 匠人技能和数字技术实现工程缩短1/2 丰田公开制造的现场目录 · 支撑汽车未来的次世代电池产品线 蒸汽徐徐上升的铸造设备中，一个巨大的零部件出现在人们眼前。这是一块毫厘不差地堆叠在一起的电池。这便是用AR（增强现实：Augmented Reality）技术再现的匠人技艺——。 9月，丰田汽车面向媒体公开了3个工厂开展的各种制造技术，分别是位于爱知县丰田市的贞宝、元町工厂，以及位于爱知县三好市的明知工厂。 本次活动名为“丰田制造说明会”。展示了在6月的“技术说明会”上公布的各项先进技术如何在制造现场被应用的。 贞宝工厂定位是一个从“无”到“有”的初创据点。肩负着支撑制造设备和工法开发、引领面向新时代移动出行的 ”丰田制造”的重担。 明知工厂是匠人技能和革新技术相融合的铸造工厂。千分之一秒都必争的汽车运动中所使用的发动机部件就是由该工厂生产的。 元町工厂是多路径解决方案的量产平台。HEV（混合动力车）、BEV（纯电动车）、FCEV（燃料电池车）等9种车型在一条生产线上完成生产。
负责生产的丰田高层，新乡和晃CPO（Chief Production Officer）在会上表明了决心：“丰田拥有的技术与数字革新技术，实现工程缩短1/2。我们消除了研发和生产领域的壁垒，会快速地为新的移动出行供给，同时解决工厂碳中和物流等造物基础的课题。” 本期时报将直击丰田制造说明会一线！看3大工厂如何“继承”丰田的“技术”，通过与数字技术融合，实现制造的进化。 支撑汽车未来的次世代电池产品线在6月的技术说明会上最引人注目的，自然是以全固态电池为首的丰田电池技术。贞宝工厂正在面向量产，推进各项准备工作。 贞宝工厂此前一直负责制造电动机、电池、燃料电池等用于生产新产品的各种设备。此外该工厂还担负着从设备设计，到组装、导入量产工厂的工作。 充电时间缩短，续航里程大幅增加的全固态电池，目前正在进行产品开发和量产工艺的研究，以实现2027年至28年的实际应用。
目前的电池制造可粗略划分为材料加工→电池加工→电池组装三个工序。 全固态电池的制造顺序也相同，但在电池组装工序中，高速、高精度且不会损坏电池材料的堆叠工艺，是保证性能和量产化的关键技术。 这其中，在堆叠电池时，贞宝工厂研发的设备，能控制搬运和接收的叉车托盘处于相同的移动速度，即两者相对速度为0。 并且，叉车托盘和设备中的机关能够在电池交接时，避免出现偏差。如此一来，便能实现高速且高精度的堆叠，这对于量产来说可以说是必不可少。 会上还公开了另一台生产设备，用于生产超大型双极结构的次世代电池普及版。 普通的电池是在一张集电体上涂上正极或负极中的任一方，仅正极的集电体和仅负极的集电体组成两张一套的结构（下图左）。与此相对，双极结构的电池采用了在一张集电体的正反面分别涂上正极和负极的简单结构，以此将零部件数控制在三分之一（下图右）。
另外，正极不使用镍、钴等稀有金属，而采用低成本的LFP（磷酸铁锂）材料，达到削减材料费的效果。 虽然能量密度下降，但由于双极结构实现了零部件的减少，从而获得了额外的容积，便可在集电体上的加厚喷涂LFP，以达到电池容量不受影响的最终效果。 要实现该电池的顺利应用，仍有如下难点：①如何将材料均匀地涂在正负极上；②如何做到高速加工；③如何一次性密封所有锂电池单体。此外，这些难点的解决方案还必须适用于汽车专用的超大型电池。 为了解决以上等课题，丰田将以HEV26年里所积累的电池生产技术为基础，活用双极结构镍氢电池的技术和know-how，以及开发FCEV中培育的精密涂装技术，再加上数字技术，推进研发工作。 自行移动组装生产线改变了工厂面貌BEV Factory的加藤武郎总裁于今年6月推出了“BEV half”的概念。 