自動投補及聯缸染色裝置設計

于義琳 羅瑞琪 閻婧宇 趙諾琦

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

1970 年起木材單板染色主要采用現代化工業合成染料，該方法由日本和意大利優先采用，染料采用自動投補技術，用于生產重組裝飾材料。對于濃度檢測來說，格靈達麥克貝斯油墨配方軟件具有自動生成配方、多通道計算速度快的特點，能夠高效配比，降低成本。武林、于志明課題組研究木材聯缸染色，提出采用木材染色來大程度解決染色廢水的污染問題，實現木材聯缸染色。利用瑞士公司的光譜光度儀測量殘液光譜數據，計算得到需投補量，進而進行自動投補[1]。李春生等提出引進瑞士公司的配色系統和顏色控制系統進行木材染色，對木材染色行業起到了一定的助推作用[2]。該文提出的計算機木材染色配色方法和技術，能夠在保證配色精度的同時，計算出最經濟的木材染色方案。結合自動控制技術和檢測與轉換技術，設計聯缸自動投補染色裝置，實現多缸同染無色差。采用光譜檢測與pH 值等多種參量檢測，以續投染料為控制對象進行控制系統設計，實現根據剩余染液相關性質自動投補新一批次所需染料的功能。

1 自動投補原理與方法

自動控制是指利用附加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程在不需要人直接參與的情況下，按預定的規則自動地工作或運行參數。在木材單色和多色配色實驗中，采用計算機配色系統對殘留染料溶液進行補充。補充后染料溶液與原液的光密度曲線基本吻合，色差值很小，可用于實現多缸染色。該文在計算機配色系統中使用校正功能，利用技術人員在長期工作中積累的經驗對染料配方進行修改，從而最大限度地發揮人機互補性，減少多缸染色的色差。

分光光度計一般由照明光源、單色器、光度計量裝置和輸出裝置等組成。照明光源發出的光是在可見光波長范圍內連續分布的光，單色器利用棱鏡、彎曲光柵和彩色干擾濾色片將光源的光分散，分解為一定波長間隔的（如5 nm、10 nm）若干個單色光。單色光在測量部分被分為對稱的2 束光，即樣品光束和參照光束。參照光束照射在標準白板上，樣品光束照射在被測物體表面，檢測比較被反射回來的2 束光，可以得到樣品對該波長光的反射率。根據物體色三刺激值和光源三刺激值計算公式，可以計算出在照明A 照射下的物體色三刺激值和光源三刺激值。

利用計算機配色技術中的三刺激值法，對仿珍貴木材染料配方的調配方法進行研究，并得出幾種仿珍貴材貴木材的染料配方。

計算機配色研究須基于顏色模型，但模型較多且各自的用途不同，該文采用L*a*b*顏色空間研究木材顏色問題。L*a*b*空間由亮度或光亮度分量L*和2 個色度分量a*和b*組成，a*的色彩是從深綠到灰，再到亮粉紅色。b*則是從亮藍色到灰，再到焦黃色。從3 個刺激量X、Y、Z 到L*a*b*顏色空間的轉換公式為

式中：L*為亮度或光亮度分量，a*、b*為色度分量，X、Y、Z 為3 個刺激量，X0、Y0、Z0分別為CIE 標準照明體的三刺激值

L*a*b*顏色空間滿足全部的可見光譜，并可以準確地顯示、打印輸入設備中的色彩，滿足該文對珍貴木材的顏色采色需求。

2 聯缸染色裝置及原理

一直以來木材染色都面臨著一個困境，應用分缸染色時，由于批量過大，即便是品種相同的木材單染色也總會有缸差。染廠以往的解決方案是盡量采用大小不同的染缸，然后使用體積較大的缸，對數量多的、品種一致的木材進行單染色。應用以上傳統方法，雖然可以降低染色工藝中染缸的數量，以及同一批木材染色的色差，但是隨之也產生了另外一些難題。染色機的可變載能力是有局限的，且工業上染色機過載使用是不具有經濟性的，嚴重時會增加染色的色差，導致產品不合格，因此該文采用了聯缸的技術。

2.1 聯缸染色原理

將2 臺～4 臺的染缸通過循環管和閥門互相連接，利用泵提供染料循環的動力，使染液在染缸之間流動，從而進行循環染色，這樣做是為了即使是在多次染色的情況下，也能使染色精度和色差控制在理想的范圍內。為了保證染色成品的質量合格，該文采用控制染料流通速度和木材溫差的染色工藝。

2.2 裝置結構及功能

該裝置設計目的在于提供一種木材單板聯缸染色裝置，以解決現有技術中單板浸染技術不能連續更換不同的染缸進行染色處理，不便于進行復染或多種顏色混染的問題，減少了浸染工作效率低問題的發生概率，裝置結構示意圖如圖1 所示。

圖1 裝置整體構架

裝置的工作原理及使用流程是用液壓缸驅動浸染籠上移至染色缸上部，將待浸染的木材單板插設在不同的木材單板插接槽內，通過活動卡扣合上上蓋，將3 種染色液分別放置在3 個染色缸內，通過減速電機驅動絲杠滑座，在絲桿上直線運動，液壓缸驅動浸染籠下移至染色缸內部進行浸染，從而能夠電動驅動木材單板，連續更換不同的染缸進行染色處理，便于進行復染或多種顏色混染[3]。

液壓缸上側傳動連接伸縮桿一端通過染籠支架，來驅動浸染籠升降，進行浸染處理。浸染籠內部兩側壁安裝有多個隔板，且2 個隔板之間有木材單板插接槽，能夠將相鄰的2塊木材單板隔開浸染，提高浸染的效率[4]。

3 染色工藝與過程

參照圖1 所示的聯缸染色裝置，實驗中的木材染色工藝流程如下：通過管路和可控流量計向第一染缸和第二染缸投入等量、等濃度的紅、黃、藍色染料和助染劑，再向染缸中投入待染木材，通過熱電偶加熱染缸，使用恒溫浸漬法對木材進行染色。

然后自動補投裝置通過比色皿、分光光度計以及pH 計，獲得染色殘液吸收光譜和pH 值數據，并輸入基于該裝置的軟件中，從而實現實時監測，再通過前述設計的算法對染液濃度及配比進行分析，最終得到染缸內部剩余顏色的配比，從而自動向染缸中投補所需的紅、黃、藍染料和助染劑，使染料配比恢復初始狀態，減小聯缸染色的色差，再利用染缸對待染木材進行染色，如此循環[5]。

上述聯缸染色及自動投補裝置不僅能保證木材的染色質量，提高染色效率，還能在理論上實現無限循環續染，避免浪費、污染，染色流程圖如圖2 所示。

圖2 染色流程圖

4 結論

通過將自動控制和檢測技術相結合，形成了一種生產效率高，各缸之間的被染物顏色穩定一致的聯缸染色方法，同時可以根據下一缸所需的顏料進行自動補色。木材自動投補聯缸染色裝置很好地實現了色料的自動補償，也達到了對木材顏色精度的要求。傳統染色過程中染料的浪費和加工的一次性問題也得到了很好的改進。該文設計的裝置可以實現多批次的染色，并且高效利用染料，促進染料循環利用，避免浪費。