This thesis report describes a product development within industrial design where a new concept for a corner fixture will be developed with the help of a pre-study and material from parallel work groups. The project is developed for the company Husmuttern AB. Husmuttern AB is working on producing module houses in micro factories with the vision to combine the lack of housing and low-skilled jobs to something positive.The new corner fixture should fit in with the other assortments of fixtures and with a big focus that the user of the corner fixture shall work ergonomically and with safety. The main question formulation is “How is the fixture optimized and best designed with the updated components?”The thesis project results in a concept for a corner fixture developed together with Husmuttern AB CEO, Johan Tjernell as well as other companies that are potential providers for Husmuttern AB. / Detta examensarbete omfattar ett produktutvecklingsprojekt inom industriell design där ett nytt koncept för en hörnfixtur ska tas fram med hjälp av förstudie och material från parallella arbetsgrupper. Arbetet görs för företaget Husmuttern AB. Husmuttern AB jobbar på att producera modulhus som ska kunna tas fram i mikrofabriker med visionen att kombinera bristen på bostäder och lågkvalificerade arbeten till något positivt.Den nya hörnfixturen ska vara anpassad till övrig produktion av fixturer och ett stort fokus ligger på att användaren av hörnfixturen ska arbeta på ett ergonomiskt och säkert sätt. Den huvudsakliga frågeställningen för projektet är Hur optimeras och utformas fixturen bäst utefter uppdaterade komponenter?Examensarbetet resulterar i ett koncept för en hörnfixtur framtaget tillsammans med Husmuttern ABs VD, Johan Tjernell samt diverse företag som är potentiella leverantörer åt Husmuttern AB. / Husmuttern AB

Tesis para optar al grado de Magíster en Gestión de Operaciones / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Industrial / El fútbol es uno de los deportes más populares a nivel mundial, y dada esta popularidad, no es sorpresa el hecho de que existan intereses sociales y económicos en torno a este deporte. Dentro de las principales actividades asociadas al desarrollo de competencias de fútbol, se encuentra la calendarización de los partidos, la cual se realiza antes del inicio de un campeonato. Es posible que exista más de un calendario o fixture factible, y en ese caso se debe elegir uno de ellos. Sin embargo, los equipos participantes podrían no ser indiferentes ante distintas opciones de calendarios, ya que podrían considerar que se les está perjudicando o beneficiando de alguna forma. Es por eso que en este trabajo se estudia si existe un efecto de la calendarización en el desarrollo de un torneo de fútbol. En primer lugar, se estudia si los fixtures tienen efecto en la posición de un equipo al final torneo, mediante la definición de distintos indicadores que cuantifican la dificultad con que se inicia un campeonato. Adicionalmente, se estudia si hay un efecto de la dificultad de inicio en la variación de los niveles de asistencia de público. Por otro lado, se proponen modelos de simulación de campeonatos de fútbol, y se utilizan para comparar distintos fixtures factibles en términos de las probabilidades simuladas de salir campeón, clasificar a torneos internacionales y descender de cada equipo participante. Tanto para el estudio de efectos como para las simulaciones, se utilizaron datos de la Premier League entre los años 1993 y 2018. Dentro de los resultados obtenidos del estudio del efecto de inicio de campeonatos, destaca la existencia de un efecto asociado al nivel de dificultad al inicio de un torneo, donde la definición de dificultad está dada según la tabla de posiciones del torneo anterior. En particular, se encuentra que a mayor cantidad de partidos fáciles al inicio de un torneo, los equipos podrían terminar, en promedio, hasta 3 posiciones más arriba en la tabla de posiciones. Con respecto a la comparación de fixtures en términos de probabilidades de fin de torneo, se muestra que existen diferencias entre distintos fixtures para dichas probabilidades. Finalmente, se propone un criterio de evaluación de fixtures que toma en consideración los resultados de simulaciones de torneos según los modelos propuestos.

Thesis (M.S.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: error proofing; foolproofing; poka-yoke; free-form surfaces; fixture. Includes bibliographical references (p. 76-78).

