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Ce mémoire de thèse s’inscrit dans le développement d’un microscope thermique à sonde locale.Ce système d’imagerie présente deux modes de fonctionnement permettant de déterminer soit unetempérature de surface soit des propriétés thermophysiques de matériaux. Un micro-thermocouplebifilaire a été utilisé comme capteur thermique. Il est peu invasif et permet d’accéder à destempératures de surface sur une large gamme de température. De plus, le microscope offrel’avantage d’être moins sensible à la nature optique des échantillons que les méthodes en champlointain. Dans le but de maitriser le contact entre la sonde et la surface, un résonateur à quartz(diapason) a été utilisé comme capteur de force. Un système d’excitation original basé sur l’effetphoto-thermo-élastique a été mis au point. Le microscope fonctionne donc comme un SThM puisqu’ilpermet d’extraire simultanément des images topographiques et thermiques (régime périodique 2 et3 oméga). En revanche, les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les avantages dumicro-thermocouple en termes de résolutions spatiales topographiques vis-à-vis des techniques àsondes résistives fonctionnant en mode 3 oméga. / This PhD thesis deals with the development of a thermalmicroscope using a local probe. This imagingsystem presents two functioning modes that allow determining either surface temperature or thermalproperties of materials. A micro-wire thermocouple is used as a thermal sensor. It is less invasiveand allows measuring the surface temperature with a large temperature range. Furthermore, themicroscope offers an advantage to be less sensitive to the optical nature of a sample surface thanoptical methods. To control the contact between the probe and the surface, a quartz tuning fork hasbeen used as a force sensor. An original excitation system has been developed based on the photothermaleffect. The microscope works also as a SThM since it permits to extract simultaneouslytopographical and thermal pictures (2 and 3 omega periodical modes). Results underlining themicro-thermocouple advantages, in terms of topographical compared to resistive probe techniquesfunctioning with the 3 omega method, have been obtained.

Manufacturing industry works on Overall Equipment Effectiveness (OEE) to increase the yield and speed of machining. A good knowledge of the machine properties is important to increase the speed while still maintaining stable cutting with low tool usage.To make models of the machine is therefore important and in machining a common way to extract the dynamic properties is frequency response measurement. One way is to use an impact hammer to excite the machine tool and measure the response. The problem is that a hammer can only be used on a non running machine. At Manufacturing and Metrology Systems division at KTH (MMS) a test method for contactless excitation has been developed that uses electromagnets to excite the machine tool. By using contactless testing it can be used on rotating machine tools without real cutting in materials. In this thesis a new test system for the contact less testing method has been designed and constructed to test if it is possible to do test on a bigger variety of rotating cutting machine tools. The results for the prototype is presented and evaluated. / Dagens tillverkningsindustri arbetar för att utrsutningens totala effiktivitet ska höjas genomatt öka hastigheten och minska material- och verktygsanvändningen vid bearbetningen utan att minska kvalitén på slutprodukten. För att öka hastigheten krävs en god kännedom om maskinens egenskaper för att maskinen ska arbeta under stabila förhållanden där också verktygets slitage minskas. Att ta fram modeller över maskinen är därför viktigt och inom skärande bearbetning är frekvensresponsmätning ett sätt att få ut de dynamiska egenskaperna av det skärandeverktyget. En vanlig testmetod är att med en hammare exitera verktyget och mäta responsen. Problemet är dock att hammaren bara kan mäta vid stillastående maskin. Vid MMS har en testmetod för kontaktlös exitering tagits fram där elektromagneter användsför exiteringen. På så sätt kan testet utföras på roterande verktyg utan att man behöver förbruka material. I detta arbete har ett nytt testsystem för denna testmetod designats och konstruerats för att testa om det är möjligt med testning på flera storlekar på maskiner för skärandebearbetning. Resultaten för prototypen presenteras och utvärderas.

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse. / The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis. / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse