牙刷智能制造的研究與應用

潘楚斌 馮裕和 梁健華 黃曉文

(好來化工(中山)有限公司 廣東 中山 528411)

前言

牙刷是基于日?？谇磺鍧嵍_發創造出的日用護理產品，早期由于材料和工藝的限制，牙刷只能以手工工藝品的形式進行制作，對牙齒的清潔效果有限。隨著科學技術的發展，塑膠材料普及并應用在牙刷上，通過模具注塑加工成型，牙刷作為一種消費日用品得到大范圍普及，牙刷的種類逐漸豐富，清潔效果也得到了改善。

中國具有龐大的人口基數，隨著農村地區消費市場不斷發展和城鎮化推進，中國的牙刷需求在快速增長[1]。牙刷的需求量不斷的增長促進了牙刷發展，牙刷生產已經由全手工制作的小作坊，逐步升級到機械化、規?；牧魉€生產。批量化的生產促使牙刷成本降低，低成本的牙刷加速了牙刷的普及，正循環地促進了牙刷的發展。近年來，隨著牙刷市場競爭越來越激烈，驅使著企業不斷改革創新，牙刷制造開始朝著智能化生產升級，牙刷生產一體化是牙刷未來發展的方向。

1 牙刷智能制造的背景

1.1 國際形勢

隨著發達國家技術工人短缺，新興國家勞動力成本上漲，同時制造業又出現了行業制造點分散、生產方式變更等新情況，制造技術日益趨向專業化精細化復雜化。為應對制造行業新的社會課題，美國、德國、英國、日本等國家紛紛實施了以重振制造業為核心的“再工業化”戰略，頒布了一系列以“智能制造”為主題的國家戰略。

歐洲十九世紀工業革命發展讓德國的制刷業得到了很好的發展，德國的Zahoransky沙朗斯基作為牙刷制造設備的領導者，在一百多年前徹底改變了德國牙刷的生產，今天仍然是一家全球活躍的技術公司，在牙刷的生產機器和系統方面，超越了行業標準，通過計算機編程技術，提供生產系統自動化解決方案[2]。Boucherie NV于1927年成立于比利時的伊澤海姆市，于2014年與Borghi SPA合并成立Boucherie Borghi Group，專注于清潔行業的設備研發制造，旨在創造行業標準，為客戶提供終生的一站式解決方案和戰略性合作伙伴關系。作為歐洲制刷業設備的領先供應商，德國的Zahoransky和比利時的Boucherie提供行業內最優質的設備和工藝，引導著制刷行業的發展。牙刷是一個依賴工藝創新的產品，技術和工藝的進步伴隨著新型牙刷的發展。

1.2 國內形勢

中國牙刷工業相比于發達國家起步較晚，牙刷的生產長期依賴于手工制造，牙刷產業分布也較為分散，前期的發展主要依靠中國的人口紅利。隨著中國制造業的發展，近年來，中國牙刷工業開始向著規?；彤a業化發展。中國江蘇省揚州市杭集鎮是國內有名的“中國牙刷之都”“中國酒店日用品之都”“旅游日化用品集散中心”，目前在日化產業領域已經形成了完整的產業鏈，產業集聚度和市場占有率較高，品牌效應凸顯[3]。

1.3 國內存在的差距

國外的制造發展較早，技術更加成熟，而且原材料的發展也比國內成熟，好的技術以及原材料是實現智能化、自動化、數字化的基礎保障，中國還面臨著一些問題如表1。

表1

2 制造發展新趨勢

2.1 產業智能制造

裝備制造業是國之重器，是制造業的基石。圍繞實現制造強國的戰略目標，國務院發布了《中國制造2025》，明確制造業強國的五大工程和十大領域。智能制造工程作為五大工程之一，是國家全力打造制造強國的重點項目[4]。

緊隨國家裝備制造業發展政策和環境的利好，日化行業通過結合國內外的技術發展推動產業變革，驅動國內牙刷行業向著智能制造的方向發展。引導日化企業采用個性化的柔性生產技術，引進自動化成套生產線、智能控制系統，進一步普及工業機器人的使用，對現有的設施、設備進行自動化、智能化的升級改造，提高生產效率，建立專業高效的智能制造工廠。推動研發設計、生產、企業管理等環節的信息化改造升級，推進企業將內部信息流、資金流、物流等進行信息化綜合集成，促進信息化條件下新型企業發展模式創新。

2.2 互聯網產業結合

引導日化企業充分利用經濟常態下“互聯網+”發展的新機遇，積極謀劃互聯網和日化產業的發展布局，擴展杭集日化產品電子商務平臺功能，建設外貿產業帶平臺，引導平臺積極向海外拓展。加速推進亮點網絡、路通達科技、國富揚等信息技術公司與本地日化企業開展有效合作，構建完整的互聯網+日化電子商務體系，建設高度發達的銷售網絡，改變“杭集制造”的傳統營銷模式，促進實體經濟與平臺經濟的廣泛融合。引導日化企業O2O模式創新，借助網絡平臺及龐大的手機用戶關系型群體，密切促進企業品牌產品信息與主題消費群體的溝通互聯，將線下商務的機會與互聯網結合在一起，讓互聯網成為線下交易的前臺。

