Flow Analysis and Optimization in Machining Lines

Abstract
consistency and quantitative comparisons with other remarkable models ex-
isting in literature are also shown.
With regard to the real industrial case, the line is analyzed following three
main steps. At first machine failure parameters are derived through an op-
portunely built Matlab algorithm operating on shop floor data stored by
the line supervisor in the system database. Secondly, the system perfor-
mances are evaluated through a well-known approximate analytical method,
also discussed in the literature overview. The machine disruptions mainly
affecting the performance of the line are detected through a detailed analysis
of the evaluation results. The last step is represented by the line performance
improvement: three different improvement options are considered and the in-
crease in throughput is quantify. In particular a buffer capacity optimization,
a time to repair reduction study and a repair crew optimization are proposed.
All the methods and the suggested solutions have been shown to the Scania’s
research environment with successful feedbacks from all the staff: in such a
way their production engineers have the opportunity to eventually implement
one or more improvement action, given their internal trade-off structure.
ii
Sommario
La presente tesi è stata sviluppata a partire dallo studio di una linea di
produzione del blocco motore presso un gruppo multinazionale del settore
automotive. In particolare l’applicazione e la modifica di alcuni modelli ana-
litici presenti in letteratura ha consentito di valutare le prestazioni di tale
sistema e di proporre alcuni interventi migliorativi per l’aumento del tasso
di produzione o throughput.
Lo studio del caso reale ha fornito l’input per lo sviluppo di un nuovo
modello analitico per l’analisi delle prestazioni di linee transfer composte da
due macchine (building block), caratterizzate da tempi di ciclo deterministici,
capacità finita dei buffer e soggette a guasti di tipo Time Dependent (TDFs).
Appartenenti a quest’ultima classe sono tutti i tipi di guasto per cui la pro-
babilità di accadimento dipende non dal tempo effettivo di produzione, ma
esclusivamente dal tempo trascorso a partire dall’ultima occorrenza. Esempi
di time dependent failures sono tipicamente i guasti elettronici, mentre esem-
pi di tipi di guasto dipendenti dal tempo effettivo di produzione (Operation
Dependent Failures -ODFs-) sono la rottura degli utensili di lavorazione.
La letteratura inerente lo sviluppo di metodi analitici per la valutazione
delle prestazioni di sistemi di produzione è quasi sempre basata sull’ipotesi
iii
Sommario
di ODFs, poiché questo tipo di guasto rappresentata la maggior parte delle
occorrenze e d’altra parte semplifica notevolmente la trattazione matematica
del modello. Oggi però, soprattutto nelle linee di produzione totalmente
automatiche ed operative 24 ore su 24, riscontrabili, ad esempio, nel settore
automotive, i TDFs stanno assumendo un peso sempre maggiore, a causa
della crescente componente elettronica delle architetture di sistema.
Nel presente lavoro di ricerca tali tipologie di guasto sono incluse nel
building block multiple failure, già presente in letteratura, in modo da tene-
re conto di tali guasti senza tuttavia trascurare quelli operation-dependent.
L’analisi è proposta sia nel caso single failure che in quello multiple failures.
In quest’ultimo caso la soluzione in forma chiusa è stata trovata solo nel ca-
so di linee composte da due macchine, ciascuna soggetta a due tipologie di
guasto, uno operation-dependent e l’altro time-dependent. La soluzione di
una linea composta solo da due macchine è comunque molto importante in
quanto costituisce la base da cui partire per poter analizzare, attraverso un
approccio di decomposition, linee composte da tre o più macchine. I modelli
sono stati validati, così come sono state proposte comparazioni con altri re-
centi modelli presenti in letteratura.
