自動化、機器人與未來工廠

麥肯錫咨詢公司近日發布題為“自動化、機器人與未來工廠”的文章，稱更便宜、功能更強大、更加靈活的技術正在加速全自動化生產設施的發展，對于企業而言，主要的挑戰將會是決定如何**地利用它們的能力。

以下是文章主要內容：

在發那科（Fanuc）位于日本忍野村的一家工廠，工業機器人生產機器人，每班只有4名員工負責監工。在飛利浦位于荷蘭的一家電動剃須刀工廠，機器人數量達到生產工人的14倍多，后者僅有9人。相機生產商佳能于2013年開始在旗下的數家工廠淘汰人類勞動力。

這種“熄燈”生產概念——制造活動和物料流程完全自動化處理——正成為現代制造日益普遍的一個特性。在某種程度上，新一波的自動化浪潮將會由當初將機器人和自動化技術帶到工作場所的那些因素驅動：將人類工人從骯臟、枯燥乏味或者危險的工作中解放出來；通過排除錯誤和降低變化性提升產品質量；通過用成本更低的機器替代成本越來越高的人工，來削減制造成本。然而，如今***的自動化系統擁有額外的功能，這促使它們能夠用于原來不適合實施自動化的環境，以及在制造中創造出全新的價值。

機器人價格下降

隨著機器人生產日益普及，機器人的成本呈現下降。在過去的30年里，按實值計算，機器人平均價格下降了一半，相對于勞動力成本，它的下降幅度甚至更大。隨著來自新興經濟體的需求鼓勵機器人的生產轉移到成本較低的地區，它們的價格可能將進一步下降。

人才更易獲取

擁有設計、安裝、運作和維護機器人生產系統所需技能的人才，也正變得更加普遍。機器人工程師曾經相當罕見，屬于雇用成本很高的專家。如今，機器人相關的學科在全球各地的學校被教授，它們要么是專門的課程，要么是制造技術或者制造工程設計方面的通識教育的一部分。軟件的可得性，比如模擬程序包和可測試機器人應用的離線編程系統，已經減少了工程時間和風險。它也讓機器人程序編制任務變得更加簡單，成本也變得了。

易于整合

計算性能、軟件開發技術和網絡化技術的進步，提升了裝配、安裝和維護機器人的速度，同時降低了相關的成本。例如，傳感器和制動器以往必須要通過終端機框、連接器和接線盒，利用專門的接線單獨連接至機器人控制器，而現在，它們則可以利用即插即用的技術，因此零部件利用相對簡單的網絡接線連接起來。這些零部件將會自動鑒定控制系統，因此能夠大大減少設置時間。這些傳感器和制動器還能夠進行自我監控，將其狀態報告給控制系統，進而輔助過程控制，收集數據進行維護，實現持續不斷的改進和故障排除目的。其它的標準和網絡技術同樣讓連接機器人至更加廣泛的生產系統變得簡單明了。

新能力

機器人也在變得更加智能。早期的機器人只會一味地遵循同一路徑，后來的迭代版本利用激光或者視覺系統來檢測零部件和材料的方向，而最新一代的機器人則能夠整合來自不同傳感器的信息，實時調整它們的移動。例如，這可讓它們利用力反饋來在研磨、修邊或者拋光的應用中模擬技工操作。它們還能夠利用更加強大的計算機技術和大數據式分析。舉例來說，它們可以借助光譜分析來一邊焊接一邊檢查焊接的質量，進而大大減少制造后所需的檢查工作。

機器人承擔新的角色

如今，這些因素正在機器人現已擅長的那些應用范疇幫助提升它們的普及度，即重復性的大量生產活動。隨著用機器人自動化任務的成本和復雜度的降低，那些已經在使用機器人的公司很可能將會更多地使用它們。然而，未來5年到10年，預計機器人在技術和經濟層面均可行的任務種類將會出現根本性的變化。以下是部分案例。

1、低量生產

編程快速輕松的設備的內在彈性，將會大大減少機器人為符合成本效益所需重復的特定任務的次數。這將會降低產量門檻，讓機器人成為年產量以數十或數百而非數千或者數十萬來計的細分任務經濟可行的選擇。它也將讓機器人成為小批量生產和產品組合差異性很大的公司的可行選擇。例如，現在用于航空航天的柔性履帶產品能夠利用指引其運作的視覺系統在機身上“爬行”。這種低量生產自動化帶來的成本節約將會讓各種不同類型的企業組織受益：小企業將能夠首次用上機器人技術，大企業可提升其產品組合的多樣性。

