Ο σχεδιασμός, ως ανθρώπινη ενασχόληση για πολλούς αιώνες, στηρίχθηκε κυρίως στην εμπειρία και στο ταλέντο. Μετά τα μέσα του 20ου αιώνα, αναπτύχθηκαν επιστημονικές προσπάθειες ώστε ο σχεδιασμός να αποτελέσει αυτόνομο επιστημονικό πεδίο. Από τότε αναπτύχθηκαν αρκετές φιλοσοφίες, μοντέλα, μέθοδοι και τεχνικές για το σχεδιασμό. Επειδή ο σχεδιασμός είναι μια νοητική εργασία με ειδικά χαρακτηριστικά για κάθε άτομο ή ομάδα, η συστηματική του οργάνωση είναι πολύ δύσκολη. Η θεωρητική θεμελίωση του σχεδιασμού είναι ακόμη δυσκολότερη και μέχρι τώρα έχουν εμφανιστεί λίγες απόπειρες για την ανάπτυξη μιας γενικευμένης θεωρίας συστηματικού σχεδιασμού, η οποία βρίσκεται σε προεπιστημονικό στάδιο, ενώ έχει αναπτυχθεί πλούσια γνώση που αναφέρεται σε μεθοδολογίες σχεδιασμού καθώς και εφαρμογές. Στη διατριβή αυτή εισάγεται ένα μαθηματικό μοντέλο που συνεισφέρει στη συστηματικοποίηση του θεμελιώδους σχεδιασμού. Ερμηνεύονται με μαθηματικό τρόπο οι γενικές διαδικασίες παραγωγής και αξιολόγησης των λύσεων στο θεμελιώδη σχεδιασμό, και μοντελοποιούνται τα αντικείμενα και οι κανόνες χρησιμοποιώντας ασαφή ή δίτιμη ή πολύτιμη λογική ανάλογα με το πόσο καλά καθορισμένο είναι το πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί. Στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για τη διαδικασία παραγωγής λύσεων στο θεμελιώδη σχεδιασμό. Αναπτύχθηκε ένας μηχανισμός για την αυτόματη παραγωγή βαθμών ικανοποίησης των εφικτών λύσεων ως προς τις σχεδιαστικές προδιαγραφές και των σχεδιαστικών περιορισμών. Το σύνολο των υποψηφίων τελικών λύσεων παράγεται από ένα πίνακα που περιέχει τους βαθμούς αυτούς. Η παραγωγή του συνόλου των τελικών λύσεων που είναι ένα υποσύνολο του συνόλου των υποψηφίων τελικών λύσεων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το Ευκλείδειο μέτρο. Επειδή, λόγω συνδυαστικής έκρηξης, η αναζήτηση των λύσεων μερικές φορές είναι χρονοβόρα, αναπτύχθηκαν δύο ευρετικές μέθοδοι οι οποίες στηρίζονται σε στοιχεία διανυσματικής ανάλυσης για να επιταχυνθεί αυτή η διαδικασία. Εισάγεται επίσης ένα γενικευμένο πλαίσιο κατασκευής δεικτών για την αξιολόγηση των θεμελιωδών λύσεων. Για την κατασκευή των δεικτών χρησιμοποιούνται τελεστές της ασαφούς λογικής και πιο συγκεκριμένα οι T-norms και οι τελεστές μέσου όρου. Αναπτύχθηκαν επίσης οδηγίες για την επιλογή της κλάσης των τελεστών αλλά και για τους τελεστές αυτούς καθαυτούς. Ο σχεδιαστής μπορεί να κατασκευάσει δείκτες αξιολόγησης με τους οποίους μπορεί να αξιολογήσει και να επιλέξει θεμελιώδεις λύσεις με βάση ειδικά χαρακτηριστικά, όπως είναι η μηχανοτρονικότητα κ. άλ. που θέλει να κατέχει το τελικό προϊόν. Επίσης, εισήχθηκε ο “Μηχανοτρονικός Δείκτης” με τον οποίο ο σχεδιαστής μπορεί να επιλέξει τις πιο ευέλικτες, ευφυείς και με τη μικρότερη πολυπλοκότητα λύσεις. Η διαμόρφωση του δείκτη στηρίχθηκε στα τρία αυτά χαρακτηριστικά που κατέχουν τα μηχανοτρονικά προϊόντα. Αναπτύχθηκε ένα σύστημα βασισμένο σ’ αυτή τη γνώση για το μηχανοτρονικό σχεδιασμό ρομποτικών αρπάγων για το χειρισμό εύκαμπτων υλικών. Η απαραίτητη για τον σκοπό αυτό γνώση προήλθε από την σχετική βιβλιογραφία και από τους ειδικούς (experts) και κατόπιν οργανώθηκε κατάλληλα. Το σύστημα αυτό αποτελεί το πρώτο που εμφανίζεται στη βιβλιογραφία για το χειρισμό εύκαμπτων υλικών, και το πρώτο που υλοποιεί το θεμελιώδη σχεδιασμό αρπαγών. Στο σύστημα αυτό δοκιμάστηκαν και μελετήθηκαν οι παραπάνω μέθοδοι παραγωγής και αξιολόγησης