Oltre alla proposta di un nuovo modello analitico, obiettivo del presente
lavoro è anche lo studio del caso reale, rappresentato dall’analisi delle pre-
stazioni e dalla definizione di alcune leve per il miglioramento della linea di
produzione del blocco motore 6 cilindri Scania (Södertälje, Svezia). Il percor-
so logico seguito è costituito da tre passi principali: la raccolta e l’analisi dei
dati contenuti nel database di sistema, la modellizzazione della linea tramite
un modello analitico e l’analisi dei risultati, infine la proposta e la valuta-
zione di possibili soluzioni per incrementare le performance del sistema. Più
iv
Sommario
in dettaglio, nella prima fase, mediante un algoritmo Matlab opportunamen-
te costruito si calcolano i parametri di guasto (tempo medio per il guasto
e la riparazione) a partire dai dati di produzione raccolti dallo shop floor
control system e memorizzati nel system database. Una volta analizzati sta-
tisticamente i dati, con la seconda fase si è in grado di ottenere la stima
delle performance del sistema, di capirne quantitativamente la dinamica e,
attraverso l’approfondita analisi dei risultati, di isolare le principali cause che
impattano sulle prestazioni del sistema. Nella terza ed ultima fase ci si con-
centra sulle possibili direzioni operative di miglioramento, individuando tre
diverse alternative. La prima rappresenta la riduzione del tempo di riparazio-
ne dei principali guasti che influenzano la linea, opportunamente identificati
tramite l’analisi dei risultati della fase precedente. La seconda soluzione mi-
ra a mostrare come un’ottima riallocazione della capacità dei buffer possa
portare ad incrementi, anche notevoli, nel tasso di produzione. In ultimo si
mostra come differenti configurazioni del personale di riparazione assegnato
alla linea possano portare anch’esse a sensibili incrementi nelle performance.
Outline
La tesi è costituita da 6 capitoli e da due appendici. Le informazioni,
le metodologie di analisi ed i risultati presentati all’interno dei capitoli sono
sufficienti per una piena comprensione del lavoro; nelle appendici sono ri-
portati dettagli riguardo alcuni strumenti di analisi e le tabelle contenenti i
risultati numerici completi (per i quali si propongono degli schemi riassuntivi
nei capitoli).
Il Capitolo 1 è dedicato ad una descrizione sostanziale dei sistemi produt-
tivi, ponendo particolare enfasi sulle linee transfer e sulla dinamica del flusso
v
Sommario
delle parti, e dei modelli analitici come un efficace strumento a supporto della
loro configurazione e gestione. Segue un breve confronto tra tali modelli ed
un altro possibile strumento per la valutazione delle prestazioni: la simula-
zione ad eventi discreti. Infine si propone anche un breve spiegazione circa le
principali assunzioni su cui si basano la maggior parte dei modelli analitici
presenti in letteratura.
Nel Capitolo 2 proponiamo una overview riguardo la letteratura ineren-
te i modelli analitici. Il contesto di riferimento è principalmente costituito
dalla letteratura riguardante i modelli per la valutazione ed il miglioramento
delle performance di linee transfer, tuttavia si fornisce un quadro generale
anche per altri tipi di sistemi di produzione come, per esempio, i sistemi di
assemblaggio/disassemblaggio (A/D systems) ed i sistemi a loop.
I Capitoli 3 e 4 sono dedicati allo sviluppo di due nuovi modelli analitici
per la valutazione delle performance di linee composte da due macchine: si
assumono tempi di ciclo deterministici, capacità finita dei buffer e guasti del-
le macchine di tipo TD. Più in dettaglio, nel Capitolo 3 si analizza il building
block nel caso di un unico guasto di tipo time-dependent. Nel Capitolo 4,
invece, si ammette che le macchine costituenti il building block siano carat-
terizzate da più tipi di guasto, sia di tipo TD che di tipo OD e la soluzione è
ottenuta in forma chiusa solo per un massimo di due guasti per macchina. In
entrambi i capitoli si pone particolare attenzione alla descrizione sia delle as-
sunzioni, delle convenzioni e della terminologia, sia della tecnica risolutoria.
Alla fine di ciascun capitolo viene analizzata la consistenza del modello e, nel
caso con singolo modo di guasto, si propone anche un’approfondita analisi
comparativa con altri modelli presenti in letteratura.
