Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Bewertung

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Bewertungsgrößen für die Optimierung

Vorbetrachtung zur Loesungssuche

Wenn das Modell des Nadel-Antriebs glaubwürdig funktioniert, könnte man nun durch systematisches Verändern der relevanten Modell-Parameter versuchen, eine möglichst günstige Lösung zu finden:

1. Wunsch:
   • Realisierung eines möglichst schnellen Prägezyklusses.
2. Veränderbare Parameter:
   • CAD.d_Anker (Ankerdurchmesser)
   • Feder.k (Federsteife)
   • Magnet.R (Einschaltzeit)
   • Nadel.x0 (Ruhelage)
3. Einzuhaltende Forderungen:
   • Die Nadelspitze muss das Papier komplett prägen, d.h. die Anschlagsposition in der Matrize (im Beispiel -0.55 mm) muss erreicht werden.
   • Die Zeit für einen Prägezyklus darf maximal 3.6 ms betragen.
   • In der Ruhelage darf die Nadelspitze das Papier noch nicht eindrücken.

Mit Ausdauer und etwas Glück findet man in unserem Fall wahrscheinlich sogar die "bestmögliche" Lösung:

• Allerdings muss man dabei beachten, dass man die einzelnen Parameter nicht unabhängig voneinander verstellen sollte.
• Oft findet man nur eine Verbesserung, wenn man mehrere Parameter gleichzeitig im richtigen Verhältnis zueinander ändert.
• Man muss immer darauf achten, dass man alle Forderungen erfüllt.

Für das Finden bestmöglicher Parameter für vorgegebene Systemstrukturen gibt es seit Jahrzehnten ausgereifte Optimierungstools. Leider hat sich dies noch nicht bis an den letzten Ingenieurarbeitsplatz herumgesprochen!

Solche Optimierungstools stellen zielgerichtet an den veränderbaren Parametern. Damit das Optimierungstool "weiß", wie gut das daraus resultierende Verhalten des Antriebs ist, muss man ihm entsprechenden Bewertungsgrößen bereitstellen. Im Beispiel sind dies folgende Kennwerte der Nadelbewegung:

• tZyklus (Zeit für einen kompletten Bewegungszyklus der Nadel)
• Praegung (Maß [0...1] für den maximalen Vorschub der Nadel innerhalb tZyklus)

Die Erfassung dieser beiden Kennwerte erfolgt in Analogie zum bereits abgeleiteten Riss-Zeitpunkt.

CAD-Daten der Papier- und Matrix-Parameter

Grundlage für die Erfassung der benötigten Kennwerte ist die "Beobachtung" der Nadelbewegung in Bezug auf die Geometrie von Matrize, Papier und Nadel-Ruhelage:

• Bisher haben wir markante Positionen (z.B. Anschlag bei -0,55 mm) einfach als Zahlenwerte in den Parametern der einzelnen Modell-Elemente berücksichtigt.
• Dies erschwert eine automatisierte Änderung solcher Modellparameter, wenn es nachträglich zu konstruktiven Änderungen kommt.
• Deshalb sollen alle relevanten geometrischen Kenngrößen, welche in Bezug zur Nadelbewegung stehen zuerst als Teil der CAD-Daten definiert werden, bevor wir die erforderlichen Bewertungsgrößen für das Optimierungstool ableiten.
• Dazu sind im Elementtyp CAD_Data folgende Komponenten als Parameter mittels des SimulationX-TypeDesigners zu ergänzen:

Name	Kommentar	Wert	Einheit	Phys. Größe
d_Papier	Papierdicke	0.2	mm	Länge
d_Praegung	Papierdicke geprägt	0.1	mm	Länge
x_Riss	Papier-Rissposition	-0.39	mm	Weg
x_Matrix	Papier-Position im Matrixboden	-0.65	mm	Weg

Hinweis: Die physikalische Größe "Weg" findet man unter Mechanik > Mechanik (translatorisch). Der "Weg" repräsentiert im Unterschied zur "Länge" eine Position auf der Koordinatenachse:

Achtung: Wahrscheinlich kommt es nach dem Fertigstellen des TypeDesigners zu dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Lizenzfehler. Darauf ist dann wie erläutert zu reagieren!

Die nun an zentraler Stelle im CAD-Interface definierten konstruktiven Parameter müssen im Folgenden in alle bisher davon abgeleiteten Modell-Parameter eingespeist werden:

Kern.x     : CAD.x_Matrix + CAD.d_Praegung
Anschlag.l2: abs (CAD.x_Matrix + CAD.d_Praegung)
Papier.L   : 2 * (Nadel.x0 - CAD.d_Papier)
Riss.a     : CAD.x_Riss

Danach ist anhand der Ergebnisse und Signalverläufe sorgfältig zu überprüfen, ob diese Änderungen bei erneuter Simulation zum exakt gleichen Modellverhalten führen!