λύσεων. Οι μέθοδοι που αναπτύσσονται στην παρούσα διατριβή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση του μηχανοτρονικού θεμελιώδους σχεδιασμού ή για την ανάπτυξη νέων πιο αποτελεσματικών συστημάτων βασισμένων σε γνώση για το μηχανοτρονικό θεμελιώδη σχεδιασμό. / Ιt was only by the middle of the 20th century when design – an intense human activity – became the focus point of scientists towards the direction of its formalization and “scientification”. Since then, design philosophies, models, methods and techniques have been developed. The systematic formulation of design is very difficult since it is a perceptive process with special characteristics for every person or team. The theoretical foundation of design is more difficult and until now there have been made relatively few attempts for developing a generalized theory of systematic design. This theory is still in pre-scientific phase, while there is rich knowledge on design methodologies in specific applications. In this thesis, a mathematical model towards systemizing the conceptual design phase is introduced. A mathematical interpretation of the general concept generation and evaluation processes is analyzed. The design entities and rules governing a design problem are represented using fuzzy, Boolean and many-valued logic depending on how well-defined is the knowledge of the field that the model is applied to. A mechanism for the automatic generation of the degrees of satisfaction of the design specifications by the feasible solutions subjected to the design constraints is also proposed. From a matrix that contains these degrees, the set of all possible combined solutions is generated. The generation of the set of final solutions, that is a subset of the set of the combined solutions, is based on a suitable partition of the Euclidean space. In order to avoid the combinatorial explosion that occurs during design space search, two heuristic search methods have been developed based on vector analysis. A frame for introducing design indices for the evaluation of alternative solutions is also proposed. The formulation of the design indices is based on fuzzy logic and more specific on T-norms and averaging operators. The guidelines for the selection of the class of operators and then for the operator itself are also given. Using this frame, the designer can form evaluation indices based on special characteristics that the product must inherit. Furthermore, the “Mechatronics Index” is introduced. Using this index, the designer can select the most intelligent and flexible alternative solutions that have the minimum complexity. The formulation of the index is based on these three common characteristics of the mechatronics products. Finally, the knowledge for the design of grippers for handling non-rigid materials is acquired from experts and literature and organized in a knowledge-based system. This system is the first to appear in the international literature for the conceptual design of grippers for handling non-rigid materials. In this system the above methods for the concept generation and evaluation has been tested and studied. The present thesis proposes a methodology that of it can be used for the realization of the conceptual mechatronics design or for the development of new intelligent knowledge-based systems for the conceptual mechatronics design of products.