新興技術可能也將進一步簡化機器人編程過程。例如，通過一系列的移動來指引教導機器人的做法已經頗為常見，但快速發展的語音識別技術意味著，不久以后給它們發出語音指導也將成為可能。

2、高度可變的任務

人工智能和傳感器技術的進展，將會讓機器人能夠應對任務間更大的多變性。這種因應所在環境的變化來調整行動的能力，將會給一些領域帶來自動化的機會，比如高可變性的農產品的處理。在日本，實驗已經證明，借助立體影像系統來識別水果的位置和評估它的成熟度，機器人能夠將采集草莓所需的時間最多削減40%。

這些能力也將會驅動各個行業領域的質量提升。機器人將能夠在生產期間彌補潛在的質量問題。相關案例包括：根據兩個部件之間的尺寸差異調整用于裝配它們的力度，或者選擇和結合尺寸不同的部件來實現合適的成品尺寸。

機器人生成的數據和更好地利用它們的先進分析技術，也將會有助于理解決定產品質量的根本因素。例如，如果裝配期間高于正常水平的扭矩要求，被發現與未成熟產品故障有關，那在生產期間就能夠調整制造程序來檢測和修復這類問題。

3、復雜的任務

如今的通用機器人在控制它們的移動上能夠精確到0.1毫米，機器人當前配置的重復精準度則達到0.02毫米。未來的機器人可能將會提供更高的精準度。這種能力讓它們能夠參與日益精細的任務，比如穿針或者裝配高度復雜的電子設備。機器人也在變得更有協同性，現有的控制器能夠同時驅動數十個軸線，讓多臺機器人共同進行同一項任務。

最后，先進的傳感器技術和分析來自那些傳感器的數據所需的計算能力，將會讓機器人能夠承擔之前需要高技能技工來完成的任務，比如切割寶石。這些技術甚至可能允許展開目前完全無法展開的活動：例如，在它們被用于彌補底層材料的偏差，或者在結構表面“繪制”電子電路的時候，實時調整涂料的厚度或者成分。

4、與人類共事

企業還將擁有多得多的自由余地去決定用機器人自動化哪些任務，決定哪些任務人工手動進行。先進的安全系統意味著機器人能夠在人類同事旁邊承擔起新的崗位。如果傳感器顯示存在與操作員發生碰撞的風險，機器人會自動減慢速度或者改變路徑來避免碰撞。這種技術可讓機器人用于原本手動的裝配線上的個體任務。安全欄和聯動裝置的移除意味著運營成本會降低——對于小公司來說是一大利好。能夠將機器人和人工共事，在二者之間重新分配任務，也有助于提升生產力，因為它可讓企業因應需求的波動重新平衡生產線。

機器人能夠在人類身邊安全運作，也將為環境嚴格受控的工廠車間以外的應用打下基礎。在線零售商和物流公司已經在它們的倉庫里采用各種形式的機器人自動化技術。不過，試想一下，如果車載機器人能夠在物流配送車輛中預先分類整理好包裹，那會給包裹配送員帶來多大的效率提升。

5、靈活的生產系統

自動化系統正在變得越來越靈活，越來越智能，能夠自動調整它們的行為來**化產能，或者最小化每單位成本。用于飲料填充和包裝線的專家系統能夠自動調整整個生產線的速度，來適應任何屬于特定生產批次的關鍵制約環節的活動。在自動化生產中，專家系統能夠自動對生產線速度作出小幅的調整，進而提升單獨加工線的綜合平衡，**化整個制造系統的效率。

目前在使用的機器人絕大多數仍能夠在高速的大量生產應用中運作，而***的系統則能夠在工作狀態中進行調整，在不同的生產類型中進行無縫切換，無需停下來更改程序或者重新配置作業工具。許多現有的新興生產技術，從計算機數控切割到3D打印，無需變換工具就能調整零部件的結構，因此可以生產不同批量大小的產品。例如，工業零部件制造商利用來自無線射頻識別（RFID）標簽的實時通信功能，來調整零部件的形狀，迎合不同型號的需求。