This study presents Computer-Aided Fixture Design Verification (CAFDV) - the methods and implementations to define, measure and optimize the quality of fixture designs. CAFDV verifies a fixture for its locating performance, machining surface accuracy, stability, and surface accessibility. CAFDV also optimizes a fixture for its locator layout design, initial clamping forces, and tolerance specification. The demand for CAFDV came from both fixture design engineers and today's supply chain managers. They need such a tool to inform them the quality of a fixture design, and to find potential problems before it is actually manufactured. For supply chain managers, they will also be able to quantitatively measure and control the product quality from vendors, with even little fixture design knowledge. CAFDV uses two models - one geometric and one kinetic - to represent, verify and optimize fixture designs. The geometric model uses the Jacobian Matrix to establish the relationship between workpiece-fixture displacements, and the kinetic model uses the Fixture Stiffness Matrix to link external forces with fixture deformation and workpiece displacement. Computer software for CAFDV has also been developed and integrated with CAD package I-DEAS TM. CAD integration and a friendly graphic user interface allows the user to have easy interactions with 3D models and visual feedback from analysis results.

The objectives of Sensor Based Fixture Design and Verification (SFDV) research are to provide the means for detecting contact failure of the workpiece with fixture locators and for preventing incorrect loading of the workpiece in a fixture. The fixtures that involve complex free-form surfaces especially in the aerospace industries face problems caused by the contact failure of the workpiece with locators. In batch and mass production defects often occur due to incorrect loading of the workpiece in a fixture by an operator due to fatigue or inadvertence. The current fixturing research is focussed on improving the fixture quality and other aspects and do not address these issues. This research is focussed on three areas, to generate algorithms for automatically foolproofing the fixtures, to build locators with embedded sensors that could be used to verify the contact and foolproof the existing fixtures, and to design and experimentally validate fixtures for free-form surfaces with sensors to verify the location. In foolproofing, workpieces were classified into different categories to identify the existence of a solution and the geometry was simplified and used to search for a solution based on symmetry/asymmetry to discover a foolproofing location. The algorithms were implemented in a CAD software and the solutions were verified in 3D space. The locators with inbuilt sensors were designed for foolproofing and location verification purposes and the sensors were used in case studies to establish credibility. A sensor based fixture design method is created for the part location of free-form surfaces using fiber optic sensors. An experimental fixture with sensors incorporated in the locators was used to determine the effects of surface curvature on the sensitivity of the sensors. A new theory on best locations for the sensor based locators by utilizing surface curvature is proposed based on the experimental results. The SFDV implementation may help realize the dream for any manufacturing sys­tem aspiring to move beyond the six sigma levels of quality and achieve zero defects.

Det finns företag inom den svenska industrin som är intresserade av att tillämpa fixturer för byggnation av huskomponenter. I förhoppningen av att fixturerna ska medföra samma produktionsmässiga fördelar till byggindustrin som de redan gör inom andra industrier idagsläget. Ändamålet med fixturerna är att huskomponenterna som producerade i fixturerna ska bli billigare att tillverka i jämförelse med traditionell husbyggnation. Vilket leder till möjligheten att uppföra billigare bostäder. Samtidigt som fixturerna skapar en förhoppning av att de ska öppna upp för fler att arbeta med produktion av bostäder, genom att fixturerna sänker kravet på tidigare yrkesskicklighet och utbildning för att kunna producera högkvalitativa produkter. Därigenom har en inkorporering av fixturer inom byggindustrin möjlighet till att bidra positivt i samhällsutvecklingen rörande både bostads- och långtidsarbetslöshet.  Dock är forskning på området bristfällig och det saknas kunskap om hur en eventuell tillämpning av fixturer inom byggindustrin kan se ut. Därför utför det här projektet en fallstudie i utvecklandet av en fixtur. Fallstudien är utgörs av ett pilotprojekt mellan företaget Husmuttern AB och ett av Sveriges ledande byggföretag och ämnar utveckla en fixtur för produktion av innerväggar, vilka ska levereras till ett aktivt bostadsprojekt i Eskilstuna. Projektet följer en produktutvecklingsprocess utvecklad av Ulrich & Eppinger (2019) för att ta fram en adekvat fixturkonstruktion till pilotprojektet. Utöver produktutvecklingsprocessen genomförs en litteraturstudie baserat på metoden framtagen av Hagen-Zanker & Mallet (2013) för att identifiera ett teoretiskt underlag för projektet. Fallstudien syftar till att besvara de tvåforskningsfrågorna: ”Hur kan ergonomin se ut för monteringsarbete vid innerväggsfixturer?”och ”Vilka relationer finns mellan innerväggens byggkrav och tillverkningsfixturens konstruktion?”. Fallstudien resulterade i att en flexibel fixtur konstruerades, vilken: enligt de ergonomiska bedömningsmodeller som applicerades visade på att fixturen bidrog med att skapa en god ergonomisk arbetsplats för de anställda och säkerställde att väggsektionerna som producerades i fixturen uppnådde de rådande byggnationskraven. Den utvecklade konstruktionslösningen visade på förmågan att kunna medföra besparingar på 70 procent för deväggsektionerna som producerades under pilotstudien i jämförelse med den referenskostnad som användes. Besparingen avser produktionskostnaden av innerväggarna där materialkostnaden är exkluderad då den är densamma för båda fallen. Resultatet från fallstudien visade på att det går att tillämpa fixturer inom byggindustrin på ett kostnadseffektivt sätt vid produktion av större volymer komponenter, samtidigt som kravet på erfarenhet reduceras och ergonomin på arbetsplatsen förbättras.  Rapporten innehåller även rekommendationer om fortsatta studier inom ämnet.

