匠人技能和數(shù)字技術實現(xiàn)工程縮短1/2 豐田公開制造的現(xiàn)場

目錄

? 支撐汽車未來的次世代電池產品線
? 自行移動組裝生產線改變了工廠面貌
? 一體化鑄造技術中仍可見匠人技能和TPS
? 通過智慧和巧思實現(xiàn)混流生產線
? 使用數(shù)字孿生技術制造設備與育人
? 利用車輛搬運機器人挑戰(zhàn)“2024年問題”
? 提高進化速度，貼合時代變化

蒸汽徐徐上升的鑄造設備中，一個巨大的零部件出現(xiàn)在人們眼前。這是一塊毫厘不差地堆疊在一起的電池。這便是用AR（增強現(xiàn)實：Augmented Reality）技術再現(xiàn)的匠人技藝——。

9月，豐田汽車面向媒體公開了3個工廠開展的各種制造技術，分別是位于愛知縣豐田市的貞寶、元町工廠，以及位于愛知縣三好市的明知工廠。

本次活動名為“豐田制造說明會”。展示了在6月的“技術說明會”上公布的各項先進技術如何在制造現(xiàn)場被應用的。

貞寶工廠定位是一個從“無”到“有”的初創(chuàng)據(jù)點。肩負著支撐制造設備和工法開發(fā)、引領面向新時代移動出行的 ”豐田制造”的重擔。

明知工廠是匠人技能和革新技術相融合的鑄造工廠。千分之一秒都必爭的汽車運動中所使用的發(fā)動機部件就是由該工廠生產的。

元町工廠是多路徑解決方案的量產平臺。HEV（混合動力車）、BEV（純電動車）、FCEV（燃料電池車）等9種車型在一條生產線上完成生產。

負責生產的豐田高層，新鄉(xiāng)和晃CPO（Chief Production Officer）在會上表明了決心：“豐田擁有的技術與數(shù)字革新技術，實現(xiàn)工程縮短1/2。我們消除了研發(fā)和生產領域的壁壘，會快速地為新的移動出行供給，同時解決工廠碳中和物流等造物基礎的課題?！?/p>

本期時報將直擊豐田制造說明會一線！看3大工廠如何“繼承”豐田的“技術”，通過與數(shù)字技術融合，實現(xiàn)制造的進化。

支撐汽車未來的次世代電池產品線

在6月的技術說明會上最引人注目的，自然是以全固態(tài)電池為首的豐田電池技術。貞寶工廠正在面向量產，推進各項準備工作。

貞寶工廠此前一直負責制造電動機、電池、燃料電池等用于生產新產品的各種設備。此外該工廠還擔負著從設備設計，到組裝、導入量產工廠的工作。

充電時間縮短，續(xù)航里程大幅增加的全固態(tài)電池，目前正在進行產品開發(fā)和量產工藝的研究，以實現(xiàn)2027年至28年的實際應用。

目前的電池制造可粗略劃分為材料加工→電池加工→電池組裝三個工序。

全固態(tài)電池的制造順序也相同，但在電池組裝工序中，高速、高精度且不會損壞電池材料的堆疊工藝，是保證性能和量產化的關鍵技術。

這其中，在堆疊電池時，貞寶工廠研發(fā)的設備，能控制搬運和接收的叉車托盤處于相同的移動速度，即兩者相對速度為0。

并且，叉車托盤和設備中的機關能夠在電池交接時，避免出現(xiàn)偏差。如此一來，便能實現(xiàn)高速且高精度的堆疊，這對于量產來說可以說是必不可少。

會上還公開了另一臺生產設備，用于生產超大型雙極結構的次世代電池普及版。

普通的電池是在一張集電體上涂上正極或負極中的任一方，僅正極的集電體和僅負極的集電體組成兩張一套的結構（下圖左）。與此相對，雙極結構的電池采用了在一張集電體的正反面分別涂上正極和負極的簡單結構，以此將零部件數(shù)控制在三分之一（下圖右）。

另外，正極不使用鎳、鈷等稀有金屬，而采用低成本的LFP（磷酸鐵鋰）材料，達到削減材料費的效果。

雖然能量密度下降，但由于雙極結構實現(xiàn)了零部件的減少，從而獲得了額外的容積，便可在集電體上的加厚噴涂LFP，以達到電池容量不受影響的最終效果。

要實現(xiàn)該電池的順利應用，仍有如下難點：①如何將材料均勻地涂在正負極上；②如何做到高速加工；③如何一次性密封所有鋰電池單體。此外，這些難點的解決方案還必須適用于汽車專用的超大型電池。

