软性材料加工工程学初探

2019-05-27李仁旺

成组技术与生产现代化 2019年4期

顾复，李仁旺

(1.浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310027；2.浙江大学工程师学院，浙江杭州 310058；3.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018)

1 软性材料

材料种类很多，其分类方法有多种(表1).软性材料是按照材料特性进行的分类，进一步说是从材料的加工和使用特性角度进行的分类.虽然许多文献提到软性材料，但产业界对软性材料并没有严格的属性界定，学术界目前也未形成对软性材料的统一定义.本文定义的软性材料，虽然在结构和功能方面有许多变化，但仍具有下列两个共性特征：①可伸缩、弯曲、扭转、变形而不失去其性能；②在加工时易断裂、易拉伸、易变形、易烧焦等.这两个特征带来了加工、装夹等方面的难度，催生了一系列围绕软性材料的专业制造技术、工具和装备.

表1 材料的分类方法

与软性材料相对应的是硬性材料.软性材料和硬性材料没有绝对的分界线，是连续变化的.软性材料和硬性材料也可称为柔性材料和刚性材料.

人们曾试图用非金属和金属的分类代替软性材料和硬性材料的分类，但问题是有的非金属材料如石料并不能当作软性材料.

图1所示为软性材料按特性的分类.图2所示为软性材料按应用行业的分类[1].

最初的软性材料主要指服装面料，现在新材料的大量出现和广泛应用，软性材料已成为一个大类产品.将软性材料作为一类材料进行研究是产品和制造技术发展的需要，是大量应用软性材料的制品行业发展的需要.软性材料的发展过程如图3所示.

注：复合材料、化学合成材料中有不少是硬性材料，所以需要加上“软性”两字，以示区别.图1 软性材料按特性的分类

图2 软性材料按应用行业的分类

图3 软性材料的发展过程

20世纪60年代末，日本、美国等工业发达国家将针对金属的数控加工技术用于纺织服装的面料自动裁剪，出现了面料数控加工装备(或称数控裁床、自动裁床等)[2].这种面料数控加工装备首先是针对纺织服装面料的裁剪，因为纺织服装业是一个传统的大产业，对数控裁剪装备的需求量很大；其次是数控裁剪装备在其他行业的推广应用.新材料能否由裁床裁剪或切割，与材料本身的可加工性、裁床控制系统及所配置的刀具系统的加工能力密切相关.这种数控加工装备加工的材料一般为柔软的、非硬质的材料(即软性材料).

(1) 新面料.随着人们对服装的需求日新月异，面料种类不断增多，如棉、麻、丝绸、呢绒、化纤、混纺、色织、针织等，其裁剪难度不断增大.

(2) 新应用.很多传统行业开始使用自动裁剪代替人工裁剪，例如广告包装行业中的瓦楞纸、蜂巢板、KT板、灰纸板、PVC材料等的自动裁剪，还有皮革行业的汽车座椅、箱包、鞋类等产品的生产应用[3].

(3) 新材料：复合材料如碳纤维、玻璃纤维、膜结构、橡胶薄膜、工业网布等的快速发展，使软性材料加工装备的应用范围得到进一步扩展.

2 研究软性材料加工工程学的意义

目前，软性材料自动加工技术的出现已近60年，需要有一门新的学科——软性材料加工工程学，来系统解决软性材料性能测试评价、加工、产品应用等工程问题，指导软性材料加工装备和工艺的发展.

2.1 软性材料加工过程独特性的需要

传统的面向金属加工的数控设备和技术“吃硬不吃软”，在加工软性材料方面难以发挥作用.这是软性材料主要特性(表2)所导致的.

表2 软性材料的主要特性

软性材料制品基本上都需要将整块材料按照实际需要设计成相应的裁片，并由裁割装备分割成裁片，再将裁片按照设计方案缝合成半成品或成品.例如，碳纤维材料经裁剪等工艺环节，可以加工成软性材料制品，如汽艇的外壳、风力发电设备的叶片、飞机的机翼、防弹背心、船帆和特殊体育用品等.这些产品或部件的生产过程都需要经过材料排版和裁割，其效率高低将直接影响整个产品生产线的效率.因此需要新的学科来支持系统研究软性材料的加工和使用性能，需要开发面向各种软性材料切割的新型装备，需要解决软性材料切割加工的过程控制技术、切割工艺方法、抓取方法、定位技术、切割刀具等问题[5-6].

