From the digital twin to the predictive maintenance : an Industry 4.0 project of a servopress

In recent years, Industry 4.0 is one of the most prevalent subjects in production engineering, many technological fields are touched, when talking of digitalization of manufacturing process. Well known software in the past started the virtualization of machines, as FEM, CAD and CAM, but they were essentially isolated. The needs to extend the mechatronic concept of the machine to design, program and validate the controller, leaded to the so called “virtual commissioning”. The aim of this thesis is to implement a Digital twin of a Servo press for modelling a multi-domain system, that helps to size torque motors and to evaluate optimal monitoring conditions. Indeed, another key principle of Industry 4.0 is to increase the knowledge of the process obtained through monitoring. The combination of models and process monitoring will be useful not only in the development and design stages, but mainly during the production stage to check that production is running smoothly, detect wear and tear without needing to halt production or predict component failure and other disruptions. Moreover, the work has the intention to mix different software’s simulator, for a complete analysis that goes from the logic validation to the vibration analysis. The latter will suggest an innovative correlation analysis between motor’s current and structure vibrations, caused by the forming process, through the manipulation of frequency power spectrum of the two signals, for optimizing and reducing the monitoring costs. The thesis was supported by the “Zani S.p.a.”, italian manufacturer company of press systems; “Siemens S.p.a” as providers of technologies and solutions for industry 4.0 and supervised by the professor Francesco Castelli Dezza, full professor at “Politecnico di Milano”.

Negli ultimi anni, Industry 4.0 è uno degli argomenti più diffusi nell'ingegneria della produzione, molti campi tecnologici vengono toccati quando si parla di digitalizzazione dei processi di produzione. In passato, ben noti software avviavano la virtualizzazione delle macchine, come FEM, CAD e CAM, ma erano essenzialmente isolati. La necessità di estendere il concetto meccatronico della macchina per progettare, programmare e convalidare il controller, ha portato alla cosiddetta "messa in servizio virtuale". Lo scopo di questa tesi è quello di implementare un gemello digitale di una pressa Servo per la modellazione di un sistema multi-dominio, che aiuti a dimensionare i motori di coppia e a valutare condizioni di monitoraggio ottimali. Infatti, un altro principio chiave di Industry 4.0 è quello di aumentare la conoscenza del processo ottenuto attraverso il monitoraggio. La combinazione di modelli e monitoraggio del processo sarà utile non solo nelle fasi di sviluppo e progettazione, ma soprattutto durante la fase di produzione per verificare che la produzione funzioni senza intoppi, rilevare l'usura senza dover interrompere la produzione o prevedere guasti ai componenti e altre interruzioni. Inoltre, il lavoro ha l'intenzione di mescolare il simulatori diversi, per un'analisi completa che va dalla convalida logica all'analisi delle vibrazioni. Quest'ultimo suggerirà un'innovativa analisi di correlazione tra le vibrazioni di corrente e di struttura del motore, causate dal processo di forming, attraverso la manipolazione dello spettro di potenza di frequenza dei due segnali, per ottimizzare e ridurre i costi di monitoraggio. La tesi è stata supportata dalla "Zani S.p.a.", azienda produttrice italiana di sistemi di stampa; "Siemens S.p.a" come fornitore di tecnologie e soluzioni per l'industria 4.0 e sotto la supervisione del professor Francesco Castelli Dezza, professore ordinario presso il "Politecnico di Milano".