3 牙刷工廠智能制造在好來化工的應用

3.1 一體化生產

隨著日用護理消費市場對高品質牙刷的需求加速增長，長期秉持質量優先的黑人牙刷市場表現良好，市場占有率繼續不斷增長。為應對市場對黑人牙刷的需求量的提升，新牙刷車間于2016年進行產能升級并投入使用。新生產車間充分優化了牙刷生產工藝流程布局，結合考慮人機物法環等多個因素，使得原本獨立的牙刷、植毛、包裝工序整合在了一起，產品從注塑到植毛再到包裝過程完全自動化，不需要再設立中轉緩沖區，解決了停滯物料的問題，降低了人力成本。同時生產流程使用SAP系統，生產計劃同步物料采購、倉庫儲存、生產制造、成品倉存和物流配送，讓產品的制造可視化、智能化和同步化。

3.2 注塑生產一體化

3.2.1 中央供料系統

中央供料系統是一種集中再分散的供料方式。通過系統程序控制，原料由中央的儲料區，經過管道自動地運輸到每一臺注塑機，根據需求，系統可以自行調整色母與原材料的配比。中央供料系統實現了注塑生產過程中供料自動智能化，優化了人力成本，減少了人為操作誤差。密閉式的供料系統，隔絕了原材料與外界接觸，保證了產品質量的同時，還改善了注塑生產車間的環境，解決了人工拌料帶來的粉塵危害。

3.2.2 熱流道模具

傳統的注塑模具通常采用冷流道設計，生產過程中會產生8%～12%副產物。副產物需要人工修剪與產品分離，回收的副產物經過粉碎可以以10%～20%的添加量混合到注塑原材料中生產加工。這種加工方式，會在混料過程中增加混入雜質風險，混有副產物的材料注塑的產品力學性能也會存在不穩定的風險。熱流道模具，通過在模具中設計加熱系統，維持注塑原材料在熱流道中呈熔融態，產品在生產過程中，只有產品從模具中脫落，沒有副產物產生，產品性能穩定。

3.3 植毛生產一體化

3.3.1 全自動牙刷柄輸送系統

植毛在牙刷制作過程中是一個非常重要的工序，全自動牙刷柄輸送系統是實現牙刷生產一體化的關鍵技術。不少傳統企業的牙刷制作過程還需依靠手工對牙刷柄進行分揀和轉運，勞動強度大，人工成本較高[5]。牙刷產品種類繁多，尺寸不一，對于植毛機來說是一種較難匹配的“原材料”。為解決這個問題，好來化工使用了基于模塊化PLC控制的全自動牙刷柄輸送系統，系統控制的機械手可以自動識別牙刷柄和自動分揀，實現了牙刷柄全自動輸送，這種方式大大減少了擺放刷柄的人工強度，節約了人工分揀成本。

3.3.2 視覺產品檢測

高速植毛機的植毛速度是800～1000孔每分鐘。一只孔數為40的牙刷，只需要3秒就可以完成植毛，依靠人工對每只牙刷進行全檢是不現實的。牙刷的一體化生產讓每一個工序都有機地結合在了一起，只要有一個環節出現品質缺陷，就會造成大批量的不良產品產生。牙刷常見的缺陷是缺毛、無銅片、高低毛等。通過智能視覺系統，可以實現對每支產品進行全檢，一旦發現產品缺陷，設備便會將異常的產品剔除，輸送到不良區，品質管控人員可以對不良區的產品進行二次人工判定，通過定時抽檢，能夠保證設備良好運轉。

3.3.3 智能可控取毛刀

傳統的植毛刀片的取毛孔的大小是固定的，因此取毛的量也是固定不變的。在固定植毛取毛器的情況下，只能生產孔徑大小一樣的產品。生產單一產品多種孔徑規格的牙刷，需要頻繁地更換不同規格的取毛刀，或者采用兩臺以上的設備生產，頻繁的更換設備零件和多設備工序生產會造成產品不良率增高。智能可控取毛刀，可通過PLC控制系統，對取毛孔的大小進行控制，從而達到對取毛量的控制。改進后的植毛機，可實現單一產品多孔徑規格的牙刷一機生產，無需頻繁的更換取毛刀和多工序生產，降低了產品生產周期，提升了產品的合格率。

3.4 包裝一體化

3.4.1 半自動包裝

牙刷的產品種類繁多，規格不一，市場對每種牙刷的需求量是不一樣的。對于需求量較少的牙刷，好來化工提供了半自動化生產包裝方案，確保了包裝高靈活性和高效性。

3.4.2 全自動包裝

全自動包裝是實現牙刷一體化生產的最后工序，應對大批量的產品。好來化工提供了智能包裝方案，整個包裝生產線可自動完成泡殼成型、下背卡、焊接、貼標、激光打碼、沖切、收集、推入膠卡座、封包裝膜和入箱打包等環節，全程機械自動化，無需人工參與。

4 結束語

智能自動化生產是制造業的發展趨勢，是國家重點規劃的方向。好來化工通過對牙刷生產自動化改造，實現了從注塑原料中央供料系統到牙刷注塑半成品，再到植毛、包裝，整個生產過程一體化、智能化。依托于自動化生產，好來化工從勞動密集型企業向技術密集型企業轉變，提升了自有品牌黑人牙刷在市場上的競爭力。牙刷一體化生產，能夠提升產品生產效率，降低人工成本，是牙刷未來生產發展的重要方向。