利用自动化降低COGS，保持全球竞争力

位于加拿大安大略省温莎市的模具制造商Cavalier Tool & Manufacturing Ltd. 成立于1975年，每年生产160多套中型至大型注塑模具和压缩模具，拥有一支200人的团队，在温莎地区的三个工厂和印度的另外三个工厂提供设计、采购、估价和会计服务。该公司不仅设计和制造模具，还进行可行性研究、设计零件、进行模具改造/维修，并为地面运输（汽车、商用卡车、农业设备、休闲车）、工业（材料处理、流体处理）和医疗市场的客户提供试产和小批量生产。

模式转变影响产品组合和投资
最近，由于多种趋势的影响，Cavalier公司生产的模具类型和数量发生了变化。虽然2023年生产的模具数量比两年前减少了200 多个，但由于重型卡车市场的显著增长，公司现在生产的模具更大、更复杂。2023年第四季度，公司生产的价值100万美元的模具不是一个，而是两个。卡车市场的快速增长也意味着Cavalier如今正在生产更多的模具。

为了在当前和未来保持全球竞争力，Cavalier公司管理层认真研究了降低销售成本（COGS）的方法。他们得出的结论是，最好的办法就是提高自动化程度。

Cavalier公司总经理Doug Brockman解释说：“这实际上关系到我们的生存——不仅是现在，还有未来。我们告诉员工，如果不进行自动化投资，10年后他们将没有工作，因为在全球市场上保持竞争力的唯一途径就是投资先进设备和实现自动化。要想保持成功，我们就不能再用手工操作了。”

Cavalier公司管理层和车间领导共同制定了一项雄心勃勃的多阶段计划，以提高自动化程度和生产效率，并在各个层面设定了不同的目标。该公司已经与Hermle公司建立了良好的合作关系，后者同意与模具制造商密切合作，设计和装备制造单元，以满足公司的需求。由于Cavalier公司在用于小型工件的EROWA公司和用于大型工件的FCS System Srl公司的工件夹持系统上也有大量投资，因此他们希望将这些系统整合到新的制造单元中。

在进入新的实施阶段之前，团队同意对设备运行情况进行评估，并回顾最佳实践和经验教训，以确定在设定新目标和开始下一阶段自动化工作之前需要做出哪些改变（如果有的话）。

阶段一：2014-2015

在自动化项目第一阶段开始时，Cavalier团队有三个目标：更快地切削、减少设置和减少屑屑时间（定义为同一台机器上一个作业结束与下一个作业开始之间的时间）。

为了实现前两个目标，Cavalier公司购买了一台 Hermle C42 U 五轴数控机床，这是 Cavalier 的第一台钢材五轴铣床，其主轴高速运转时的稳定性和精确性，以及钻孔、粗铣和精铣的能力都是Cavalier所选择的。这意味着除电火花加工外的所有工作都可以在不移动工件的情况下完成，从而减少了设置步骤和时间。

为了实现第三个目标，公司购买了五个Hermle PW850 托盘和一个托盘交换装置/梭子，用于从数控系统上装卸托盘。在任何给定时间内，制造单元中最多有四个装有工件的托盘：一个在正在加工的数控系统中，两个在一旁的准备工位中，第四个在机器人的第二机械臂中。一项工作完成后，穿梭机立即将其移走，并从准备就绪站装载下一项工作。由于多个工作（和编程）都提前装入了制造单元，因此减少了工作之间的停机时间。如果在数控系统中出现问题，工作就会被终止，托盘/工件会被移走，然后将另一个工件装入机器，这样就能有更多无人值守的运行时间。

专有的Hermle托盘是托盘穿梭机设计用来拾取/移动的，而数控系统设计用来接受它们。团队的解决方法是在每个Hermle托盘上安装一个500×500mm的FCS托盘，或者安装一套EROWA 148卡盘和夹头，这样就能在多个工位上加工由Cavalier公司首选工件夹持系统夹持的工件。加工完成后，无需再对工件进行去垛，然后在转入电火花加工之前进行重新去垛。但是，如果从数控系统下来的Hermle托盘上装载的是FCS托盘，而团队需要安装由EROWA系统夹持的较小工件，那么他们要么必须拆卸FCS系统，然后在装载工件之前重新装配EROWA系统，要么就必须对作业进行排序，以适应下一个可用托盘。

