Riduzione delle perdite e incremento dell'indice OEE di un'isola di lavoro mediante l'applicazione di metodologie SMED e TPM

Questo elaborato nasce da uno stage presso lo stabilimento Bonfiglioli Trasmital S.p.A. di Forlì, un’azienda manifatturiera specializzata nella produzione, costruzione e distribuzione di motoriduttori di velocità, sistemi di azionamento e motoriduttori epicicloidali applicati nel campo industriale, dell’automazione, delle macchine movimento terra e nell’ambito delle energie alternative. Il progetto ha lo scopo di aumentare la disponibilità di un impianto di tempra ad induzione. La scelta di tale impianto quale oggetto dell’attività, proviene da un’analisi delle ore di disponibilità perse per inefficienza, nell’anno 2012, in tutto il reparto di lavorazione meccanica dello stabilimento produttivo di Forlì e dall’analisi dell’OEE (Overall equipment effectiveness), indicatore principale per stabilire l’efficienza di un impianto. Analizzando la natura delle perdite del macchinario, tipicamente guasti, micro fermate e setup, si è deciso di applicare le tecniche di TPM e dello SMED: il TPM (Total Productive Maintenance) persegue l’obiettivo di migliorare la produttività degli impianti e la loro efficacia, grazie alla riduzione delle cause di perdita ricercando il miglioramento continuo del processo di produzione e della qualità, mentre lo SMED (Single-Minute Exchange of Die) è una metodologia volta alla riduzione dei tempi di cambio produzione; la grande innovazione di tale teoria risiede nella possibilità di ridurre fortemente i tempi impiegati per effettuare un’operazione di setup con un solo digit ossia in un lasso di tempo inferiore a dieci minuti.

Optimal Supervisory Control of Hybrid Vehicles

Hybrid vehicles (HV), comprising a conventional ICE-based powertrain and a secondary energy source, to be converted into mechanical power as well, represent a well-established alternative to substantially reduce both fuel consumption and tailpipe emissions of passenger cars. Several HV architectures are either being studied or already available on market, e.g. Mechanical, Electric, Hydraulic and Pneumatic Hybrid Vehicles. Among the others, Electric (HEV) and Mechanical (HSF-HV) parallel Hybrid configurations are examined throughout this Thesis. To fully exploit the HVs potential, an optimal choice of the hybrid components to be installed must be properly designed, while an effective Supervisory Control must be adopted to coordinate the way the different power sources are managed and how they interact. Real-time controllers can be derived starting from the obtained optimal benchmark results. However, the application of these powerful instruments require a simplified and yet reliable and accurate model of the hybrid vehicle system. This can be a complex task, especially when the complexity of the system grows, i.e. a HSF-HV system assessed in this Thesis. The first task of the following dissertation is to establish the optimal modeling approach for an innovative and promising mechanical hybrid vehicle architecture. It will be shown how the chosen modeling paradigm can affect the goodness and the amount of computational effort of the solution, using an optimization technique based on Dynamic Programming. The second goal concerns the control of pollutant emissions in a parallel Diesel-HEV. The emissions level obtained under real world driving conditions is substantially higher than the usual result obtained in a homologation cycle. For this reason, an on-line control strategy capable of guaranteeing the respect of the desired emissions level, while minimizing fuel consumption and avoiding excessive battery depletion is the target of the corresponding section of the Thesis.

Studio dell'energy saving negli impianti farmaceutici: soluzioni ottimali per il ricircolo dei fluidi di processo

Questa tesi si pone il problema di studiare lo stato dell’arte degli impianti di produzione farmaceutici e di formulare, in base ai risultati ottenuti, uno o più possibili ipotesi di recupero d’energia, con particolare attenzione ai fluidi termo-vettori: in altri termini, questa tesi si prefissa l’obiettivo di realizzare un sistema utile e concreto per recuperare parte dell’energia termica, che nell'attuale concezione dell’impianto e dei suoi macchinari andrebbe smaltita e persa nei fluidi in uscita dal processo, e convertirla in energia riutilizzabile. Come modello per lo studio del problema, si fa riferimento a un tipico layout di produzione del farmaco, progettato e dimensionato dalla ditta IMA S.p.A. , settore Active, il quale entra come “materiale grezzo” ed esce come prodotto finito. L’azienda concepisce e progetta tipicamente le sue macchine e, di conseguenza, i suoi impianti in base alla quantità di prodotto che mediamente ogni ciclo produttivo lavorerà: in parole povere, gli impianti della divisione Active di IMA S.p.A. sono dimensionati e suddivisi per “taglie”.