Dans les dernières décennies, la surveillance vibratoire des machines tournantes a acquis un intérêt particulier fournissant une aide efficace pour la maintenance dans l'industrie. Aujourd'hui, de nombreuses techniques efficaces sont bien établies, ancrées sur des outils puissants offerts notamment par la théorie des processus cyclostationnaires. Cependant, toutes ces techniques reposent sur l'hypothèse d’un régime de fonctionnement (c.à.d. vitesse et/ou charge) constant ou éventuellement fluctuant d’une façon stationnaire. Malheureusement, la plupart des machines surveillées dans l'industrie opèrent sous des régimes non stationnaires afin de remplir les tâches pour lesquelles elles ont été conçues. Dans ce cas, ces techniques ne parviennent pas à analyser les signaux vibratoires produits. Ce problème a occupé la communauté scientifique dans la dernière décennie et des techniques sophistiquées de traitement du signal ont été conçues pour faire face à la variabilité du régime. Mais ces tentatives restent limitées, dispersées et généralement peu soutenues par un cadre théorique. Le principal objectif de cette thèse est de combler partiellement cette lacune sur la base d'une formalisation théorique du sujet et d’un développement systématique de nouveaux outils de traitement du signal. Dans ce travail, la non-stationnarité du régime est limitée à celle de la vitesse— c.à.d. vitesse variable et charge constante— supposée connue a priori. Afin d'atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée consiste à étendre le cadre cyclostationnaire avec ses outils dédiés. Nous avons élaboré cette stratégie en distinguant deux types de signatures. Le premier type comprend des signaux déterministes connus comme cyclostationnaires au premier ordre. La solution proposée consiste à généraliser la classe cyclostationnaire au premier ordre à la classe cyclo-non-stationnaire au premier ordre qui comprend des signaux déterministes en vitesse variable. Le second type comprend des signaux aléatoires périodiquement corrélés connus comme cyclostationnaires au deuxième ordre. Trois visions différentes mais complémentaires ont été proposées pour traiter les variations induites par la non-stationnarité de la vitesse de fonctionnement. La première adopte une approche cyclostationnaire angle\temps, la seconde une solution basée sur l'enveloppe et la troisième une approche cyclo-non-stationnaire (au second ordre). De nombreux outils ont été conçus dont les performances ont été testées avec succès sur des signaux vibratoires réels et simulés. / In the last decades, vibration-based condition monitoring of rotating machine has gained special interest providing an efficient aid for maintenance in the industry. Nowadays, many efficient techniques are well-established, rooted on powerful tools offered in particular by the theory of cyclostationary processes. However, all these techniques rely on the assump-tion of constant— or possibly fluctuating but stationary— operating regime (i.e. speed and/or load). Unfortunately, most monitored machines used in the industry operate under nonstationary regimes in order to fulfill the task for which they have been designed. In this case, these techniques fail in analyzing the produced vibration signals. This issue, therefore, has occupied the scientific committee in the last decade and some sophisticated signal processing techniques have been conceived to deal with regime variability. But these works remain limited, dispersed and generally not supported by theoretical frameworks. The principal goal of this thesis is to partially fill in this gap on the basis of a theoretical formalization of the subject and a systematic development of new dedicated signal processing tools. In this work, the nonstationarity of the regime is confined to that of the speed— i.e. variable speed and constant load, assumed to be known a priori. In order to reach this goal, the adopted methodology consists in extending the cyclostationary framework together with its dedicated tools. We have elaborated this strategy by distinguishing two types of signatures. The first type includes deterministic waveforms known as first-order cyclostationary. The proposed solution consists in generalizing the first-order cyclostationary class to the more general first-order cyclo-non-stationary class which enfolds speed-varying deterministic signals. The second type includes random periodically-correlated waveforms known as second-order cyclostationary. Three different but complementary visions have been proposed to deal with the changes induced by the nonstationarity of the operating speed. The first one adopts an angle\time cyclostationary approach, the second one adopts an envelope-based solution and the third one adopts a (second-order) cyclo-non-stationary approach. Many tools have been conceived whose performances have been successfully tested on simulated and real vibration signals.

