蜡染工艺的现代创新研究

王 逸

武汉船舶职业技术学院建筑工程与设计学院

一、 引言

蜡染工艺是一种古老而独特的染色技术。蜡染通过将蜡涂抹在织物上，用蜡部分阻止染料的渗透，从而形成图案和色彩组合［1］。考古发现，我国传统的蜡染技术可以追溯到汉朝时期（公元前206 年至公元220 年），人们利用蜡染加工丝织品，为衣物增添装饰效果［2］。在我国，蜡染的传统工艺流程为首先准备特制的蜡烛或蜡块，然后在布料上手工涂抹蜡状图案，接着进行染色，最后去除蜡，使布料上呈现出独特的花纹和色彩［3］。随着时间的推移，蜡染工艺逐渐发展并传播到其他地区。

蜡染展现了人类的创造力和文化的多样性［4］。其应用主要包括服饰、纺织品和装饰品，涉及现代艺术、时尚和设计领域等［5］。蜡染图案和色彩的丰富性使得服饰和纺织品更加独特［6］。蜡染纺织品可以为室内环境增添艺术氛围，使家居装饰更加丰富多样［7］。将蜡染技术应用于绘画、壁画、雕塑和手工艺品等的创作中，其独特效果和手工纹理的结合，赋予了艺术品独特的质感［8］。将蜡染技术与其他材料和技术相结合［9］，能创造出新颖的艺术品和工艺品等。蜡染工艺在文化遗产保护方面也具有重要意义，通过对传统蜡染技术的研究和传承，可以促进地域文化的多样性发展［10］。

随着时代的演变和计算机技术的发展，蜡染工艺不断创新和变革，展现出新的艺术魅力和商业价值。1946 年诞生的ENIAC（电子数字积分计算机）被认为是世界上第一台通用电子计算机［11］，随后电子计算机开始逐步应用于自动控制领域［12］。现有的蜡染工艺采用的熔蜡炉为直接使用加热器对蜡染锅进行加热，温度不能精确控制；使用完后，由于冷却作用，大量残留的蜡凝固在锅内壁，对下次使用造成影响；传统蜡染工艺采用的熔蜡炉功能单一，不能实现显示、人机交互、温度精确控制等。因此，很有必要设计一种智能的、温度能精确控制的、交互方式多样的、可去除残余的蜡的用于蜡染工艺的熔蜡炉［13］。

二、蜡染工艺熔蜡炉的设计、使用方法及使用效果

（一）蜡染工艺熔蜡炉的设计

1. 主体设计

蜡染工艺的熔蜡炉包括炉体、插头、电源线、电源电路、内胆、密封塞、内胆支架、内胆除蜡盖、金属触头、电机开关、电机、连杆、支撑块、刀片、环形加热器、蓝牙温度传感器、外部时钟电路、控制芯片、语音识别模块、红外信号接收模块、WiFi 模块、显示屏、开关、红外遥控器、内胆盖、加热控制模块。

