Benes past rapid prototyping principes toe voor de ontwikkeling van een printerfeedertafel

Benes wist samen met het Mechatronica 4.0-projectteam rapid prototyping (RP) effectief aan te wenden voor de ontwikkeling van een hoognauwkeurige printerfeedertafel en de bijhorende software. Technieken die onder de noemer 'rapid prototyping' (RP) vallen, laten toe om op een snelle, goedkope en efficiënte manier tot een prototype van een product te komen dat reeds sterk aanleunt bij de individueel gestelde eisen. Bijgevolg is de opschaling naar een volwaardig industrieel product slechts een kleine stap.  

Sirris en Flanders Make maakten gebruik van RP om een feedertafel te ontwikkelen, compatibel met een bestaand printersysteem. De ontwikkeling gebeurde op vraag van Benes, een kmo uit Haasrode die printsystemen en –toebehoren verdeelt.

Het probleem bij de bestaande printerconfiguratie was dat deze slechts geschikt was voor de bedrukking van lichte materialen op rol zoals papier, textiel en folie. Een uitbreiding met een feedertafel betekent het creëren van mogelijkheden om zwaardere materialen zoals vlakke panelen (tot 40 kg) te bedrukken.

RP laat toe concepten in een korte tijdspanne en met beperkte kosten te testen en te optimaliseren. Sirris en Flanders Make volgden een systematische aanpak om uitgaande van de ontwerpspecificaties, concepten te genereren en te optimaliseren. 3D-printing (sinteren van polyamide in dit geval) werd aangewend voor de bouw van het prototype, terwijl de elektronica voor de aansturing van de printerfeeder opgebouwd werd op basis van het open-source dsPIC-hardwareplatform en bijgevolg een automatische codegeneratie vanuit een Matlab/Simulink-omgeving toelaat. Het gerealiseerde prototype resulteerde in een grote uitbreiding aan functionaliteiten ten opzichte van het initiële systeem op een budgetvriendelijke manier. 

Brainstorm en selectie van concepten

De systeemvereisten waren:

  • Compatibiliteit met het huidige printersysteem.
  • Snelle positionering tot op 20 µm nauwkeurig, zonder overshoot.
  • Een 1D-rotationele vrijheidsgraad in het vlak van het paneel om obstructie te voorkomen in de printer tijdens het feederproces.
  • Behandeling van panelen met een massa tot 40 kg. 

Het initiële printersysteem beschikte over een interne rolaandrijving. Om aan de nieuwe systeemvereisten te kunnen voldoen, is gekozen voor een externe aandrijving van het paneel via een spindel. Een spindel is weliswaar duurder dan bijvoorbeeld een aandrijfriem, maar is door de hoge stijfheid meer betrouwbaar. De spindel (zie onderstaande figuur) wordt aangedreven door een stappenmotor die met een microstepping open-loop-controller nauwkeurig aangestuurd wordt.

Schematische voorstelling van de printer, de feedertafel en de aandrijving van de spindel door de elektrische motor (bron: Flanders Make)

De rotationele vrijheidsgraad wordt verwezenlijkt door een mechanische kogelhulsverbinding te voorzien tussen de spindel en het paneel (zie onderstaande figuur). Sirris maakte gebruik van 3D-printtechnologie om deze kogelhuls in te bouwen.

Voorstelling van de printerfeedertafel met 1D-vrijheidsgraad geïntroduceerd door middel van een kogelhuls tussen het paneel en de spindel (bron: Flanders Make)

Software-ontwerp en -implementatie

De software omvat onder andere trajectplanning en sturing van de motor, verwerking van operatorcommando’s, aansturing van de display en de communicatie met de printer.

Flanders Make ontwierp het controle-algoritme in een Matlab-Simulink-omgeving. Vanuit deze omgeving is een rechtstreekse conversie naar het dsPIC-hardwareplatform en bijgevolg een automatische codegeneratie mogelijk. Het dsPIC-platform vormt een alternatief voor high-end platformen zoals dSpace (zie volgende figuur).

De high-end platformen hebben als voordelen dat ze flexibel zijn in gebruik, accuraat zijn (16 bits A/D conversie) en over een grote rekenkracht en geheugen beschikken. Daartegenover staat dat deze platformen duur zijn in aanschaf en in vertaling van softwarecode, aangezien de overdracht naar de finale hardware moeilijk is. Doordat de hardware conform is met de finaal gebruikte hardware vormt dit dsPIC-platform ook een goede en representatieve evaluatieomgeving.

Verbeterde integratie van de ontwerpcyclus via automatische codegeneratie door gebruik te maken van het dsPIC-platform dat beter aansluit bij het eindproduct waarbij geen grote rekenkracht vereist is (bron: Flanders Make, Sirris)

Het dsPIC-platform is opgebouwd rond een goedkope processor van Microchip (dsPIC33F) en bevat een brede waaier aan I/O-mogelijkheden. De processor kan ook in het eindproduct gebruikt worden en staat bijgevolg garant voor een correcte inschatting van de performantie van het prototype.

Een automatische codegeneratie via het dsPIC-platform levert dus een dubbel voordeel op. Enerzijds resulteert dit in een snelle evaluatie van de algoritmes daar geen manuele code-integratie vereist is. Anderzijds laat het toe het regelalgoritme te evalueren alvorens over te gaan tot de experimentele validatie. 

In het kader van het Mechatronica 4.0-project zal het projectteam de ontwikkeling van het dsPIC-platform voortzetten, alsook andere rapid-controller-prototypinghardware evalueren.

Proof-of-concept 

Het gerealiseerde ontwerp is te bekijken in onderstaand filmpje:

 

Contact Flanders Make: Maarten Witters, maarten.witters@flandersmake.be, +32 498 91 94 40