軟性材料加工工程學初探

顧 復，李仁旺

(1.浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學 工程師學院，浙江 杭州 310058；3.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

1 軟性材料

材料種類很多，其分類方法有多種(表1).軟性材料是按照材料特性進行的分類，進一步說是從材料的加工和使用特性角度進行的分類.雖然許多文獻提到軟性材料，但產業界對軟性材料并沒有嚴格的屬性界定，學術界目前也未形成對軟性材料的統一定義.本文定義的軟性材料，雖然在結構和功能方面有許多變化，但仍具有下列兩個共性特征：①可伸縮、彎曲、扭轉、變形而不失去其性能；②在加工時易斷裂、易拉伸、易變形、易燒焦等.這兩個特征帶來了加工、裝夾等方面的難度，催生了一系列圍繞軟性材料的專業制造技術、工具和裝備.

表1 材料的分類方法

與軟性材料相對應的是硬性材料.軟性材料和硬性材料沒有絕對的分界線，是連續變化的.軟性材料和硬性材料也可稱為柔性材料和剛性材料.

人們曾試圖用非金屬和金屬的分類代替軟性材料和硬性材料的分類，但問題是有的非金屬材料如石料并不能當作軟性材料.

圖1所示為軟性材料按特性的分類.圖2所示為軟性材料按應用行業的分類[1].

最初的軟性材料主要指服裝面料，現在新材料的大量出現和廣泛應用，軟性材料已成為一個大類產品.將軟性材料作為一類材料進行研究是產品和制造技術發展的需要，是大量應用軟性材料的制品行業發展的需要.軟性材料的發展過程如圖3所示.

注：復合材料、化學合成材料中有不少是硬性材料，所以需要加上“軟性”兩字，以示區別.圖1 軟性材料按特性的分類

圖2 軟性材料按應用行業的分類

圖3 軟性材料的發展過程

20世紀60年代末，日本、美國等工業發達國家將針對金屬的數控加工技術用于紡織服裝的面料自動裁剪，出現了面料數控加工裝備(或稱數控裁床、自動裁床等)[2].這種面料數控加工裝備首先是針對紡織服裝面料的裁剪，因為紡織服裝業是一個傳統的大產業，對數控裁剪裝備的需求量很大；其次是數控裁剪裝備在其他行業的推廣應用.新材料能否由裁床裁剪或切割，與材料本身的可加工性、裁床控制系統及所配置的刀具系統的加工能力密切相關.這種數控加工裝備加工的材料一般為柔軟的、非硬質的材料(即軟性材料).

(1) 新面料.隨著人們對服裝的需求日新月異，面料種類不斷增多，如棉、麻、絲綢、呢絨、化纖、混紡、色織、針織等，其裁剪難度不斷增大.

(2) 新應用.很多傳統行業開始使用自動裁剪代替人工裁剪，例如廣告包裝行業中的瓦楞紙、蜂巢板、KT板、灰紙板、PVC材料等的自動裁剪，還有皮革行業的汽車座椅、箱包、鞋類等產品的生產應用[3].

(3) 新材料：復合材料如碳纖維、玻璃纖維、膜結構、橡膠薄膜、工業網布等的快速發展，使軟性材料加工裝備的應用范圍得到進一步擴展.

2 研究軟性材料加工工程學的意義

目前，軟性材料自動加工技術的出現已近60年，需要有一門新的學科——軟性材料加工工程學，來系統解決軟性材料性能測試評價、加工、產品應用等工程問題，指導軟性材料加工裝備和工藝的發展.

2.1 軟性材料加工過程獨特性的需要

傳統的面向金屬加工的數控設備和技術“吃硬不吃軟”，在加工軟性材料方面難以發揮作用.這是軟性材料主要特性(表2)所導致的.

