Additive mechatronische Systeme (AMS) sind geeignet, die Funktionalität von Werkzeugmaschinen (WZM) zu verbessern. Die Vielfalt und Redundanz der entwickelten Lösungen erschwert jedoch die optimale Berücksichtigung von AMS im frühzeitigen Entwicklungsprozess von WZM. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, den möglichen Lösungsraum schon frühzeitig einzugrenzen und damit zielführende Lösungen effektiv zu kanalisieren. Hierfür werden im ersten Schritt Funktionalitätsgrenzen von WZM bewertet. Danach erfolgt die Definition von AMS-Funktionsprinzipien und eines geeigneten Beschreibungsansatzes, um daraus allgemeine Eingriffsstrategien für AMS in WZM abzuleiten und vergleichend zu bewerten. Abschließend werden die Auswirkungen der vorgeschlagenen Vorgehensweise auf den Entwicklungsprozess von WZM diskutiert. Anhand dreier Anwendungsbeispiele werden die erarbeiteten Vorgehensweisen und Werkzeuge validiert und Grenzen aufgezeigt. / Additive mechatronic systems (AMS) are suitable for improving the functionality of machine tools. However, the variety and redundancy of the solutions developed make it difficult to optimally take AMS into account in the early development process of machine tools. In the present work a procedure is shown to limit the possible solution space and thus to identify effective solutions at an early stage. For this purpose, the functional limits of machine tools are assessed in the first step. This is followed by the definition of AMS functional principles and a suitable description approach in order to derive general intervention strategies for AMS in machine tools and to evaluate them comparatively. Finally, the effects of the proposed procedure on the development process of machine tools are discussed. Using three application examples, the developed procedures and tools are validated and limits are shown.

La modélisation des systèmes mécatroniques nécessite le même type de méthodologie pour la conception et le prototypage de dispositifs mécatroniques. Une ingénierie unifiée et intégrée doit être déployée. Diverses approches sont actuellement proposées pour atteindre de la modélisation multi-physique comme la théorie des graphes, les approches équationnelles ou les techniques. Dans ce contexte, l’objectif de nos travaux de recherche est la conception d'une méthodologie appliquée aux modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique. Pour une telle contribution, il est nécessaire de partir d’une approche existante. Cette approche porte sur la modélisation topologique puisqu’elle est basée sur les collections topologiques et les transformations. Cette approche topologique est utilisée pour modéliser les systèmes mécatroniques.Son point fort est la séparation de la topologie (loi d'interconnexion) et la loi de comportement (physique) qui permet la simplification de la modélisation de systèmes complexes que l'on peut décrire comme un ensemble d'interactions locales entre entités élémentaires. La thèse propose donc une nouvelle méthodologie nommée 4Mo(DS)2 qui se rapporte à la modélisation multi-niveaux, multi-domaines et multi-physiques basée sur des systèmes dynamiques qui ont des structures dynamiques. Cette méthodologie permet la modélisation topologique des modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique pendant la phase de conception tout en prenant en compte les modifications topologiques, le contrôle et commande ainsi que l’intégration de la dimension deux dans leur structure topologique. / Mechatronic systems modelling requires the same type of methodology for the design and prototyping of mechatronic devices. Unified and integrated engineering must be deployed. Various approaches are currently proposed to achieve multi-physics modeling such as graph theory, equational approaches or techniques. In this context, the objective of our research work is the design of a methodology applied to dynamic multi-physical models with dynamic topology. For such a contribution, it is necessary to start from an existing approach. This approach focuses on topological modelling since it is based on topological collections and transformations. This topological approach is used to model mechatronic systems.Its strong point is the separation of topology (interconnection law) and behavior law (physical) which allows the simplification of the modeling of complex systems that can be described as a set of local interactions between elementary entities. The thesis therefore proposes a new methodology named 4Mo(DS)2 which relates to multilevel, multi-physical and multi-domain modeling based on dynamic systems that have dynamic structures. This methodology allows the topological modeling of dynamic multi-physical dynamic topology models during the design phase while taking into account topological modifications, control and command as well as the integration of dimension two into their topological structure.

