Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Nadel

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Nadel mit Rückholfeder:

Das erforderliche dynamische Modell des Antriebs soll mit möglichst wenig Aufwand erstellt werden. Da die Antriebsbaugruppe bisher nur als Aufgabenstellung existiert, ist die konkrete Geometrie noch weitestgehend unbekannt. Man behilft sich in diesen frühen Phasen des Konstruktionsprozesses deshalb mit idealisierten Funktionselementen (z.B. Punktmassen, ideale Federn und Anschläge) und Schätzwerten (π·Daumen):

Modell-Koordinatensystem

• Alle Mechanik-Elemente müssen sich auf das gleiche globale Modell-Koordinatensystem beziehen. Deshalb sollte man die Modellbildung mit den Festlegungen zum Koordinatensystem beginnen.
• Im Prinzip ist es egal, wo man das Koordinatensystem hinlegt und wie man es ausrichtet - man muss sich danach nur daran halten!
• Die Festlegung sollte zu sinnvollen Koordinatenwerten führen.
• Wir benötigen nur einen translatorischen Freiheitsgrad (x-Achse).
• Der Ursprung der x-Achse soll auf der Unterseite des Papiers liegen.
• Die positive Richtung wird entgegen der Präge-Richtung der Nadel festgelegt.
• Im SimulationX ist zur Festlegung des Modell-Koordinatensystems keine Aktion erforderlich.

Präge-Nadel

• Die Nadel wird als Punktmasse in der Position der Nadel-Spitze idealisiert.
• Es wird im Weiteren ein Schätzwert von 1 g für die Nadelmasse genutzt, da die konkrete Geometrie noch unbekannt ist.
• In der Mechanik-Bibliothek wird im Ordner Translatorische Mechanik der Element-Typ Masse bereitgestellt. Dabei handelt es sich um das Dynamik-Modell einer Punktmasse, die sich nur in x-Richtung bewegen kann.
• Per Drag&Drop platziert man diese Masse als Element im Modell:
  Datei:Software SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - parameter quickinfo.gif
• Wenn man den Mauszeiger über ein Modell-Element bewegt, so erscheint ein Quickinfo-Fenster mit den aktuellen Parameterwerten.
  
• Das Eigenschaftsfenster des Modell-Elements öffnet man mit Doppelklick.
  • Im Register Allgemein tragen wir den Namen "Nadel" ein und ergänzen einen sinnvollen Kommentar. Festlegen lässt sich hier auch die Lage und Ausrichtung der Beschriftung.
  • Über das Register Parameter versieht man die Nadel mit einer Masse von 1 g. Die Nadelspitze soll sich am Anfang der Simulation 2 mm über der Papier-Unterseite befinden und sich noch nicht bewegen:
    
    Hinweis: Die hinter den Anfangswerten der Zustandsgrößen befindlichen "Reißzwecken" dienen als Steuer-Elemente für den Solver. In der abgebildeten Default-Einstellung sind diese "Pin" fest, d.h. der Solver darf bei der Berechnung der Anfangswerte (bei t=tStart) die eingetragenen Werte nicht verändern, auch wenn dies zu Widersprüchen mit anderen Anfangswerten führt.
  • Unter Ergebnisgrößen sind die Element-Variablen aufgelistet, die für eine Protokollierung / Visualisierung zur Verfügung stehen. Davon wählen wir Weg und Geschwindigkeit für die Protokollierung aus. Die simulierten Zeitverläufe dieser Größen werden dann in eine Protokolldatei geschrieben und können bei Bedarf auch als Signalverlauf dargestellt werden. Dafür sollte man bereits eine anschauliche Maßeinheit für die protokollierten Größen wählen:
    
    Hinweis: Man sollte nur die Größen für die Protokollierung auswählen, die man wirklich benötigt, da jeder Datenmüll Platz und Zeit kostet! Die Wahl einer geeigneten Maßeinheit für die Ergebnisdarstellung erleichtert die Interpretation.