表2 軟性材料的主要特性

軟性材料制品基本上都需要將整塊材料按照實際需要設計成相應的裁片，并由裁割裝備分割成裁片，再將裁片按照設計方案縫合成半成品或成品.例如，碳纖維材料經裁剪等工藝環節，可以加工成軟性材料制品，如汽艇的外殼、風力發電設備的葉片、飛機的機翼、防彈背心、船帆和特殊體育用品等.這些產品或部件的生產過程都需要經過材料排版和裁割，其效率高低將直接影響整個產品生產線的效率.因此需要新的學科來支持系統研究軟性材料的加工和使用性能，需要開發面向各種軟性材料切割的新型裝備，需要解決軟性材料切割加工的過程控制技術、切割工藝方法、抓取方法、定位技術、切割刀具等問題[5-6].

2.2 軟性材料加工過程多樣性的需要

軟性材料加工過程的多樣性主要表現為：①軟性材料的種類越來越多；②軟性材料制品的種類越來越多，軟性材料加工技術涉及的行業越來越多；③軟性材料制品的定制化、個性化程度越來越高.

軟性材料的結構、性能和加工要求變化多，需要對軟性材料適應性更強、效率更高、柔性更好的軟性材料數控加工技術和機床的支持，這是發展的趨勢[7].

2.3 數量不斷增加的軟性材料加工相關企業的需要

我國是軟性材料制品生產和銷售大國，20多萬家軟性材料制品企業不僅要滿足我國自身的需求，還要大量出口產品.但目前軟性材料制品企業的技術和設備比較落后，手工操作的量很大，不僅工作強度大，而且質量控制難.目前，在歐美國家軟性材料制品企業中，軟性材料數控加工機床的普及率已達70%左右，而在我國的普及率還不足2%.顯然，軟性材料數控加工機床在中國市場存在巨大的發展空間.如果按每臺機床40萬元售價計算，我國達到50%的普及率，將是一個千億級規模的市場[8].軟性材料數控加工機床的普及將有力地促進軟性材料制品企業的升級轉型，并帶動相關行業的快速發展[9].軟性材料種類多，軟性材料制品企業數量多，需要跨學科開展軟性材料加工問題的系統研究.

3 軟性材料加工工程學的研究內容

軟性材料加工工程學的創新方向主要集中在軟性材料數控加工、自動切割工藝、切割刀具優化[10-11]、切割路徑規劃[12-13]、圖像信息處理、3D切割機器人[14]、機器人拾放料系統[15]等方面.其研究內容如圖4所示.

圖4 軟性材料加工工程學的研究內容

基于上述討論，可以給出軟性材料加工工程學的如下定義：軟性材料加工工程學是一門關于軟性材料加工技術、軟性材料加工裝備及其工裝的設計、制造、管理、應用控制和維護的工程學科.

4 我國軟性材料加工技術發展中的問題

4.1 面向細分行業的自動化加工技術問題突出

隨著軟性材料切割自動化技術的發展和推廣應用，軟性材料加工裝備應用的領域越來越細化、涉及專業越來越多.例如，服裝行業又可細分為時裝、西裝、制服、便裝、運動服、裝飾件等領域，按面料可進一步細分為紡織物、裘皮、皮革、人造革等，其中紡織物被細分為梭織和針織，按原料和特性還可再細分幾千種.這就對切割標準、效率、質量、裝備功能等提出了更多細分的專業要求.例如真皮的智能裁剪要解決皮料輪廓識別和自動排版的問題[13]；皮草的智能裁剪要避免皮毛受損的問題；地毯的智能裁剪要實現針對圖案的個性化軌跡加工；多層面料的智能裁剪要解決上下裁剪的一致性難題；西裝的智能裁剪要實現對條對格的工作方式；包裝盒的智能裁剪要實現壓痕的工藝；復合材料的智能裁剪要解決切斷的問題[4].此外，對于ABS塑料、PVC發泡板、鋁塑板、亞克力板、標簽、軟玻璃、瓦楞紙、墊片、不干膠等眾多軟性材料，材質的不同以及形成產品的不同都會導致不同的加工工藝難題，需要采用不同的技術進行加工.

