要想在大批量发动机制造领域取得成功，需要将精密加工、可靠性、智能工程及重要的自动化技术做到极致。位于美国玛丽维尔的川崎汽车制造公司，每年生产数十万台曲轴箱，用于割草机或拖拉机。川崎汽车制造公司（以下简称：川崎公司）制造工艺工程师Shannon Walter及其团队，带来的精密加工自动化技术成果，极大地提升了川崎公司树立品牌知名度。

在竞争激烈的消费市场，质量是企业成功的重要因素。Walter说：“用户每年都希望能订到更多的发动机，我们的质量久经市场考验，赢得了市场的高度赞誉。”他还补充说，2022年川崎公司将再次打破自己的年度生产记录。这样的产量增长，还促使川崎公司在200英里外密苏里州的布恩维尔开设了第二家工厂。

这家公司成立于1989年，是美国一家专业制造川崎发动机的企业，拥有约1000名员工，超过83613 m2的制造空间，以及数量惊人的470台数控机床——从卧式加工中心（HMC）和立式加工中心（VMC）到车床和清洗机，众多领先品牌应有尽有。

川崎公司玛丽维尔工厂运营的另一个优势是垂直整合，其95%的产品，都是在工厂内制造和装配的，确保了对所有发动机零部件（曲轴箱、气缸盖、轴、盖和飞轮）制造从头到尾的控制。

图1  川崎汽车制造公司制造工艺工程师Shannon Walter（左）以及维修工程师Gary Wilmes（右），站在格劳博自动化生产线装载站前

成长的烦恼

即使最高效的制造业务也无法避免需求增加、劳动力短缺以及用户缩短交货时间所带来的挑战。尽管川崎公司采取了一周七天三班倒的运营模式，也必须面对这些问题。在开发新的加工方案之前，为了满足需求，公司每年必须把近20万个曲轴箱的制造任务外包。为了节约成本，保持质量标准和消除停机时间，公司需要找到一种更有利的方式来解决这个问题。

“我们设定了一个目标——首要愿景就是缩短操作时间和减少错误，完全控制质量，”Walter说，公司成立了一个六人委员会来评估各种选择。无一例外，他们都决定向着完全自动化进军。

Walter表示，机器人一开始在委员会候选名单上排在前列，主要是因为川崎公司现有的（半自动化）数控加工线由8台设备（多托盘HMC、VMC）组成。其中，有2个机器人单元专为每个完整班次中的1名员工提供服务，因为这位员工需要手动装载重达8.6~12.7 kg的铝制曲轴箱。“我们分析了这项加工任务及其造成的问题，比如在没有完全自动化的情况下，很容易发生质量问题及零件位置错放造成的停机，”Walter解释说，为了达到目标，川崎公司需要一个完全自动化的解决方案，来消除停机时间，同时它还需要与半自动化生产线至少相等的速度精准地加工发动机。

要实现生产好每台发动机的目标，需要在几分钟内制造出多孔和气缸，完成钻孔、钻头、攻丝和面铣等诸多加工要求，川崎公司明白自身需要一种动态技术，于是就向拥有全面自动化技术的先进加工中心制造商格劳博求助。

精度和速度

面对川崎公司提出的苛刻要求，格劳博评估了既要缩短周期时间，同时还要确保质量和消除停机时间的最佳方法。格劳博团队进行了深入分析，确定与其在2条生产线上配备8台加工中心，由1名员工手动装载工件。但这套工序问题重重，不如在2条生产线上配备4台加工中心，并配备一台量身定制的高动态线性龙门桁架，自动为整条生产线以及每台加工中心上料。这个解决方案甚至可以改善川崎公司的整体制造周期。

“我们希望在实现高速度的同时还能实现高精度。格劳博邀请我们到他们位于美国俄亥俄州布拉夫顿的工厂，参观其生产线运行能力，它能将周期时间缩短到比我们的目标快5%以上。我们没想过他们能做到，但令人惊讶的是他们做到了，这给我们留下了非常深刻的印象，”Walter说。

图2 由4台格劳博G500加工中心排成两列生产线，再配备由格劳博设计、制造的高动态线性龙门桁架，在川崎公司位于密苏里州的玛丽维尔工厂，负责生产曲轴箱

完全自动化

2016年底，第一条格劳博生产线在玛丽维尔工厂安装完毕，川崎公司开始了曲轴箱的生产。这条新生产线由4台G500加工中心组成，分为两列生产线，配上格劳博高动态线性龙门桁架，在生产线的起始处设了一个装载站，在终点处也设了一个站，负责珩磨曲轴箱、进行泄漏测试以及清洗曲轴箱。采用这种设置，只需1名工人即可。

这项工艺在消除停机时间和提高发动机产量方面成效斐然，因此川崎公司在第二年又订购了第二条格劳博生产线。从那时起，川崎公司每年都会增加一条新的生产线，以满足其对发动机不断增长的需求。目前，这些生产线在这家工厂巨大的占地面积中的占比为10%左右。

现在，川崎公司不再采用1个工人手动装配8台机床组成2个单元的半自动生产线设置，而是由1个工人负责2条全自动生产线。这大大减少了人工装载，同时极大提高了精准成品零件的产量，且不会停机。

Walter说：“自这些生产线安装以来，格劳博让我们无需外包就能满足用户需求，每年节省了500多万美元。其中，最主要的收获是减少了劳动力和停机时间，提高了质量。因为减少了人工上下料次数，我们每年节省了超过16万美元的劳动力成本。通过消除因零部件放错位置而造成的停机时间，我们每年的利润额外增加了3.2万美元。节省的费用中，还未包括避免像主要设备零部件损坏等情况的成本。”

格劳博还帮助川崎公司解决了劳动力问题。Walter说：“我们一直在努力为玛丽维尔工厂招聘并留住足够的工人。格劳博生产线帮助我们既跟上了曲轴箱产量需求的步伐，又在曲轴箱加工区减少了50%的人力，作用巨大。”

专为速度而设计

这套系统的核心是格劳博强韧的G500加工中心，在格劳博位于美国布拉夫顿占地37 161m2的工厂中制造而成。这些加工中心具有快速的主轴加速度，2.6 s的快速换刀时间以及高动态线性龙门桁架，是高产量、全天候运行的理想选择。利用水平主轴设计，轴上的轴承是与主轴一起移动，在整个Z轴行程中保持恒定的铣削条件，切屑会从被加工的工件上掉落。切屑控制和排空也以其他方式得到了进一步加强。例如，工件是在排屑机的正上方加工的，而换刀是在工作区之外进行的，这消除了换刀时的切屑干扰。此外，在刀具插入主轴之前，刷子会清洁刀柄，冷却液冲洗系统会将切屑推出工作区并通过输送机排出。“在我们的加工任务中，这些功能至关重要，停下来清理堆积的切屑是根本不可能的，”川崎公司维修工程师Gary Wilmes表示，在生产线的其他区域继续运行时，甚至可以锁住一台机床，同时保持液压和气动柜开放，便于维修。

牢固的合作

“我们对格劳博在设备装配过程中提供的支持非常满意，对西门子控制系统有些陌生，而格劳博的员工在我们需要帮助时表现出色，处理我们在格劳博生产线上遇到的每个问题或要求时，格劳博项目经理和服务工程师的态度都令我满意，”Walter表示。此外，Walter补充说，由于他们的工厂在美国，一旦设备需要维修，都不必等待。他们的全面服务能力非常好，98%的问题都可以通过其远程诊断服务来解决。