A systematic approach for the development of industrial automation

The introduction of automation in the industry allows to increase the pro- ductivity and to reduce the production costs, preserving the competitiveness of the companies on the market. In addition, by reducing the operators physical workload, the human labor can be exploited in higher level tasks, in which the cognitive capabilities of the human mind are still unmatched by the machines. However, the conversion from a manual production system to an automatic one requires an accurate study to assess its feasibility; this phase allows to detect hid- den criticalities in the process and to select the best solution to these problems. This Thesis reports two different automation projects developed during an in- ternship at the Electrolux facility of Solaro, which is dedicated to the production of dishwashers. The first project required to assess the feasibility of introduc- ing a new line automation in the plant, with a very specific focus on a single workstation. The involved process required to assemble a series of components on the bottom side of the dishwasher, the most important of which is the water sump. This procedure is currently performed manually and the focus of the study was to verify that the complete assembly could be reproduced and modified to be executed automatically; once this possibility was confirmed, the conceptual design of the new workstation has been developed. However, this first analy- sis has been coupled with a second one, based on a different point of view on automation, which is emerging in the industrial environment: the collaborative automation. During this process the focus of the analysis has been extended also to the adjacent stations to verify the possibility of introducing a partial collabo- rative automation on the involved workstation. Since this procedure obtained a positive outcome, the development of the conceptual design for this alternative has been carried out similarly to the previous case. Once both the proposals were complete, an evaluation of the best one from the company point of view was performed; since the second approach resulted to be the most promising one, the details of its conceptual design have been included in the Electrolux Specification Sheet to be sent to the automatic equipment suppliers. The second project required a complete change of perspective, since the goal was the development of an automatic centralized packaging system for the plant, which would collect the completely assembled dishwashers from the four produc- tion lines and it would execute the complete packaging procedure. A different set of problems has been faced during this analysis, that was performed in col- laboration with a team of Electrolux employees due to the magnitude of the project. The feasibility was assessed also in this case and the plant layout has been adapted to accommodate the new system; the production logic of the overall automatic equipment has been defined and a preliminary conceptual design for the project has been developed. Similarly to the first case, the results have been embedded in the Electrolux Specification Sheet that has been forwarded to the suppliers. During the two analysis a common methodical approach has been used, follow- ing the Pahl and Beitz’s Design Process: the effective requirements have been identified and successively included in a comprehensive specification, then the procedures have been formalized through IDEF0 diagrams and their criticalities have been assessed. Then a range of possible solutions could be proposed and finally an evaluation of their performances, supported by the Guideline VDI 2225 standard, has been made, making use of different criteria chosen according to the company needs. In particular, the utilization of IDEF0 for the analysis of the current process and of its possible evolution is an innovative application approach in the industrial automation field. The obtained results were sufficiently satisfac- tory and the use of an innovative method allowed the designer to determine the main strong and weak spots of the approach. A common general conclusion can be drawn from these case studies: the use of a methodical approach definitely improved the effectiveness of the effort during the development phases, maintaining a constant level of order and elevating the quality of the results. In particular, the initial phase was crucial to correctly determine the requirements for the projects, in order to develop a solution for the right problem. However, due to the necessities and constraints proper of the industrial environment, a fully methodical approach could not be always re- spected and, to obtain the best outcomes, this was combined with the intuitive insight and expertise typical of the work on the field. In the end, the obtained results allowed to find a compromise between the academic and industrial reali- ties, improving the process development thanks to a methodical approach and at the same time satisfying the company requirements by producing some tangible outcomes.