4.2 企業訂單快速響應能力不足

隨著我國人民生活水平的不斷提高，產品市場正在向多樣化、個性化、時尚化方向發展.例如，紡織服裝行業中典型的快銷品牌H&M自2013年至2017年在華營收逐年增加，從9.14億美元增加到12.83億美元，2017財年在華營收同比增長17%.這充分顯示，我國的服裝需求具有個性化、多樣化、高更新率的發展趨勢.

產品市場的發展不僅表現在產品需求種類繁多、少量多樣，而且新工藝/新材料層出不窮，對企業的加工效率、質量以及新技術的創新研發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，裁剪方式相對單一，伴隨著人們審美情趣的變化，現代的皮衣已逐步時裝化.其表現為：皮革+牛仔、皮革+休閑、皮革+皮草、皮革+蕾絲、皮革+電繡等材料構成以及花樣工藝.這不僅要求企業必須重視新材料、新工藝和新設備，而且對加工效率、精準度、交貨期、成本管理等都提出了更高的要求.但企業的現狀是依靠大量文化程度不高的員工，訂單快速響應能力欠佳，難以滿足新的市場需要.

4.3 軟性材料制品企業智能制造水平較低

我國是世界第一制造大國.改革開放以來，我國軟性材料制品行業憑借低廉的原材料和勞動力成本所形成的低價產品優勢，在國際市場上取得了一定市場份額，目前約20多萬家軟性材料制品企業分散在鞋類、箱包、沙發座椅、家具、服裝、廣告等行業中，年產值共數千億元，員工數以百萬計[16].但近年來由于人民幣升值、國際貿易壁壘、勞動力資源短缺及勞動成本上漲等因素，相關行業的生存和發展出現疲軟跡象.在國家的大力支持下，軟性材料制品行業正在加速轉型升級，逐步實現“機器換人”，但與發達國家相比，智能制造仍處于較低水平，存在產品品種更新慢、原材料利用率低、產品附加值低、產業集中度低、加工效率低、切割質量不高、企業用工量大和生產成本高等問題，阻礙著企業經濟效益的提升.

目前，在軟性材料智能加工技術方面的國際知名企業有力克、格博、ZUND、ARISTO等，中國本土有影響力的企業有杰克、和鷹、愛科、經緯、瑞洲、艾瑪等.杰克縫紉機股份有限公司在縫制及智能加工裝備銷量方面連續8年全球第一，產品銷往130多個國家和地區，成為行業的“隱形冠軍”.上海和鷹機電科技股份有限公司以成為“全球軟性材料裁剪專家”為經營宗旨，主要面向服裝行業，發展較快.杭州愛科科技股份有限公司由過去面向服裝面料的智能加工發展到面向不同行業的軟性材料的智能加工，對不同市場的適應能力和快速反應能力較強.

隨著軟性材料制品市場的逐漸成熟和發展，盡管軟性材料加工裝備生產企業數量不斷增加，但從總體競爭格局來看，國內企業的自主創新能力薄弱，擁有自主知識產權和自主品牌的企業較少，許多核心關鍵技術如運動控制系統、核心算法等對外依存度高，限制了在行業應用方面的擴展、快速推出新功能的速度以及高端智能裝備技術能力的實現，降低了企業的競爭能力.此外，大多數企業生產的加工裝備是低端的，定制化程度不高，以裝配為主，技術含量低.

而國外知名廠商的發展時間長，品牌知名度高，技術研發實力強，產品種類多，方案更加成熟，產品質量更穩定，具有核心軟、硬件的自主知識產權以及針對不同行業的個性化系統解決方案，幾乎壟斷了全球軟性材料智能加工的高端市場，擁有較為穩定的市場份額和利潤水平，如力克、ZUND等.