Les produits mécatroniques sont complexes et multidisciplinaires par nature. Les exigences pour les concevoir sont souvent contradictoires et doivent être validées par les différentes équipes d'ingénierie disciplinaire (ID). Pour répondre à cette complexité et réduire le temps de conception, les ingénieurs disciplinaires ont besoin de collaborer dynamiquement, de résoudre les conflits interdisciplinaires et de réutiliser les connaissances de projets antérieurs. De plus, ils ont besoin de collaborer en permanence avec l’équipe d’ingénierie systèmes (IS) pour avoir un accès direct aux exigences et l’équipe d’optimisation multidisciplinaire (OMD) pour valider le système dans sa globalité.Nous proposons d'utiliser des techniques de gestion des connaissances pour structurer les connaissances générées lors des activités de collaboration afin d'harmoniser le cycle de conception. Notre principale contribution est une approche d'unification qui explique comment IS, ID et OMD se complètent et peuvent être utilisés en synergie pour un cycle de conception intégré et continu. Notre méthodologie permet de centraliser les connaissances nécessaires à la collaboration et au suivi des exigences. Elle assure également la traçabilité des échanges entre les ingénieurs grâce à la théorie des graphes. Cette connaissance formalisée du processus de collaboration permet de définir automatiquement un problème OMD. / Mechatronic products are complex and multidisciplinary in nature. The requirements to design them are often contradictory and must be validated by the various disciplinary engineering (DE) teams. To address this complexity and reduce design time, disciplinary engineers need to collaborate dynamically, resolve interdisciplinary conflicts, and reuse knowledge from previous projects. In addition, they need to work seamlessly with the Systems Engineering (SE) team to have direct access to requirements and the Multidisciplinary Design Optimization (MDO) team for global validation. We propose to use Knowledge Management techniques to structure the knowledge generated during collaboration activities and harmonize the overall design cycle. Our primary contribution is a unification approach, elaborating how SE, DE, and MDO complement each-other and can be used in synergy for an integrated and continuous design cycle. Our methodology centralizes the product knowledge necessary for collaboration. It ensures traceability of the exchange between disciplinary engineers using graph theory. This formalized process knowledge facilitates MDO problem definition.

La conception des systèmes d'entrainement de bande est étudiée depuis de nombreuses années. Ces systèmes sont très répandus dans l'industrie puisque le conditionnement sous forme de bobines simplifie le traitement de nombreux matériaux tels que le papier, le carton, les polymères, ... Ces systèmes regroupent un grand nombre de difficultés : ils sont de grande dimension, un fort couplage existe entre les grandeurs et de nombreux paramètres varient au cours du temps. La méthode d’optimisation classique consiste à considérer chaque partie du système sans tenir compte des autres. De plus, au sein d'un même sous-ensemble, l’optimisation est réalisée discipline par discipline. Une nouvelle approche est proposée et appliquée à la synthèse de la commande : il s’agit de considérer le système global en prenant en compte la robustesse paramétrique. Ensuite, le choix optimal du tracteur maître et de la technologie d'asservissement de la tension de bane associée sont étudiées. / The design of roll-to-roll systems is studied for several years. This kind of system is very common in industry because the wound roll packaging simplify the treatment of material such as paper, cardboard, polymers, metal ... The studied systems have a high number of difficulties: they are large scale systems, a high coupling between physical values exists and several parameters are time dependent. The classical optimisation method consists in considering separately each subsystem without taking into account interactions. Moreover, the classical optimisation is made for each scientific field. A new approach is developed and applied to controller synthesis: the controllers are synthesized considering the global system with parametric uncertainties. The optimal choice of the master roller position and the technology used to control web tension are then studied.