This dissertation presents a methodology for the near optimal design of fixture layouts in multi-station assembly processes. An optimal fixture layout improves the robustness of a fixture system, reduces product variability and leads to manufacturing cost reduction. Three key aspects of the multi-station fixture layout design are addressed: a multi-station variation propagation model, a quantitative measure of fixture design, and an effective and efficient optimization algorithm. Multi-station design may have high dimensions of design space, which can contain a lot of local optima. In this dissertation, I investigated two algorithms for optimal fixture layout designs. The first algorithm is an exchange algorithm, which was originally developed in the research of optimal experimental designs. I revised the exchange routine so that it can remarkably reduce the computing time without sacrificing the optimal values. The second algorithm uses data-mining methods such as clustering and classification. It appears that the data-mining method can find valuable design selection rules that can in turn help to locate the optimal design efficiently. Compared with other non-linear optimization algorithms such as the simplex search method, simulated annealing, genetic algorithm, the data-mining method performs the best and the revised exchange algorithm performs comparably to simulated annealing, but better than the others. A four-station assembly process for a sport utility vehicle (SUV) side frame is used throughout the dissertation to illustrate the relevant concepts and the resulting methodology.

This dissertation presents a methodology for the near optimal design of fixture layouts in multi-station assembly processes. An optimal fixture layout improves the robustness of a fixture system, reduces product variability and leads to manufacturing cost reduction. Three key aspects of the multi-station fixture layout design are addressed: a multi-station variation propagation model, a quantitative measure of fixture design, and an effective and efficient optimization algorithm. Multi-station design may have high dimensions of design space, which can contain a lot of local optima. In this dissertation, I investigated two algorithms for optimal fixture layout designs. The first algorithm is an exchange algorithm, which was originally developed in the research of optimal experimental designs. I revised the exchange routine so that it can remarkably reduce the computing time without sacrificing the optimal values. The second algorithm uses data-mining methods such as clustering and classification. It appears that the data-mining method can find valuable design selection rules that can in turn help to locate the optimal design efficiently. Compared with other non-linear optimization algorithms such as the simplex search method, simulated annealing, genetic algorithm, the data-mining method performs the best and the revised exchange algorithm performs comparably to simulated annealing, but better than the others. A four-station assembly process for a sport utility vehicle (SUV) side frame is used throughout the dissertation to illustrate the relevant concepts and the resulting methodology.

Thesis (M.S.)--Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: Fixture stiffness matrix; Jacobian matrix; kinetic model; geometric model; fixture design verification; stability analysis; tolerance analysis; tolerance assignment. Includes bibliographical references (p. 92-97).

Dissertation (Ph.D.) -- Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: Computer-aided fixture design; Finite element analysis; Fixture Stiffness. Includes bibliographical references (p. 140-148).