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日本研学掠影:匠心独具的绿色智造之旅

2024/10/12    来源:e-works    作者:张潇文      
关键字:智能制造  绿色制造  可持续发展  
本次日本认知实习,我眼界大开,见识增长,深刻体会到日本在智能制造、教育科研、企业文化及社会福祉等方面的先进理念与实践,引发了我对未来发展方向的深刻思考。
第一天

       我们从东京最具盛名的浅草寺出发前往东京工业大学参观。在东京工业大学的下沉广场,我们有幸听到了来自中国留日学生对于日本研究生申请、就业情况的介绍:日本硕士研究生的概念有别于中国,他们将每一个学生都视作真正的研究人员,申请某导师的研究室,则是为具有明确研究方向的学生提供一个具有优质师资与研究资源的科研平台。
 
图1 东京工业大学校园风景
图1 东京工业大学校园风景
 
       下午我们前往了位于东京的科技馆进行参观,随着时代的发展,科学技术所聚焦的重点内容有所改变,整个展厅的内容围绕着计算机的发展、人工智能的应用、人类社会的演变、老龄化问题的严峻性等诸多聚焦时代热点的话题展开。
 
图2 科技馆内老龄体验展区
图2 科技馆内老龄体验展区
 
       其中,具有人机互动功能的情感机器人展区让我意识到,机器人的作用正在经历一场深刻的转变,从最初替代廉价劳动力、提升生产效率的实用功能,逐步拓展到提供情绪支持、助力灾区人民心理健康重建的人文关怀层面。
 
图3 科技馆内互动机器小狗
图3 科技馆内互动机器小狗
 
       日本科技馆注重可视化的数据展现,例如利用多年收集的卫星数据呈现过去多年的地球变化,并预测将来几十年的变化可能;利用机械装置配以不同颜色的小球来代表数据点或灾害,进而直观地呈现了互联网中数据的传输过程以及多种灾难对于人类的影响。
 
图4 可视化呈现环境变化 可视化呈现“100亿人类所面临的挑战”
图4 可视化呈现环境变化 可视化呈现“100亿人类所面临的挑战”
 
       “计算机中的自然”是一个将计算机与自然以美学形式结合起来的展厅。随着元器件的微型化发展,电容器或将如同一粒尘埃隐于苍茫宇宙之中,或许千百年后海岸线上拾起的五光十色的宝石是科技发展的产物!这般联想实在浪漫至极!
 
图5 科技馆内“计算机中的自然”展厅 呈现小如尘埃的电容器
图5 科技馆内“计算机中的自然”展厅 呈现小如尘埃的电容器
 
第二天

       我们参观的第二所大学是日本工业大学,由留学部部长带着我们参观了日本工业大学的校园设施与极具特色的“工房”。
 
图6 日本工业大学室内景色
图6 日本工业大学室内景色
 
       日本工业大学的工房制度与华科的工程实训课程颇为相似,学生会在校内工房亲手实践机械车床加工过程,利用无数控装备的手摇式工厂,从根本理念上学习零部件加工过程。看着面前诸多眼熟的设备,我意识到华科工训中心创建的先进性与实践性。参与工程实训,是将生产实际与课本知识联系结合起来的重要途径,工厂中的每个部件都被一一拆解为单独的元素理解,而课本上所陈述的加工装备的特性例如“顶尖”的设置原因、“加工精度”的要求等等都能与现实相对应。机械是一门基于生产实际的学科,这般实训课程是做好未来研究的根本基础。

       在探访钻研钻石切割技术教授的实验室期间,我看到了那些我曾于工训课上亲手操作、用以雕刻出顶着橘子的水豚图案的电火花切割设备,心中不由自豪于自己早早便接触到了如此先进的工艺设备。
 
图7 日本工业大学内的工坊台钻 手摇式无数控车床
图7 日本工业大学内的工房台钻 手摇式无数控车床
 
       日本工业大学校园内的一栋建筑侧面带有白色立板装置,从外部不同角度观赏会发现建筑呈现出一种从灰渐变为白色的视觉效果,问过校长后才得知,这样的装置可以进行角度调节,以保证室内通风并在一定程度上调整室温,这一创新设计,正是该校践行低碳节能的可持续发展理念的生动体现。
 
图8 日本工业大学节能减排建筑
图8 日本工业大学节能减排建筑
 
       日本工业大学内有一座博物馆,陈列着从古至今的机械加工装备,展示了从人力发电到蒸汽时代,再到电力发电的机械演变历程。博物馆内70%的设备都可以正常运转,看着本学期才结束的机械课程创新设计中眼熟的皮带在发动机的带动下飞速运转,感受着机械历史发展的魅力,我被其完好的保存程度深深地震撼着。
 