Affidabilità dell'isolamento di spira di motori alimentati da convertitori di potenza: Valutazione dello stress e verifiche sperimentali

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

Automotive diesel engine transient operation: modeling, optimization and control

Traditionally, the study of internal combustion engines operation has focused on the steady-state performance. However, the daily driving schedule of automotive engines is inherently related to unsteady conditions. There are various operating conditions experienced by (diesel) engines that can be classified as transient. Besides the variation of the engine operating point, in terms of engine speed and torque, also the warm up phase can be considered as a transient condition. Chapter 2 has to do with this thermal transient condition; more precisely the main issue is the performance of a Selective Catalytic Reduction (SCR) system during cold start and warm up phases of the engine. The proposal of the underlying work is to investigate and identify optimal exhaust line heating strategies, to provide a fast activation of the catalytic reactions on SCR. Chapters 3 and 4 focus the attention on the dynamic behavior of the engine, when considering typical driving conditions. The common approach to dynamic optimization involves the solution of a single optimal-control problem. However, this approach requires the availability of models that are valid throughout the whole engine operating range and actuator ranges. In addition, the result of the optimization is meaningful only if the model is very accurate. Chapter 3 proposes a methodology to circumvent those demanding requirements: an iteration between transient measurements to refine a purpose-built model and a dynamic optimization which is constrained to the model validity region. Moreover all numerical methods required to implement this procedure are presented. Chapter 4 proposes an approach to derive a transient feedforward control system in an automated way. It relies on optimal control theory to solve a dynamic optimization problem for fast transients. From the optimal solutions, the relevant information is extracted and stored in maps spanned by the engine speed and the torque gradient.

Design and Characterization of Curved and Spherical Flexure Hinges for Planar and Spatial Compliant Mechanisms

A flexure hinge is a flexible connector that can provide a limited rotational motion between two rigid parts by means of material deformation. These connectors can be used to substitute traditional kinematic pairs (like bearing couplings) in rigid-body mechanisms. When compared to their rigid-body counterpart, flexure hinges are characterized by reduced weight, absence of backlash and friction, part-count reduction, but restricted range of motion. There are several types of flexure hinges in the literature that have been studied and characterized for different applications. In our study, we have introduced new types of flexures with curved structures i.e. circularly curved-beam flexures and spherical flexures. These flexures have been utilized for both planar applications (e.g. articulated robotic fingers) and spatial applications (e.g. spherical compliant mechanisms). We have derived closed-form compliance equations for both circularly curved-beam flexures and spherical flexures. Each element of the spatial compliance matrix is analytically computed as a function of hinge dimensions and employed material. The theoretical model is then validated by comparing analytical data with the results obtained through Finite Element Analysis. A case study is also presented for each class of flexures, concerning the potential applications in the optimal design of planar and spatial compliant mechanisms. Each case study is followed by comparing the performance of these novel flexures with the performance of commonly used geometries in terms of principle compliance factors, parasitic motions and maximum stress demands. Furthermore, we have extended our study to the design and analysis of serial and parallel compliant mechanisms, where the proposed flexures have been employed to achieve spatial motions e.g. compliant spherical joints.