L’introduzione di automazione in ambito industriale favorisce l’aumento di produttività e la riduzione dei costi di produzione, permettendo alle aziende di conservare la competitività sul mercato. Inoltre, riducendo il carico di lavoro fisico degli operatori, il loro impegno può essere reindirizzato verso operazioni di più alto livello, nelle quali le capacità cognitive della mente umana rimangono inavvicinate dalle macchine. Tuttavia, la conversione da un sistema di produ- zione manuale ad uno automatico richiede lo svolgimento di un accurato studio di fattibilità; questa fase consente di individuare le criticità insite nel processo e di selezionare la soluzione ideale di conseguenza. Nel corso di questa tratta- zione sono descritti due differenti progetti di automazione sviluppati nel corso di un tirocinio presso lo stabilimento Electrolux di Solaro, dedicato alla produzione di lavastoviglie. Il primo si focalizza sull’introduzione di una nuova automazione nell’impianto di produzione, con riferimento ad una specifica postazione di lavoro. Il processo considerato consiste nell’assemblaggio di una serie di componenti sul fondo della lavastoviglie, tra i quali il principale risulta essere il pozzetto di carico e scarico dell’acqua. Tale procedura è attualmente eseguita in modo manuale e lo scopo dello studio è stato quello di verificare che il processo potesse essere ese- guito automaticamente, in seguito ad eventuali opportune modifiche; una volta confermata tale possibilità, un primo progetto concettuale della nuova postazione di lavoro è stato sviluppato. Inoltre tale analisi è stata affiancata da uno stu- dio alternativo basato sul concetto di automazione collaborativa, evoluzione dei metodi tradizionali il cui impiego si sta affermando nei contesti industriali. Nel corso di questo progetto lo spettro dell’analisi è stato esteso alle stazioni adia- centi, al fine di verificare la possibilità di introdurre una parziale automazione collaborativa nella postazione di interesse. Avendo ottenuto un esito positivo in questa fase, lo sviluppo del progetto concettuale è stato successivamente affron- tato, analogamente a quanto svolto nel caso precedente. Una volta completate entrambe le proposte, una valutazione è stata svolta in base ai criteri aziendali per selezionare la soluzione più adatta; poiché la seconda proposta è stata con- siderata più promettente, i dettagli del progetto svolto sono stati inseriti nella Specifica Electrolux dedicata, che è stata successivamente inviata ai fornitori. L’analisi del secondo progetto ha richiesto un completo cambio di prospettiva, poiché l’obiettivo richiedeva lo sviluppo di un sistema di imballaggio centralizza- to per l’intero impianto, in grado di ricevere i prodotti finiti dalle quattro linee di assemblaggio e di processarne il completo confezionamento. Una serie differen- te di problemi è stata affrontata durante tale studio, prodotto in collaborazione con un gruppo di dipendenti Electrolux per via delle dimensioni consistenti del progetto. Anche in questo caso un’analisi di fattibilità è stata prodotta e, aven- do ottenuto un esito positivo, la disposizione dell’impianto è stata adeguata per accogliere il nuovo sistema; inoltre, la logica di produzione delle apparecchiature automatiche è stata definita e un disegno concettuale è stato elaborato. Analoga- mente al primo progetto, tali risultati sono stati inclusi nella Specifica Electrolux dedicata ed inviati ai fornitori. Durante lo sviluppo dei due progetti è stato utilizzato un metodo comune, de- nominato "Pahl and Beitz’s Design Process": inizialmente le effettive necessità sono state individuate ed incluse in una dettagliata specifica tecnica, in seguito i processi sono stati formalizzati facendo uso del linguaggio IDEF0 e le relative criticità sono state determinate. Successivamente è stato possibile avanzare una serie di possibili soluzioni, le quali sono state sottoposte ad una valutazione delle prestazioni facendo uso dei criteri concordati con l’azienda e dello standard VDI 2225. In particolare, l’utilizzo del formalismo IDEF0 per l’analisi del processo cor- rente e lo studio delle sue possibili evoluzioni è da considerarsi un’applicazione innovativa nell’ambito dell’automazione industriale. I risultati ottenuti durante lo sviluppo di questi progetti possono essere ritenuti soddisfacenti; inoltre, l’uti- lizzo di un metodo sistematico ed innovativo ha concesso di determinare pregi e difetti dello stesso. Una conclusione comune può essere dedotta al termine delle due analisi: l’ap- plicazione di un approccio metodico ha favorito l’efficacia degli sforzi prodotti durante le fasi di sviluppo, consentendo di mantenere un livello costante di or- dine ed elevando la qualità dei risultati. In particolare le fasi iniziali sono state indispensabili per l’esatta individuazione delle necessità, essenziale per produrre una soluzione al problema corretto. Tuttavia, a causa delle esigenze e dei vin- coli propri del contesto industriale, non è sempre stato possibile rispettare uno svolgimento completamente metodico dei progetti e, per ottenere delle soluzio- ni soddisfacenti, questo è stato affiancato all’intuizione e all’esperienza tipica di chi lavora da tempo in tale ambito. Per concludere, i risultati ottenuti hanno concesso di trovare un compromesso tra la realtà accademica e quella industriale, migliorando lo sviluppo dei progetti grazie ad un approccio metodico ed al tempo stesso soddisfacendo le esigenze dell’azienda grazie ai tangibili esiti raggiunti.