图9 日本工业大学博物馆
图9 日本工业大学博物馆

       更让我惊艳的是日本工业大学内陈列的可发动的、用于教学的火车头,来自英国的百岁高龄机械如今能在校园内运行有着漠视时空规则的魅力。当我看到为了高中教学所制作的微缩但“五脏俱全”的列车系统与校内小轨道时,我再一次被日本的教育理念打动了,钦佩那些永远在教育上付出最大努力的学者们。

第三天

       上午我们抵达了位于伊势崎的三电株式会社,该社致力于生产环境友好的车载空调。三电工厂为了满足客户多种需求,设置了自动化工厂,厂内大量应用机械臂进行工作,仅需少量人工参与即可完成多种产品的生产。由副线辅助主线构成的工厂结构也大大提升了生产效率。同时,三电工厂注重环保理念,废品会进行分类回收二次利用,就连废弃电池都可以被再利用至工厂路段照明使用。

       下午我们参观了日本大型汽车产业公司日产的横滨工厂。日产横滨工厂主要生产汽车的核心部分——发动机,我们进入日产横滨工厂的发动机制造车间进行了参观。
 
图10 日产横滨工厂GTR 前车盖内刻有匠人名字的发动机
图10 日产横滨工厂GTR 前车盖内刻有匠人名字的发动机
 
       在车间内,我们观摩了整个生产过程,包括零件的生产、部件的组装、检测与出货。提高效率的第一前提是降低错误率,虽然许多工序仍有人工参与,但均有程序上的监控设施保证每一个零件的准确使用与每一步工序的完整执行。

       制造车间内有许多大型六轴机械臂,观察其实际运动消除了我的几个认知误区:机械臂的每一个运动的执行都十分迅猛,而非缓慢移动;机械臂末端装有多个方向的执行部件,可实现多种功能。同时,工厂内利用巡电磁线的全自动小车来运输货物,这些皆印证了我在智能制造导论这门课程最后的大作业中,对于智能工厂的运输小车与机械臂系统设计的猜想。
 
图11 日本横滨工厂机械臂模型
图11 日本横滨工厂机械臂模型
 
       日产汽车公司仍在不断地研发新技术,以实现环保出行以及更舒适的驾驶体验。其研究的e-4ORCE双电机全轮控制技术有助于实现刹车与拐弯时的平稳乘车体验,每个可调整的汽车倾杆可实现四个轮子的平稳行驶;可变压缩比的新型压缩气缸,在原本简单的曲柄滑块机构基础上增加两杆实现压缩比的变化,从而实现上坡时的节能减排,践行了环保理念。
 
图12 日产横滨工厂可变压缩比气缸
图12 日产横滨工厂可变压缩比气缸
 
第四天

       日本之行的第四天我们来到了工业名城名古屋,参观访学三菱电机名古屋制作所,三菱电机历史悠久,其智能制造产线已经在“尽善尽美”这条路上走了很远。三菱制造所提出的e-f@ctory解决方案是对于FA-IT系统的综合解决方案,由FA(工厂自动化)与IT(信息系统)融合而成,利用边缘计算平台Edgecross可以实现FA和IT的无缝协作,对工厂内情况进行实时诊断和反馈,并模拟生产现场,收集生产现场的所有数据并进行分析反馈。利用3D仿真软件MELSOFT Gemini分析各组件间工作时间分配,对整体车间组件运动时机进行分析管理,以实现最高效率的生产车间,并进行3D空间内各执行构件是否会发生干涉现象的模拟分析。而利用AI分析工具MELSOFT MaiLab可以将“人的经验和感觉”转换为数字技术,使得操作者即便没有专业知识也可以上手操作进行数据分析与应用,例如拉面的制作师傅所积累下来的经验,可经过AI系统的数据收集与分析得到传给下一任拉面师傅的操作指南。这种技术大大缩短了工厂新人的培训时间,提高了生产效率。
 
图13 三菱公司智能产线理念
图13 三菱电机智能产线理念
 
       总结下来三家工厂都十分重视产线的智能化、绿色化,在现代大型工程企业中,这种追求是必然的趋势,也是世界的发展方向。

第五天

       上午我们来到了大福日新馆,参观其物流搬运设备的设计与运行。随着电商与快递业的兴起,高效快速地完成分拣作业成为提高物流效率的关键。为满足不同工厂物流系统的不同需求,大福的物流系统可分为物流仓库、分拣工作台、流水线搬运与分类排序。与华科工创中心所展示的自动仓库系统类似,大福的物流货架是呈现为二维甚至三维矩阵状的、有规律可循的仓库系统。其物品的入库出库依赖于在货架中行驶飞快的穿梭车或叉车,配合升降机、夹持装置等实现物品的稳定拿取。在观察其工作的过程中,我发现设计的巧妙性决定了一个系统的上限,技术越难越新颖并不等价于技术就是优秀的,如何将简单的原理与实际生活需求联系起来才是设计者智慧的体现,如实现货物的“堆栈”功能仅需设置一定斜度的货架即可,实现抓取仅需使用合适的钩子与箱体结构配合即可。