Towards Centrifugal Compressor Stages Virtual Testing

Flow features inside centrifugal compressor stages are very complicated to simulate with numerical tools due to the highly complex geometry and varying gas conditions all across the machine. For this reason, a big effort is currently being made to increase the fidelity of the numerical models during the design and validation phases. Computational Fluid Dynamics (CFD) plays an increasing role in the assessment of the performance prediction of centrifugal compressor stages. Historically, CFD was considered reliable for performance prediction on a qualitatively level, whereas tests were necessary to predict compressors performance on a quantitatively basis. In fact "standard" CFD with only the flow-path and blades included into the computational domain is known to be weak in capturing efficiency level and operating range accurately due to the under-estimation of losses and the lack of secondary flows modeling. This research project aims to fill the gap in accuracy between "standard" CFD and tests data by including a high fidelity reproduction of the gas domain and the use of advanced numerical models and tools introduced in the author's OEM in-house CFD code. In other words, this thesis describes a methodology by which virtual tests can be conducted on single stages and multistage centrifugal compressors in a similar fashion to a typical rig test that guarantee end users to operate machines with a confidence level not achievable before. Furthermore, the new "high fidelity" approach allowed understanding flow phenomena not fully captured before, increasing aerodynamicists capability and confidence in designing high efficiency and high reliable centrifugal compressor stages.

Eye-trauma: Event driven control software for gesture recognition in medical simulation

Il progetto Eye-Trauma si colloca all'interno dello sviluppo di un simulatore chirurgico per traumi alla zona oculare, sviluppato in collaborazione con Simulation Group in Boston, Harvard Medical School e Massachusetts General Hospital. Il simulatore presenta un busto in silicone fornito di moduli intercambiabili della zona oculare, per simulare diversi tipi di trauma. L'utilizzatore è chiamato ad eseguire la procedura medica di saturazione tramite degli strumenti chirurgici su cui sono installati dei sensori di forza e di apertura. I dati collezionati vengono utilizzati all'interno del software per il riconoscimento dei gesti e il controllo real-time della performance. L'algoritmo di gesture recognition, da me sviluppato, si basa sul concetto di macchine a stati; la transizione tra gli stati avviene in base agli eventi rilevati dal simulatore.

Dynamic analysis of the motorcycle chattering behaviour by means of symbolic multibody modelling

Aim of this research is the development and validation of a comprehensive multibody motorcycle model featuring rigid-ring tires, taking into account both slope and roughness of road surfaces. A novel parametrization for the general kinematics of the motorcycle is proposed, using a mixed reference-point and relative-coordinates approach. The resulting description, developed in terms of dependent coordinates, makes it possible to efficiently include rigid-ring kinematics as well as road elevation and slope. The equations of motion for the multibody system are derived symbolically and the constraint equations arising from the dependent-coordinate formulation are handled using a projection technique. Therefore the resulting system of equations can be integrated in time domain using a standard ODE algorithm. The model is validated with respect to maneuvers experimentally measured on the race track, showing consistent results and excellent computational efficiency. More in detail, it is also capable of reproducing the chatter vibration of racing motorcycles. The chatter phenomenon, appearing during high speed cornering maneuvers, consists of a self-excited vertical oscillation of both the front and rear unsprung masses in the range of frequency between 17 and 22 Hz. A critical maneuver is numerically simulated, and a self-excited vibration appears, consistent with the experimentally measured chatter vibration. Finally, the driving mechanism for the self-excitation is highlighted and a physical interpretation is proposed.