Die Konzeption und Durchführung komplexer und auf Innovation ausgerichteter Produktentwicklungsprojekte ist ein fester und wesentlicher Bestandteil des Curriculums im Studiengang M.A. Produktgestaltung an der Fakultät Gestaltung der HTW-Dresden. Praxisnah und in möglichst authentischen Entwicklungsumgebungen wird in Form eines Kooperationsprojekts eine konkrete Aufgabe für ein Unternehmen bearbeitet. Für die Unternehmen sind solche Projekte Teil ihrer mehr oder weniger bereits etablierten kollaborativen Wertschöpfungsnetzwerke. Im gegenteiligen Fall werden solche Modelle von unserer Seite her an die Unternehmen herangetragen und diskutiert. In der Regel entstehen an die Semesterzeiten gebundene und ergebnisoffene Machbarkeitsstudien. Die Studierenden erhalten im Gegenzug die Möglichkeit, ihr theoretisches Wissen ganz eng an der Wirklichkeit zu üben, entsprechende Erfahrungen zu sammeln und sich über solche Projekte für die spätere Berufspraxis zu empfehlen. Die Fakultät Gestaltung hat in diesem Sinne bereits mit einer Vielzahl von Kooperationspartnern zusammengearbeitet und sehr viel positive Erfahrung sammeln können Das Projekt mit dem Arbeitstitel \"Abkantmaschine für die Industrie 4.0\" wurde für die Bystronic AG in Gotha/Thüringen erarbeitet. Die Bystronic AG ist Tochter eines schweizer Unternehmens und stellt Laserstrahlschneid-, Wasserstrahlschneid- und Abkantmaschinen her. / The design and implementation of complex and geared to innovation product development projects is an integral and essential part of the curriculum in the course MA Product design at the Design Faculty of HTW Dresden. Practical and in authentic development environments a specific task is processed for a company in the form of a cooperation project. For companies, such projects are part of their more or less established collaborative value networks. In the opposite case, such models are brought and discussed by our side to companies. Usually caused bound to the semester dates and open-ended feasibility studies. The students receive in return the opportunity to practice their theoretical knowledge very closely to reality, to gain experience and to advise on such projects in their later professional applications and practice. The Faculty of Design has worked in this sense, with a number of partners and gained a lot of positive experience. The project with the working title \"pressbrake for industry 4.0\" has been developed for Bystronic AG in Gotha/Thuringia. The Bystronic AG is a subsidiary of a Swiss company and produces laser cutting and waterjet systems as well as pressbrakes.

Die Konzeption und Durchführung komplexer und auf Innovation ausgerichteter Produktentwicklungsprojekte ist ein fester und wesentlicher Bestandteil des Curriculums im Studiengang M.A. Produktgestaltung an der Fakultät Gestaltung der HTW-Dresden. Praxisnah und in möglichst authentischen Entwicklungsumgebungen wird in Form eines Kooperationsprojekts eine konkrete Aufgabe für ein Unternehmen bearbeitet. Für die Unternehmen sind solche Projekte Teil ihrer mehr oder weniger bereits etablierten kollaborativen Wertschöpfungsnetzwerke. Im gegenteiligen Fall werden solche Modelle von unserer Seite her an die Unternehmen herangetragen und diskutiert. In der Regel entstehen an die Semesterzeiten gebundene und ergebnisoffene Machbarkeitsstudien. Die Studierenden erhalten im Gegenzug die Möglichkeit, ihr theoretisches Wissen ganz eng an der Wirklichkeit zu üben, entsprechende Erfahrungen zu sammeln und sich über solche Projekte für die spätere Berufspraxis zu empfehlen. Die Fakultät Gestaltung hat in diesem Sinne bereits mit einer Vielzahl von Kooperationspartnern zusammengearbeitet und sehr viel positive Erfahrung sammeln können Das Projekt mit dem Arbeitstitel \"Abkantmaschine für die Industrie 4.0\" wurde für die Bystronic AG in Gotha/Thüringen erarbeitet. Die Bystronic AG ist Tochter eines schweizer Unternehmens und stellt Laserstrahlschneid-, Wasserstrahlschneid- und Abkantmaschinen her. / The design and implementation of complex and geared to innovation product development projects is an integral and essential part of the curriculum in the course MA Product design at the Design Faculty of HTW Dresden. Practical and in authentic development environments a specific task is processed for a company in the form of a cooperation project. For companies, such projects are part of their more or less established collaborative value networks. In the opposite case, such models are brought and discussed by our side to companies. Usually caused bound to the semester dates and open-ended feasibility studies. The students receive in return the opportunity to practice their theoretical knowledge very closely to reality, to gain experience and to advise on such projects in their later professional applications and practice. The Faculty of Design has worked in this sense, with a number of partners and gained a lot of positive experience. The project with the working title \"pressbrake for industry 4.0\" has been developed for Bystronic AG in Gotha/Thuringia. The Bystronic AG is a subsidiary of a Swiss company and produces laser cutting and waterjet systems as well as pressbrakes.