匠人技能和數(shù)字技術(shù)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(chǎn)品線
? 自行移動組裝生產(chǎn)線改變了工廠面貌
? 一體化鑄造技術(shù)中仍可見匠人技能和TPS
? 通過智慧和巧思實現(xiàn)混流生產(chǎn)線
? 使用數(shù)字孿生技術(shù)制造設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)，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(shù)說明會”上公布的各項先進技術(shù)如何在制造現(xiàn)場被應(yīng)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(shè)備和工法開發(fā)、引領(lǐng)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(shù)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(chǎn)的。

元町工廠是多路徑解決方案的量產(chǎn)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(chǎn)線上完成生產(chǎn)。

負責生產(chǎn)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(shù)與數(shù)字革新技術(shù)，實現(xiàn)工程縮短1/2。我們消除了研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)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(chǔ)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(shù)”，通過與數(shù)字技術(shù)融合，實現(xiàn)制造的進化。

支撐汽車未來的次世代電池產(chǎn)品線

在6月的技術(shù)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(shù)。貞寶工廠正在面向量產(chǎn)，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(chǎn)新產(chǎn)品的各種設(shè)備。此外該工廠還擔負著從設(shè)備設(shè)計，到組裝、導入量產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)和量產(chǎn)工藝的研究，以實現(xiàn)2027年至28年的實際應(yīng)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(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。

這其中，在堆疊電池時，貞寶工廠研發(fā)的設(shè)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(shè)備中的機關(guān)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(chǎn)來說可以說是必不可少。

會上還公開了另一臺生產(chǎn)設(shè)備，用于生產(chǎn)超大型雙極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（下圖左）。與此相對，雙極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，活用雙極結(jié)構(gòu)鎳氫電池的技術(shù)和know-how，以及開發(fā)FCEV中培育的精密涂裝技術(shù)，再加上數(shù)字技術(shù)，推進研發(fā)工作。

自行移動組裝生產(chǎn)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(jié)構(gòu)和自行移動生產(chǎn)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(shù)*賦能，生產(chǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)中，因為可以在沒組裝車頂和車身側(cè)板的情況下組裝座椅等，所以只需要簡單構(gòu)造的機器人和動作，設(shè)備也更簡單。

車輛自行移動組裝生產(chǎn)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(shù)和車輛控制技術(shù)。

工廠內(nèi)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(shè)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(shè)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(chǎn)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(shè)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(shè)施和量產(chǎn)車的研發(fā)到生產(chǎn)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(yīng)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(shù)中仍可見匠人技能和TPS

今年，負責生產(chǎn)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(guān)注的一體化鑄造技術(shù)*就是在這里研發(fā)的。

*用于車身零件整體成型的技術(shù)，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(nèi)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(shù)以實現(xiàn)量產(chǎn)，并通過減少兩種類型的浪費來提高生產(chǎn)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(shù)，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(shù)將模具分為“通用模具”和“專用模具”?！巴ㄓ媚＞摺币恢卑惭b在設(shè)備中，而“專用模具”則根據(jù)不同的車型設(shè)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(shù)是多年來豐田內(nèi)部模具設(shè)計、制造和維護過程中改良下來的結(jié)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(jié)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(shù)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(chǎn)發(fā)動機組和其他產(chǎn)品過程中積累的知識的結(jié)晶），將匠人技能數(shù)值化后編入程序，生成可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)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(shè)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(shè)定或是改變計算方法。 通過預先建立質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)工廠。包括正在準備的車型在內(nèi)，在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)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(chǎn)相同的車型，而是根據(jù)訂單的先后順序，以“單件流*”的生產(chǎn)方式生產(chǎn)汽車。

*單件流：指的通過現(xiàn)場的人員、設(shè)備、物料等的組織，使產(chǎn)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(chǎn)流程時的一種情形。

因此，在一條生產(chǎn)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(wù)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)對任何動力單元。這確實是一個應(yīng)對“單件流”的舉措，它是一線人員和制造技術(shù)方面的工程師通過智慧，共同創(chuàng)造的結(jié)果。

除此之外，還有其他各種來自一線的智慧，使混流生產(chǎn)成為可能。

使用數(shù)字孿生技術(shù)制造設(shè)備與育人

下面為大家介紹活用數(shù)字技術(shù)制造工廠設(shè)備的事例。

通常制造設(shè)備的流程是，經(jīng)過設(shè)計、零件加工、設(shè)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(shè)計階段即使完成了設(shè)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(diào)整一下設(shè)備卻無法正常運行、使用設(shè)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(shè)計圖紙，讓負責后序工作的一線員工們也能在圖紙設(shè)計階段，邊看邊給出建議，在設(shè)計過程中隨時修改設(shè)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(shè)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(shè)備數(shù)字模型，在這里可以通過實際操作檢驗設(shè)備運轉(zhuǎn)動向，有助于制作完成更加精密的設(shè)計圖。

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

經(jīng)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(shè)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(shù)的造物方式已經(jīng)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(shù)不僅用于新設(shè)備的研發(fā)。

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

另外，數(shù)字技術(shù)在一線還被用于人才培養(yǎng)工作，利用AR技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，為數(shù)字技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。從這些活動中誕生的技術(shù)成果，將會逐步導入到今后的量產(chǎn)工廠中，大家敬請期待。“

一般活用數(shù)字技術(shù)的方式，多為把以數(shù)字技術(shù)研發(fā)的東西單方面運用到一線中，然后就結(jié)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(shù)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(shù)”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(guān)技術(shù)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(chǎn)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(nèi)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(jīng)銷店及港口。

以元町工廠為例，廠內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)用貞寶工廠所積累技術(shù)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(diào)整載物貨臺的寬窄與高低。

利用VLR搬運來的汽車，能夠?qū)⒄囈苿拥窖b貨場附近設(shè)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(chǎn)相關(guān)的技術(shù)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(jié)。

“將技能、技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、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(chǔ)的‘縮短生產(chǎn)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。”

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(shù)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。