針對中國國內環境的客戶定制化需求和多樣化的應用場景，國外品牌企業的產品快速變型存在難度，產品的價格及售后服務費用都比較高.在客戶生產成本不斷上升的情況下，尤其對于一般中小企業，國外品牌企業在競爭中處于劣勢.而國內企業雖然技術研發能力不強，品牌知名度不高，產品的穩定性和一些使用性能與國外產品相比還存在差距，但是由于國內企業對客戶需求的了解比較深入，產品也處在不斷成熟的過程中，能夠且愿意為客戶提供定制化和靈活的解決方案，能夠快速響應市場需求，提供優質的服務，同時具有價格的優勢，在中低端市場具有一定的競爭力，市場的份額在不斷增長.隨著軟性材料加工裝備生產企業數量的快速增加，軟性材料加工裝備的市場競爭將日益激烈[8].

5 我國軟性材料加工行業的發展趨勢

我國軟性材料加工行業的發展勢頭很好，這為軟性材料加工工程學的研究提供了很好的基礎.

5.1 軟性材料制品行業進入大規模“機器換人”階段

當前我國軟性材料制品行業面臨的壓力如下：成本的壓力(隨著人工成本的攀升、市場競爭的加劇，企業面臨巨大的成本壓力)、快速響應市場的壓力(用戶個性化、時尚化需求越來越強，產品生命周期越來越短，企業迫切需要提高快速響應市場的能力)、提高加工質量的壓力(軟性材料加工的復雜程度越來越高、對加工質量的要求也越來越高)、快速適應不同軟性材料和制品的壓力(隨著我國企業創新能力和水平的提高，軟性材料及其制品的種類急劇增加，對軟性材料加工裝備及工藝的要求也更加嚴格)、招工難的壓力(隨著有效勞動力人數的減少、國家經濟的持續中速發展，招工難的壓力越來越大，特別是熟練工人招工難的問題日益突出).

為此，軟性材料制品企業寄希望于加工裝備的自動化、數字化改造，用“機器換人”，對軟性材料加工裝備的需求量將爆發式增長.

我國在2015年開始實施“中國制造2025”戰略，其核心是創新驅動、智能轉型.高端裝備的創新是其最重要的內容.隨著我國工業轉型升級和戰略新興產業的高速發展，以智能制造、綠色制造和服務型制造為代表的高端裝備制造業將發展成為國民經濟的支柱產業.

軟性材料高端智能加工裝備作為高端智能制造裝備的一個分支，未來發展前景廣闊.隨著經濟發展、大眾生活水平的提升和科技水平的進步，高端智能制造裝備在紡織服裝、箱包皮具、廣告、家居、汽車內飾、彩盒包裝、復合材料、氣模、膜結構、游艇、密封墊片、醫用材料、體育用品、風力發電、光伏、航空航天、軍工等行業的市場規模有望持續擴大；同時，在激烈的市場競爭下，行業對產品性能、生產成本、工藝水平等都提出了更高的要求，“機器換人”已是大勢所趨，各個軟性材料制品企業在設備數字化和智能化改造、智能制造裝備引入等方面的投入將持續增加，軟性材料智能加工裝備在軟性材料制品行業的需求量必將不斷提升；另外，軟性材料智能加工裝備技術在不斷成熟，其智能化水平不斷提升，必將產生新的裝備和工藝、新的制造服務模式，進而產生新的應用市場，其潛力巨大.

5.2 軟性材料智能加工水平不斷提升

軟性材料智能加工用高端裝備在軟性材料制品工業領域的眾多智能化改造項目中發揮著重要的作用.目前，技術先進的國家在軟性材料加工裝備的監控、補償、診斷、加工優化等智能化技術上已取得突破，可實現功能的復合化，支持多軸聯動、多種加工工藝方法控制、復合加工工藝控制，擴大軟性材料智能加工裝備的使用范圍和效能；利用新型傳感器技術感知裝備、刀具、軟性材料的工作狀態，能夠實現加工軌跡自動生成、自動刀具識別、狀態檢測、自適應控制、自動補償等功能；通過研究不同裝備之間的通訊協議、標準化接口和智能分析與控制算法，可加強設備之間的互通互聯和協同工作，實現軟性材料加工過程的自動化、智能化、精密化和綠色化，進一步帶動軟性材料相關工業整體智能制造水平的提升[17].