2. 组件设计

炉体为由聚丙烯原料或无规共聚聚丙烯材料制成的上不封口的圆柱形容器，其侧壁及底部具有中空结构。插头由铜板状突出的公接头、阻燃外壳、内部AC交流电源连接线组成。电源线为AC 交流电源线，由外护套、内护套、铜材质的金属丝组成。电源电路用于产生熔蜡炉工作所需要的电源。内胆由铝材料制成，上部为圆筒状，外侧腰部具有环状凹槽，下部为具有开口的漏斗状，以便于残余的蜡排出。密封塞用于加热蜡块时将其置于内胆下部的开口处防止蜡液流出，清除残余的蜡时将密封塞移开以便于残余的蜡排出。内胆支架为环状，其与内胆外侧的环状凹槽嵌合以支撑内胆。内胆除蜡盖容纳有金属触头、电机开关、电机、连杆、支撑块、刀片。当内胆除蜡盖盖上时，金属触头连接到电源电路给电机提供电源。电机开关用于控制电机的启停。电机连接连杆，连杆连接至支撑块的中央，刀片为两片，其对称固定于支撑块的两边且刀片为弯折状，其刀锋与内胆的内壁齐平。按下电机开关后，电机转动带动连杆、支撑块转动，刀片的刀锋将残余的蜡刮除。环形加热器位于内胆正下方。蓝牙温度传感器为两个，分别位于内胆的两侧，其采用纽扣电池供电且由塑料外壳、蓝牙模块、温度传感器、背胶组成。外部时钟电路位于炉体侧壁的中空结构内，其由一块晶振和两片起振电容组成。控制芯片位于炉体侧壁的中空结构内，其为单片机芯片。语音识别模块位于炉体侧壁的中空结构内，其采用专用芯片且与电源电路连接，通过中断的工作方式，完成初始化、写入识别列表、语音识别、得到识别结果四个步骤。红外信号接收模块位于炉体侧壁的中空结构内，其与电源电路连接并用于接收红外遥控器发送的控制信号。WiFi 模块位于炉体侧壁的中空结构内，其与电源电路连接并通过炉体对应位置的窗口露出天线，其用于将蜡染工艺熔蜡炉连接到网关，手机App 可通过网络向蜡染工艺熔蜡炉发送控制指令。显示屏位于炉体侧壁的中空结构内，其与电源电路连接并通过炉体对应位置的窗口露出屏幕，用于显示熔蜡炉加热的设定温度及两个蓝牙温度传感器测得的实时温度的平均值。开关位于炉体侧壁外，其用于控制电源电路的通断以及熔蜡炉的工作或停止。红外遥控器采用电池供电且用于向熔蜡炉的红外信号接收模块发送控制指令。内胆盖的剖面为T 字形，其上部的两侧伸出，用于将整个盖体支撑于炉体上，当内胆除蜡盖移走且内胆盖盖上时，进行加热，并可对蜡液进行保温。加热控制模块位于炉体底部的中空结构内且与电源电路连接，由过零双向可控硅型光耦、电阻、二极管、三极管元件连接组成，加热控制模块通过接收控制芯片发送的PWM波形控制可控硅的开启或截止，实现对环形加热器的控制。

3.算法介绍

蚁群优化算法是一种仿生智能算法，灵感源自蚂蚁在寻找食物过程中的行为。蚁群优化算法模拟了蚂蚁的信息交流和合作行为，通过虚拟蚂蚁的协作来解决复杂的优化问题。该算法在组合优化、路径规划、调度等问题上具有广泛应用。蚁群优化算法的核心思想是通过蚂蚁之间的正反馈和间接通信来搜索问题的最优解。算法的执行过程可以概括为以下几个步骤。（1）初始化。设置蚂蚁的数量、问题的目标函数以及参数如信息素的初始值。（2）蚂蚁的移动。每只蚂蚁根据一定的策略在问题的解空间中进行移动。蚂蚁在解空间中的移动是随机的，但受到信息素浓度的影响。信息素可以看作是蚂蚁在路径上释放的一种信息，它反映了路径的好坏程度。蚂蚁倾向于选择信息素浓度高的路径，但也存在一定的随机性，以保证全局搜索的能力。（3）信息素更新。当所有蚂蚁完成移动后，根据问题的目标函数值和蚂蚁的路径，更新路径上的信息素浓度。通常会使用信息素挥发和信息素释放策略来控制信息素的更新过程。信息素的挥发可以模拟信息的消失和遗忘，而信息素的释放则通过蚂蚁的路径质量来调整信息素浓度。（4）重复迭代。重复执行蚂蚁的移动和信息素更新步骤，直到达到停止条件（如迭代次数或预设的解质量）。

