The main aim of this work was the machining by hard turning of surfaces with optical surface quality. A numerical target had been set as a surface roughness Ra = 10nm. It has been shown that achieving roughness of that magnitude by hard turning is possible. Individual work pieces exhibited the desired surface properties for short lengths at a time, but it proved to be very difficult to achieve these surfaces consistently and over longer cuts. The factors influencing the surface roughness were identified as tool defects and machine vibration in addition to the standard cutting parameters and choice of cutting tool. A model of surface generation in hard turning has been developed and good correlation between simulated and experimentally determined surface roughnesses was achieved. By introducing a material partition equation which determines the proportional contribution of material removal mechanisms in the undeformed chip a comprehensive method for assessing the contributing factors in material removal was developed. While it has been shown that surfaces in hard turning are almost exclusively generated by chip removal and plastic deformation the developed model is versatile enough to include elastic deformation of the work piece. With the help of the model of surface generation in hard turning it has been possible to attribute magnitudes of the influencing factors with respect to the cutting parameters such as feed rate and tool corner radius, and the main disturbances - tool defects and machine vibration. From this conclusions were drawn on the requirements for machine tools and cutting tools, which will need to be realised to make ultra-precision hard turning of surfaces of optical quality a feasible manufacturing process.

O motor de combustão interna, embreagem, transmissão, diferencial, eixo Cardan, semi-eixos e rodas motrizes compõem o trem de potência de um veículo que, por diversas razões de refinamento e peso, oferecem baixa “resistência" aos ruídos decorrentes da irregularidade de rotação do motor. O presente trabalho reúne elementos para analisar os efeitos das flutuações de rotação (vibrações torcionais) presentes nos volantes de motores de quatro tempos, medidas em dinamômetro, no desenvolvimento de sistemas de embreagem. O uso de simulação matemática computacional permite amenizar ou eliminar os ruídos provenientes da transmissão no veículo protótipo, possibilitando assim ganhos significativos no tempo de desenvolvimento de discos de embreagem e/ou volantes de dupla massa. / The internal combustion engine, clutch, transmission, differential, propeller shaft, half shafts and driven wheels compose the powerline of a vehicle which, due to several reasons of refinement and weight, offer low noise "counter resistance" to engine irregularity. This report is a collection of elements to analyze the effects of the engine revolution irregularity (torsional vibration) present on flywheels of 4-stroke engines, as measured in dynamometer, in the development of clutch systems. The use of computer simulation allows to soften or to eliminate the noise deriving from the transmission of prototype vehicles with new powertrain combination (clutch discs and/or dual-mass-flywheels), bringing considerable development time gains.

O motor de combustão interna, embreagem, transmissão, diferencial, eixo Cardan, semi-eixos e rodas motrizes compõem o trem de potência de um veículo que, por diversas razões de refinamento e peso, oferecem baixa “resistência” aos ruídos decorrentes da irregularidade de rotação do motor. O presente trabalho reúne elementos para analisar os efeitos das flutuações de rotação (vibrações torcionais) presentes nos volantes de motores de quatro tempos, medidas em dinamômetro, no desenvolvimento de sistemas de embreagem. O uso de simulação matemática computacional permite amenizar ou eliminar os ruídos provenientes da transmissão no veículo protótipo, possibilitando assim ganhos significativos no tempo de desenvolvimento de discos de embreagem e/ou volantes de dupla massa. / The internal combustion engine, clutch, transmission, differential, propeller shaft, half shafts and driven wheels compose the powerline of a vehicle which, due to several reasons of refinement and weight, offer low noise "counter resistance" to engine irregularity. This report is a collection of elements to analyze the effects of the engine revolution irregularity (torsional vibration) present on flywheels of 4-stroke engines, as measured in dynamometer, in the development of clutch systems. The use of computer simulation allows to soften or to eliminate the noise deriving from the transmission of prototype vehicles with new powertrain combination (clutch discs and/or dual-mass-flywheels), bringing considerable development time gains.

The vibration analysis of a production machine is a key factor of its functionality, service life and occupational safety. This work deals with mathematical dynamic modelling and its contribution to the improvement of a mechanical design and mechanism failure prevention. The whole process is presented on the example of a drum cam rotary indexing table and on the example of actuators of multi spindle automatic lathes. The analysis consisted of complex nonlinear models based on basic linear models. It was computed using Matlab, Simulink and MSC ADAMS. Models of these mechanisms were validated with experimental measurements. The results were used for mechanical design improvement and for speed control optimization.

