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Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

I.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiI.2 Organization and Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiAcknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xiii

Chapter 1: Introduction to Automotive Product Engineering . . . 11.1 Vehicle Development Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Product Engineering and Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Engineering Change Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.3 Lifecycle Analysis in Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111.1.4 PLM Principle and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Architectures of Passenger Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.1 Passenger Vehicle Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.2 Vehicle Body Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3 Sheet Metal Parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3 Materials for Vehicle Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3.1 Conventional and New Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.2 Non-ferrous Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.3.3 Nonmetallic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.3.4 Considerations in Material Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.4.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.4.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Chapter 2: Methodology of Assembly System Development. .452.1 System Development Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.1.1 Manufacturing Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.1.2 Development Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.2 Main Approaches for Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.2.1 Systems Engineering in Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.2.2 Design for Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2.3 Lean Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3 Project Management for Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

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2.3.1 Project Management Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.3.2 Alternative Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.3.3 Project Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.3.4 Project Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.4 Challenges and Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762.4.1 System Intelligence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762.4.2 Virtual Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772.4.3 Additive Manufacturing Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.5.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.5.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Chapter 3: Analyses of New Manufacturing Systems. . . . . . . . . . . 853.1 System Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.1.1 Reliability Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.1.2 Analysis of Workstation Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.1.3 Analysis of Assembly Line Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.2 Manufacturing Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.2.1 Overview of Manufacturing Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.2.2 Challenges to Manufacturing Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2.3 Discussion on Assembly System Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.2.4 Design for Manufacturing Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.3 Other Capabilities of Assembly Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.3.1 Cycle Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.3.2 Product Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.3.3 System Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.4 Economic Analysis of Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.4.1 Economic Comparison of Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.4.2 Assessment of New Manufacturing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . .112

3.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1173.5.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1173.5.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1183.5.3 Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Chapter 4: Design of Vehicle Assembly Systems . . . . . . . . . . . . . . 1234.1 Considerations in System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.1.1 Requirements of Manufacturing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.1.2 Characteristics of Assembly Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.2 Application of Hierarchical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.2.1 Product Assembly Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.2.2 Overall Development Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384.2.3 First Step: To Design System Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

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4.2.4 Second Step: To Configure Assembly Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.2.5 Considerations in System Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.3 Development of System Layouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.3.1 Vehicle Assembly Layouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.3.2 Considerations in Layout Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544.3.3 Dimensions of Assembly Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614.4.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614.4.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Chapter 5: Process Planning for Vehicle Assembly . . . . . . . . . . . . 1655.1 Process Engineering for Vehicle Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.1.1 Assembly Process Planning Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.1.2 Considerations in Process Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5.2 Process Planning of Workstations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1725.2.1 Process Task Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.2.2 Operation Time Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1765.2.3 Efficiency of Manpower Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.3 Technical Focuses in Process Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1845.3.1 Operation Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1845.3.2 Process Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885.3.3 Process Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.4 Proactive Planning using FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.4.1 FMEA Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.4.2 P-FMEA Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1965.4.3 M-FMEA Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

5.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2025.5.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2025.5.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2035.5.3 Analysis Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Chapter 6: Automatic and Manual Operations . . . . . . . . . . . . . . . . 2076.1 Manufacturing Automation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.1.1 Automation Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2076.1.2 Control Logic of Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2126.1.3 Applications of Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

6.2 Robotic Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2206.2.1 Industrial Robot Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2206.2.2 Robots in Vehicle Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2246.2.3 Safety Considerations for Robotic Applications . . . . . . . . . . . . . 2286.2.4 Advance—Collaborative Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.3 Considerations for Manual Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

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6.3.1 Characteristics of Manual Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.3.2 Worker Safety Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2346.3.3 Ergonomic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

6.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2426.4.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2426.4.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Chapter 7: Design and Arrangement of Supportive Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

7.1 System Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.1.1 Buffers in Manufacturing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.1.2 Influences of Buffers on Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.1.3 Buffer Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

7.2 Inbound Logistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547.2.1 Delivery of Incoming Materials and Parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.2.2 Shipping Racks and Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2577.2.3 Part and WIP Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.2.4 Facilities Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

7.3 Part and WIP Transfer in Assembly Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2637.3.1 Part Delivery Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2637.3.2 Robotic Material Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2647.3.3 Large Conveyance Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.4 Build-in Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.4.1 Quality Assurance Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.4.2 Rework and Pull-off Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2757.4.3 Cost Considerations in Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

7.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.5.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.5.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Chapter 8: Management of Tooling Development. . . . . . . . . . . . 2858.1 Assembly Tooling Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

8.1.1 Functionality of Assembly Tooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2858.1.2 Development of Special Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2878.1.3 Tooling Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

8.2 PLP Principles and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2968.2.1 GD&T for Automotive Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2968.2.2 Part Locating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2988.2.3 Considerations for Locating Compliant Parts . . . . . . . . . . . . . . . 300

8.3 Fixture Functional Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3068.3.1 Fixture Components and Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3068.3.2 Fixture Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

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8.4 Fixture Dimensional Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3148.4.1 Principle and Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3148.4.2 Dimensional Accuracy Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3158.4.3 Functional Repeatability Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

8.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3248.5.1 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3248.5.2 Research Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

About the Author . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

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