Aide à la Décision pour l’Optimisation du Niveau d’Automatisation lors de la Conception des Systèmes d’Assemblage Industriels.

Early Phase Assembly Systems Design, Automation Alternatives Description, and Optimization : A Support to Automation Decision

• Auteur / Autrice : Anas Salmi
• Direction : Éric Blanco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel : conception et production
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Clemson university
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Caillaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre David, Joshua D. Summers, Giorgio Colombo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Grabot, Olga Battaïa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines d'assemblage

Automatisation

Mots clés libres

Niveau d'automatisation

Decider

Systèmes d'assemblages

Conception

Optimisation

Level of Automation

Deciding

Assembly systems

Design

Optimization

Résumé

Dans le cadre de ma thèse portant sur la détermination du niveau d’automatisation optimal pour la conception des lignes d’assemblage, une revue de littérature exhaustive a été élaborée en premier lieu sur le sujet. La revue a confirmé que peu de travaux traitent ce problème et montre un manque de méthodologies objectives et méthodiquement applicable afin de pouvoir fournir une aide à la décision d’automatisation. A la suite, les facteurs et critères intervenants dans la décision ont été identifiés. Une méthodologie guidant une décision multicritère dédiée aux systèmes d’assemblages a été établie. Cette méthode, permet la prise en compte de différents critères décisionnels, tels que : le temps et le coût d’assemblage, le critère qualité, l’aspect ergonomique, la stratégie et les préférences de l’industriel, la localisation et le contexte économique, la capacité d’investir ou l’aspect social de l’entreprise.La méthodologie de décision établie nécessite en particulier une méthode graphique standardisée de représentation du processus d’assemblage et de l’allocation des ressources. Les méthodes graphiques existantes concernant la représentation de processus d’assemblage ont été donc revues et analysées. Ceci a conduit à la définition d’une nouvelle méthode graphique dédiée établie par inspirations et combinaison de méthodes existantes afin de répondre aux exigences du sujet définies au préalable. Après définition de cette méthode baptisée ASML pour « Assembly Sequences Modeling Language », un vocabulaire standardisé de mouvements élémentaires d’assemblage a été réutilisé de la littérature.Un vocabulaire de plus haut niveau, celui des taches et techniques d’assemblage, en lien avec le premier, a ensuite été défini pour diverses raisons. Ceci permettra de bénéficier à la fois d’une facilité et d’une rapidité de modélisation avec l’utilisation du vocabulaire de taches défini, mais aussi des avantages du premier vocabulaire tel que la détermination des temps d’assemblage ou la détection des opérations répétitives comme signes propices pour une éventuelle automatisation à étudier. L’ensemble permet de définir, organiser, et représenter la séquence d’assemblage par analyse du design du produit. Une démarche d’allocation adéquate représente une conséquence directe qui a été définie en compagnie de certaines règles définie en cohérence avec les principes du « lean manufacturing ».Nous nous intéressons ensuite à l’intégration du critère coût vu l‘importance des investissements générés par des automatisations. Une revue exhaustive en estimation de coût a été ainsi établie. A la suite, un modèle intégré permettant l’estimation du coût d’assemblage par produit a été défini. Ce modèle, basé sur les estimations de temps du processus ainsi que sur des informations stratégiques de la production planifiée, a la vocation de prédire le coût d’assemblage par produit pour une alternative de système en question.A ce stade, tous les éléments sont réunis pour la modélisation et la prédiction de performance d’une alternative candidate de système d’assemblage. Or l’objectif est de déterminer la meilleure configuration possible, il est nécessaire d’appliquer l’approche sur plusieurs options possibles ou alternatives d’assemblage. Ce processus ne peut évidemment pas être réalisé d’une manière individuelle ou manuelle, et donc une implémentation d’un module de génération de scénarios possibles puis leurs évaluations est ainsi nécessaire. Cette implémentation a été réalisée par le développement d’une méthode de résolution exacte par formulation mathématique en un programme linéaire en nombre entiers. L’approche globale a été validée sur des exemples numériques, académiques de la littérature, mais aussi industriels. Les résultats s’avèrent ainsi prometteurs et représentent une approche innovante en matière de décision du niveau d’automatisation, un domaine qui manque de littérature et d’aide en décision.

This work is performed in the context of PhD dissertation of Anas Salmi in Grenoble INP – School of Industrial Engineering. The thesis is supervised by Dr. Eric Blanco (Grenoble INP – GSCOP laboratory) and co-supervised by Dr. Pierre David (Grenoble INP – GSCOP laboratory) and Pr. Joshua Summers (Clemson University – CEDAR laboratory).The work aims at defining a procedure and tool to help assembly manufacturers, particularly deciders, managers, and systems designers in the decision about automation for their assembly processes design. The purpose is to orient to the optimal Level of Automation (LoA) of the process since the early conceptual design phase.The purpose is to provide the most appropriate solution, most profitable, with consideration of the production requirements, product design features and characteristics, assembly sequence, and manufacturer’s exigencies and preferences and prior decision criteria from different point of views such as quality level, ergonomics, reliability, and manufacturer’s best practices and historical data. Different manufacturer’s constraints have also to be also taken into account in the decision such as social, financial and investment potentials, as well as the location and labor rate.A state of the art of the topic was realized and has shown that the literature about LoA deciding is not abundant. This need to support LoA deciding and delicacy of such process were also recognized by several assembly manufactures and researchers.A first main contribution consists in a multi-criteria LoA decision methodology proposal involving several identified decision criteria to be considered in the decision process.The approach generated a need to define an adequate modelling language. A new graphic Assembly Sequences Modeling Language (ASML) was then defined allowing conceptual assembly processes modelling since the early phase by assembly operations with different architectural possibilities. A standard model can be then defined introducing an intuitive and generic way to define systems with various automation levels alternatives.Rules and time standard databases were also developed allowing assembly systems ASML modelled time estimation based on standardized motions, corresponding time standards, and process’ architectures.To easier the alternatives generation and for better standardization, a high layer vocabulary of 20 standardized assembly tasks, associated to the modelling language, is defined. These developments allow a quick modelling and time estimation when automatically linked to the motions vocabulary.As the economic criterion represents the major occupation and criterion for every manufacturer in such heavy investment, an early phase cost model is developed after an exhaustive review in the field. The cost model, when combined to the previous developments, allows assembly systems alternatives cost prediction with consideration of selected automation options.To computerize the automation decision approach and the exhaustive generation of assembly systems alternatives for the sake of finding the optimal configuration, a mathematical integer formulation is developed and validated. The model is implemented in CPLEX OPL and allows the convergence to the optimal configuration with consideration of the different entered constraints and manufacturers preliminary preferences as input matrices.This work includes theoretical and industrial validations. It opens multiple perspectives and openings in the field of assembly systems design, particularly the rationalization of product and process integrated development by the assembly system automatic generation directly from the product design CAD tool. Other openings of work instructions generation and standardization may represent also promising openings.