Zeit eines Prägezyklus (tZyklus)

In Analogie zur Riss-Erfassung verwenden wir ein ereignisgesteuertes Abtast-Glied, um den Zeitpunkt der Rückkehr der Nadel in die Ruhelage Nadel.x0 zu messen. Diese Methode hat hier zwei Schwachstellen:

• Wenn der Prägezyklus während der Simulationszeit nicht vollendet wird, ergibt sich aus dem Messprinzip tZyklus.y=0. Dies entspricht der "idealen" Lösung aus der Sicht eines Optimierungstools. Man muss deshalb ausreichend Reserven für die Simulationszeit vorsehen, so dass ein Prägezyklus immer beendet werden kann!
• Infolge der Feder-Vorspannung kann es am Anfang der Simulation kurz nach t=tStart zu unerwünschten tZyklus-Ereignissen kommen, wenn die Nadel sich "numerisch" um winzige Beträge in den Anschlag hineinbewegt. Damit wird der Wert von tZyklus.y näherungsweise auf tStart gesetzt, unabhängig von einem Anfangswert tZyklus.y0. Aus diesem Grund darf nicht nur das erste Ereignis berücksichtigt werden!
• Die Parameter sind so zu konfigurieren, dass das Erfassen der Zykluszeit als eine Grundlage für die automatisierte Bewertung des Modellverhaltens unter allen Bedingungen sicher funktioniert!
  

Ergebnisse von Signalgliedern sind standardmäßig reine Zahlenwerte ohne physikalische Einheit:

• Insbesondere bei Bewertungsgrößen ist es sinnvoll, die physikalischen Eigenschaften von Signalgrößen im Modell zu berücksichtigen.
• Die Qualität der Ergebnisgröße tZyklus.y ist ein Zeitwert und sollte wegen der Anschaulichkeit in der Maßeinheit ms angezeigt werden.
• Deshalb bearbeiten wir die Attribute von tZyklus.y und weisen dieser Größe die Zeit als "quantity" zu.
• Zusätzlich ersetzen wir für diese Ergebnisgröße den Standardwert "Signalausgang" des Kommentars durch eine Erläuterung der Bedeutung (z.B. "Zykluszeit").

Max. Nadelvorschub (Praegung)

Ein Bewegungszyklus der Nadel ist nur sinnvoll, wenn dabei auch die Prägung des Papiers stattfindet:

• Dafür soll der Maximalwert des auf 0 bis 1 normierten Vorschub-Wertes erfasst werden.
• Den aktuellen normierten Vorschub y der Nadelspitze berechnet man als
  f(x) mit xEnd = Anschlag.l2 = abs (CAD.x_Matrix + CAD.d_Praegung) zu:
  
  
• Anschließend registriert man den dabei aufgetretenen Maximalwert mit einem Signalanalyse-Element (aus spezielles Signalglieder) und interpretiert diesen Maximalwert als Maß für die im Bewegungszyklus stattgefundene Prägung.
• Nur Praegung.y≥1 entspricht einer vollständigen Prägung des Papiers:
  

Funktionelle Ausgangslösung (kompletter Bewegungszyklus der Nadel)

Das Modell des Nadelantriebs werden wir so konfigurieren, dass ein kompletter Prägezyklus stattfindet (wie im vorherigen Signalfensterbild gezeigt). Dabei sollten wir keinen Ehrgeiz darauf verschwenden, durch manuelles Probieren eine besonders kurze Zykluszeit zu erreichen! Das Finden der optimalen Parameter übernimmt für uns die numerische Optimierung.

Jegliche Entwicklung in Natur und Technik basiert auf dem Wechselspiel zwischen Funktion und funktionierender Struktur:

• Die Funktion einer technischen Struktur kann durch Verändern von Parametern nur verbessert werden, wenn die Funktionalität in bewertbarer Form bereits existiert (zumindest andeutungsweise).
• Eine funktionelle Ausgangslösung realisiert diesen Anspruch, auch wenn die Lösung im Sinne der zu erfüllenden Forderungen noch völlig unzureichend ist.
• In Analogie dazu können in der Natur zum Beispiel aus Beinen und/oder Armen durch die Evolution nur Flossen entstehen, wenn damit "irgendwie" geschwommen wird und dies Auswirkung auf die Anzahl der überlebenden Nachkommen hat!

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