化生产，梁彦朋等人[78]设计了一种基于OMAP-L138 +FPGA模式的数控皮革切割运动控制系统，目前已 在实际生产中得到应用。
(未完待续）
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