Gegenstand dieser Arbeit ist der Nachweis der allgemeinen Anwendbarkeit der Umsetzung optimaler und taktratenabhängiger Bewegungen. Dafür werden vorhandenen Methoden der Professsur am Beispielprozess des Applizierens von Etiketten untersucht. Eine wesentliche Besonderheit dieses Prozesses ist die an der Wirkpaarung entstehende Reaktionskraft und die Rückwirkung auf die Antriebe. Durch Verwendung eines Modells werden die Reaktionskräfte in Reaktionsmomente umgerechnet und anschließend in die Vorsteuerung des Regelkreises eingelesen. Im Anschluss wird die Modellgüte abgeleitet. Unter Nutzung vorhandener Algorithmen werden optimale Bewegungen für verschiedene Taktraten erstellt und in Antriebsgrößen umgerechnet. Diese bilden die Grundlage für eine Kennfelderstellung mittels linearer Interpolation durch die Steuerung. Innerhalb dieses Kennfeldes kann ohne Umschaltprozeduren eine beliebige Taktrate eingestellt werden. Durch diese Kombination aus optimaler Bewegungsvorgabe und linearer Interpolation zu einem Kennfeld können enge Qualitätskriterien des Prozesses über einen festgelegten Taktratenbereich eingehalten werden. Unter Variation der Anzahl der Bewegungsvorgaben zur Kennfelderstellung werden Messungen durchgeführt, die den Erfolg bestätigen.

For food industry processes packaging machines with high throughput are required and one way to improve the overall machine efficiency is to increase its working speed. However, testing of prototypes is time and cost expensive. Therefore, simulation is used to evaluate the process and adapt it. Optimization can help to find better machine designs by using simulations to evaluate one solution. This work uses the Discrete Element Method to model a vertical tubular bag machine for packaging basmati rice. The Covariance Matrix Adaption Evolution Strategy optimizes the simulation model and results in a significant machine speedup. This work is a guidance to adapt this method for similar problems.

Dieser Beitrag stellt einen Ansatz zur Steigerung der Ausbringung von Verarbeitungsmaschinen vor, der besonders bei der Umsetzung von Handhabungsaufgaben mittels dezentraler Antriebe wirkungsvoll angewandt werden kann. Ausgehend von einer Analyse bisheriger Ausbringungsbegrenzungen wird ein Konzept vorgestellt, welches Prozessmodelle, deren Nutzung in Bewegungsoptimierungen und die Abarbeitung mit Motion-Control-Systemen beinhaltet. Experimentelle Nachweise an Beispielprozessen, die den Erfolg des beschriebenen Ansatzes zeigen sowie weiterführende Gedanken bilden den Abschluss des Beitrages.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Synthese und Umsetzung optimaler Bewegungen in Verarbeitungsmaschinen. Bewegungen werden zur Steuerung von Arbeitsorganen eingesetzt und müssen im Rahmen einer Maschinenentwicklung synthetisiert werden. Sowohl die Qualität der Bewegung als auch deren Umsetzung hat wesentlichen Einfluss auf den Erfolg des Verarbeitungsprozesses sowie auf die tatsächliche Maschinenausbringung. Besondere Beachtung wird bei der Methodenentwicklung auf den Aspekt der einstellbaren Drehzahl einer Verarbeitungsmaschine gelegt. Aufbauend auf einer Darstellung sowie Abgrenzung des wissenschaftlichen Fachgebietes werden die spezifischen Anforderungen an Bewegungen in modernen Verarbeitungsmaschinen diskutiert. In diesem Zusammenhang werden die in Wissenschaft und Technik bekannten Methoden und Vorgehensweisen demonstriert, ihre Vor- und Nachteile diskutiert sowie deren Anwendungsgrenzen ermittelt. Diese Grenzen betreffen im Wesentlichen die bisher vernachlässigte Drehzahlabhängigkeit optimaler Bewegungen, welche den effektiven Drehzahlbereich limitiert und mithin auch die Maschinenausbringung. Hieraus ergibt sich die technisch-wissenschaftliche Problemstellung, zu deren Lösung diese Arbeit beitragen soll. Zur Lösung der Problemstellung werden Beispiele von Verarbeitungsaufgaben diskutiert, bei denen drehzahlabhängiges Verhalten festzustellen ist und welches Einfluss auf die Ausbringung der Verarbeitungsmaschine hat. Aus dieser Analyse resultiert die Auswahl der Verarbeitungsaufgabe Fluidtransport als repräsentatives Beispiel, das auf Grund seiner Eigenschaften zur Demonstration aller Überlegungen und Methoden geeignet ist. Grundlage