《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 2.4 机器人的好处

机器人的最初应用是由早期的机器人用户来实施的，他们想测试这项技术并决定哪些可能有利于他们的业务。决定购买机器人并不是因为迫切地实现投资回报，而是因为相信机器人技术展示的希望。购买商觉得处在机器人应用技术的最前沿是很重要的。

越来越多地使用机器人并不是因为对技术感兴趣，而是更多地受短期投资回报的驱动。当今大多数应用机器人的公司依据经济回报来做投资决策，经济回报在投资前就被量化，一旦机器人系统开始运行就必须能够实现期望的经济回报。值得注意的是，某些（但不是所有的）可以通过使用机器人来实现的好处，也可以通过使用较低柔性的自动化来实现。

通过机器人的应用获得潜在的好处分成两种类型：使终端使用者获益和使自动化解决方案提供者获益。关于机器人应用的关键好处，一直有许多争论和调查，大多数是由机器人供应商主导的。这些供应商很明显都有个人利益，但是潜在的好处已经总结出来，2005年，国际机器人联盟（ifr）公布了一个使用机器人的10个好处的清单（ifr，2005）。

关键好处如下：

1.减少操作成本。

2.提高产品质量和一致性。

3.提高员工的工作质量。

4.提高生产量。

5.提高产品制造的柔性。

6.减33少原料浪费并增产。

7.遵守安全规则，提高工作场所的卫生和安全程度。

8.减少劳动力流动和招聘工人的困难。

9.减少资金成本。

10.为高价值制造业节省空间。

需要强调的是，这些只是潜在的好处，不可能适用于所有的场合。这些在后面将详细讨论。首先，讨论对自动系统供应商的好处。

我们假定终端用户已经认识到自动化的好处，并且已经开始考虑购买自动化系统，自动化供应商或系统集成商提供机器人或者其他形式的自动化解决方案。在系统集成商的群体中，越来越多地将机器人放在解决方案的核心。这种趋势主要是由两个因素造成的：机器人的柔性以及机器人已经是标准产品的事实。

机器人是标准产品，因此它能够提供可测量的、已知的性能与可靠性。与所有标准化产品一样，其设计需要预先做大量的试验才能发布，并且也需要符合一定的标准。因此，系统集成商能够通过浏览产品的目录来了解其基本信息，比如负载能力和工作空间，然后选择出一台最适合当前任务需要的机器人（见第5章）。机器人的主要供应商有许多机器人类型，因此，总是有足够多的机器人可供选择。

这些公开的技术特性允许系统集成商以已知价格来购买符合应用需求的机器人。虽然开发一款定制的机器来实现同样的功能特性通常也是可行的，但就开发时间和成本而言，定制机器还是一个未知数。类似地，作为标准化产品的机器人，提供了可靠性，包括平均无故障时间（mtbf）和平均维修时间（mttr），而对定制的机器人而言，这些参数均是未知的。因此，对终端用户和自动化供应商而言，定制机器人系统的长期风险会更高。

机器34人的其他主要好处还包括它所提供的柔性。机器人包含多根轴（通常是6轴），因此它可以根据要求调整工件或者工具的角度。更重要的是，机器人的这些运动是可以通过软件进行编程的。因此，修改机器人操作是非常容易的，甚至到项目后期，修改机器人操作也并不困难。机器人的柔性既能允许产品后期的设计更改，也能包容自动化系统结构设计和建造中的错误。

这两个因素（柔性和已知的性能），减少了自动化解决方案供应商的风险。因此，可以降低销售价格、减少意外的财务开支，这样也可以增加来自终端用户的订单。一旦接收了订单，该工程的时间跨度也会被压缩，因为交付标准化机器人比设计和构建定制设备所需要的时间短很多。

正如上文所提到的，对终端用户来说，共有10个关键性好处。在许多情况下，潜在的终端用户只考虑因为引入自动化设备而直接产生的劳动力节省所带来的成本效益，但是也可以通过评估潜在的其他收益来强化经济合理性，在某些情况下，来自于其他方面的成本节省或许比劳动力节省更大。下面讨论这些好处和它们的适用性。

减少操作成本

机器人系统可以帮助减少制造特定工件的操作成本，包括替换劳动力等而减少的直接成本。然而，也可以减少间接成本。

节约能源可以从许多方面来实现。通过机器人减少废品或返工来实现单位产出的能源效益最大化。此外，机器人不需要人工工作场所所必需的环境温度和照明设备等。因此，如果工厂的一个特定区域全部采用自动化机器人，那么减少维持工作环境的能源消耗是可能的。

在劳动力上的成本节省还会在其他方面有所体现，比如培训成本、健康和安全成本和人力资源管理成本等。只需要更少的间接人员来维持和管理更小的工作团队，因此，也节省了35间接成本。

提高产品质量和一致性

机器人是可重复的。如果机器人设置正确并且输入具有一致性的工件，它们就会完全一致地生产高质量的产品。它们不会像手工生产那样受不一致性的影响。造成不一致性的原因包括劳累、无聊或者由于单调乏味重复的工作所带来的注意力分散等。这种不一致性导致产品多变以及质量的参差不齐。相反，机器人能够保证固定的产量。这意味着每天制造相当数量的且一致性高的产品，这也意味着每天有相当数量的合格工件。

