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

目錄

? 支撐汽車未來的次世代電池產(chǎn)品線
? 自行移動(dòng)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(shí)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(yùn)機(jī)器人挑戰(zhàn)“2024年問題”
? 提高進(jìn)化速度，貼合時(shí)代變化

蒸汽徐徐上升的鑄造設(shè)備中，一個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)：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(gè)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(dòng)名為“豐田制造說明會(huì)”。展示了在6月的“技術(shù)說明會(huì)”上公布的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)如何在制造現(xiàn)場(chǎng)被應(yīng)用的。

貞寶工廠定位是一個(gè)從“無”到“有”的初創(chuàng)據(jù)點(diǎn)。肩負(fù)著支撐制造設(shè)備和工法開發(fā)、引領(lǐng)面向新時(shí)代移動(dòng)出行的 ”豐田制造”的重?fù)?dān)。

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(zhēng)的汽車運(yùn)動(dòng)中所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)。HEV（混合動(dòng)力車）、BEV（純電動(dòng)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(fù)責(zé)生產(chǎn)的豐田高層，新鄉(xiāng)和晃CPO（Chief Production Officer）在會(huì)上表明了決心：“豐田擁有的技術(shù)與數(shù)字革新技術(shù)，實(shí)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(huì)快速地為新的移動(dòng)出行供給，同時(shí)解決工廠碳中和物流等造物基礎(chǔ)的課題。”

本期時(shí)報(bào)將直擊豐田制造說明會(huì)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(shí)現(xiàn)制造的進(jìn)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(huì)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(jìn)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

貞寶工廠此前一直負(fù)責(zé)制造電動(dòng)機(jī)、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(dān)負(fù)著從設(shè)備設(shè)計(jì)，到組裝、導(dǎo)入量產(chǎn)工廠的工作。

充電時(shí)間縮短，續(xù)航里程大幅增加的全固態(tài)電池，目前正在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和量產(chǎn)工藝的研究，以實(shí)現(xiàn)2027年至28年的實(shí)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(gè)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(huì)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(shí)，貞寶工廠研發(fā)的設(shè)備，能控制搬運(yùn)和接收的叉車托盤處于相同的移動(dòng)速度，即兩者相對(duì)速度為0。

并且，叉車托盤和設(shè)備中的機(jī)關(guān)能夠在電池交接時(shí)，避免出現(xiàn)偏差。如此一來，便能實(shí)現(xiàn)高速且高精度的堆疊，這對(duì)于量產(chǎn)來說可以說是必不可少。

會(huì)上還公開了另一臺(tái)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(fù)極中的任一方，僅正極的集電體和僅負(fù)極的集電體組成兩張一套的結(jié)構(gòu)（下圖左）。與此相對(duì)，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(fù)極的簡(jiǎn)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(dá)到削減材料費(fèi)的效果。

雖然能量密度下降，但由于雙極結(jié)構(gòu)實(shí)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(dá)到電池容量不受影響的最終效果。

要實(shí)現(xiàn)該電池的順利應(yīng)用，仍有如下難點(diǎn)：①如何將材料均勻地涂在正負(fù)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(diǎn)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(jìn)研發(fā)工作。

自行移動(dòng)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(dòng)生產(chǎn)旨在實(shí)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(zhǔn)備時(shí)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(shí)世界，并用于模擬測(cè)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(gè)主要部分，作業(yè)時(shí)只需要將各部分的零件組裝在一起。

由于無需人員進(jìn)入車內(nèi)組裝零件，因此可以提高作業(yè)效率。

在3個(gè)模塊中的每個(gè)模塊里組裝零件并完成模塊接合后，車輛將自動(dòng)在工序間行駛。在這種新型車輛結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榭梢栽跊]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(jiǎn)單構(gòu)造的機(jī)器人和動(dòng)作，設(shè)備也更簡(jiǎn)單。

車輛自行移動(dòng)組裝生產(chǎn)線采用了豐田公司在自動(dòng)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(shí)別車輛，并控制它們以每小時(shí)0.36km的速度按照設(shè)定好的路線行駛。