für die Bewegungsoptimierung, die die Lösung der Bewegungsaufgabe für verschiedene eingestellte Drehzahlen liefert, ist ein valides Prozessmodell, das zur Beantwortung prozessspezifischer Fragestellungen befähigt. Auf Grundlage von in Experimenten gewonnenen Informationen werden Prozessmodelle unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl sowie des Formates abgeleitet und die dazugehörigen Modellgrenzen ermittelt. Mit Hilfe dieser Modelle werden unter Nutzung der Methode der optimalen Steuerung optimale Bewegungen ermittelt, wobei auch deren Robustheit gegenüber Veränderungen der Modellparameter betrachtet wird. In einem letzten Schritt wird untersucht, wie die von der eingestellten Maschinendrehzahl abhängigen optimalen Bewegungen mittels moderner Antriebstechnik umgesetzt werden können. Hierzu wird das Konzept des Bewegungskennfeldes angewandt, das es erlaubt, unter Vorgabe einer endlichen Anzahl von Bewegungen, Vorgaben für beliebige Drehzahlen in Echtzeit bereitzustellen. Zur Bewertung der entwickelten Methoden werden die Ergebnisse aller Teilschritte mit Ergebnissen verglichen, die sich aus Methoden des Standes von Wissenschaft und Technik ergeben. Den Abschluss bildet eine Zusammenfassung der Arbeit sowie eine Einordnung der erlangten Erkenntnisse in das Wissenschaftsgebiet. Weiterhin werden die aus dieser Arbeit abgeleiteten neuen Forschungsfragen präsentiert und mögliche Lösungsansätze für deren Beantwortung gegeben. / Subject of this thesis is the development of methods for the synthesis and implementation of optimal motions in processing machines. Motions are used to control working tools and have to be synthesized during a machine development. The quality of the motion as well as its implementation has a significant influence on the success of the process as well as on a machines effective output range. Special attention is paid to the aspect of the adjustable operating speed of the processing machine during the development of methods. The specific requirements for motions in modern processing machines are discussed based on a description and delimitation of the scientific field. In this context the methods and procedures known in science and technology are demonstrated, their advantages and disadvantages are discussed and their application limits are determined. These limits mainly concern the so far neglected speed dependency of optimal motions, which limits the effective speed range and consequently also the machine output. This results in the technical-scientific problem definition, to whose solution this thesis shall contribute. For this purpose, examples of processing tasks are discussed, where speed-dependent behavior can be determined and which influence the output of the processing machine. This analysis results in the selection of the processing task fluid transport as a representative example, which is suitable for demonstrating all considerations and methods due to its properties. The basis for the motion optimization, which allows the solution of the motion task for different set speeds, is a valid process model that is capable of answering process-specific questions. On the basis of information obtained in experiments, process models are derived taking into account the variable speed as well as format size. The corresponding model limits are determined. With the help of these models, optimal motions are determined using the optimal control method, whereby their robustness against fluctuations of the model parameters is also considered. In a final step, it is investigated how the optimal motions, which depend on the set machine speed, can be implemented by means of modern drive technology. For this purpose, the concept of the characteristic motion map is applied, which allows to provide presets for arbitrary speeds in real time by specifying a finite number of motions. To evaluate the developed methods, the results of all sub-steps are compared with results obtained by state-of-the-art methods. The conclusion is a summary of the thesis and a classification of the knowledge gained within the scientific field. Furthermore, the new research questions derived from this thesis are presented and a outlook for their solutions is given.

