Reconfigurability and design of manufacturing systems

Abstract

As empresas precisam de lidar com mudanças cada vez mais frequentes no mercado, como por exemplo, a introdução de novos produtos ou novas tecnologias e grandes variações no volume da procura e no mix de produtos. Os sistemas de produção reconfiguráveis (SPR) assumem grande importância neste contexto. De fato, os SPR assumem um papel relevante para proporcionar alta capacidade de resposta ao mercado, o que é um fator-chave para a competitividade. Os SPR incorporam a reconfigurabilidade, que é essencial para reorganizar os seus componentes face a mudanças ambientais e tecnológicas, de maneira económica. A reconfigurabilidade, por sua vez, é composta por características centrais como modularidade, integrabilidade, customização, escalabilidade, convertibilidade e diagnosticabilidade. No entanto, apesar de sua importância, a realização de SPR na prática, ou seja, a implementação da reconfigurabilidade em sistemas de produção reais, ainda se encontra num estágio inicial. Este estudo pretende contribuir para uma melhor compreensão dos SPR, as suas características centrais e os problemas associados ao seu projeto, a fim de facilitar a implementação futura deste conceito em empresas. Este trabalho adota uma abordagem multi-metodológica que combina investigação empírica quantitativa e um estudo de caso. Esta tese está estruturada a partir de um contexto genérico para um contexto específico. Esta é composta por três partes principais, cada qual com objetivos específicos. Na primeira parte, um questionário é desenvolvido para investigar o conceito de reconfigurabilidade e até que ponto esta característica está atualmente implementada em indústrias de diferentes setores. O impacto da reconfigurabilidade no desempenho operacional das empresas e a necessidade de reconfigurabilidade em empresas que adotam diferentes estratégias de produção também são discutidos nesta parte da tese. Na segunda parte deste estudo, o problema do projeto de layout no contexto de SPR é analisado. Para tal, uma revisão sistemática da literatura é realizada com o intuito de identificar os principais desafios impostos pelos SPR para o projeto de layout. Além disso, o paradigma da Indústria 4.0 promove novas tecnologias que podem proporcionar às empresas a capacidade de lidar com mudanças abruptas no mercado. A introdução dessas novas tecnologias em sistemas de produção também pode contribuir para alavancar a reconfigurabilidade destes sistemas. Portanto, na terceira parte, são discutidos os impactos da introdução da robótica colaborativa móvel, com o objetivo de alavancar a reconfigurabilidade de linhas de montagem. As contribuições deste trabalho têm implicações teóricas e práticas. Os contributos da parte empírica quantitativa são úteis para identificar quais são, de fato, as características centrais da reconfigurabilidade, como elas impactam no desempenho operacional dos sistemas de produção e a sua influência sobre sistemas que operam com diferentes estratégias de produção. Os resultados da revisão da literatura apontam várias áreas-chave que podem ser seguidas em pesquisas futuras. As principais contribuições do estudo de caso avançam na identificação das vantagens e desvantagens da introdução de robótica colaborativa móvel nas linhas de montagem. Esse conhecimento é importante para a indústria, pois contribui para a efetiva realização de SPR.

Companies must deal with increasingly market changes, such as the introduction of new products, new technologies and large fluctuations on demand volume and product mix. Reconfigurable manufacturing systems (RMS) assume a great importance in this context. Indeed, they assume a relevant role in achieving responsiveness, which is a key enabler of competitiveness. RMS have reconfigurability embedded, which is essential to rearrange systems’ components to respond to environmental and technological changes in a cost-effective way. Reconfigurability, in turn, is composed by core characteristics such as modularity, integrability, customisation, scalability, convertibility and diagnosability. Nevertheless, despite their importance, the achievement of RMS in practice, \textit{i.e.} the implementation of reconfigurability in actual manufacturing systems, is still in an initial stage. This study is intended to contribute to a better understand of RMS, their core characteristics and design, in order to facilitate the future implementation of this concept in manufacturing companies. This work adopts a multi-methodological approach, that combines quantitative empirical research and case study. This thesis is structured from a generic to a specific context. It is composed by three main parts, each with specific objectives. In the first part, a questionnaire survey is developed to investigate the concept of reconfigurability and to what extent this ability is implemented in current manufacturing companies, from different industrial sectors. The impact of reconfigurability in the operational performance of companies and the need for reconfigurability in companies that adopts different business production strategies are also discussed in this part of the thesis. In the second part of this study, the layout design problem in the context of RMS is analysed. To do so, a systematic literature review is conducted intending to identify the main challenges posed by RMS to the layout design problem. In addition to that, the Industry 4.0 paradigm promotes novel technologies that can provide manufacturing companies the ability to cope with abrupt market changes. The introduction of these novel technologies in manufacturing systems may also contribute to leverage their reconfigurability. Therefore, in the third part, the impacts of the introduction of mobile collaborative robotics, aiming at leveraging the reconfigurability of assembly lines, are discussed. The contributions of this research have theoretical and practical implications. The findings of the quantitative empirical part are useful to identify which are actually the core characteristics of reconfigurability, how they impact on the operational performance of manufacturing systems and their influence on different business production strategies. The outcomes of the literature review highlight many key areas that may be pursued in future research. The main contributions of the case study move towards the identification of the advantages and drawbacks of introducing mobile collaborative robotics on assembly lines. This knowledge is valuable to the manufacturing industry, contributing to the achievement and design of actual RMS.