Optimal balancing of dial-type automated assembly lines

This thesis aims at providing a robust balancing approach for assembly lines, focusing on paced automated systems with a circular configuration. Line balancing is an effective tool to improve the throughput of assembly lines while reducing required equipment and therefore total costs. In this study, assembly line balancing can be defined as assigning number of tasks to various workstations so as to minimize the total cost of the whole system, consisting of the costs of the activated stations and the necessary end-effector. The problem, which is defined as assembly line balancing and assembly tasks assignment, was identified by a mathematical model which relies on a mixed-integer-programming formulation directly implemented in opl language and solved through the standard IBM ILOG CPLEX solver; the model was described for a paced automated assembly line which has mixed model, deterministic operation times, precedence constraints, given maximum cycle times and number of stations and generalized precedence relations. This method is applied to an industrial case provided by the automated assembly systems manufacturer Cosberg, obtaining considerable improvements with respect to the existing solution currently adopted in Cosberg. The thesis work is structured in the following way. The first two chapters are dedicated to the explanation of the technological context in which this work is found and to the exploration of the existing state of the art. The third chapter has the purpose of gradually introduce readers to the industrial problem addressed and to the methodology proposed for its solution, moving on to the problem statement and the explanation of the main modelling choices carried out by the author. This is followed by two chapters in which both the implementation and the validation of the model are deeply dealt with, basing the results on a reference case. The last chapter is dedicated to the experimentation campaign carried out and to the collection of obtained results.

Questa tesi mira a fornire un approccio robusto per il bilanciamento di linee di assemblaggio, focalizzandosi su sistemi automatizzati sincroni con una configurazione circolare. Il bilanciamento delle linee è uno strumento efficace per migliorare il throughput delle linee di montaggio riducendo le attrezzature richieste e, quindi, i costi totali. In questo studio, il bilanciamento della linea di assemblaggio viene definito come l’assegnamento di un numero di attività a diverse stazioni di lavoro in modo da minimizzare il costo totale dell’intero sistema, composto dai costi delle stazioni attivate e degli end-effector necessari. Il problema, definito come assegnamento di operazioni e bilanciamento della linea, è stato identificato da un modello matematico che si basa direttamente sulla formulazione di un problema di programmazione mista intera implementato in linguaggio opl e risolto tramite il risolutore standard IBM ILOG CPLEX Solver; il modello è stato formulato per una linea sincrona e automatizzata di montaggio che ha un modello multiplo, tempi operativi deterministici, vincoli di precedenza, numero di stazioni e tempo ciclo massimi fissati e relazioni di precedenza generalizzate. Questo metodo è stato applicato a un caso industriale fornito dal costruttore di sistemi automatizzati di assemblaggio Cosberg, ottenendo notevoli miglioramenti rispetto al sistema già esistente di Cosberg. Il lavoro di tesi è strutturato nel modo seguente. I primi due capitoli sono dedicati alla spiegazione del contesto tecnologico in cui si trova questo lavoro e all’esplorazione dello stato dell’arte esistente. Il terzo capitolo ha lo scopo di introdurre gradualmente i lettori al problema industriale affrontato e alla metodologia proposta per la sua risoluzione, passando alla dichiarazione del problema ed alla esposizione delle principali scelte di modellazione effettuate dall'autore. Questo è seguito da due capitoli in cui vengono affrontate in modo approfondito sia l’implementazione sia la validazione del modello, basando i risultati su un caso di riferimento. L'ultimo capitolo è dedicato alla campagna di sperimentazione condotta e alla raccolta dei risultati ottenuti.