Abstract

During the last decades significant changes in the buying behavior of customers can be observed. While in former days price sensitivity lead to more uniformed products, in present days manifold high-quality products and customization with reasonable prices and rapid delivery are demanded.

As a consequence, the industry asks for manufacturing systems which allow for fast ramp-up, multi-variant production and rapid adaptability. In this environment, several scientific approaches such as agent-based and holonic manufacturing systems have been investigated within the last years.

In order to cover all aspects of the foreseen future demands, the architectures for such systems are very complex and the system’s entities are characterized by very flexible behavior. Hence, the efforts for their implementation are rather high and the systems tend to exhibit non-deterministic behavior. Furthermore, the top down approach of most systems leads to a complete re-organization of the factory management. As a consequence the acceptance for such systems in real industrial environment at present day is very limited.

Therefore, the objective of this thesis is to develop an architecture for flexible manufacturing systems which allows for easy take-up in the industry. It is based on a bottom-up approach with a new kind of flexible, intelligent shop-floor components called Manufactrons. The architecture covers all layers of traditional factory organization with special emphasis on the shop floor organization. The approach and results are based on the research activities of the European Research Project XPRESS in which representatives of three major industry branches collaborated in order to find a solution for their future demands on flexible manufacturing systems.

The architecture has been implemented in the context of XPRESS in aerospace, automotive and electrical industry. The tests show the feasibility of the approach. The capability for a smooth integration of the new approach into existing manufacturing environment has successfully been demonstrated.

Tiivistelmä

Viime vuosikymmeninä asiakkaiden ostokäyttäytyminen on muuttunut merkittävästi. Ennen asiakkaiden hintatietoisuus johti yhtenäisiin tuotteisiin, kun taas nykyään vaaditaan moninaisempia tuotteita ja muokattavuutta kohtuulliseen hintaan. Samaan aikaan odotetaan korkealaatuisia tuotteita ja nopeaa toimitusta. Nämä seikat ovat aiheuttaneet tuotantoteollisuudelle uusia haasteita. Reagoidakseen nopeasti asiakkaiden vaatimuksiin tuotannonsuunnittelussa on alettu keskittymään korkealaatuisten tuotemuunnelmien määrän kasvattamiseen.

Tämän vuoksi tarvitaan tuotantojärjestelmiä, jotka mahdollistavat nopean Ramp Up -prosessin, moneenmuuntuvan tuotannon ja nopean mukautuvuuden. Tätä aihetta on viime vuosina lähestytty esimerkiksi agentteihin perustuvien ja holonisten tuotantojärjestelmien kautta. Kuitenkin näihin tulevaisuuden haasteisiin pystytään vastaamaan vain kompleksisilla arkkitehtuureilla ja järjestelmän entiteeteille ominaisia ovat hyvin mukautuvat käyttäytymismallit. Näiden toteuttamiseen tarvitaan paljon työtä ja järjestelmillä on tapana käyttäytyä epä-deterministisesti. Lisäksi ylhäältä alas lähestymistapa johtaa usein tehtaan täydelliseen uudelleenorganisointiin, minkä vuoksi lähestymistapaa ei suosita oikeissa teollisuusympäristöissä.

Tämän väitöstyön tarkoituksena on kehittää mukautuville tuotantojärjestelmille arkkitehtuuri, joka mahdollistaa järjestelmien helpon käyttöönoton teollisuudessa. Arkkitehtuuri perustuu alhaalta ylös -lähestymistapaan ja sisältää uudenlaisen joustavan ja älykkään tuotantotilakomponentin, manufactronin. Arkkitehtuuri kattaa kaikki perinteisen tehdasorganisaation kerrokset keskittyen kuitenkin erityisesti tuotantotilojen organisointiin.

Lähestymistapa ja tulokset perustuvat Euroopan Unionin XPRESS-tutkimusprojektiin. Projektissa tehtiin yhteistyötä kolmen suuren teollisuushaaran kanssa tarkoituksena löytää joustava tuotantojärjestelmäratkaisu tulevaisuutta varten. Arkkitehtuuria sovellettiin XPRESS-projektissa lentokone-, auto- ja elektoniikkateollisuuteen ja testit osoittivat lähestymistavan soveltuvuuden. Myös lähestymistavan sujuva integrointi olemassa oleviin teollisuusjärjestelmiin osoitettiin onnistuneesti.