為了解決以上等課題，豐田將以HEV26年里所積累的電池生產技術為基礎，活用雙極結構鎳氫電池的技術和know-how，以及開發(fā)FCEV中培育的精密涂裝技術，再加上數(shù)字技術，推進研發(fā)工作。

自行移動組裝生產線改變了工廠面貌

BEV Factory的加藤武郎總裁于今年6月推出了“BEV half”的概念。

他宣稱：“新的模塊結構和自行移動生產旨在實現(xiàn)縮短工程和工廠投資的1/2。通過數(shù)字孿生技術*賦能，生產準備時間將減少至二分之一。”

*就像孿生子一樣，數(shù)字孿生技術是一種以數(shù)字方式再現(xiàn)現(xiàn)實世界，并用于模擬測試和其他目的的一種方法。

此次在元町工廠介紹的新模塊結構將車身底部（包括從車輛前方的車架到駕倉及后備箱底板在內的車身下部）分為前、中、后三個主要部分，作業(yè)時只需要將各部分的零件組裝在一起。

由于無需人員進入車內組裝零件，因此可以提高作業(yè)效率。

在3個模塊中的每個模塊里組裝零件并完成模塊接合后，車輛將自動在工序間行駛。在這種新型車輛結構中，因為可以在沒組裝車頂和車身側板的情況下組裝座椅等，所以只需要簡單構造的機器人和動作，設備也更簡單。

車輛自行移動組裝生產線采用了豐田公司在自動駕駛研發(fā)過程中開發(fā)的傳感技術和車輛控制技術。

工廠內的攝像頭可以識別車輛，并控制它們以每小時0.36km的速度按照設定好的路線行駛。

無需運輸車輛后，工廠布局的靈活性也得到了提高。據(jù)說設備投資將減少數(shù)十億日元，每年更換新車型將所需的準備時間大幅縮短。

使用無人搬運機器人的簡單生產線概念已在豐田Noah和豐田Voxy的部分焊接過程中得到驗證，目前工作人員正在征求反饋意見，以便為下一代BEV的設備研發(fā)做好準備。

負責研發(fā)該系統(tǒng)的員工說，其目的是“更方便工人操作，縮短準備時間，降低成本，從而提高競爭力”。

豐田掌握著工廠設施和量產車的研發(fā)到生產的每一道工序。利用自身優(yōu)勢，盡量淘汰笨重的搬運裝置，為了更加靈活地應對變化，而力求實現(xiàn)更加簡化的操作和自動化。

一體化鑄造技術中仍可見匠人技能和TPS

今年，負責生產鑄造零件的明知工廠成立50周年，而自6月份發(fā)布以來一直備受關注的一體化鑄造技術*就是在這里研發(fā)的。

*用于車身零件整體成型的技術，以前必須使用數(shù)十種零件和工序來制造，而在bZ4X的車尾部分，86個零件被簡化為1個。

該工藝首先將熔化的鋁合金以高速、高壓的狀態(tài)注入模具。在十幾秒內從700°C冷卻至250℃并完成凝固，然后打開模具，取出整體成型的鑄造零件。

豐田計劃在工廠使用一體化鑄造技術以實現(xiàn)量產，并通過減少兩種類型的浪費來提高生產性。下文將為您詳細介紹。

第一種是更換模具所需的“停機時間”。更換模具一般需要使用大型起重機，通常每次更換需要24小時。如果使用普通一體化鑄造技術，模具重量會超過100噸，甚至還會發(fā)生浪費。

相比之下，豐田的一體化鑄造技術將模具分為“通用模具”和“專用模具”。“通用模具”一直安裝在設備中，而“專用模具”則根據(jù)不同的車型設計成不同的形狀。更換模具時，只有緊湊的專用模具會自動從通用模具中分離出來。

這樣做的目的是通過Just In Time（準時化）的更換鑄型，將所需的準備時間縮短至20分鐘以下，一切都是按時、按需、按量進行的。

這種模具分離和自動分離技術是多年來豐田內部模具設計、制造和維護過程中改良下來的結晶。當模具因鑄造熱量而膨脹或收縮時，通用模具和專用模具就不能很好地結合在一起，專用模具可能無法脫模。這其中的間隙尺寸要靠模具匠人的技能來把控。