無需運(yùn)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(zhǔn)備時(shí)間大幅縮短。

使用無人搬運(yùn)機(jī)器人的簡(jiǎn)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(yàn)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(zhǔn)備。

負(fù)責(zé)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(zhǔn)備時(shí)間，降低成本，從而提高競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，盡量淘汰笨重的搬運(yùn)裝置，為了更加靈活地應(yīng)對(duì)變化，而力求實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)化的操作和自動(dòng)化。

一體化鑄造技術(shù)中仍可見匠人技能和TPS

今年，負(fù)責(zé)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(gè)零件被簡(jiǎn)化為1個(gè)。

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(jì)劃在工廠使用一體化鑄造技術(shù)以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并通過減少兩種類型的浪費(fèi)來提高生產(chǎn)性。下文將為您詳細(xì)介紹。

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

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”。“通用模具”一直安裝在設(shè)備中，而“專用模具”則根據(jù)不同的車型設(shè)計(jì)成不同的形狀。更換模具時(shí)，只有緊湊的專用模具會(huì)自動(dòng)從通用模具中分離出來。

這樣做的目的是通過Just In Time（準(zhǔn)時(shí)化）的更換鑄型，將所需的準(zhǔn)備時(shí)間縮短至20分鐘以下，一切都是按時(shí)、按需、按量進(jìn)行的。

這種模具分離和自動(dòng)分離技術(shù)是多年來豐田內(nèi)部模具設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)過程中改良下來的結(jié)晶。當(dāng)模具因鑄造熱量而膨脹或收縮時(shí)，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(fèi)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(dú)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(dòng)機(jī)組和其他產(chǎn)品過程中積累的知識(shí)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(jì)算方法。

當(dāng)下很多廠商都在使用市場(chǎng)銷售的設(shè)備，但因?yàn)槭枪咀约貉邪l(fā)的軟件，所以可以靈活追加條件設(shè)定或是改變計(jì)算方法。 通過預(yù)先建立質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，降低次品率。

豐田通過活用鑄造技能和減少浪費(fèi)，運(yùn)用TPS（豐田生產(chǎn)方式）將制造周期縮短到極致。以這樣的實(shí)踐將新型豐田制造進(jìn)一步改善和進(jìn)化。

通過智慧和巧思實(shí)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(dú)一無二的混流式生產(chǎn)工廠。包括正在準(zhǔn)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(dòng)力系統(tǒng)和3種類型的車身。

基于TPS，豐田不會(huì)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(chǎng)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(gè)一個(gè)地（或一個(gè)固定批）通過整個(gè)生產(chǎn)流程時(shí)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(dāng)然，不同的汽車需要不同的作業(yè)時(shí)間和工序。不過，根據(jù)客戶的需求，為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)間的均衡化，豐田采用了最合適的工序，并消除總作業(yè)時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)了在不降低效率的情況下進(jìn)行生產(chǎn)的可能性。

在一線，一個(gè)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(dòng)力單元組裝到車輛上。

諸如HEV發(fā)動(dòng)機(jī)、e-Axle和燃料電池堆等不同形狀和重量的動(dòng)力單元都會(huì)流入生產(chǎn)線。

承裝這些裝置的推車有一個(gè)共同的底架，只需更換簡(jiǎn)單的附件，即可應(yīng)對(duì)任何動(dòng)力單元。這確實(shí)是一個(gè)應(yīng)對(duì)“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(jì)、零件加工、設(shè)備組裝等階段后，一線員工才能接觸到實(shí)物。

然而，這種做法卻有其弊端。在設(shè)計(jì)階段即使完成了設(shè)計(jì)圖，但想要加工零件時(shí)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(yùn)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(dǎo)致的浪費(fèi)”占據(jù)了制作周期中的大量時(shí)間。