       当下物流分拣系统,需要实现将不同目的地的快递进行分离分类。如非自助洗衣店需要对客户衣服进行顺序排序,配货系统为提升工作人员效率需要对每个订单进行智能指示与箱体配合。在参观过程中我观察到,这些系统基本需要具备红外感应装置,并配备机械装置实现推动、放货。此外,这些系统还融入了与人行为相协调的控制原理,例如拣货员在拾取完之后按按钮确认,与此同时监测系统监测货箱内是否有货物以调控某段传送带速度。

       在大福日新馆看到那些机敏的机器以超乎我认知的速度飞速移动,干净利落地完成货物的分拣,这让我联想到“飞机大厨”这款游戏,尤其在工作人员分拣过程中,智能物流系统大幅度减少了搬运货箱、调整错误等影响效率且体力消耗大的工序。只是目前由于各种货物的品类复杂繁多,难以实现标准化、流水线化,对于这种产品的物流工作还需要大量人工。
 
图14 大福日新馆 仓库货架(官网图)
图14 大福日新馆 仓库货架(官网图)
 
       下午我们去到了由日本著名企业家稻盛和夫先生创办的京瓷公司,在这里我们看到了新型材料精密陶瓷的玄妙之处及其应用,同时也得以深入了解稻盛和夫先生的哲学思想——“敬天爱人”。

       稻盛和夫先生认为人生与事业的结果=思维方式*热情*能力。热情,正如孔子所说“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”,稻盛和夫先生认为热爱工作是至关重要的。这句话对于年轻的我们来说听起来是在强迫自己、强灌心灵鸡汤,但是我们也可以理解为,在有限的选择情况下,不如脚踏实地做好当下的工作,这样也能从中有所收获,不至于浑浑噩噩一生。日本一向宣扬的就职观点是一生坚守这一个岗位做到底,也就是“匠心”,我想这也是日本在制造业领域能够如此全面且强悍发展的原因所在。思维方式,则在所有的一切之中起到了决定性作用,努力与热情都只会是1-100的数值,而思维方式则存在负数的可能性,若思维方式变为负值,则会与理想状态背道而驰。

第六天
 
图15 朝日啤酒厂“超爽”啤酒风味体验生产线
图15 朝日啤酒厂“超爽”啤酒风味体验生产线
 
       我们参观了朝日啤酒工厂与松下电子回收厂,在这里我们看到了前几日参观的物流系统的实际应用。日本有其独具特色的居酒屋文化,夜晚降临时,辛苦了一天的下班族会聚集在居酒屋饮酒聊天吃烧鸟。为满足较高的啤酒需求量,朝日啤酒工厂采用了高效的生产线,对啤酒进行灌装、打包、打标等多道工序的作业。同时在对于生产过程中产生的废料会进行废物利用,同以往我们参观的每一家工厂类似,朝日啤酒厂也十分重视绿色环保理念。

       松下电子回收厂则是一个以环保事业为其工作重心的企业,他们主要做冰箱、电视机、空调、洗衣机等家电的回收工作。松下电子回收厂秉承“从商品到商品”的理念,拆解家用电器,将其按照材料分类,并通过先进的再利用技术再次生产为可投入使用的商品。例如塑料就可以再生为燃料进行二次利用,而有限资源金属则会被分离回收以供再次利用。为了提高材料之间的分辨效率,松下研发采用了多种材料区分装置,利用材料之间密度、磁性、比重的不同对只有细微差别的材料进行分离,技术的采纳提高了工作效率,降低了人工失误率。而在对于电路板的回收过程中,会有带有摄像头的机械臂进行识别抓取,这种可以被规范化的零件回收均导入了智能系统。而由于家电产品十分繁多,最初最费力的拆解部分只能依赖于人工拆解,希望未来人工智能的发展应用能使这方面有所改善。
 
图16 松下电子回收厂“从商品到商品”
图16 松下电子回收厂“从商品到商品”
 
结语

       通过这次日本认知实习,我不仅开阔了眼界、增长了见识,还深刻感受到了日本在智能制造、教育科研、企业文化以及社会福祉等方面的先进理念与实践。日本制造业上的精细入微,体现于许多细节上的独到设计,例如对于车辆防惯性系统的设计、物流系统的精密细节等等设计,真真是“细节决定成败”。而教育是技术之基,日本无论是在科学教育(令我叹为观止的东京科技创新展馆、日本工业大学为高中生制造的可动微缩列车)、素质教育、安全教育上,都舍得用心思考、用尽全力付出不计回报。

       我相信,以我国的文化底蕴和国民精神为基础,只要我们能够借鉴和吸收日本等发达国家的先进经验,不断完善我们的教育体制、创新我们的制造技术、优化我们的企业管理和社会福祉制度,我们就一定能够实现更加辉煌的发展成就。我期待在未来的日子里,能够继续努力学习、积极实践,为实现中华民族的伟大复兴贡献自己的一份力量。

 
 
责任编辑:邓珊珊
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