第二種浪費是“次品和返工”。豐田利用一體化鑄造的分解技術和自己獨立研發(fā)的模擬軟件（這些軟件是豐田在大量生產發(fā)動機組和其他產品過程中積累的知識的結晶），將匠人技能數(shù)值化后編入程序，生成可生產優(yōu)質產品的條件和計算方法。

當下很多廠商都在使用市場銷售的設備，但因為是公司自己研發(fā)的軟件，所以可以靈活追加條件設定或是改變計算方法。 通過預先建立質量標準，降低次品率。

豐田通過活用鑄造技能和減少浪費，運用TPS（豐田生產方式）將制造周期縮短到極致。以這樣的實踐將新型豐田制造進一步改善和進化。

通過智慧和巧思實現(xiàn)混流生產線

元町工廠于64年前開始啟用，它是世界上獨一無二的混流式生產工廠。包括正在準備的車型在內，在一條生產線上生產9種車型、4種動力系統(tǒng)和3種類型的車身。

基于TPS，豐田不會批量生產相同的車型，而是根據(jù)訂單的先后順序，以“單件流*”的生產方式生產汽車。

*單件流：指的通過現(xiàn)場的人員、設備、物料等的組織，使產品按照客戶需要的速率一個一個地（或一個固定批）通過整個生產流程時的一種情形。

因此，在一條生產線上，不同形狀和尺寸的汽車一輛接一輛出現(xiàn)：先是轎車，然后是SUV，甚至還有商務車。

當然，不同的汽車需要不同的作業(yè)時間和工序。不過，根據(jù)客戶的需求，為了實現(xiàn)作業(yè)時間的均衡化，豐田采用了最合適的工序，并消除總作業(yè)時間差，實現(xiàn)了在不降低效率的情況下進行生產的可能性。

在一線，一個名為“UM（通用模塊）托盤”的裝貨推車被活用在同一工序中，將不同動力單元組裝到車輛上。

諸如HEV發(fā)動機、e-Axle和燃料電池堆等不同形狀和重量的動力單元都會流入生產線。

承裝這些裝置的推車有一個共同的底架，只需更換簡單的附件，即可應對任何動力單元。這確實是一個應對“單件流”的舉措，它是一線人員和制造技術方面的工程師通過智慧，共同創(chuàng)造的結果。

除此之外，還有其他各種來自一線的智慧，使混流生產成為可能。

使用數(shù)字孿生技術制造設備與育人

下面為大家介紹活用數(shù)字技術制造工廠設備的事例。

通常制造設備的流程是，經過設計、零件加工、設備組裝等階段后，一線員工才能接觸到實物。

然而，這種做法卻有其弊端。在設計階段即使完成了設計圖，但想要加工零件時卻發(fā)現(xiàn)形狀不合適而無法加工、想要調整一下設備卻無法正常運行、使用設備的人表示“操作不順手”等諸多問題。像這樣因“不良品、需要修改而導致的浪費”占據(jù)了制作周期中的大量時間。

但是，現(xiàn)在豐田開始使用3D模型來設計圖紙，讓負責后序工作的一線員工們也能在圖紙設計階段，邊看邊給出建議，在設計過程中隨時修改設計圖。

也就是說通過改革工作方式，讓工作人員們可以看到整個設備制造的全過程。實現(xiàn)工作前置與同步化，以零返工為目標，致力于縮短制造周期。

在貞寶工廠中還有這樣的事例。一塊手工制作的150英寸的顯示器上，投影著實際尺寸的設備數(shù)字模型，在這里可以通過實際操作檢驗設備運轉動向，有助于制作完成更加精密的設計圖。

另外，僅靠顯示器無法看到的機器內部構造、在工廠中設備的擺放方式等信息，也可以使用數(shù)字技術來展示。

經過改善，工作的返工率縮減至過去的10分之1，制作周期縮短了2分之1，另外，設備費用降低到了過去的4分之3。

現(xiàn)在，像這樣活用數(shù)字技術的造物方式已經在整個豐田集團，以及合作廠商中普及，最大化提升了集團整體的競爭力。

此外，這種技術不僅用于新設備的研發(fā)。

目前，數(shù)字技術也被轉用在金屬零件生產中的加工設備上，實現(xiàn)了切割工序的自動化。

另外，數(shù)字技術在一線還被用于人才培養(yǎng)工作，利用AR技術制造出能輔助員工們提高技巧的技能訓練機，讓以往那些偏意會的匠人技能更容易掌握。

這些都是工作在一線，從事制造的員工們，通過自主學習數(shù)字技術后創(chuàng)造出來的。

研發(fā)制造中心的近藤禎人中心長說道：“豐田章男會長曾提出過‘力爭3年成長為全球數(shù)字技術第一企業(yè)’的口號，所以各個一線的員工們都開始自發(fā)嘗試使用數(shù)字技術，為數(shù)字技術的發(fā)展奠定了良好的基礎。從這些活動中誕生的技術成果，將會逐步導入到今后的量產工廠中，大家敬請期待?！?/p>

