上海，上海！特斯拉在疫情后时代的野望 | MIR DATABANK

引子：特斯拉在上海建造第二工厂

5月1日，特斯拉在写给上海自贸区政府的感谢信中，除表达对当地政府对于特斯拉复产复工的帮助外， 还在信的末尾提出，计划在当前的上海超级工厂附近建设一个新工厂。新工厂将用于生产Model 3和Model Y，预计每年产能可增加45万辆，达到年产110万辆的目标，成为特斯拉在全球“最大的汽车出口中心”。尽管之后马斯克辟谣说不是建造新厂，而是工厂二期扩产，但作为电动车产业的龙头企业，特斯拉此时的表态，无疑给疫情中飘摇的汽车制造业注入了一剂强心针。

来源：特斯拉

作为特斯拉全球第一大工厂，上海超级工厂 2021 年的交付量占特斯拉总交付量的 51.7%，年产量大约为50万辆。【1】这数字是什么概念？平均下来即周产量1万辆，也就是至少每分钟生产1辆车。如果按照峰值生产效率来算，特斯拉德州工厂生产一辆特斯拉汽车仅需 45 秒。这个速率已经超越以生产效率闻名的福特汽车：之前的纪录是53秒生产一辆F-150皮卡车。

特斯拉正以创时间纪录的方式生产汽车。这背后，是特斯拉超级工厂的自动化革命。

汽车工业的自动化之路

汽车工业的百年历史也是一部不断进化的汽车生产自动化发展史。从1886 年，卡尔•奔驰先生在铁匠铺升级而来的个人作坊中打造了世界上第一台现代意义上的汽车；到1913年，美国的福特汽车公司首次推出装配流水线技术，以革新汽车工厂的生产模式，大幅提升了汽车制造的作业效率；再到1979年，丰田在日本爱知县投产了有 1500 个机器人、自动化的程度高达 95%、产量可达60万台的全球最大的独立工厂——田原工厂【2】；再到今天特斯拉北美、上海和柏林的 6 个超级工厂Giga Factory。尽管，历经 100 多年的发展，汽车工业的制造体系已经十分完备，但不同工艺环节的自动化程度还是有着比较大的差别的。

目前，整车生产过程主要有冲压、焊接、涂装和总装四大工艺：

1）冲压的自动化程度较高，是一种高效的加工方法。通过减少工序，一模多件（注：在一套模具上同时生产多个零件）等优化方式还可以进一步提升生产效率。

2）焊装是整车生产中自动化程度最高的环节，达到80%以上。近年来投建的新工厂采用全自动化焊装方案，可将自动化率提升至95%。

3）涂装环节的自动化程度较高，同时能耗较大。自动化涂装不仅能减少对人体伤害提升效率，更能减少污染实现节能环保。

4）总装环节的自动化率最低，一般在8%～15%之间，但对于自动化的需求正日益增长。

来源：特斯拉

特斯拉工厂自动化的秘密武器

既然传统车厂自动化经过百余年发展，在冲压、焊接、涂装等工序已经做到高度自动化了，而特斯拉工厂在马斯克的带领下，代表的是新一代电动车自动化生产的技术，同时追求极致的自动化，那么，特斯拉工厂自动化有哪些秘密武器呢？

商业布局，收购诸多自动化设备公司

虽不具备传统车企在工厂自动化方面的经验积累，特斯拉通过收购自动化设备公司来快速积累自动化能力：2015年收购生产冲压模具系统的Riviera Tool，获得低成本冲压和塑料零件生产能力；2016年收购德国自动化公司 Grohmann Engineering，获取组装线、激光和压焊等自动化系统；2017年底收购汽车设备制造商Compass Automation，提升了自动化装备和检查技术；2020年，收购德国公司ATW Automation，补齐汽车电池模块与电池包组装技术，加快特斯拉电池生产自动化。【6】如今的特斯拉已经整合了诸多自动化设备公司，有能力为特斯拉工厂开发创新的自动化生产设备。

独特的一体式压铸生产工艺，缩短流程

不同于传统车厂的冲焊涂总四大车间，特斯拉工厂首创了一体式压铸工序技术。压铸是一种金属铸造工艺，具体是指将融化的金属施加高压，注入模具腔体后铸造成型。马斯克认为，一台压铸机可以代替300个工业机器人且空间需求减少30%。上海工厂拥有目前世界最大的6000吨级压铸机 Giga Press及最大的模具，用来打造Model 3和Model Y的底盘。Giga Press投产后，上海工厂Model Y的日产量增至700 辆，生产节拍约为 29JHP。