2.2 软性材料加工过程多样性的需要

软性材料加工过程的多样性主要表现为：①软性材料的种类越来越多；②软性材料制品的种类越来越多，软性材料加工技术涉及的行业越来越多；③软性材料制品的定制化、个性化程度越来越高.

软性材料的结构、性能和加工要求变化多，需要对软性材料适应性更强、效率更高、柔性更好的软性材料数控加工技术和机床的支持，这是发展的趋势[7].

2.3 数量不断增加的软性材料加工相关企业的需要

我国是软性材料制品生产和销售大国，20多万家软性材料制品企业不仅要满足我国自身的需求，还要大量出口产品.但目前软性材料制品企业的技术和设备比较落后，手工操作的量很大，不仅工作强度大，而且质量控制难.目前，在欧美国家软性材料制品企业中，软性材料数控加工机床的普及率已达70%左右，而在我国的普及率还不足2%.显然，软性材料数控加工机床在中国市场存在巨大的发展空间.如果按每台机床40万元售价计算，我国达到50%的普及率，将是一个千亿级规模的市场[8].软性材料数控加工机床的普及将有力地促进软性材料制品企业的升级转型，并带动相关行业的快速发展[9].软性材料种类多，软性材料制品企业数量多，需要跨学科开展软性材料加工问题的系统研究.

3 软性材料加工工程学的研究内容

软性材料加工工程学的创新方向主要集中在软性材料数控加工、自动切割工艺、切割刀具优化[10-11]、切割路径规划[12-13]、图像信息处理、3D切割机器人[14]、机器人拾放料系统[15]等方面.其研究内容如图4所示.

图4 软性材料加工工程学的研究内容

基于上述讨论，可以给出软性材料加工工程学的如下定义：软性材料加工工程学是一门关于软性材料加工技术、软性材料加工装备及其工装的设计、制造、管理、应用控制和维护的工程学科.

4 我国软性材料加工技术发展中的问题

4.1 面向细分行业的自动化加工技术问题突出

随着软性材料切割自动化技术的发展和推广应用，软性材料加工装备应用的领域越来越细化、涉及专业越来越多.例如，服装行业又可细分为时装、西装、制服、便装、运动服、装饰件等领域，按面料可进一步细分为纺织物、裘皮、皮革、人造革等，其中纺织物被细分为梭织和针织，按原料和特性还可再细分几千种.这就对切割标准、效率、质量、装备功能等提出了更多细分的专业要求.例如真皮的智能裁剪要解决皮料轮廓识别和自动排版的问题[13]；皮草的智能裁剪要避免皮毛受损的问题；地毯的智能裁剪要实现针对图案的个性化轨迹加工；多层面料的智能裁剪要解决上下裁剪的一致性难题；西装的智能裁剪要实现对条对格的工作方式；包装盒的智能裁剪要实现压痕的工艺；复合材料的智能裁剪要解决切断的问题[4].此外，对于ABS塑料、PVC发泡板、铝塑板、亚克力板、标签、软玻璃、瓦楞纸、垫片、不干胶等众多软性材料，材质的不同以及形成产品的不同都会导致不同的加工工艺难题，需要采用不同的技术进行加工.

4.2 企业订单快速响应能力不足

随着我国人民生活水平的不断提高，产品市场正在向多样化、个性化、时尚化方向发展.例如，纺织服装行业中典型的快销品牌H&M自2013年至2017年在华营收逐年增加，从9.14亿美元增加到12.83亿美元，2017财年在华营收同比增长17%.这充分显示，我国的服装需求具有个性化、多样化、高更新率的发展趋势.

产品市场的发展不仅表现在产品需求种类繁多、少量多样，而且新工艺/新材料层出不穷，对企业的加工效率、质量以及新技术的创新研发能力都提出了更高的要求.例如皮衣，以往的款式都是全皮的，裁剪方式相对单一，伴随着人们审美情趣的变化，现代的皮衣已逐步时装化.其表现为：皮革+牛仔、皮革+休闲、皮革+皮草、皮革+蕾丝、皮革+电绣等材料构成以及花样工艺.这不仅要求企业必须重视新材料、新工艺和新设备，而且对加工效率、精准度、交货期、成本管理等都提出了更高的要求.但企业的现状是依靠大量文化程度不高的员工，订单快速响应能力欠佳，难以满足新的市场需要.