他宣称：“新的模块结构和自行移动生产旨在实现缩短工程和工厂投资的1/2。通过数字孪生技术*赋能，生产准备时间将减少至二分之一。” *就像孪生子一样，数字孪生技术是一种以数字方式再现现实世界，并用于模拟测试和其他目的的一种方法。 此次在元町工厂介绍的新模块结构将车身底部（包括从车辆前方的车架到驾仓及后备箱底板在内的车身下部）分为前、中、后三个主要部分，作业时只需要将各部分的零件组装在一起。 由于无需人员进入车内组装零件，因此可以提高作业效率。
在3个模块中的每个模块里组装零件并完成模块接合后，车辆将自动在工序间行驶。在这种新型车辆结构中，因为可以在没组装车顶和车身侧板的情况下组装座椅等，所以只需要简单构造的机器人和动作，设备也更简单。 车辆自行移动组装生产线采用了丰田公司在自动驾驶研发过程中开发的传感技术和车辆控制技术。 工厂内的摄像头可以识别车辆，并控制它们以每小时0.36km的速度按照设定好的路线行驶。 无需运输车辆后，工厂布局的灵活性也得到了提高。据说设备投资将减少数十亿日元，每年更换新车型将所需的准备时间大幅缩短。 使用无人搬运机器人的简单生产线概念已在丰田Noah和丰田Voxy的部分焊接过程中得到验证，目前工作人员正在征求反馈意见，以便为下一代BEV的设备研发做好准备。
负责研发该系统的员工说，其目的是“更方便工人操作，缩短准备时间，降低成本，从而提高竞争力”。 丰田掌握着工厂设施和量产车的研发到生产的每一道工序。利用自身优势，尽量淘汰笨重的搬运装置，为了更加灵活地应对变化，而力求实现更加简化的操作和自动化。 一体化铸造技术中仍可见匠人技能和TPS今年，负责生产铸造零件的明知工厂成立50周年，而自6月份发布以来一直备受关注的一体化铸造技术*就是在这里研发的。 *用于车身零件整体成型的技术，以前必须使用数十种零件和工序来制造，而在bZ4X的车尾部分，86个零件被简化为1个。
该工艺首先将熔化的铝合金以高速、高压的状态注入模具。在十几秒内从700°C冷却至250℃并完成凝固，然后打开模具，取出整体成型的铸造零件。 丰田计划在工厂使用一体化铸造技术以实现量产，并通过减少两种类型的浪费来提高生产性。下文将为您详细介绍。 第一种是更换模具所需的“停机时间”。更换模具一般需要使用大型起重机，通常每次更换需要24小时。如果使用普通一体化铸造技术，模具重量会超过100吨，甚至还会发生浪费。 相比之下，丰田的一体化铸造技术将模具分为“通用模具”和“专用模具”。“通用模具”一直安装在设备中，而“专用模具”则根据不同的车型设计成不同的形状。更换模具时，只有紧凑的专用模具会自动从通用模具中分离出来。 这样做的目的是通过Just In Time（准时化）的更换铸型，将所需的准备时间缩短至20分钟以下，一切都是按时、按需、按量进行的。 这种模具分离和自动分离技术是多年来丰田内部模具设计、制造和维护过程中改良下来的结晶。当模具因铸造热量而膨胀或收缩时，通用模具和专用模具就不能很好地结合在一起，专用模具可能无法脱模。这其中的间隙尺寸要靠模具匠人的技能来把控。 第二种浪费是“次品和返工”。丰田利用一体化铸造的分解技术和自己独立研发的模拟软件（这些软件是丰田在大量生产发动机组和其他产品过程中积累的知识的结晶），将匠人技能数值化后编入程序，生成可生产优质产品的条件和计算方法。 当下很多厂商都在使用市场销售的设备，但因为是公司自己研发的软件，所以可以灵活追加条件设定或是改变计算方法。 通过预先建立质量标准，降低次品率。 丰田通过活用铸造技能和减少浪费，运用TPS（丰田生产方式）将制造周期缩短到极致。以这样的实践将新型丰田制造进一步改善和进化。 通过智慧和巧思实现混流生产线元町工厂于64年前开始启用，它是世界上独一无二的混流式生产工厂。包括正在准备的车型在内，在一条生产线上生产9种车型、4种动力系统和3种类型的车身。