来源：IDRA Group

目前特斯拉已在美国加州、德州、上海和柏林的Model Y 生产线上应用“一体铸造”技术，由此可见一体化压铸机是特斯拉提高产能的核心设备。这些巨型压铸机设备来自于意大利Idra制造集团，后续它将为特斯拉新车型Cyber truck和Semi truck打造8000吨级的压铸设备。

使用一体化压铸技术也大大精简了后续焊接、装配等工序。传统汽车厂生产一部汽车需要组装2万多个零件，共计130至200个步骤。对比之下，2018 年，特斯拉弗里蒙特工厂生产 Model 3车型只需 40余个步骤，共计 90 分钟。经过进一步简化，上海工厂将焊接线的机器人数量从Model 3的1000个减少到Model Y的300个。

灵活场内物流，方便工件流转

来源：特斯拉
传统车厂在从供应商购买物料后，通常需要一个中转仓库。而特斯拉为了减少库存成本，在上海工厂采用了一种高效的物料对接系统。在工厂外围，密密麻麻排列了80多道对接集装箱的装卸门，距离产线只有10-15米，这样物料到位后直接用叉车送至装配线进行组装。源源不断的集装箱不仅承担了流动库存的功能，而且节省了物料在场内运输环节的时间成本，以及中转仓库的人力管理成本。

在生产工序中，特斯拉工厂同样会使用工业机器人、AGV等完成物件在水平面上的搬运作业。另外，还特别利用场内垂直空间进行布局，部件可灵活地被升降机和悬挂输送带等装置转运传送，加快各工序之间的转换速度。

值得一提的是，传统车厂的总装线上一般是车子吊在上面，工人跟着车子边走边装。而特斯拉工厂直接开辟了一条自动化的总装产线：员工站在产线上跟着车一起移动，相对静止地去完成安装。

工厂垂直整合，提高生产精益度

特斯拉通过对工厂的垂直整合，可以显著提高自动化能力。在特斯拉工厂，冲、焊、涂、总，四大车间合并设计，集中在一个巨大空间内，使得车间互相紧密衔接。用马斯克的话说，就是“一切都在同一屋檐下”，能够实现“工厂的一端输入原材料，另一端输出整车”。

来源：特斯拉

另外，特斯拉在每一个环节都采用双层生产车间设计，更有效利用厂房的垂直空间。双层立体化厂房可以显著提高单位面积生产能力。特斯拉上海工厂单位建筑面积产能高于0.5辆/平方米, 相比之下，丰田工厂单位面积产能不足0.2辆/平方米。可见特斯拉工厂的单位建筑面积产能更高，土地利用率和生产精益程度也相应更高。

特斯拉工厂不仅对场内布局做垂直整合，对工厂选址也是以此理念为宗旨。围绕着特斯拉上海工厂，长三角地区已经形成较为完整的供应链布局。依托近距离的供应链体系，特斯拉工厂的生产效率能够大幅提升。特斯拉上海工厂于19年10月建成投产，产能迅速爬坡，21年已超过年产量45万台。面对强劲的市场需求，特斯拉于去年宣布，全球出口中心已由美国加州工厂转为中国上海工厂。其季度产量一半投放中国市场。一半用于出口全球。凭借着上海港的区位优势，可以迅速出口至欧洲及亚洲其他市场。综上所述，特斯拉上海工厂在垂直整合了长三角地区的供应链以及销售渠道，反哺赋能特斯拉工厂的自动化生产能力。

100%自动化，为梦想窒息

特斯拉工厂旨在把自动化的优势发挥到极致。遗憾的是，特斯拉工厂至今仍未实现马斯克100%自动化的极致梦想。

来源：特斯拉

一是总装环节。由于作业内容多样，装配柔性程度高等原因，传统车厂总装自动化率只有8%—15%。尽管特斯拉工厂将总装线的自动化率提升到50%，但仍是整车生产中自动化率最低的工序。早期生产Model 3时，特斯拉曾尝试用大量机械臂代替人工完成组装，但由于设备调试经验不足、软件故障等原因，机器人装配效率低下。组装产线的过度自动化，造成当时Model 3产能爬坡受限。特斯拉期望在2018年Model 3产能达到每月2万辆，而在当年一季度 Model 3仅交付了8182辆。事后，马斯克对此总结道：“人的能力被低估了”。在此之后，特斯拉在总装环节雇佣人工代替效率低下的机械臂，采用人机结合方式降低自动化率，以此走出Model 3 生产困境。