Nel Capitolo 5 si definisce il contesto industriale preso come riferimento
per il lavoro. Dopo una breve presentazione generale di Scania AB, l’atten-
vi
Sommario
zione si sposta sulla descrizione approfondita del sistema produttivo studiato.
In particolare si forniscono le caratteristiche architetturali sia del sistema fisi-
co (layout, macchine di lavorazione, attrezzature e prodotto) sia del sistema
di controllo del processo (supervisore e sistema di raccolta dati).
Il Capitolo 6 è infine dedicato alla descrizione della metodologia di mo-
dellizzazione e all’analisi del caso reale. Essa è proposta passo per passo,
partendo dal metodo utilizzato per ottenere ed analizzare statisticamente i
dati disponibili sul system database, per arrivare poi alla stima delle perfor-
mance e alla proposta di soluzioni migliorative. In particolare, per quanto
riguarda la fase di miglioramento delle performance sono state individuate
ed implementate tre differenti leve su cui agire. Nella sezione 6.5.1 sono stati
individuati gli specifici tipi di guasto i cui tempi di riparazione sono carat-
terizzati da un sensibile impatto sulla performance del sistema. Sono state
quindi definite le priorità di intervento in caso di guasti simultanei. La sezio-
ne 6.5.2 è dedicata alla presentazione dello studio di buffer optimization: si
mostra come le performance del sistema aumentino sensibilmente con un’ot-
tima allocazione della capacità dei buffer tra le macchine. In ultimo, nella
sezione 6.5.3 si riporta una nuova applicazione del "problema dell’interferen-
za" tra operatori e stazioni da riparare. In particolare, il modello classico
dell’interference problem è modificato per tener conto del fatto che la squa-
dra di riparazione può essere composta da più operatori e non da uno solo.
Viene inoltre proposta ed applicata un’ulteriore estensione, in grado di tener
conto dell’impatto di differenti politiche di allocazione degli operatori alle
macchine sulle performance del sistema.
vii
Introduction
Manufacturing system performance evaluation is a critical task for a com-
pany, both in the configuration and in the running phase. During the first
phase, a number of alternatives has to be evaluated, in order to choose the
best system configuration and to perform an optimal design. On the other
hand, the vital importance of never ending pursuit for efficiency and effec-
tiveness puts shop floor continuous improvement at the centre of production
engineer attention.
According to Six Sigma approach, the first step to improve a system is
to quantitative understand how it works and what variables mainly affect its
behaviour. Nevertheless, modern production systems are becoming increas-
ingly complex, both from the physical and from the information management
point of view. Therefore, analysis methods able to predict the performance of
complex systems, such as flow lines, are extremely important for an effective
factory design and management.
For such a purpose two main different tools are presented in literature:
discrete event simulation and analytical models. The main advantage of
analytical approximate techniques is that they are able to predict quickly
and accurately the performance of the system, such as the production rate,
the average buffer levels, the machine utilizations and so forth, over a range
xxi
Introduction
of different system configurations and set of parameters, in order to develop
the optimal configuration.
Research Problem and Motivation
The present master thesis work originates in the context of manufacturing
system performance analysis and optimization, with the aim to propose a
new analytical model for performance evaluation of two-machine lines char-
acterized by deterministic processing times, finite buffer capacity and ma-
chines affected by both time-dependent and operation-dependent failures.
It also presents an in-depth study of a multinational automotive company
manufacturing line with regard to the system analysis and performance im-
provement.
Starting from the industrial case study, we recognized the possibility to
develop a new analytical model for performance evaluation of transfer lines
submitted to particular features. Existing analytical models usually deal
only with operation-dependent failures1 because they are the majority in
most manufacturing systems and, at the same time, they simplify the model
mathematical treatment. On the other hand, most of modern transfer lines
are affected not only by such disruption types, but also by time-dependent
failures2. These disruptions are only influenced by how long a machine is
turned on and can therefore occur also if the machine is not producing a
1Operation Dependent Failures (ODFs) are failure types that occur only if the machine
is processing a part, for instance a tool breaking.