一般活用數(shù)字技術的方式，多為把以數(shù)字技術研發(fā)的東西單方面運用到一線中，然后就結束了，是一種“單向通行”的模式。然而豐田卻能利用數(shù)字技術來改善一線，通過數(shù)字化的改善，再將其反哺一線工作，是一種“交互式數(shù)字孿生技術”模式，致力打造一個能夠不斷進化、創(chuàng)新的工廠。

利用車輛搬運機器人挑戰(zhàn)“2024年問題”

此次的豐田制造說明會中還介紹了一項針對解決日本運輸業(yè)所面對的“2024年問題*”的相關技術研發(fā)。

*日本將于2024年4月1日起實施新的工作時間規(guī)定。強制卡車司機每年加班時間上限為960小時。由此預測將產生司機工資降低、離職率上升、運力不足、物流成本上升等影響，被運輸業(yè)稱為“2024問題”。

汽車制造商的物流包括零部件運輸和整車運輸。零件運輸是利用卡車或鐵路，從日本國內的制造廠商處運輸至工廠交付。

而整車運輸則是利用運輸貨車，將汽車運送到日本全國各地的豐田經銷店及港口。

以元町工廠為例，廠內擁有約40,000平方米、可存放1,600輛整車的場地，每天運送次數(shù)達160次，約800輛左右。

運輸貨車司機需要在停放著車輛的巨大工廠場地內步行至取車處，再來到停在裝貨場的運輸貨車旁進行裝載工作，而且這項工作要重復多次。據(jù)說無論是烈日炎炎的大晴天，還是下雨天，司機們每天僅場地內來回移動的距離就有8公里左右。

為了減輕搬運負擔，本月豐田工廠中引進了名為Vehicle Logistics Robot (VLR)的車輛運輸機器人。

應用貞寶工廠所積累技術制造而成的車輛運輸機器人（VLR），可利用高精度的GPS自主行駛，且能識別自己的位置，生成前往目的地的路徑。

VLR所搭載的GPS誤差只有幾厘米。它還能將載物貨臺嵌入汽車底盤下方，抓住輪胎將車抬起。也可根據(jù)汽車輪距尺寸、車高的不同，自動伸縮調整載物貨臺的寬窄與高低。

利用VLR搬運來的汽車，能夠將整車移動到裝貨場附近設置的集貨場排列整齊。如此便可以縮短司機在裝貨場與集貨場之間的移動距離，不但可減輕作業(yè)負擔，還有助于提高裝卸效率。

現(xiàn)在豐田正在穩(wěn)步推進著減輕司機的負荷，營造安全、安心工作環(huán)境方面的改善。

同時，還在努力推進整車自動化移動生產相關的技術研發(fā)，讓整車自行在工廠與場地之間完成移動。

提高進化速度，貼合時代變化

這次豐田制造說明會的主題是“通過以人為中心的制造，改變工廠面貌，改變汽車的未來”。

干勁十足的新鄉(xiāng)CPO對豐田的優(yōu)勢做出了總結。

“將技能、技術與數(shù)字技術、革新科技相融合，促使造物方式得到進化。另外，豐田還有著以TPS為基礎的‘縮短生產周期’的技能。所以我們有能力將挑戰(zhàn)快速地落實到工作中，提高進化速度，貼合時代變化，這正是豐田造物的優(yōu)勢?！?/p>

擁有超高技能的人可以訓練機器人的技巧。匠人的技能也可通過最新的技術得到傳承。就像當年豐田佐吉出于“想讓母親的工作輕松一點”的想法而發(fā)明了自動織機一般，現(xiàn)在的豐田人出于“為他人的工作輕松一點”的想法，使TPS得到了更進一步的發(fā)展。

如今的豐田，工作的人們在不斷追求更加具有活力、更能發(fā)揮自我價值的工廠景色，為乘客們送上更能令人驚喜興奮的移動出行。