Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Papier

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Nadel-Anschlag

Die Bewegung der Nadel wird durch die Anschläge am Matrizenboden und in der Ruhelage begrenzt:

• Vereinfacht kann man den Stoßvorgang an diesen Anschlägen als ideal plastisch betrachten (nach dem Stoß v=0 m/s).
• Nach dem Prägen des Papiers befindet sich zwischen Nadelspitze und Matrizenboden eine Papierschicht von ca. 0,1 mm Dicke. Dies entspricht einem Anschlag bei -0,55 mm auf dieser Seite.
• In der Modell-Bibliothek steht der Elementtyp "Anschlag" zur Verfügung.
• Dieser Anschlag wirkt hier praktisch zwischen der Nadel und dem Gestell der Antriebsbaugruppe.
• Das "Gestell" ist eine "Einspannung" und befindet sich damit auf der Position x=0 mm.
• Wir konfigurieren das Anschlagselement als "Starren Anschlag" mit "Plastischem Stoß" ohne "Reibung":
• Die Parameter l1 und l2 beschreiben die Abstände der Anschlagspositionen in Bezug auf die Position von Ctr1 (=linke Seite).
• Den Anschluss Ctr1 verbinden wir mit einer Einspannung (=Gestell), damit erhält er die Position x=0:
  
• Der Abstand l1 wird in negativer Koordinatenrichtung als Positiv angenommen! In unserem Beispiel sind die Parameter l1 und l2 beide positiv, da sich die Position x=0 innerhalb des Anschlag-Elements befindet.
• Innerhalb des Wegabschnittes (l1+l2) ist die Kraftwirkung auf ein sich darin bewegendes Element (hier die Nadel-Masse) gleich Null.
• An den Begrenzungen dieses Wegabschnittes (den Anschlägen) wird eine Kraft erzeugt, welche das bewegte Element kurzfristig auf v=0 m/s abbremst und die weitere Bewegung über die Anschlagsposition hinweg verhindert (plastischer Stoß):
  
• Achtung: Nach Hinzufügen solch eines "komplexen" Modell-Elements sollte man sofort überprüfen, ob es sich wie gewünscht verhält!
  • Die Begrenzung der Nadelbewegung in beiden Richtungen kann man in einem gemeinsamen Experiment testen, indem man die Nadel mit ausreichender Geschwindigkeit in Richtung Matrize schleudert.
  • Dazu setzt man Nadel.v0 auf einen hinreichend großen negativen Wert.
  • Bei -0.55 mm muss die Nadel sicher abgebremst werden. Die Feder holt dann die Nadel zurück.
  • Bei Nadel.x0 muss die Nadel trotz vorgespannter Feder wieder zur Ruhe kommen.

• Hinweis: Damit die Geschwindigkeitssprünge als senkrechte Linien im Signalverlauf erscheinen, muss man in der Simulationssteuerung für die "Protokollierung von Ergebnissen" die Option "Nach mindestens dtProtMin sowie vor und nach Ereignissen" aktivieren!

Papier

Das zu prägende Papier als Wirkstelle muss im Modell berücksichtigt werden, um Aussagen zur Eignung eines Wirkprinzips für den Aktor machen zu können.

Im Beispiel sind aus Messungen beim Prägevorgang folgende Zusammenhänge bekannt:

• Die Kraftwirkung des Papiers auf die Nadel ist Null, solange die Nadel die Papieroberfläche noch nicht berührt (Nadel.x>=0.15 mm).
• Während des Eindringens verhält sich die Papieroberfläche wie ein Feder-Dämpfer-Element:

k = 36500 N/m

b = 5.5 Ns/m

• Nach Erreichen der Rissposition xRiss = ‑0.39 mm entfällt der elastische Anteil der Kraft (Prägung durch Zerfasern des Papiers). Beim weiteren Eindringen wirkt nur noch der Dämpfungsanteil mit b=5.5 Ns/m.
• Bei der Rückbewegung der Nadel existiert kein Dämpfungsanteil der Kraft.

Diese ziemlich komplizierte Abhängigkeit der Kraft von der Nadelposition, der Bewegungsrichtung der Nadel und vom Zustand des Papiers wollen wir schrittweise nachbilden:

• Der Elementtyp "Feder-Dämpfer-Spiel" gestattet ähnlich wie der "Anschlag" die Modellierung eines Kraftelements mit einem Spielanteil (kräftefreie Nadelbewegung bis zur Papieroberfläche).
• Wir verwenden die Kraft-Kennlinie dieses Elementtyps als "Papier" und nutzen davon aber nur den blauen Bereich links von der Kennlinien-Mitte:

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