Principi e metodi della robotica evolutiva

L’intelligenza artificiale, ovvero lo studio e la progettazione di sistemi intelligenti, mira a riprodurre alcuni aspetti dell’intelligenza umana, come il linguaggio e il ragionamento deduttivo, nei computer. La robotica, invece, cerca spesso di ricreare nei robot comportamenti adattativi, come l’abilità di manipolare oggetti o camminare, mediante l’utilizzo di algoritmi in grado di generare comportamenti desiderati. Una volta realizzato uno di questi algoritmi specificamente per una certa abilità, si auspica che tale algoritmo possa essere riutilizzato per generare comportamenti più complessi fino a che il comportamento adattativo del robot non si mostri ad un osservatore esterno come intelligente; purtroppo questo non risulta sempre possibile e talvolta per generare comportamenti di maggiore complessità è necessario riscrivere totalmente gli algoritmi. Appare quindi evidente come nel campo della robotica l’attenzione sia incentrata sul comportamento, perché le azioni di un robot generano nuove stimolazioni sensoriali, che a loro volta influiscono sulle sue azioni future. Questo tipo di intelligenza artificiale (chiamata propriamente embodied cognition) differisce da quella propriamente detta per il fatto che l’intelligenza non emerge dall’introspezione ma dalle interazioni via via più complesse che la macchina ha con l’ambiente circostante. Gli esseri viventi presenti in natura mostrano, infatti, alcuni fenomeni che non sono programmati a priori nei geni, bensì frutto dell’interazione che l’organismo ha con l’ambiente durante le varie fasi del suo sviluppo. Volendo creare una macchina che sia al contempo autonoma e adattativa, si devono affrontare due problemi: il primo è relativo alla difficoltà della progettazione di macchine autonome, il secondo agli ingenti costi di sviluppo dei robot. Alla fine degli anni ’80 nasce la robotica evolutiva che, traendo ispirazione dall’evoluzione biologica, si basa sull’utilizzo di software in grado di rappresentare popolazioni di robot virtuali e la capacità di farli evolvere all’interno di un simulatore, in grado di rappresentare le interazioni tra mente e corpo del robot e l’ambiente, per poi realizzare fisicamente solo i migliori. Si utilizzano algoritmi evolutivi per generare robot che si adattano, anche dal punto di vista della forma fisica, all’ambiente in cui sono immersi. Nel primo capitolo si tratterà di vita ed evoluzione artificiali, concetti che verranno ripresi nel secondo capitolo, dedicato alle motivazioni che hanno portato alla nascita della robotica evolutiva, agli strumenti dei quali si avvale e al rapporto che ha con la robotica tradizionale e le sue declinazioni. Nel terzo capitolo si presenteranno i tre formalismi mediante i quali si sta cercando di fornire un fondamento teorico a questa disciplina. Infine, nel quarto capitolo saranno mostrati i problemi che ancora oggi non hanno trovato soluzione e le sfide che si devono affrontare trattando di robotica evolutiva.

Mechanical behavior of flat and curved laminates interleaved by electrospun nanofibers

A major weakness of composite materials is that low-velocity impact, introduced accidentally during manufacture, operation or maintenance of the aircraft, may result in delaminations between the plies. Therefore, the first part of this study is focused on mechanics of curved laminates under impact. For this aim, the effect of preloading on impact response of curved composite laminates is considered. By applying the preload, the stress through the thickness and curvature of the laminates increased. The results showed that all impact parameters are varied significantly. For understanding the contribution rate of preloading and pre-stress on the obtained results another test is designed. The interesting phenomenon is that the preloading can decrease the damaged area when the curvature of the both specimens is the same. Finally the effect of curvature type, concave and convex, is investigated under impact loading. In the second part, a new composition of nanofibrous mats are developed to improve the efficiency of curved laminates under impact loading. Therefore, at first some fracture tests are conducted to consider the effect of Nylon 6,6, PCL, and their mixture on mode I and mode II fracture toughness. For this goal, nanofibers are electrospun and interleaved between mid-plane of laminate composite to conduct mode I and mode II tests. The results shows that efficiency of Nylon 6,6 is better than PCL in mode II, while the effect of PCL on fracture toughness of mode I is more. By mixing these nanofibers the shortage of the individual nanofibers is compensated and so the Nylon 6,6/PCL nanofibers could increased mode I and II fracture toughness. Then all these nanofibers are used between all layers of composite layers to investigate their effect on damaged area. The results showed that PCL could decrease the damaged area about 25% and Nylon 6,6 and mixed nanofibers about 50%.