比例、积分和微分算法的设计如下：对水进行加热的时候，我们设定温度在100℃时就停止加热，但水温有时间滞后性，所以停止加热后水温不会停止在100℃，而是在100℃以上，然后降温至100℃以下，这时系统检测温度低于100℃，又开始加热。可以发现问题就是系统一直在100℃上下浮动，我们希望水温保持在100℃，或者附近一个较小的范围，所以用PID 控制。仅用P（比例）来解决问题时，设S 为温度设定值，X 为温度实际值，列出E=S-X，对E 进行判断，若其与加热器的功率成比例关系（P=Kp*E），比如水温低时（E 较大）加热器会使温度迅速达到目标值，温度高时（E 较小），速度变缓，水温在目标值上下波动的幅度大大减小。但水温具有时间滞后性，所以达到目标温度后温度慢慢低于设定温度，这时会以较小的功率加热。另外E=0 时，比例无法起作用。对I（积分）来说，同样E=S-X，每一段时间读出E并求和得到M，若P=Ki*M，因为积分与时间有关，所以M 不能很快变为0，温度会在设定温度上保持一段时间，直到M 较小的时候，体现了积分控制不及时的问题，所以单独使用I 控制虽然可以去掉稳态误差，但反应不及时，要是PI 控制，就能解决不及时的问题，还能使反应灵敏。对D（微分）来说，将某两次连续的设定温度值和实际温度值的差值E 相减，D 表示偏差，同样与加热器功率相关（P=Kd*D），没有达到设定温度之前，我们算出D＜0，输出功率减小，为了超前控制避免加热过度，超过预设温度，在超过温度后，降温的过程，D＞0，得到输出功率增大，目的是超前控制避免散热过度，低于预设温度，微分控制消除不了稳态误差，特别是偏差恒定的时候，D 一直为0，微分控制就不起作用。在实际运算中，积分控制有明显的延迟反应，所以去掉，而在加热到目标温度过程中比例控制P=Kp*E，E 减小，所以加热器功率降低，微分控制P=Kd*D，D＜0，也使功率降低，所以同时控制时，功率减小的速度就比之前单独控制要快，能达到迅速调节的目的。

（二） 蜡染工艺熔蜡炉的使用方法

首先，接通用于蜡染工艺的熔蜡炉的电源。然后，在炉体内注入自来水，打开开关，将内胆置于内胆支架上，放入蜡体，盖上内胆盖。接着，加热至初始设定温度50℃，用画笔蘸取部分蜡液在织物上随意绘画，观察蜡液在织物上的表现，如果蜡液在织物上流动速度过快，不能凝结成一定厚度，判断为设定温度过高，通过语音控制或红外遥控器或手机App 的方式将信息反馈至控制芯片；如果蜡液在织物上流动缓慢，来不及渗透到织物反面就凝结，判断为设定温度过低，通过语音控制或红外遥控器或手机App 的方式将信息反馈至控制芯片；如果蜡液在织物上流动适当，渗透合适，则判断为设定温度合适。如此反复六次，控制芯片采用蚁群优化算法确定设定温度，明确设定温度后，采用比例、积分和微分算法算出其实时温度的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出PWM 波形，提供给加热控制模块。最后，蜡染工艺完成后，完成收尾工序。

（三）蜡染工艺熔蜡炉的使用效果

通过注水、多次尝试设定合适温度，合适的蜡温能够使蜡液充分渗透到布料上，起到很好的防染效果。防染效果越好，用蜡封住的部分颜色越白。反之，温度过低的蜡液，则无法起到防染作用。恒定的蜡液温度能够使作品白色部分的色度始终保持统一，作品效果得以保证。

三、结束语

笔者设计了一种水浴加热的用于蜡染工艺的熔蜡炉对蜡块进行加热，炉体具有中空结构，电源电路向多个模块提供电能，内胆采用高热传导系数的铝材质，设计了App、语音、红外遥控三种用户与设备的交互方式。通过初始阶段用户对已熔化的蜡液在织物上的表现判断当前设定温度是否合理，通过蚁群优化算法优化了设定温度，使其更加适应当前的蜡的成分、织物的材质、画笔的特点等创作环境。通过比例、积分和微分算法计算其实时温度的偏差值，运算结果用以控制输出PWM 波形，提供给加热控制模块实现温度的精确控制。加热控制模块包括过零双向可控硅型光耦、三极管、电阻及双向二极管，三极管的基极经电阻连接控制芯片引脚，发射极接地，集电极连接过零双向可控硅型光耦的一个输入端，过零双向可控硅型光耦的另一个输入端经电阻接电源电路；过零双向可控硅型光耦的一个输出端经电阻接电源线的火线，另一个输出端接双向二极管的一端，双向二极管的两端还分别连接电源线的火线和环形加热器实现对加热的控制。内胆除蜡盖通过金属触头获得电能，通过电机带动刀片转动可刮去残余的蜡，解决了清除残余的蜡的关键问题。在使用的过程中，通过先使用内胆盖加热保温，创作完成后使用内胆除蜡盖除去残余的蜡，并在最后的步骤中采用在内胆内壁涂抹食用油的方式避免了下次使用时残余的蜡大量凝固在内胆内壁的现象。