隨著國家促進產業結構轉型升級舉措的實施，軟性材料相關行業的自動化、數字化及智能化進程不斷加快，各方面都迫切需要相關企業研制具有更高智能水平的軟性材料加工裝備，深化和拓展軟性材料智能加工裝備的應用領域，積極參與國際市場的競爭并力爭占有一席之地.

5.3 大批量定制生產模式迅速推廣

消費者對產品式樣、質量要求越來越高，產品市場逐漸進入個性化消費時代，產品工藝變得越來越復雜，而要求的交貨期卻越來越短.訂單逐漸從單品種、大批量向多品種、小批量方向發展，基于產品設計、工藝配置、柔性制造一體化的大批量定制模式將能更好地滿足新時代個性化設計和高級定制的需求，消費結構將從低端向中高端轉移，高級定制需求的增長將促進軟性材料加工技術向支持大批量定制模式發展.

5.4 面向軟性材料制品行業用戶的云服務需求迫切

眾多的軟性材料制品企業分屬不同行業，既有傳統行業，如服裝行業，又有新興行業，如航空、風力發電等.

傳統行業的軟性材料制品企業的特點是小而散、數量多、技術水平低、設備落后等，特別需要云服務平臺提供軟硬件的租賃服務、知識服務等，以降低采用軟性材料加工技術、裝備的門檻和成本.

新興行業往往涉及新型軟性材料，如碳纖維材料，對軟性材料加工裝備有更多的新需求，特別需要云服務平臺提供更多、更及時、更新的服務，如工藝方案設計服務、刀具選擇服務、裝備遠程監控和故障診斷維修服務等.杭州某公司的軟性材料制造業公共服務平臺即可初步提供上述服務.其軟性材料切割知識庫的界面如圖5所示(資料來源于http://cutting.powermarker.cn/rxcl.aspx).

圖5 杭州某公司軟性材料制造業公共服務平臺的切割知識庫界面

5.5 我國軟性材料加工裝備的需求和市場巨大

(1) 我國軟性材料加工裝備的需求和市場巨大，這一方面得益于國家促進高端裝備制造及智能制造發展的政策環境；另一方面受我國人力成本上升以及不斷增大的環保壓力的影響，軟性材料相關產業結構轉型升級、制造自動化及智能化的進程不斷加快.

(2) 國內企業自主研發能力的增強逐漸打破國外企業的技術壟斷，降低了智能加工裝備造價，促進了智能加工裝備的推廣普及.

(3) 軟性材料相關產品定制需求的量越來越大，產品種類也越來越多，導致軟性材料相關產品生產企業對智能加工裝備的需求持續增強，軟性材料智能加工裝備的應用領域非常廣闊，其需求量有望實現持續、穩定的增長.

6 結束語

(1) 本文分析了我國軟性材料加工技術發展中存在的突出問題和研究軟性材料加工工程學的主要意義.我國軟性材料制品企業的智能制造水平較低，面向細分行業的自動化加工技術問題亟待解決，企業訂單快速響應能力不足，軟性材料智能加工技術與國際品牌企業相比還處于劣勢.

(2) 軟性材料加工行業的發展趨勢表現在：軟性材料制品業進入大規模“機器換人”階段，軟性材料智能加工水平進一步提升，大批量定制生產模式迅速推廣，建立面向軟性材料制品行業用戶的云服務.軟性材料加工行業的發展為軟性材料加工工程學的研究提供了很好的基礎.

(3) 軟性材料加工工程學比較新，體系還不夠完善，有待深入研究.