A loading approach for a FMS equipped with zero-point fixture systems

Production planning and machine loading problem are two relevant issues when managing manufacturing systems in markets characterized by small volumes and high variability. Flexible Manufacturing Systems (FMS) are nowadays very common due to their possibility of performing a high variety of machining operations. However, their productivity is often limited by the fact that other resources like the fixtures with which pieces are fixed on the pallets are not as flexible as FMS. A new kind of fixture systems, called “Zero-Point Fixture Systems” (or “Zero-Point Clamping Systems”, ZPC) has been recently introduced into the market. By means of very precise pneumatic or hydraulic clamping systems, they allow reducing pallet set-up times and permit to change their configurations in a simple and fast way. In literature, there is no evidence of machine loading problems that take simultaneously into account the availability of the resources and the possibility of changing their configuration over periods without a pre-defined length. This work tries to fill this gap by developing a loading approach for a FMS equipped with Zero-Point Fixture Systems. It exploits a decomposition in two optimization models in order to limit the computational complexity. The models are written and solved by means of the software IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. The validation of the proposed method is performed on a simulated industrial case involving the production of two different products that require 5 different set-up positions to complete all the machining workingsteps on FMS. Experimental tests with different combinations of demand profiles show that in several situations there could be a relevant advantage with the loading approach with ZPC systems, in terms of reduction of makespan and better utilization of resources, compared to a traditional approach without pallet reconfiguration. A brief analytic performance evaluation is then performed to evaluate the degree of approximation of the model. Final considerations are then made about limits and advantages of the developed approach and suggestions for future research are given.

La pianificazione della produzione e l’allocazione delle operazioni alle macchine sono due aspetti rilevanti nella gestione dei sistemi manifatturieri nei mercati caratterizzati da piccoli volumi ed alta variabilità. I Sistemi di Produzione Flessibile (FMS) sono oggi molto comuni per la possibilità di compiere un grande numero di lavorazioni con una efficienza più alta dei sistemi Job-Shop. La loro flessibilità è tuttavia limitata dal fatto che altre risorse, ad esempio i supporti che fissano i pezzi ai pallet, non posseggono la stessa flessibilità. Un nuovo tipo di sistemi di fissaggio, chiamati “Zero-Point Fixture Systems” (ZPC), è stato recentemente introdotto sul mercato. Per mezzo di sistemi di bloccaggio pneumatici o idraulici molto precisi, essi permettono di ridurre i tempi di set-up e consentono di cambiare la configurazione dei pallet in maniera semplice e veloce. In letteratura non sono ancora presenti approcci di machine loading che tengano simultaneamente conto della disponibilità delle risorse e della possibilità di variare la loro configurazione su un orizzonte composto da periodi di lunghezza variabile. Questo lavoro vuole sviluppare un approccio di loading per un sistema FMS dotato di pallet con Zero-Point Fixture Systems. Esso sfrutta una decomposizione in due modelli di ottimizzazione al fine di limitare la complessità computazionale. Tali modelli vengono implementati per mezzo del software IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. La validazione della metodologia proposta è quindi effettuata con un caso industriale simulato che prevede la realizzazione di due prodotti. Test sperimentali con diverse combinazioni dei profili di domanda mostrano le situazioni nelle quali l’approccio di loading con ZPC risulta vantaggioso rispetto ad un approccio con pallet tradizionali, in termini di riduzione del makespan e migliore utilizzazione delle risorse. Una breve valutazione analitica delle performance è quindi effettuata per valutare il grado di approssimazione del modello. I vantaggi e i limiti della metodologia sono quindi discussi, insieme a proposte e suggerimenti per studi futuri.