Die Studie befasst sich mit der Adaption der Artikulation als Folge einer insgesamt zweiwöchigen Veränderung der Vokaltraktgeometrie durch einen künstlichen Gaumen. Ziel der Arbeit ist zu untersuchen, ob die Adaption auf artikulatorische oder akustische Ziele hin erfolgt. Die Produktionen der Sprecher wurden während der Adaptionszeit regelmäßig akustisch und per elektromagnetischer Artikulographie aufgenommen. Akustische Analysen haben gezeigt, dass die Vokalproduktion sofort nach Perturbationsbeginn adaptiert wird. Für die Adaption der Frikative benötigen die Sprecher mehr Zeit, in einigen Fällen ist die zweiwöchige Adaptionszeit nicht ausreichend. Wenn die Daten nach Sprecher und Aufnahme getrennt betrachtet werden, nehmen die Produktionen einzelner Phoneme abgrenzbare Regionen im akustischen Raum ein. Der Einfluss der auditiven Rückmeldung ist stärker bei Vokalen mit weniger linguo-palatalem Kontakt als bei Vokalen mit viel Kontakt. Bei den Frikativen scheint die auditive Rückmeldung vor allem für die Sibilantenproduktion von Bedeutung zu sein. Generall hat die Adaption zum Ziel, die Abstände zwischen den Lauten beizubehalten oder zu vergrößern. Untersuchungen zur Artikulation des /u/ zeigen, dass die Sprecher über die Sitzungen hinweg motorisch äquivalente Strategien benutzen (Lippenvorstülpung versus Hebung des Zungenrückens). Messungen des Rucks für artikulatorische Gesten deuten darauf hin, dass der artikulatorische Aufwand nach Perturbationsbeginn steigt und zum Ende der Perturbation hin wieder fällt. Die Fähigkeit der Sprecher zu kompensieren wenn keine auditive Rückmeldung vorhanden ist, zeigt, dass Sprecher über artikulatorische Repräsentationen verfügen. Die Tatsache, dass motorisch äquivalente Strategien von den Sprechern genutzt werden, unterstützt jedoch akustische Repräsentationen der Phoneme. Die Schlussfolgerung, die aus der Untersuchung gezogen wird, ist daher, dass artikulatorische Repräsentationen beim Sprecher existieren, dass sie aber vor allem der Bewegungsorganisation dienen. Sobald das akustische Resultat nicht mehr das gewünschte ist, beginnen die Sprecher, die Artikulation zu verändern. / The present study describes the results of a 2 week perturbation experiment where speakers'' vocal tract shape was modified due to the presence of an artificial palate. The aim of the work is to investigate whether speakers adapt towards acoustic or articulatory targets. Speakers were recorded regularly over the adaptation time via electromagnetic articulography and acoustics. Immediately after perturbation onset speakers'' auditory feedback was masked with white noise in order to investigate speakers'' compensatory behaviour when auditory feedback was absent. The results of acoustic measurements show that in vowel production speakers compensate very soon. The compensation in fricatives takes longer and is in some cases not completed within the two weeks. Within a session and for each speaker the sounds can be distinguished solely by acoustic parameters. The difference between the session when no auditory feedback was available and the session when auditory feedback was available was greater for vowels with less palatal contact than for vowels with much palatal contact. In consonant production auditory feedback is primarily used in order to adapt sibilant productions. In general, adaptation tries to keep or enlarge the articulatory and acoustic space between the sounds. Over sessions speakers show motor equivalent strategies (lip protrusion vs. tongue back raising) in the production of /u/. Measurements of tangential jerk suggest that after perturbation onset there is an increase in articulatory effort which is followed by a decrease towards the end of the adaptation time. The compensatory abilities of speakers when no auditory feedback is available suggest that speakers dispose of an articulatory representation. The fact that motor equivalent strategies are used by the speakers, however, supports acoustic representations of speech. It is therefore concluded that articulatory representations belong to the speech production tasks. However, since they are modified as soon as the acoustic output is not the desired one any more, they rather function in the domain of movement organisation and the acoustic representations dominate.

For food industry processes packaging machines with high throughput are required and one way to improve the overall machine efficiency is to increase its working speed. However, testing of prototypes is time and cost expensive. Therefore, simulation is used to evaluate the process and adapt it. Optimization can help to find better machine designs by using simulations to evaluate one solution. This work uses the Discrete Element Method to model a vertical tubular bag machine for packaging basmati rice. The Covariance Matrix Adaption Evolution Strategy optimizes the simulation model and results in a significant machine speedup. This work is a guidance to adapt this method for similar problems.