提高员工的工作质量

机器人可以帮助员工改善工作环境。它们可以接管一些脏的、危险的及要求苛刻的任务，即所谓的3d任务。例如，喷涂、压力机上下料、处理超重负荷等。这些地方经常难以维持工作的一致性，所以机器人的应用将提高产量或者提高所生产工件的质量。机器人的应用使得人工劳动力远离直接生产过程，从而减少员工在维持固定产量上的压力。

机器人的操作和维护也需要很高的技能，因此，可以通过加强员工的技能和增加员工的收入，同时改善员工的工作来调动员工的积极性。

提高生产量

正如上文所提到的，机器人的一致性确保固定的生产量。这也意味着可以最大化其他机器的产量，因为机器人总是时刻准备着实现它们的功能。举例来说，使用机器人上下料后，能够及时给机床下料和重新上料而不用等待操作人员，这些操作人员可能走神了、正在休息或者参与其他活动了。

机器人还可以在夜晚或者周末不需要人工干预的情况下运行更多的班次。此外，通过使用机器人上下料，可以将一些昂贵的机床设定为通宵运行，这样可以限制额外的成本而提高产量。这种增强的生产能力对分包商来说具有特殊的价值，分包商往往可能面临来自客户的36各种订单。

提高产品制造的柔性

机器人本质上就是非常灵活的，远超其他形式的自动化。一旦操作被编程输入机器人，只需数秒它就可以调用并进入运行状态。因此机器人实现生产转换非常快，极大缩短了机器人的下线时间。一个机器人系统可以处理相同产品的各种型号，也可以处理完全不同的产品，为小批量生产提供了可能性。

机器人也有很多的局限性，主要由周边配套设备引起，比如夹具、抓手，但是只要小心设计并且有良好的概念，这些都是可以克服的。然而，应该指出，目前机器人的灵活性还是远不如人类操作员。

减少原料浪费并增产

机器人的主要优点之一是一致性。通过确保高质量的产出，更多的“一次成功”的产品被生产出来，因此，材料浪费也得到了控制。另外，机器人能用更少的耗材来生产工件。比如，焊接机器人总是焊得符合要求，既不大也不小。喷涂机器人系统总是刚好喷涂到所要求的漆膜厚度。

自动化的引入也会提高输入自动化流程中的工件或产品的一致性，给企业带来了整体效益。自动化设备也可以用来检查输入的产品并识别它们是否偏离了规格参数。这对食品工厂特别有意义，因为食品工厂的输出产品需要符合最小重量要求。机器人和自动化设备可以用来缩小公差带，使废品率最小，这些公差带用来界定所谓的废品，因为客户不会为这些废品支付1分钱。

遵守安全规则，提高工作场所的卫生和安全程度

机器人可以接管一些目前仍然由人工完成的令人厌恶的、费力的或者威胁健康的工作。健康和安全问题立法的迫切度日益增长，使得部分工作要么很难或者干脆不可能由人工来完成。机器人提供了一种性价比越来越高的选择。

使操作员远离直接接触的机器，或者远离有潜在危险的生产机器和生产过程，从而可以减少事故发生的可能性。比如，铸造和锻造过程都是费力且危险的操作，在大多数情况下37它们可以通过使用机器人来实现自动化生产。有许多重复的或者高强度的工种会导致疾病，比如反复拉伤和白手指。比如，金属工件抛光或者铸件清理。机器人的使用可以让员工远离这些工作，减少受伤的风险。

减少劳动力流动和招聘工人的困难

改善工作环境、去除最重复的或者最累人的工作可以减少工人在生产过程中的流动。如果给予工人更多的挑战、更少的重复性角色，他们就可能获得更多的成就感。这些角色也需要很高的技能水平，尤其是这些更高层次的工作还能带来更高的薪酬的时候。

如果更多的员工能留下来，那么雇用新员工的成本就会减少。这不仅包括在雇佣新员工的过程中产生的直接成本，还包括培训成本和因为新员工生产效率跟不上而产生的成本。

减少资金成本

机器人的灵活性使小批量生产成为可能，减少了制造过程成本与存储成本，因而能减少资金成本。机器人使得其他机器的运转更高效甚至能延长工作时间，这可能意味着工厂可以减少购买额外的机器。比如，机器人可以整夜都在没有光照的情况下操作机床，这就能避免购买一些额外的机床。

即使产品或者产品设计发生了更改，但由于机器人系统的柔性，所以它是可重构的和可重复使用的。因此，机器人可以更广泛地代替很多专用的自动化系统。

为高价值的制造业节省空间

机器人系统可以十分紧凑，因为在执行相同的任务时它们不需要像操作员那么大的空间。机器人也可以安装成各种各样的形式，比如安装到墙上或者天花板上，这样可以减少所需要的空间。这可以减小占地面积，在某些情况下是非常有用的。

通过仔细评估上述好处，通常可以构建机器人系统来显著地提高经济回报，这比只考虑劳动力成本带来的经济回报更大。第7章将更深入地讨论有关自动化系统所带来的投资回报和自动化技术的经济38合理性。