A method for the generation of assembly information from product design: applications in automotive industry

Abstract

Assembly planning methods have been in the centre of industrial and academic research for many decades, since manual assembly costs may often account for even half of the total manufacturing expenses. Existing and emerging manufacturing trends, such as mass customization and personalization, require fast responses when it comes to the conception and realization of the relevant manufacturing systems. Although, work methodologies have been proposed and applied, such as concurrent engineering, gaps still exist between product development and manufacturing. Current Product Lifecycle Management (PLM) systems focus on the coordination of activities among engineers of different disciplines without, however, being capable of providing actual decision support functionality to decision makers. Moreover, solutions for the different phases of assembly planning have been proposed, without however taking into account the holistic nature of assembly planning that spans the different engineering phases. In this work, a method is proposed to enable the generation of assembly information, relevant to different phases of a product’s lifecycle, from product data available during its design. The approach is accompanied by three applications focusing on assembly planning, assembly execution and End of Life (EoL) product handling. The core method is an algorithm that generates assembly precedence relations between all components of a product. The algorithm uses collision / interference detection as well as constraints and information extraction as the main means to identify the assembly relations. The results of the algorithm are then used in three different applications: End of Life value estimation, Assembly Line Balancing and Simulation and Assembly Instructions Generation. The applications target both engineers that work in overlapping phases of product and production development as well as the manual assembly operators during execution of the actual processes. The Assembly Precedence Diagram Generation (APDG) algorithm was developed as an add-on to a widely-used CAD software. The developed application has a minimum input requirement which concerns the selection of the base part(s) as well as configuring the algorithm’s performance through different options. The performance of the algorithm has been tested by data provided by the automotive industry. The rest of the applications were developed using three different approaches. More specifically, the applications relevant to assembly line planning were developed as part of a collaborative web-platform that can also extract and use information residing in engineering files. The assembly instruction generation and visualisation was developed as a separate module and an EoL indicators calculator was developed as a macro application. The development of the applications relevant to assembly line planning involved the elaboration of a new method integrating Discrete Event Simulation (DES) with Assembly Line Balancing (ALB). All proposed applications have been tested on the basis of industrial data and the respective results are provided using time and cost related indicators. The results highlight the benefits of applying the developed methods in industrial environments. More specifically, the effectiveness of the APDG in generating assembly information for use in both production planning and EoL evaluation of products is presented, as well as the added value of the proposed integrated approach (assembly line balancing and simulation) during production design.