基于TPS，丰田不会批量生产相同的车型，而是根据订单的先后顺序，以“单件流*”的生产方式生产汽车。 *单件流：指的通过现场的人员、设备、物料等的组织，使产品按照客户需要的速率一个一个地（或一个固定批）通过整个生产流程时的一种情形。 因此，在一条生产线上，不同形状和尺寸的汽车一辆接一辆出现：先是轿车，然后是SUV，甚至还有商务车。 当然，不同的汽车需要不同的作业时间和工序。不过，根据客户的需求，为了实现作业时间的均衡化，丰田采用了最合适的工序，并消除总作业时间差，实现了在不降低效率的情况下进行生产的可能性。 在一线，一个名为“UM（通用模块）托盘”的装货推车被活用在同一工序中，将不同动力单元组装到车辆上。 诸如HEV发动机、e-Axle和燃料电池堆等不同形状和重量的动力单元都会流入生产线。 承装这些装置的推车有一个共同的底架，只需更换简单的附件，即可应对任何动力单元。这确实是一个应对“单件流”的举措，它是一线人员和制造技术方面的工程师通过智慧，共同创造的结果。 除此之外，还有其他各种来自一线的智慧，使混流生产成为可能。
使用数字孪生技术制造设备与育人下面为大家介绍活用数字技术制造工厂设备的事例。 通常制造设备的流程是，经过设计、零件加工、设备组装等阶段后，一线员工才能接触到实物。 然而，这种做法却有其弊端。在设计阶段即使完成了设计图，但想要加工零件时却发现形状不合适而无法加工、想要调整一下设备却无法正常运行、使用设备的人表示“操作不顺手”等诸多问题。像这样因“不良品、需要修改而导致的浪费”占据了制作周期中的大量时间。 但是，现在丰田开始使用3D模型来设计图纸，让负责后序工作的一线员工们也能在图纸设计阶段，边看边给出建议，在设计过程中随时修改设计图。 也就是说通过改革工作方式，让工作人员们可以看到整个设备制造的全过程。实现工作前置与同步化，以零返工为目标，致力于缩短制造周期。 在贞宝工厂中还有这样的事例。一块手工制作的150英寸的显示器上，投影着实际尺寸的设备数字模型，在这里可以通过实际操作检验设备运转动向，有助于制作完成更加精密的设计图。
另外，仅靠显示器无法看到的机器内部构造、在工厂中设备的摆放方式等信息，也可以使用数字技术来展示。
经过改善，工作的返工率缩减至过去的10分之1，制作周期缩短了2分之1，另外，设备费用降低到了过去的4分之3。 现在，像这样活用数字技术的造物方式已经在整个丰田集团，以及合作厂商中普及，最大化提升了集团整体的竞争力。 此外，这种技术不仅用于新设备的研发。 目前，数字技术也被转用在金属零件生产中的加工设备上，实现了切割工序的自动化。 另外，数字技术在一线还被用于人才培养工作，利用AR技术制造出能辅助员工们提高技巧的技能训练机，让以往那些偏意会的匠人技能更容易掌握。 这些都是工作在一线，从事制造的员工们，通过自主学习数字技术后主创造出来的。 研发制造中心的近藤祯人中心长说道：“丰田章男会长曾提出过'力争3年成长为全球数字技术第一企业’的口号，所以各个一线的员工们都开始自发尝试使用数字技术，为数字技术的发展奠定了良好的基础。从这些活动中诞生的技术成果，将会逐步导入到今后的量产工厂中，大家敬请期待。“ 一般活用数字技术的方式，多为把以数字技术研发的东西单方面运用到一线中，然后就结束了，是一种“单向通行”的模式。然而丰田却能利用数字技术来改善一线，通过数字化的改善，再将其反哺一线工作，是一种“交互式数字孪生技术”模式，致力打造一个能够不断进化、创新的工厂。 