二是质量检测环节。在细致严格的质量检测环节，特斯拉同样采用了人机结合的方式，确保量产车型的生产质量。自动化检测方面，整车固件实现281项自动检测，采用机器视觉对车身尺寸进行标准化控制。同时针对电机，电力总成等关键零部件，特斯拉采用近50套自动检测设备，确保气密、高压绝缘、电气特性、电焊质量等符合标准，并且所有测试数据长期可追溯。人工检测方面，特斯拉设立了Audit评审方式。Audit评审是由经过培训的专业评审员独立地从用户使用角度出发，以专业全面的眼光，对已确认合格的整车进行随机抽样质量评价。【3】

值得一提的是，在研发新款车型时，马斯克依旧坚持要求简化产品设计，以便于追逐其极致自动化的梦想：比如在Model Y上缩短线束，提高线束刚性；简化中控台设计，消除繁琐的物理按键和复杂连接；放弃电池模组，使用一体式电池包作为底盘结构件，等等。这些设计简化均可视为更利于机械手装配，从而提升总装工序自动化程度上限。

因此，有理由相信，特斯拉上海工厂二期总装线的自动化率仍会提高。

理想中的超级工厂

诚然，现在的特斯拉超级工厂，与马斯克眼中“用机器生产机器”的全自动化工厂，还有一定的差距。用马斯克自己的话说，现在的特斯拉工厂是0.5版，未来的超级工厂是3.0版。

马斯克把特斯拉超级工厂的生产线称为“外星无畏舰” （Alien Dreadnought）——这个外号取自20世纪初一种战舰的名称，不一样的是加上了前缀“外星”。【4】无畏号战舰是战舰历史上的里程碑，因为它是近代海军史上第一艘用蒸汽机驱动的主力舰，并由此开创了现代化新式战舰的狂潮。马斯克把它的特斯拉超级工厂比喻为“外星无畏号”，可见他想实现并重新定义汽车的生产方式，掀起一场划时代的工业革命。

来源：特斯拉

也许，马斯克畅想的未来特斯拉超级工厂是这么一幅场景：物件快速不间断地在不同工序间移动、加工，像自来水管道一样流畅自如，又像有生命一样有序自行生产。马斯克要做的，就是将流水线的自动化程度推向极致，将流水线的运行速度提升到传统汽车生产速度的10~20倍。【5】

如果以自动化生产线每秒移动量为自动化产量的指标，诸如矿泉水、啤酒、食品饮料等快消品，自动化产线每秒可移动1米以上，每分钟产量可高达上千件。而汽车自动化生产速度只有每秒几英寸。因此，理想中的超级工厂，这不仅仅是要挑战流水线上各机器人运作的物理学极限，更是要挑战各机器人之间最有效率协作的数学极限。

是否会出现理想中的超级工厂，实现100%自动化？

试想一下，这样一个极致自动化的超级工厂，是否代表了某种自动化的非理性繁荣？

例如，如果设备故障，高度自动化的系统会更加难以修理，导致生产停滞。必须由精通各个制造环节和整个工艺流程的生产线维护工程师全盘掌舵。这样就把整个生产线的命运交到了少数人手中。在工厂自动化生产利用最新技术的同时，也要兼顾平衡投入产出比。针对柔性非标的生产要求，100%自动化并非最高效的生产模式。特别是在产线产能非满载的情况下，极致的自动化也不能完全发挥规模效应，因此也没有经济成本上的优势，反而其昂贵的折旧成本也会成为企业利润的负担。

诚然，自动化针对高重复、大强度、高精密的作业场景有着巨大优势，而在灵活性、突发性以及体现用户体验的工序上，人的作用远远大于机器。科技发展始终要以人为本，用机器解放人类，消除3D（dirty 脏乱、dangerous 危险、duplicated 重复）岗位，提高劳动效率和本质化安全水平，才是自动化的真正价值所在。

参考：

1. 坐拥6大超级工厂，生产狂魔特斯拉上线_腾讯新闻

2. 汽车生产自动化百年发展简史 | 厚势汽车

3. 智能化"渗透"各产线 走进特斯拉上海超级工厂

4. 特斯拉机器人工厂，获得"外星无畏舰"称号

5. 特斯拉如何颠覆制造业-智能制造频道

6. 兴业证券：《特斯拉前瞻研究：产品、工厂、技术、生态展望》