Regalbediengeräte (RBG) sind schienengebundene Regalförderzeuge, die zum Ein- und Auslagern von Ladeeinheiten in automatisierten Kleinteile- und Hochregallagern eingesetzt werden. Die Effizienz dieser Lagersysteme wird in erster Linie durch kurze Spielzeiten des RBG bestimmt. Aus diesem Grund wird versucht, die Spielzeit eines RBG durch hohe Beschleunigungen zu verkürzen. Die daraus resultierenden hohen Massenkräfte regen unter anderem Querschwingungen im RBG an. Die Querschwingungen sind vor allem bei Einmast-Paletten-RBG mit schlanken Mastkonstruktionen bis zu 45 m und Ladeeinheiten bis zu 1 t besonders kritisch, weil eine nicht zu vernachlässigende Zeit vergeht, ehe nach Ein- bzw. Ausfahrt des Lastaufnahmemittels (LAM) die Strukturschwingungen unter ein zulässiges Toleranzband abklingen. Erst dann kann das RBG verfahren bzw. die Ladeeinheit abgesetzt werden. Das Auftreten von Querschwingungen trägt somit zur Reduzierung der Materialflussleistung dieser Geräte bei. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Querschwingungskompensation von Regalbediengeräten durch Regelung des Teleskopantriebs. Mit dem vorgestellten Regelungskonzept konnte eine Reduzierung der Schwingungsamplitude nach dem Ein- bzw. Ausfahrvorgang bis zu 95 % am Versuchsstand nachgewiesen werden. Für die sensortechnische Ausstattung wurde dabei lediglich ein 1-Achs-Beschleunigungssensor benötigt, was eine günstige praktische Umsetzung an realen RBG ermöglicht. Des Weiteren konnte bei simulativen Untersuchungen an einem Referenz-RBG eine Verkürzung der durchschnittlichen LAM-Spielzeit um ca. 42 % erreicht werden. Im Rahmen der Arbeit wurde anhand eines hybriden, analytischen Modells mittels des Konzeptes der Flachheit eine Trajektorie für die nachschwingungsfreie Überführung zwischen einer Start- und einer Endruhelage des Lastaufnahmemittels entworfen. Eine minimale, sensortechnische Ausstattung ermöglicht dabei eine vollständige Zustandsschätzung mittels Kalman-Filter und den Einsatz eines flachheitsbasierten Folgereglers. Die Wirksamkeit dieses Regelungskonzepts wurde an einem Versuchsstand an der Technischen Universität Dresden nachgewiesen. Die simulativen Untersuchungen an einem Referenz-RBG zeigen eine signifikante Verbesserung der LAM-Spielzeit im Vergleich zur konventionellen LAM-Steuerung mittels 7-Phasen-Bewegung. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Steigerung der Materialflussleistung von RBG.:Abbildungsverzeichnis xiii Tabellenverzeichnis xv Abkürzungsverzeichnis xvi Symbolenverzeichnis xvii 1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Stand der Technik 5 2.1 Allgemeiner Aufbau eines Hochregallagers . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Regalbediengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1 Definition und Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2 Aufbau von Einmast-Regalbediengeräten . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Bewegungsablauf beim Ein-/Auslagerungsvorgang . . . . . . . 10 2.3 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Modellbildung 15 3.1 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1.1 Modellparameter des Referenzsystems . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.2 Annahmen für das Balkenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2 Mathematische Formulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.1 Biege-Torsionsschwingungsverhalten des homogenen Systems . 21 3.2.2 Biege-Torsionsschwingungsverhalten des inhomogenen Systems 30 3.3 Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1 Eigenfrequenzen und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.2 Modale Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.3 Modale Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4 Modellierung des Lastaufnahmemittels . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 Zustandsraumdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Modellordnungsreduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.1 Grundbegriffe der Modellordnungsreduktion . . . . . . . . . . 59 3.6.2 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des Balkensystems . . . . . 62 3.6.3 Modellreduktion durch balanciertes Abschneiden . . . . . . . . 62 3.7 Validierung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4 Regelungsentwurf 73 4.1 Vorsteuerungsentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.1 Konventionelle Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.2 Beruhigungszeit beim Ein-/Auslagerungsvorgang . . . . . . . 75 4.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2 Folgereglerentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.1 Flachheitsbasierter Ausgangsfolgeregler . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.2 Sensorplatzierung und Beobachterentwurf . . . . . . . . . . . 84 5 Experimentelle Untersuchungen 89 5.1 Versuchsstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.1 Modell des Versuchsstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.2 Parametrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2.1 Parametrierung des Beobachters . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2.2 Parametrierung des Folgereglers . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3.1 Einfluss der LE-Schwerpunkthöhe . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6 Konzeptübertragung 111 6.1 LAM-Spielzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2 RBG-Spielzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.3 Auslegungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7 Zusammenfassung und Ausblick 125 A Orthogonalitätsbedingungen für Balkenstrukturen 128 A.1 Biegeschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 A.2 Torsionsschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 B Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 133 B.1 Steuerbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 B.2 Beobachtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 C Trajektorie für 7-Phasen-Bewegung des LAM 140 D Trajektorienoptimierung 144 E Versuchsergebnisse 147 F Verbesserungspotential LAM-Steuerung 154 Literatur 158 / Automated storage and retrieval machines (AS/RS) are rail-bound storage and retrieval vehicles used for material handling in automated small parts and high-bay warehouses. The efficiency of these storage systems is primarily determined by short cycle times of the AS/RS. For this reason, attempts are made to shorten the cycle time of AS/RS by applying high accelerations. The resulting high inertia forces stimulate, among other things, transverse vibrations in the AS/RS. The transverse vibrations are particularly critical in the case of single-mast pallet AS/RS with slim mast constructions of up to 45 m and load units of up to 1 t. A considerable amount of time elapses before the structural vibrations decay below a permissible tolerance band after the load handling device (LHD) has moved in or out. Only then can the AS/RS be moved or the loading unit placed. The occurrence of transverse vibrations thus contributes to the reduction of the throughput of these devices. This thesis addresses the compensation of transverse vibrations of AS/RS by controlling the telescopic drive of the LHD. With the presented control concept, a reduction of the vibration amplitude after the retraction or extension process up to 95 % was proven on the test rig. For the sensor technology configuration, only one 1-axis acceleration sensor was required, which enables the cost-effective practical implementation on real AS/RS. Furthermore, a reduction of the average LHD cycle time by approx. 42 % could be achieved in simulative studies on a reference AS/RS. Within the scope of the thesis, a trajectory for the vibration-free transition between a start and a final rest position of the load handling device was designed on the basis of a hybrid analytical model using the concept of flatness. A minimal sensor equipment provides a complete state estimation by means of Kalman-filter and the application of a flatness-based follow-up controller. The effectiveness of this control concept was demonstrated on a test rig at the Technische Universität Dresden. The simulative studies on a reference AS/RS show a significant improvement of the LHD cycle time compared to the conventional LHD control by means of 7-phase motion. The present thesis thus makes a contribution to increasing the throughput of AS/RS.:Abbildungsverzeichnis xiii Tabellenverzeichnis xv Abkürzungsverzeichnis xvi Symbolenverzeichnis xvii 1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Stand der Technik 5 2.1 Allgemeiner Aufbau eines Hochregallagers . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Regalbediengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1 Definition und Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2 Aufbau von Einmast-Regalbediengeräten . . . . . . . . . . . . 7 2.2.3 Bewegungsablauf beim Ein-/Auslagerungsvorgang . . . . . . . 10 2.3 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Modellbildung 15 3.1 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1.1 Modellparameter des Referenzsystems . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.2 Annahmen für das Balkenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2 Mathematische Formulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.1 Biege-Torsionsschwingungsverhalten des homogenen Systems . 21 3.2.2 Biege-Torsionsschwingungsverhalten des inhomogenen Systems 30 3.3 Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1 Eigenfrequenzen und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.2 Modale Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.3 Modale Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4 Modellierung des Lastaufnahmemittels . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 Zustandsraumdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Modellordnungsreduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.1 Grundbegriffe der Modellordnungsreduktion . . . . . . . . . . 59 3.6.2 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des Balkensystems . . . . . 62 3.6.3 Modellreduktion durch balanciertes Abschneiden . . . . . . . . 62 3.7 Validierung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4 Regelungsentwurf 73 4.1 Vorsteuerungsentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.1 Konventionelle Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.2 Beruhigungszeit beim Ein-/Auslagerungsvorgang . . . . . . . 75 4.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2 Folgereglerentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.1 Flachheitsbasierter Ausgangsfolgeregler . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.2 Sensorplatzierung und Beobachterentwurf . . . . . . . . . . . 84 5 Experimentelle Untersuchungen 89 5.1 Versuchsstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.1.1 Modell des Versuchsstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.2 Parametrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2.1 Parametrierung des Beobachters . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2.2 Parametrierung des Folgereglers . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3.1 Einfluss der LE-Schwerpunkthöhe . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6 Konzeptübertragung 111 6.1 LAM-Spielzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2 RBG-Spielzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.3 Auslegungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7 Zusammenfassung und Ausblick 125 A Orthogonalitätsbedingungen für Balkenstrukturen 128 A.1 Biegeschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 A.2 Torsionsschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 B Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 133 B.1 Steuerbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 B.2 Beobachtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 C Trajektorie für 7-Phasen-Bewegung des LAM 140 D Trajektorienoptimierung 144 E Versuchsergebnisse 147 F Verbesserungspotential LAM-Steuerung 154 Literatur 158