Regolazione della pompa elettrica del carburante a bassa pressione: Analisi dell'impatto sul consumo specifico di un motore a combustione interna

The trend of CO2 emission limit and fuel saving due to the oil price increase and are important drivers for engines development. The engine auxiliary devices electrification (g.e fuel pump) is a way to reduce the energy consumption, because it becomes possible to control them depending on engine operation point, this kid of management can be applied to the electric low-pressure pump. Usually the fuel delivery is performed at the maximum flow rate and a pressure regulator discharges the exceeding fuel amount inside the rail (gasoline engine) or upstream of the high pressure pump (common rail diesel engine). In this work it has been investigated the fuel saving achievable through a proper control of the electric fuel pump on a small common rail diesel engine, and a control architecture is proposed. The aim was to maximize the fuel economy without any impact on pressure control in the engine transient conditions. L'andamento del limite di emissioni di CO2 e il risparmio di carburante dovuto all'aumento del prezzo del petrolio sono fattori importanti per lo sviluppo dei motori. I dispositivi ausiliari, come la pompa del carburante, sono un modo per ridurre il consumo energetico, in quanto diventa possibile controllarli a seconda del punto di funzionamento del motore, questo tipo di gestione può essere applicato alla pompa elettrica a bassa pressione. Solitamente la portata del combustibile viene eseguita alla portata massima e un regolatore di pressione si scarica la quantità eccedente di carburante all'interno del rail (motore a benzina) o a monte della pompa a alta pressione (common rail motore diesel). In questo lavoro è stato studiato il risparmio di combustibile ottenibile attraverso un adeguato controllo della pompa elettrica del carburante su un piccolo motore diesel common rail e viene proposta una architettura di controllo. Lo scopo è quello di massimizzare il risparmio di carburante, senza alcun impatto sul controllo della pressione nelle condizioni transitorie del motore.

Displacement Analysis of Under-Constrained Cable-Driven Parallel Robots

This dissertation studies the geometric static problem of under-constrained cable-driven parallel robots (CDPRs) supported by n cables, with n ≤ 6. The task consists of determining the overall robot configuration when a set of n variables is assigned. When variables relating to the platform posture are assigned, an inverse geometric static problem (IGP) must be solved; whereas, when cable lengths are given, a direct geometric static problem (DGP) must be considered. Both problems are challenging, as the robot continues to preserve some degrees of freedom even after n variables are assigned, with the final configuration determined by the applied forces. Hence, kinematics and statics are coupled and must be resolved simultaneously. In this dissertation, a general methodology is presented for modelling the aforementioned scenario with a set of algebraic equations. An elimination procedure is provided, aimed at solving the governing equations analytically and obtaining a least-degree univariate polynomial in the corresponding ideal for any value of n. Although an analytical procedure based on elimination is important from a mathematical point of view, providing an upper bound on the number of solutions in the complex field, it is not practical to compute these solutions as it would be very time-consuming. Thus, for the efficient computation of the solution set, a numerical procedure based on homotopy continuation is implemented. A continuation algorithm is also applied to find a set of robot parameters with the maximum number of real assembly modes for a given DGP. Finally, the end-effector pose depends on the applied load and may change due to external disturbances. An investigation into equilibrium stability is therefore performed.

Dinamiche gestionali dell'aeroporto Federico Fellini di Rimini

Traffico aereo negli ultimi anni in Europa, in Italia e a Rimini. Cause della crisi economica e operativa dello scalo di Rimini e sviluppo della gestione dei servizi di assistenza a terra.

Studio e implementazione di un codice per l'impacchettamento di un propellente solido

Studio dell’impacchettamento di un propellente solido tramite un codice realizzato in ambiente Matlab nel laboratorio di propulsione e macchine della Scuola di ingegneria e architettura con sede a Forlì. Tale studio è stato realizzato in quanto l’impacchettamento di materiale solido risulta essere di fondamentale importanza in molti settori dell’industria odierna, come il settore spaziale, minerario, farmaceutico e altri ancora. L’obiettivo è quello di riuscire a ottimizzare il volume occupato, in questo caso dal propellente, all’interno di un predeterminato dominio di controllo. Poter massimizzare lo spazio a disposizione permette di avere vantaggi sia in termini economici che di prestazione (ad esempio permette di avere a parità di volume una maggiore quantità di propellente a disposizione).