2Time Dependent Failures (TDFs) are failure types occurring whether or not a machine
is processing a part, such as electronic failures.
xxii
Introduction
part. One typical example is the spindle of a lathe that is frequently kept ro-
tating, even if no parts are being produced, yet the lathe may overheat (and
thus breakdown) any time the spindle is rotating. In literature the analytical
solution is presented only for lines affected either by different operation-
dependent disruptions or by one single time-dependent failure. We think it
is necessary to consider explicitly TDFs, if the aim is to derive more and
more accurate estimations. Following this idea we propose, besides a first
model where the analysis is carried out for a single time-dependent failure,
also a multiple failure mode model, where machines can fail in two differ-
ent disruption types, the first one operation-dependent and the second one
time-dependent. With this second approach it is possible to show how the
difference in throughput estimation changes, when the probability of the
time-dependent failure increases.
With regard to the industrial case study, the analysis, the modeling and
the improvement of a transfer line at Scania is presented. Such line pro-
duces 6-cylinder engine blocks by means of 23 stations, consisting in NC
machines and other stations including light assembling, washing and a final
quality control. Being the line also equipped with a semi-automatic data
collection system, a big amount of production data is available in the system
database, but such information are useless, because no organized analysis
tool is available at the company. In the present work we aim at showing the
potentiality of analytical models in evaluating the most important produc-
tion performances of this manufacturing system and at demonstrating how
they can also be used to suggest improvement directions. It is possible to
principally orient these directions toward either the technology process and
the intrinsic machine reliability or the process management. Specifically,
xxiii
Introduction
while in the former case the objective is to increase the system production
rate through, for instance, the use of more efficient and effective tools, equip-
ment and machine structural components, in the latter one the focus shifts
to a better utilization of the already available resources, that is a system
re-configuration. Following the given distinction, this part of our work deals
with the second approach. Starting from the data collection using the com-
pany database, the line is then modelled using a well-known analytical model.
Performances like throughput, average buffer levels, starvation and blocking
probabilities with the related causes have been accurately evaluated. In the
end buffer optimization, repair crew optimization and time to repair reduc-
tion are identified being the best option to achieve significant increments in
throughput.
Thesis Outline
The thesis consists of six chapters and two appendixes. The information
included in the chapters are enough for a full understanding of the work, in
the appendixes are reported details regarding the analysis tools and further
numerical results.
Chapter 1 provides a general introduction to manufacturing systems,
with particular attention to transfer lines, and to analytical models as perfor-
mance evaluation tools useful during the system design and running phases.
An effective comparison between analytical models and simulation tech-
niques, matched with specific literature references, is also proposed. In the
end we give a description of the main modeling assumptions shared by analy-
tical models for transfer lines.
In Chapter 2 a comprehensive literature overview regarding analytical
xxiv
Introduction
models is presented; our focus is principally on analytical models for flow line
performance evaluation and improvement, even if we refer also to models for
other types of manufacturing systems.
Chapter 3 and Chapter 4 are dedicated to the development of two new
models to address transfer lines characterized by deterministic processing
times, finite buffer capacity and time-dependent failures. In particular, in
Chapter 3 the single failure mode analysis is presented. Such analysis is
the starting point to develop, in Chapter 4, the solution for the multiple
failure modes case. In both chapters a particular attention to model as-
sumptions, terminology, conventions, as well as to solution technique ex-
planation is payed. In the end of these chapters and in Appendix A also
models consistency evaluation and comparisons with other existing models
are proposed.
In Chapter 5 we present the industrial case study. After a general
presentation of the multinational automotive company, we focus on the in-
depth description of the manufacturing system. In particular we give an
account for both the physical system (layout, machines, equipment, workers
and item produced) and the control system (the supervisor and the data
collection system).
Finally, Chapter 6 is dedicated to the modeling and the analysis of the
industrial case study. Our operative methodology is proposed clearly and step
by step, starting from the way we collected and analysed the shop floor data
and arriving to system performance evaluation and improvement solution
proposals. Causes mainly affecting the performances of the line are analyt-
ically identified and three different studies for improving the manufacturing
system are proposed and their increments in throughput are quantified.
xxv