4.3 软性材料制品企业智能制造水平较低

我国是世界第一制造大国.改革开放以来，我国软性材料制品行业凭借低廉的原材料和劳动力成本所形成的低价产品优势，在国际市场上取得了一定市场份额，目前约20多万家软性材料制品企业分散在鞋类、箱包、沙发座椅、家具、服装、广告等行业中，年产值共数千亿元，员工数以百万计[16].但近年来由于人民币升值、国际贸易壁垒、劳动力资源短缺及劳动成本上涨等因素，相关行业的生存和发展出现疲软迹象.在国家的大力支持下，软性材料制品行业正在加速转型升级，逐步实现“机器换人”，但与发达国家相比，智能制造仍处于较低水平，存在产品品种更新慢、原材料利用率低、产品附加值低、产业集中度低、加工效率低、切割质量不高、企业用工量大和生产成本高等问题，阻碍着企业经济效益的提升.

目前，在软性材料智能加工技术方面的国际知名企业有力克、格博、ZUND、ARISTO等，中国本土有影响力的企业有杰克、和鹰、爱科、经纬、瑞洲、艾玛等.杰克缝纫机股份有限公司在缝制及智能加工装备销量方面连续8年全球第一，产品销往130多个国家和地区，成为行业的“隐形冠军”.上海和鹰机电科技股份有限公司以成为“全球软性材料裁剪专家”为经营宗旨，主要面向服装行业，发展较快.杭州爱科科技股份有限公司由过去面向服装面料的智能加工发展到面向不同行业的软性材料的智能加工，对不同市场的适应能力和快速反应能力较强.

随着软性材料制品市场的逐渐成熟和发展，尽管软性材料加工装备生产企业数量不断增加，但从总体竞争格局来看，国内企业的自主创新能力薄弱，拥有自主知识产权和自主品牌的企业较少，许多核心关键技术如运动控制系统、核心算法等对外依存度高，限制了在行业应用方面的扩展、快速推出新功能的速度以及高端智能装备技术能力的实现，降低了企业的竞争能力.此外，大多数企业生产的加工装备是低端的，定制化程度不高，以装配为主，技术含量低.

而国外知名厂商的发展时间长，品牌知名度高，技术研发实力强，产品种类多，方案更加成熟，产品质量更稳定，具有核心软、硬件的自主知识产权以及针对不同行业的个性化系统解决方案，几乎垄断了全球软性材料智能加工的高端市场，拥有较为稳定的市场份额和利润水平，如力克、ZUND等.

针对中国国内环境的客户定制化需求和多样化的应用场景，国外品牌企业的产品快速变型存在难度，产品的价格及售后服务费用都比较高.在客户生产成本不断上升的情况下，尤其对于一般中小企业，国外品牌企业在竞争中处于劣势.而国内企业虽然技术研发能力不强，品牌知名度不高，产品的稳定性和一些使用性能与国外产品相比还存在差距，但是由于国内企业对客户需求的了解比较深入，产品也处在不断成熟的过程中，能够且愿意为客户提供定制化和灵活的解决方案，能够快速响应市场需求，提供优质的服务，同时具有价格的优势，在中低端市场具有一定的竞争力，市场的份额在不断增长.随着软性材料加工装备生产企业数量的快速增加，软性材料加工装备的市场竞争将日益激烈[8].

5 我国软性材料加工行业的发展趋势

我国软性材料加工行业的发展势头很好，这为软性材料加工工程学的研究提供了很好的基础.

5.1 软性材料制品行业进入大规模“机器换人”阶段

当前我国软性材料制品行业面临的压力如下：成本的压力(随着人工成本的攀升、市场竞争的加剧，企业面临巨大的成本压力)、快速响应市场的压力(用户个性化、时尚化需求越来越强，产品生命周期越来越短，企业迫切需要提高快速响应市场的能力)、提高加工质量的压力(软性材料加工的复杂程度越来越高、对加工质量的要求也越来越高)、快速适应不同软性材料和制品的压力(随着我国企业创新能力和水平的提高，软性材料及其制品的种类急剧增加，对软性材料加工装备及工艺的要求也更加严格)、招工难的压力(随着有效劳动力人数的减少、国家经济的持续中速发展，招工难的压力越来越大，特别是熟练工人招工难的问题日益突出).