利用车辆搬运机器人挑战“2024年问题”此次的丰田制造说明会中还介绍了一项针对解决日本运输业所面对的“2024年问题*”的相关技术研发。 *日本将于2024年4月1日起实施新的工作时间规定。强制卡车司机每年加班时间上限为960小时。由此预测将产生司机工资降低、离职率上升、运力不足、物流成本上升等影响，被运输业称为“2024问题”。 汽车制造商的物流包括零部件运输和整车运输。零件运输是利用卡车或铁路，从日本国内的制造厂商处运输至工厂交付。 而整车运输则是利用运输货车，将汽车运送到日本全国各地的丰田经销店及港口。 以元町工厂为例，厂内拥有约40,000平方米、可存放1,600辆整车的场地，每天运送次数达160次，约800辆左右。 运输货车司机需要在停放着车辆的巨大工厂场地内步行至取车处，再来到停在装货场的运输货车旁进行装载工作，而且这项工作要重复多次。据说无论是烈日炎炎的大晴天，还是下雨天，司机们每天仅场地内来回移动的距离就有8公里左右。 为了减轻搬运负担，本月丰田工厂中引进了名为Vehicle Logistics Robot (VLR)的车辆运输机器人。 应用贞宝工厂所积累技术制造而成的车辆运输机器人（VLR），可利用高精度的GPS自主行驶，且能识别自己的位置，生成前往目的地的路径。 VLR所搭载的GPS误差只有几厘米。它还能将载物货台嵌入汽车底盘下方，抓住轮胎将车抬起。也可根据汽车轮距尺寸、车高的不同，自动伸缩调整载物货台的宽窄与高低。 利用VLR搬运来的汽车，能够将整车移动到装货场附近设置的集货场排列整齐。如此便可以缩短司机在装货场与集货场之间的移动距离，不但可减轻作业负担，还有助于提高装卸效率。 现在丰田正在稳步推进着减轻司机的负荷，营造安全、安心工作环境方面的改善。 同时，还在努力推进整车自动化移动生产相关的技术研发，让整车自行在工厂与场地之间完成移动。 提高进化速度，贴合时代变化这次丰田制造说明会的主题是“通过以人为中心的制造，改变工厂面貌，改变汽车的未来”。 干劲十足的新乡CPO对丰田的优势做出了总结。 “将技能、技术与数字技术、革新科技相融合，促使造物方式得到进化。另外，丰田还有着以TPS为基础的'缩短生产周期’的技能。所以我们有能力将挑战快速地落实到工作中，提高进化速度，贴合时代变化，这正是丰田造物的优势。” 拥有超高技能的人可以训练机器人的技巧。匠人的技能也可通过最新的技术得到传承。就像当年丰田佐吉出于“想让母亲的工作轻松一点”的想法而发明了自动织机一般，现在的丰田人出于“为他人的工作轻松一点”的想法，使TPS得到了更进一步的发展。 如今的丰田，工作的人们在不断追求更加具有活力、更能发挥自我价值的工厂景色，为乘客们送上更能令人惊喜兴奋的移动出行。 |
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来自： 新用户0710fz9q > 《汽车研发&制造》
图为安装了全固态电池试制生产线的塑料大棚，内部进行严格的温度和湿度管理。
上图为双极电极和以往的单极电极结构对比图。红色箭头表示电流，与以往的单极电极结构相比，垂直流动的双极电极避免了电流的损失。
新模块结构分为前、中、后三部分。由于零件可以在模块之间组装，因此可以提高作业效率。
与雷克萨斯RZ、bZ4X等BEV在同一条生产线上的FCEV——MIRAI 。
贞宝工厂中的150英寸显示器中显示的3D模型。连设备操作盘与手柄的位置，都按照实际尺寸展现了出来。
工作人员们使用数字技术进行模拟作业测试。佩戴了头戴式显示器的员工，其所视景象可以在图片中后方的显示器中呈现。