Οι μέθοδοι σχεδιασμού και προγραμματισμού συστημάτων συναρμολόγησης βρίσκονται στο κέντρο της βιομηχανικής και ακαδημαϊκής έρευνας εδώ και πολλές δεκαετίες, κυρίως λόγω του κόστους της χειρωνακτικής συναρμολόγησης, που μπορεί να αφορά ακόμη και τις μισές από τις συνολικές δαπάνες παραγωγής ενός προϊόντος. Οι υπάρχουσες και αναδυόμενες βιομηχανικές τάσεις, όπως η μαζική προσαρμογή και εξατοµίκευση προϊόντων (mass product customization and personalization), απαιτούν μικρούς χρόνους για τη λήψη αποφάσεων υλοποίησης των σχετικών συστημάτων παραγωγής. Παρόλο που έχουν προταθεί και εφαρμοστεί μεθοδολογίες όπως ο παράλληλος τεχνικός σχεδιασµός (concurrent engineering), υπάρχουν ακόμα κενά μεταξύ του σχεδιασμού ενός προϊόντος και της παραγωγής του. Τα υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης του κύκλου ζωής των προϊόντων (Product Lifecycle Management systems) εστιάζουν στο συντονισμό των δραστηριοτήτων μεταξύ μηχανικών διαφορετικών ειδικοτήτων, χωρίς όμως να υποστηρίζουν άμεσα τη λήψη αποφάσεων από τους ιθύνοντες μηχανικούς. Επιπλέον, αρκετές λύσεις που έχουν προταθεί και αφορούν τις διαφορετικές φάσεις σχεδιασμού των συστημάτων παραγωγής, δεν λαμβάνουν υπόψη την ολιστική φύση του σχεδιασμού και άρα τις επιμέρους φάσεις που τον αποτελούν. Κατά συνέπεια, οι υπεύθυνοι για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη προϊόντων εξαρτώνται ακόμα από τις ειδικές γνώσεις των μηχανικών που ασχολούνται με τις μετέπειτα φάσεις του κύκλου ζωής ενός προϊόντος.Η εν λόγω διατριβή προτείνει μια μέθοδο παραγωγής πληροφοριών συναρμολόγησης, που αφορούν διαφορετικές φάσεις του κύκλου της ζωής ενός προϊόντος, από τα αρχεία σχεδίου των προϊόντων (CAD files). Η προσέγγιση αυτή συνοδεύεται από τρεις εφαρμογές που εστιάζουν στο σχεδιασμό συστημάτων συναρμολόγησης, στην εκτέλεση της συναρμολόγησης και στην ανακύκλωση ή επαναχρησιμοποίηση του προϊόντος, ή τμημάτων αυτού, στο τέλος της ζωής του. Η κύρια μέθοδος αποτελείται από έναν αλγόριθμο που προσδιορίζει τις σχέσεις προτεραιότητας μεταξύ όλων των συστατικών στοιχείων ενός προϊόντος (υποσυναρμογές, κομμάτια και σύνδεσμοι). Ο αλγόριθμος κάνει χρήση της ανίχνευσης σύγκρουσης (collision detection) μεταξύ των στοιχείων, καθώς επίσης και των περιορισμών και άλλων συναφών πληροφοριών που έχουν οριστεί από τους σχεδιαστές του προϊόντος. Έχοντας αυτά σαν κύρια μέσα, ο αλγόριθμος προσδιορίζει τις πιθανές ακολουθίες συναρμολόγησης. Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου χρησιμοποιούνται στην συνέχεια από τρεις διαφορετικές εφαρμογές: εφαρμογή εκτίμησης αξίας στο τέλος ζωής (End of Life value estimation), εφαρμογή εξισορρόπησης και προσομοίωσης γραμμών συναρμολόγησης και εφαρμογή παραγωγής οδηγιών συναρμολόγησης (Assembly Instructions Generation). Οι εφαρμογές αφορούν μηχανικούς που εργάζονται στις φάσεις του σχεδιασμού και της ανάπτυξης προϊόντος και γραμμών συναρμολόγησης καθώς και τους χειριστές κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης των πραγματικών διαδικασιών.Ο αλγόριθμος παραγωγής διαγραμμάτων προτεραιότητας συναρμολόγησης (Assembly Precedence Diagram Generation - APDG) αναπτύχθηκε ως πρόσθετη εφαρμογή (add-on) σε ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο σύστημα σχεδιασμού (CAD). Η απόδοση του αλγορίθμου έχει εξεταστεί με τη χρήση δεδομένων που έχουν παραχωρηθεί από την αυτοκινητοβιομηχανία. Οι υπόλοιπες εφαρμογές αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις. Πιο συγκεκριμένα, οι εφαρμογές σχετικές με τον σχεδιασμό γραμμών συναρμολόγησης αναπτύχθηκαν ως τμήματα μιας πλατφόρμας συνεργασίας που μπορεί επίσης να εξαγάγει και να χρησιμοποιήσει δεδομένα που βρίσκονται σε αρχεία τεχνικού σχεδιασμού (CAx files). Η εφαρμογή παραγωγής και απεικόνισης οδηγιών συναρμολόγησης αναπτύχθηκε ως ανεξάρτητη εφαρμογή ενώ η εφαρμογή αξιολόγησης του προϊόντος για ανακύκλωση ή επαναχρησιμοποίηση αναπτύχθηκε ως μακρο-εφαρμογή (macro). Η ανάπτυξη των εφαρμογών σχετικών με το σχεδιασμό γραμμών συναρμολόγησης συμπεριλαμβάνει την ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου ενσωμάτωσης μεθόδων εξισορρόπησης γραμμών συναρμολόγησης με μεθόδους προσομοίωσης αυτών. Όλες οι αναπτυγμένες εφαρμογές ελέγχθηκαν χρησιμοποιώντας δεδομένα από την βιομηχανία και τα αποτελέσματά τους παρουσιάζονται με την χρήση δεικτών που εκφράζουν χρόνο και κόστος.