Methodology for design and implementation of flexible robotic workstations for reconfigurable manufacturing systems

Abstract

Modern market requirements raise significant challenges for manufacturing systems which need to compensate for product variability, shorter product life cycles and the growing demand for personalization of goods. Conventional assembly lines, although efficient for mass production, struggle to adapt to these evolving requirements due to hard automation, fixed programming, and high reconfiguration costs. This dissertation aims to address these limitations by proposing a methodology for the design of flexible robotic workstations for Reconfigurable Manufacturing Systems (RMS). A comprehensive RMS design methodology is presented, encompassing specification analysis, system engineering, implementation, and acceptance phases. This methodology can direct important design decisions for meeting case-oriented industrial needs through proper selection, design and deployment of enabling technologies driven by five technological pillars, namely “dexterity”, “reasoning”, “reconfigurability”, “human-robot collaboration”, and “human-centricity”. The methodology is implemented and validated through five industrially motivated case studies deriving from the consumer goods, automotive, white goods, and composites industries. These scenarios present various particularities in terms of product characteristics and complexity requiring advanced handling and cognition technologies. The demonstrated solutions, deployed in either in laboratory or industrial relevant environments, showcase how reconfigurable robotic workstations can achieve flexibility, high productivity, and improved product quality, while also enhancing operator safety and ergonomics through human-centric technologies. Aiming to increase the dissertation’s impact, special attention was given to sectors involving flexible materials whose manufacturing systems remain predominantly manual due to the limited ability of robots to proficiently manage the deformation of non-rigid parts. The results validate that the proposed solutions not only bridge the gap between rigid and non-rigid product automation but also pave the way toward human-centric, sustainable, and resilient manufacturing systems aligned with Industry 4.0 and Industry 5.0 principles.

Οι σύγχρονες απαιτήσεις της αγοράς θέτουν σημαντικές προκλήσεις για τα συστήματα παραγωγής, τα οποία καλούνται να ανταπεξέλθουν στη μεταβλητότητα των προϊόντων, στους συντομότερους κύκλους ζωής τους και στην αυξανόμενη ζήτηση για εξατομίκευση των αγαθών. Οι συμβατικές γραμμές συναρμολόγησης, αν και αποδοτικές για μαζική παραγωγή, δυσκολεύονται να προσαρμοστούν στις εξελισσόμενες απαιτήσεις της αγοράς λόγω της σκληρής αυτοματοποίησης και του υψηλού κόστους αναδιαμόρφωσης τους. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών, προτείνοντας μια μεθοδολογία για τον σχεδιασμό ευέλικτων ρομποτικών σταθμών εργασίας για Επαναδιαμορφώσιμα Συστήματα Παραγωγής (Reconfigurable Manufacturing Systems - RMS). Παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία σχεδιασμού RMS, η οποία περιλαμβάνει τις φάσεις της ανάλυσης προδιαγραφών, τη τεχνική ανάπτυξη του συστήματος, της υλοποίησης και της αξιολόγηση του. Η μεθοδολογία αυτή μπορεί να καθοδηγήσει κρίσιμες σχεδιαστικές αποφάσεις για την κάλυψη εξειδικευμένων βιομηχανικών αναγκών, μέσω της κατάλληλης επιλογής, σχεδιασμού και εφαρμογής υποστηρικτικών τεχνολογιών που βασίζονται σε πέντε τεχνολογικούς πυλώνες, ονομαστικά «επιδεξιότητα», «ευφυΐα», «επαναδιαμορφωσιμότητα», «συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ» και «ανθρωποκεντρικότητα». Η μεθοδολογία εφαρμόζεται και επικυρώνεται μέσω πέντε βιομηχανικών σεναρίων από τους κλάδους των προϊόντων προσωπικής φροντίδας, της αυτοκινητοβιομηχανίας, των λευκών συσκευών και των σύνθετων υλικών. Τα σενάρια αυτά παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιαιτερότητες ως προς τα χαρακτηριστικά και την πολυπλοκότητα των προϊόντων, απαιτώντας προηγμένες τεχνολογίες χειρισμού και αντίληψης. Οι λύσεις που παρουσιάζονται, εφαρμοσμένες είτε σε εργαστηριακά είτε σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, αναδεικνύουν πώς οι επαναδιαμορφώσιμοι ρομποτικοί σταθμοί εργασίας μπορούν να επιτύχουν ευελιξία, υψηλή παραγωγικότητα και βελτιωμένη ποιότητα προϊόντων, ενισχύοντας παράλληλα την ασφάλεια και την εργονομία των εργαζομένων μέσω ανθρωποκεντρικών τεχνολογιών. Με στόχο την αύξηση του αντικτύπου της διατριβής, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση σε βιομηχανικούς κλάδους που διαχειρίζονται εύκαμπτα υλικά, των οποίων τα συστήματα παραγωγής παραμένουν κυρίως μη αυτοματοποιημένα λόγω της περιορισμένης ικανότητας των ρομποτικών βραχιόνων να διαχειρίζονται αποτελεσματικά την παραμόρφωση των υλικών αυτών. Τα αποτελέσματα επικαιροποιούν ότι οι προτεινόμενες λύσεις όχι μόνο γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ του αυτοματισμού συναρμολόγησης εύκαμπτων και δύσκαμπτων προϊόντων, αλλά και ανοίγουν τον δρόμο προς ανθρωποκεντρικά, βιώσιμα και ανθεκτικά συστήματα παραγωγής, ευθυγραμμισμένα με τις αρχές της Βιομηχανίας 4.0 και της Βιομηχανίας 5.0.