为此，软性材料制品企业寄希望于加工装备的自动化、数字化改造，用“机器换人”，对软性材料加工装备的需求量将爆发式增长.

我国在2015年开始实施“中国制造2025”战略，其核心是创新驱动、智能转型.高端装备的创新是其最重要的内容.随着我国工业转型升级和战略新兴产业的高速发展，以智能制造、绿色制造和服务型制造为代表的高端装备制造业将发展成为国民经济的支柱产业.

软性材料高端智能加工装备作为高端智能制造装备的一个分支，未来发展前景广阔.随着经济发展、大众生活水平的提升和科技水平的进步，高端智能制造装备在纺织服装、箱包皮具、广告、家居、汽车内饰、彩盒包装、复合材料、气模、膜结构、游艇、密封垫片、医用材料、体育用品、风力发电、光伏、航空航天、军工等行业的市场规模有望持续扩大；同时，在激烈的市场竞争下，行业对产品性能、生产成本、工艺水平等都提出了更高的要求，“机器换人”已是大势所趋，各个软性材料制品企业在设备数字化和智能化改造、智能制造装备引入等方面的投入将持续增加，软性材料智能加工装备在软性材料制品行业的需求量必将不断提升；另外，软性材料智能加工装备技术在不断成熟，其智能化水平不断提升，必将产生新的装备和工艺、新的制造服务模式，进而产生新的应用市场，其潜力巨大.

5.2 软性材料智能加工水平不断提升

软性材料智能加工用高端装备在软性材料制品工业领域的众多智能化改造项目中发挥着重要的作用.目前，技术先进的国家在软性材料加工装备的监控、补偿、诊断、加工优化等智能化技术上已取得突破，可实现功能的复合化，支持多轴联动、多种加工工艺方法控制、复合加工工艺控制，扩大软性材料智能加工装备的使用范围和效能；利用新型传感器技术感知装备、刀具、软性材料的工作状态，能够实现加工轨迹自动生成、自动刀具识别、状态检测、自适应控制、自动补偿等功能；通过研究不同装备之间的通讯协议、标准化接口和智能分析与控制算法，可加强设备之间的互通互联和协同工作，实现软性材料加工过程的自动化、智能化、精密化和绿色化，进一步带动软性材料相关工业整体智能制造水平的提升[17].

随着国家促进产业结构转型升级举措的实施，软性材料相关行业的自动化、数字化及智能化进程不断加快，各方面都迫切需要相关企业研制具有更高智能水平的软性材料加工装备，深化和拓展软性材料智能加工装备的应用领域，积极参与国际市场的竞争并力争占有一席之地.

5.3 大批量定制生产模式迅速推广

消费者对产品式样、质量要求越来越高，产品市场逐渐进入个性化消费时代，产品工艺变得越来越复杂，而要求的交货期却越来越短.订单逐渐从单品种、大批量向多品种、小批量方向发展，基于产品设计、工艺配置、柔性制造一体化的大批量定制模式将能更好地满足新时代个性化设计和高级定制的需求，消费结构将从低端向中高端转移，高级定制需求的增长将促进软性材料加工技术向支持大批量定制模式发展.

5.4 面向软性材料制品行业用户的云服务需求迫切

众多的软性材料制品企业分属不同行业，既有传统行业，如服装行业，又有新兴行业，如航空、风力发电等.

传统行业的软性材料制品企业的特点是小而散、数量多、技术水平低、设备落后等，特别需要云服务平台提供软硬件的租赁服务、知识服务等，以降低采用软性材料加工技术、装备的门槛和成本.

新兴行业往往涉及新型软性材料，如碳纤维材料，对软性材料加工装备有更多的新需求，特别需要云服务平台提供更多、更及时、更新的服务，如工艺方案设计服务、刀具选择服务、装备远程监控和故障诊断维修服务等.杭州某公司的软性材料制造业公共服务平台即可初步提供上述服务.其软性材料切割知识库的界面如图5所示(资料来源于http://cutting.powermarker.cn/rxcl.aspx).