Driven by the need for automation and autonomy as well as the need to reduce resources and emissions, the automotive industry is currently undergoing a major transformation. Technologically, this transformation is addressing a wide range of challenges and opportunities. The optimal control of all components is significant for the sustainable development and eco-friendly operation of vehicles. Additionally, robust control of the actuators forms the basis for the development of driver assistance systems and functions for autonomous driving. The actuators of the steering system are particularly important, as they enable safe and comfortable lateral vehicle control. Therefore, the model-based development and virtual simulation of an innovative highly robust control approach for modern Steer-by-Wire systems were conducted in this thesis. The approaches and algorithms described in this thesis allow the design of robust Steer-by-Wire systems and offer the opportunity to conduct many investigations in a computer-aided virtual environment at an early stage in the development process. This reduces time- and cost-intensive testing on prototypes, avoids unnecessary iterations in the design and significantly increases the efficiency and quality of the development. The desired high degree of robustness of the steering control also ensures that the parameterization of the steering feel generator can be freely selected for the individual application. This enables safe and comfortable vehicle lateral control.In summary, the research results described in this thesis accelerate the development of new, modern Steer-by-Wire systems whose robust design forms the basis for the realization of functions for highly automated and autonomous driving.

<p>Сваки мехатронички систем лифта (МСЛ) садржи механички подсистем<br />који је карактерисан својом резонантном фреквенцијом. У дисертацији је<br />представљен оригинални метод за подешавање антирезонантног<br />филтера базиран на примјени Герцеловог алгоритма и Киферовог<br />алгоритма претраживања. Предложен је јединствени генерализовани<br />модел референце брзине у функцији трзаја. Кроз експерименталне<br />провјере, верификовано је да само синергијски ефекат контроле трзаја и<br />филтрирања референтног момента може елиминисати резонантне<br />вибрације. Предложени су поступци и развијени алгоритми за повећање<br />енергетске ефикасности погона МСЛ. Предложени алгоритми су у<br />интеракцији са планираном трајекторијом брзине и антирезонантном<br />управљачком шемом. Сви предложени алгоритми су имплементирани<br />на дигиталном сигнал процесору.</p> / <p>Svaki mehatronički sistem lifta (MSL) sadrži mehanički podsistem<br />koji je karakterisan svojom rezonantnom frekvencijom. U disertaciji je<br />predstavljen originalni metod za podešavanje antirezonantnog<br />filtera baziran na primjeni Gercelovog algoritma i Kiferovog<br />algoritma pretraživanja. Predložen je jedinstveni generalizovani<br />model reference brzine u funkciji trzaja. Kroz eksperimentalne<br />provjere, verifikovano je da samo sinergijski efekat kontrole trzaja i<br />filtriranja referentnog momenta može eliminisati rezonantne<br />vibracije. Predloženi su postupci i razvijeni algoritmi za povećanje<br />energetske efikasnosti pogona MSL. Predloženi algoritmi su u<br />interakciji sa planiranom trajektorijom brzine i antirezonantnom<br />upravljačkom šemom. Svi predloženi algoritmi su implementirani<br />na digitalnom signal procesoru.</p> / <p>Each elevator mechatronic system (EMS) contains a mechanical subsystem<br />which is characterized by its resonant frequencies. The original method for<br />band-stop filter tuning based on Goertzel algorithm and Kiefer search<br />algorithm is proposed in dissertation. In order to generate the speed<br />reference trajectory which can be defined by different shapes and amplitudes<br />of jerk, a unique generalized model is proposed. Through experimental<br />verifications, it has been verified that only synergistic effect of controlling jerk<br />and filtrating the reference torque can eliminate resonant vibrations. The<br />dissertation proposes procedures and developed algorithms for increasing<br />the energy efficiency of the EMS power drive. The proposed algorithms are<br />in interaction with the planned speed reference trajectory and the proposed<br />anti-resonant control scheme. The all proposed algorithms are implemented<br />on the digital signal processor.</p>