Rückhol-Feder

• Eine Feder soll die Nadel nach dem Prägevorgang hinreichend schnell in die Ruhelage zurückholen.
• Hier sind verschiedenste Feder-Formen denkbar. Günstig für eine stabile Ruhelage ist sicher eine Vorspannung.
• Wir idealisieren die vorgespannte Feder als lineare Kraft-Kennlinie und erweitern die Modellstruktur um ein Feder-Element aus der Mechanik-Bibliothek.
• Die Eigenschaften dieses Elements ändern wir analog zur Nadel-Masse:
  • Name=Feder / Kommentar=Rückholfeder.
  • Da die Bewegung im Millimeter-Bereich stattfindet, ist die Einheit [N/mm] eine gute Wahl.
  • Die Steifigkeit kann man vorläufig auf Null setzen.
  • Zu protokollieren ist nur die Federkraft als Ergebnis-Größe (Innere Kraft).
• Das eine Ende der Feder ist mit der Nadel zu verbinden:
  • Wenn man sich mit dem Mauszeiger über einen Elementanschluss bewegt, so färbt sich der Anschluss-Pin rot und am Mauszeiger erscheint ein Verbindungssymbol.
  • Die Verbindung wird hergestellt durch Bewegen des Mauszeigers zwischen den Anschluss-Pins mit gedrückter linker Maustaste ("Loslassen" am Ziel):

Feder-Vorspannung

• Das nicht verbundene Ende der Feder ist standardmäßig bei x=0 fest eingespannt.
• Wir benötigen eine Einspann-Position relativ zur Ruhelage der Nadel, um eine definierte Vorspannung einzustellen.
• Dazu verwenden wir das Vorgabe-Element aus der Mechanik-Bibliothek und verbinden es mit dem offenem Feder-Ende:
  • Wir nutzen die Funktion "Weg"-Vorgabe.
  • Der Vorgabe-Weg (=Position) wird vorläufig auf die Position der Nadel-Ruhelage gesetzt (noch ohne Vorspannung). Durch Nutzung der Variablen Nadel.x0 passt sich die Feder-Position automatisch an eine Veränderung der Nadel-Ruhelage an:
    
    Hinweis: Bezieht man sich in einem Paramter auf ein anderes Element des Modells, so erscheint nach Eingabe des Punktes hinter dem Element-Namen normaler Weise ein Menü aller Elementgrößen. Die Anzeige dieses Menüs erfolgt jedoch manchmal nicht, so dass man dann den Eintrag komplett manuell vornehmen muss!

Validierung des Modellverhaltens

Achtung:

Bevor wir mit dem Modell Simulationen durchführen, sollten wir es speichern (Etappe1_xx mit xx=Teilnehmernummer). Die File-Extension für ITI-SimX-Modelldateien ist ".ism".

• Es ist sinnvoll, ein Modell schrittweise in Betrieb zu nehmen, um eventuelle Fehler noch mit vertretbarem Aufwand zu finden!
• Die bereits modellierte Antriebsmechanik ist ausreichend für die Durchführung erster Simulationsexperimente.
• Folgende Signalverläufe sollen in einem gemeinsamen Ergebnisfenster dargestellt werden:
  • Nadel-Position
  • Nadel-Geschwindigkeit
  • Feder-Kraft

Hinweis: Es ist günstig, die entsprechenden Signale Datei:Software SimX - button protokoll.gif direkt aus dem Modellexplorer in das beim ersten Mal angelegte Ergebnis-Diagramm zu ziehen:

• Schwingungsvorgänge dürften nach dem Start der Simulation nicht sichtbar sein, da die Federsteife noch den Wert Null besitzt.
• Wir wollen zuerst die Federsteifigkeit mit einem Wert belegen, der in der richtigen Größenordnung liegt:
  • Die Feder muss so steif sein, dass sie in der Lage ist, in ungefähr der halben Zeit eines Prägezyklusses von 3,4 ms die Nadelmasse (einschließlich der Ankermasse) vom Matrizenboden in die Ruhelage zurück zu holen.
  • Diese 1,7 ms entsprechen einer Viertel Periode einer vollen Schwingung. Die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems sollte also größer als 1/(6,8 ms) sein, das sind ca. 147 Hz.
  • Die Masse des Magnet-Ankers ist noch unbekannt und soll vorläufig unberücksichtigt bleiben.
  • Mit einer Nadelmasse m=1 g berechnen wir die Federsteifigkeit anhand der maximal zulässige Periodendauer T=6,8 ms mit:

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