The Master's thesis deals with online vibration diagnostics of a milling center. It contains a methodology to determine the vibration operating limits and to detect machine of condition monitoring. The thesis also contains a general description of maintenance and technical diagnostics with a focus on vibrodiagnostics. The main part of the thesis is to solve the problem of determining the operating limits of spindle vibration depending on the production program. The essence of the solution is to determine vibration limits for individual milling tools.

The objective of this research is to develop a bearing fault detection scheme for electric machines via stator current. A new method, called the stator current noise cancellation method, is proposed to separate bearing fault-related components in the stator current. This method is based on the concept of viewing all bearing-unrelated components as noise and defining the bearing detection problem as a low signal-to-noise ratio (SNR) problem. In this method, a noise cancellation algorithm based on Wiener filtering is employed to solve the problem. Furthermore, a statistical method is proposed to process the data of noise-cancelled stator current, which enables bearing conditions to be evaluated solely based on stator current measurements. A detailed theoretical analysis of the proposed methods is presented. Several online tests are also performed in this research to validate the proposed methods. It is shown in this work that a bearing fault can be detected by measuring the variation of the RMS of noise-cancelled stator current by using statistical methods such as the Statistical Process Control. In contrast to most existing current monitoring techniques, the detection methods proposed in this research are designed to detect generalized-roughness bearing faults. In addition, the information about machine parameters and bearing dimensions are not required in the implementation.

Ultraprecision single point diamond turning is required to produce parts with sub-nanometer surface roughness and sub-micrometer surface profiles tolerances. These parts have applications in the optics industry, where tight form accuracy is required while achieving high surface finish quality. Generally, parts can be polished to achieve the desired finish, but then the form accuracy can easily be lost in the process rendering the part unusable. Currently, most mid to low spatial frequency surface finish errors are inspected offline. This is done by physically removing the workpiece from the machining fixture and mounting the part in a laser interferometer. This action introduces errors in itself through minute differences in the support conditions of the over constrained part on a machine as compared to the mounting conditions used for part measurement. Once removed, the fixture induced stresses and the part’s internal residual stresses relax and change the shape of the generally thin parts machined in these applications. Thereby, the offline inspection provides an erroneous description of the performance of the machine. This research explores the use of a single, high resolution, capacitance sensor to quickly and qualitatively measure the low to mid spatial frequencies on the workpiece surface, while it is mounted in a fixture on a standard ultraprecision single point diamond turning machine after a standard facing operation. Following initial testing, a strong qualitative correlation exists between the surface profiling on a standard offline system and this online measuring system. Despite environmental effects and the effects of the machine on the measurement system, the capacitive system with some modifications and awareness of its measurement method is a viable option for measuring mid to low spatial frequencies on a workpiece surface mounted on an ultraprecision machine with a resolution of 1nm with an error band of ±5nm with a 20kHz bandwidth. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)