在第一阶段结束时，团队评估了他们尝试过的方法以及每种方法的效果。他们发现，高速五轴Hermle切削速度更快、更精确，并减少了设置次数。他们还发现，多垛工件夹持系统缩短了设置时间，并有助于加快拆卸和运输到下一台机器的速度。

团队在第一阶段进行了一项有趣的尝试，即创建一个预配置常用形状和尺寸的钢坯料库，用于生产较小的嵌入件。方形和圆形坯料由预处理部门生产，钢材经锯切、端部脱脂、安装孔钻孔和攻丝后被送往相应的机床/单元进行安装和加工。预先配置好的坯料已准备就绪，无需再在钢块上进行平整、撇边和钻固定孔等工作。由于省去了准备工作，坯料一装入数控系统就可以开始切割，从而节省了时间。加工后，只需通过线切割加工去除底面的任何残留材料即可。

Cavalier维护经理Rob Wilson解释说：“当我们考虑钢材的成本（约2.00美元/磅）和数控系统的运行成本时，我们意识到，有了预先配置好的坯料，我们可以在5分钟内开始切割，而不是在开始切割前花费2个小时的机床时间来准备坯料。很明显，扔掉一些钢材的成本与准备、设置和加工时间相比，这是我们更好的想法之一。”

另一项实验变成了最佳实践，即从数控机床上取下一个工件，并将其移到线切割机床上，以便从剩余材料的残余部分上切割下来，但团队意识到，当工件被切割下来时，它掉进了水槽中，需要团队成员在水槽中四处打捞才能捞上来。与此同时，被取出的底座却留在了支架上。

团队用两种方法解决了这个问题。首先，他们试验了几组磁铁，直到开发出一种防止工件掉入水槽的配置。其次，在电火花加工过程中，他们在工件上留下了一个小凸起，从电火花加工中取出后很容易被折断。虽然这个凸起并不影响最终零件的功能，但它确实方便了从存根上取下。虽然每次改动都能节省少量时间，但合在一起就能节省更多的工时和处理时间。

Brockman补充说：“我们有一个优秀的团队，他们花了很多时间询问制造环境各个方面的'如果'问题。归根结底，仅仅购买最新的技术是不够的，关键是如何使用这些技术，这才是最重要的。”

第二阶段：2017-2019年
尽管第一阶段的制造单元取得了许多成功，但团队认识到五个托盘不足以满足Cavalier公司的需求。随着第二阶段的开始，他们的目标是运行更多的无人值守时间，改进工件夹持解决方案，提高部件吞吐量。

为了实现这些目标，我们安装了一套Hermle托盘柔性系统，可容纳18个托盘/工件的多层库，从而大大扩展了工件夹持站。该系统由一个四轴托盘交换装置/交换机提供服务，交换机在直线和旋转轨道上移动，为放置在托盘库旁边的另一个五轴 Hermle C42 U供料。和以前一样，团队将FCS托盘或EROWA卡盘/托盘安装在Hermle托盘上，并处理各种限制。

“在Cavalier公司，我们的基因是'让我们尝试新事物'，因此在自动化的这一阶段，我们尝试了很多有趣的方法来改进工件夹持，例如使用V形块和三个卡盘来夹持工件——但都没有成功——我们还找到了一种新的方法来制造升降杆，虽然很酷，但并不划算，”Wilson 回忆道，“因为我们不怕失败，而且这是一个比第一阶段更加灵活的系统，所以我们可以自由地运用发散性思维。我们尝试过的很多东西最后都证明并不是那么好的主意。

在第二阶段即将结束时，团队回顾了成功与失败。他们一致认为，在第1阶段和第2阶段的制造单元中使用两台相同的数控机床，并使用共同的编程和资源（包括工具）是很有优势的，因为这样可以让团队灵活安排时间，无论哪台机床/单元打开，待处理的工作都可以在其中运行。然而，工件夹具变通方法的高昂成本日益令人沮丧，团队希望在第三阶段解决这一问题。

如前所述，托盘穿梭车和数控系统是为接受专有托盘而设计的，这就需要在Hermle托盘上安装FCS托盘或EROWA卡盘/托盘。这种托盘堆叠方式增加了Z轴高度，虽然C42数控系统的加工包络面较大，但对于第3阶段考虑采用的较小数控系统而言，这种堆叠方式将受到限制。此外，由于EROWA夹头不能单独使用，需要一整套卡盘和夹头，这也增加了相当大的成本。考虑到第三阶段计划采用的生产单元更大，有三台数控机床和一个大幅扩充的托盘库，继续采用这种变通方法的高成本意味着需要更多创新。Hermle为解决工件夹持问题提出了一个巧妙的解决方案。

第三阶段：2023年
进入第三阶段规划时，目标是最大限度地提高无人值守加工能力，进一步提高产能以适应预期增长，并解决工件夹具问题。在卡瓦利埃与Hermle团队的合作下，做出了几项重大改变。首先，监测结果表明，第一和第二阶段生产单元中90%的切割件都是以前离岸外包的较小部件。因此，决定安装三台Hermle C32五轴铣床，而不是较大的C42铣床。其次，为了最大限度地提高吞吐量和无人值守加工，Hermle开发了一个全封闭、231个工位的多层库，由一个七轴KUKA机器人管理，该机器人沿着20m的轨道移动，以取回托盘工件并为三台送料。这次，机器人和数控机床等整个单元都由Soflex软件（Soflex Fertigungssteuerungs-GmbH）控制。

为了解决长期存在的工件夹持问题，存储系统、机器人和数控系统被设计为使用相同的搬运附件来接受各种托盘。为确保在这种情况下使用EROWA卡盘/托盘，使用了三个定制的安装板系列，尺寸与较小的 FCS 板相同（但没有大量安装孔），用于安装 EROWA 148卡盘。图书馆的储藏箱可容纳 77个FCS托盘（45个400 × 400mm，32个500 × 500 mm）。此外，还配置了151个EROWA 148夹头，这些夹头可以根据需要在三个定制的EROWA安装托盘中更换。该系统代表了Cavalier公司迄今使用的自动化和灵活性的最高水平。不出所料，随着对自动化的不断深入，团队发现了需要解决的新问题。

Wilson解释说：“随着我们的数控机床越来越多地在无人值守的情况下运行，我们发现我们需要在循环开始时探测每一个坯料，以确保有足够的多余坯料来干净利落地切割部件，但又不能太多，否则机器就会崩溃。我们与我们的CAM软件和控制器供应商 Hermle合作，将所有部件组合在一起，创建了一个探测软件例程，在加工开始前检查原坯是否有不超过15mm和不小于0.5mm的多余毛坯。当我们有人工看管机器时，我们依靠他们来发现这样的问题，但随着自动化程度的提高，我们发现了一个以前未知的变量，我们必须围绕它进行优化。”
 

迄今为止，第三阶段的设置已经达到了Cavalier进一步改进工艺的目标，所有机器都在无人看管的情况下运行。现在，我们面临的挑战是找到足够多的额外工作，以确保生产单元满负荷运转。此外，Cavalier公司的成本、销售和总成本也有了足够的下降，因此可以利用海外资源生产具有成本竞争力的复杂小型部件，从而使公司能够将其复杂的3D部件100%运回国内。公司将继续寻求缩短生产周期的方法，目前正在评估其他收入来源，以便让机器在生产模具部件之外也能保持运转。

第四阶段：2024年及以后
当经济状况支持进一步扩张时，公司计划在第三阶段的制造单元中增加更多机器。其中包括一台线切割放电加工机和一台沉降片放电加工机，这将减少工件处理量，使更多的工艺步骤能在生产单元内完成。Cavalier公司还计划增加两台较大的五轴Hermle C52 数控机床，它们将能够容纳当前库架系统中已包含的较大的500×500mm托盘。

Brockman补充说：“我们从不重复同样的工作，因此在增加自动化设备的同时，我们必须不断调整我们的技术，以适应高混合/低产量的环境。从我们的第一个多托盘生产单元中，我们学到了很多东西，当我们在第二个单元中增加更多托盘时，我们利用这些东西提高了生产率。但是，我们仍然使用了大量的工时。我们利用在那里学到的知识设计了第三个工作单元，它为我们带来了更多的无人值守工时，并不断告诉我们仍有一些事情需要创新。”

“随着我们的工具越来越大，自动化程度越来越高，我们注意到一件事，那就是我们生产每件工具所使用的人员越来越少——在全球熟练劳动力短缺和婴儿潮一代退休人数创纪录的时候，这是一个优势，”Cavalier总经理Tim Galbraith指出，他本人也将于2024年退休。然而，增加自动化并不一定意味着我们需要更少的人。我们仍然需要熟练工人。事实上，展望未来，我们需要掌握更多技能的人才，他们接受过培训，可以胜任现在还不存在的工作。”