用自動導引車系統（AGVs）替代固定的輸送系統，甚至可讓工廠在不同的工作站之間無縫重新配置產品和零部件的流動，讓處理步驟完全不同的制造工序能夠以全自動化的方式完成。這種靈活性帶來了一系列的益處：縮短投產準備階段，讓供給和需求之間的聯系更加緊密，加速新產品的推出，簡化高度定制化產品的制造。

做出正確的自動化決策

隨著這么大的技術潛力變得觸手可及，企業要如何作出**自動化戰略決策呢？企業很容易會因為自動化本身而忘乎所以，但這幾乎總是會造成不如意的項目，如成本太高，實施時間過長，且無法實現企業的商業目標。

成功的自動化戰略需要多個層面的良好決策。企業必須要選擇自動化哪些活動，使用什么級別的自動化技術（從簡單的可編程序邏輯控制器，到由傳感器和智能自適應算法引導的高端機器人，采用哪些技術。在每一個這樣的層級上，企業都應當確保它們的計劃符合以下的標準。

·自動化戰略必須符合商業和運營戰略。如上所述，自動化能夠實現四個主要目的：提升工人的安全性，降低成本，提高質量，強化彈性。運用的好的話，自動化技術可在所有的這些方面都帶來提升，但具體會帶來怎樣的成效可能因不同的技術和策略而異。對于任何一家企業組織而言，對于自動化戰略的權衡將取決于它的整體運營戰略和它的商業目標。

·實施自動化項目必須要先從清晰地理解問題著手。同樣重要的一點是，這包括自動化是合適的解決方案的理由。每一個項目都應當能夠鑒別自動化能夠如何、能夠在哪些地方帶來改進，展現這些改進如何與企業的整體戰略聯系起來。

·自動化必須要顯現出清晰的投資回報。企業，尤其是大企業，不應在它們的自動化投資上作出過分的規定，過分復雜化，以及超支。選擇適當的自動化復雜等級來迎合現在和可預見未來的需求，需要深刻理解企業的工序和制造系統。

平臺化與整合

在**化資本投資回報率和減少新產品從設計到全規模生產所需的時間上，企業正面臨越來越大的壓力。打造僅適用于單條產品線的自動化系統，與那兩個目標背道而馳，它在設備設計、采購和調試上需要反復、漫長且昂貴的周期。更好的做法是結合使用能夠輕易改動和適配的生產系統、生產線和工廠。

正當平臺化和模塊化戰略簡化了管理復雜產品組合的過程，降低了相關成本，對于在自動化戰略中尋求**化靈活性和規模效益的制造商來說，平臺策略也將日益重要。

流程平臺，比如配備焊接槍、電源和電子控制裝置的機器人手臂，能夠標準化，能夠應用于和重復用于多種應用，簡化編程、維護和產品支持的過程。

自動化系統還將需要高度整合至企業組織的其它系統。那種整合始于工廠車間的機器之間的通訊，得益于現代工業網絡化技術，該整合已經變得更加簡單。但它也應當延伸到企業的其它運作方面。與計算機輔助設計、計算機集成工程和企業資源規劃系統的直接整合，將會加速新制造配置的設計和部署，讓靈活的系統能夠接近于實時響應需求或者材料可用性的變化。過程變量和制造績效方面的數據將被記錄下來，用于質量保證目的，以及用于幫助改進設計，帶來更好的未來產品。

整合工作也將延伸到工廠以外。企業將不僅僅需要與客戶和供應商保持緊密的合作和無縫的信息交換；它們還將需要與工藝設備的制造商建立這種關系，因為后者將趨向于掌握很多完善自動化系統運作所需的專有知識和知識產權。得益于開放架構和網絡化協議的可得性，這種整合所需的技術正變得日益易得，但企業還需要作出文化、管理流程和思維定式方面的變化，來平衡成本、效益和風險。

更便宜、更智能、更能適應的自動化系統，已經在以各種不同的方式改變制造業。該技術將變得更容易實施，但商業決策可不會那么容易實施。為了掌握這些新系統帶來的種種機會的價值，企業將需要采取全面的系統化策略，需要調整它們的自動化戰略來使得它們符合現在和未來的商業需求。中國智能制造系統解決方案定制平臺