但是，現(xiàn)在豐田開始使用3D模型來設(shè)計(jì)圖紙，讓負(fù)責(zé)后序工作的一線員工們也能在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，邊看邊給出建議，在設(shè)計(jì)過程中隨時(shí)修改設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)備制造的全過程。實(shí)現(xiàn)工作前置與同步化，以零返工為目標(biāo)，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(shí)際尺寸的設(shè)備數(shù)字模型，在這里可以通過實(shí)際操作檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)向，有助于制作完成更加精密的設(shè)計(jì)圖。

另外，僅靠顯示器無法看到的機(jī)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(fèi)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(gè)豐田集團(tuán)，以及合作廠商中普及，最大化提升了集團(tuán)整體的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)了切割工序的自動(dòng)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(xùn)練機(jī)，讓以往那些偏意會(huì)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(xué)習(xí)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(zhǎng)說道：“豐田章男會(huì)長(zhǎng)曾提出過‘力爭(zhēng)3年成長(zhǎng)為全球數(shù)字技術(shù)第一企業(yè)’的口號(hào)，所以各個(gè)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(dòng)中誕生的技術(shù)成果，將會(huì)逐步導(dǎo)入到今后的量產(chǎn)工廠中，大家敬請(qǐng)期待?！?/p>

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(yùn)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(gè)能夠不斷進(jìn)化、創(chuàng)新的工廠。

利用車輛搬運(yùn)機(jī)器人挑戰(zhàn)“2024年問題”

此次的豐田制造說明會(huì)中還介紹了一項(xiàng)針對(duì)解決日本運(yùn)輸業(yè)所面對(duì)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(shí)施新的工作時(shí)間規(guī)定。強(qiáng)制卡車司機(jī)每年加班時(shí)間上限為960小時(shí)。由此預(yù)測(cè)將產(chǎn)生司機(jī)工資降低、離職率上升、運(yùn)力不足、物流成本上升等影響，被運(yùn)輸業(yè)稱為“2024問題”。

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

而整車運(yùn)輸則是利用運(yùn)輸貨車，將汽車運(yùn)送到日本全國(guó)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(chǎng)地，每天運(yùn)送次數(shù)達(dá)160次，約800輛左右。

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

為了減輕搬運(yùn)負(fù)擔(dān)，本月豐田工廠中引進(jìn)了名為Vehicle Logistics Robot (VLR)的車輛運(yùn)輸機(jī)器人。

應(yīng)用貞寶工廠所積累技術(shù)制造而成的車輛運(yùn)輸機(jī)器人（VLR），可利用高精度的GPS自主行駛，且能識(shí)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(tái)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(dòng)伸縮調(diào)整載物貨臺(tái)的寬窄與高低。

利用VLR搬運(yùn)來的汽車，能夠?qū)⒄囈苿?dòng)到裝貨場(chǎng)附近設(shè)置的集貨場(chǎng)排列整齊。如此便可以縮短司機(jī)在裝貨場(chǎng)與集貨場(chǎng)之間的移動(dòng)距離，不但可減輕作業(yè)負(fù)擔(dān)，還有助于提高裝卸效率。

現(xiàn)在豐田正在穩(wěn)步推進(jìn)著減輕司機(jī)的負(fù)荷，營(yíng)造安全、安心工作環(huán)境方面的改善。

同時(shí)，還在努力推進(jìn)整車自動(dòng)化移動(dòng)生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，讓整車自行在工廠與場(chǎng)地之間完成移動(dòng)。

提高進(jìn)化速度，貼合時(shí)代變化

這次豐田制造說明會(huì)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(duì)豐田的優(yōu)勢(shì)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(jìn)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(shí)到工作中，提高進(jìn)化速度，貼合時(shí)代變化，這正是豐田造物的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

擁有超高技能的人可以訓(xùn)練機(jī)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(dāng)年豐田佐吉出于“想讓母親的工作輕松一點(diǎn)”的想法而發(fā)明了自動(dòng)織機(jī)一般，現(xiàn)在的豐田人出于“為他人的工作輕松一點(diǎn)”的想法，使TPS得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。

如今的豐田，工作的人們?cè)诓粩嘧非蟾泳哂谢盍?、更能發(fā)揮自我價(jià)值的工廠景色，為乘客們送上更能令人驚喜興奮的移動(dòng)出行。