Mechatronica in een industriële productie-omgeving

Met behulp van NI LabVIEW, NI Vision Development Module, NI PXI-5401 Arbitrary Waveform Generator, NI PXI-2530 Switches en de NI PXI-5102 Digitizers is een applicatie gerealiseerd, die de mogelijkheden toont van de combinatie van hardware en software binnen de machinebouw en de mechatronica. De uitdaging was het ontwikkelen van een machine die in een industriële productieomgeving kan werken en waarmee industriële piëzo-elektrische inkjet printkoppen voor de uiteindelijke assemblage kunnen worden getest.

Detail van de gebouwde testmachine

De werking van de spuitmond kan met behulp van een golfvormgenerator, digitaliseerder en switches als testeenheid aan een kwalitatieve meting worden onderworpen. Hierbij stuurt de testeenheid een golfvorm naar elke piëzo-elektrische cel en meet hij gelijktijdig de respons van het piëzo-elektrische kristal, een waarde die de basis vormt voor de kwaliteit van de cel en dus van de printkop.

Een industriële inkjet-printkop is een dure component. Een standaard industriële printkop beschikt over meer dan 1000 microscopische spuitmondjes die van PTZ (Piëzo-electric Lead Zirconate Titanate) materiaal zijn vervaardigd en met de nodige precisie zijn geproduceerd. Een dunne basisdrager is met het piëzo-elektrische materiaal verbonden waardoor een lange rechthoekige strip ontstaat. Vervolgens wordt het piëzo-elektrische materiaal in stukjes met een breedte van circa 70 µm gesneden. Hierna worden elektroden aan het piëzo-elektrische materiaal bevestigd. Kleine gaatjes worden daarna in het basisdrager materiaal aangebracht, gaatjes die de uiteindelijke spuitmondjes vormen. De op deze wijze verkregen strips moeten, voordat ze worden geassembleerd aan de besturingselektronica en de inktcontainer worden getest.
Een dergelijke printkop kan tot acht subdruppels uitsturen. Deze zeer kleine druppels worden vlak achter elkaar weggeschoten, terwijl een grotere druppel wordt weggeblazen. Hiermee, door meer of minder van deze kleine druppeltjes weg te schieten, wordt het volume van de uiteindelijke druppel als het ware afgestemd op de gewenste hoeveelheid. Daarmee wordt direct de afdrukkwaliteit en de resolutie van de afdruk bepaald. De printkop is dus direct verantwoordelijk voor de kwaliteit van de geproduceerde afdruk en moet aan zeer hoge kwaliteitseisen voldoen – dat geldt vooral voor de spuitmondjes.

Een kijkje in de testmachine. Let op de verschillende bewegingsrichtingen.

Resonantietest
Op het moment dat een spanning op een piëzo-elektrische cel wordt aangebracht, vervormt het materiaal en genereert het een druk op de inkt, waardoor die door het spuitmondje wordt gedrukt en er via het gaatje uit wordt gespoten. Het is duidelijk dat hierbij de kwaliteit van iedere cel van belang is omdat het ook de naburige cellen beïnvloedt. De kwaliteit kan het beste worden bepaald aan de hand van de resonantie van de piëzo-elektrische cel. Nadat eerst onderzocht was of de theorie klopte en het testsysteem virtueel binnen de LabVIEW omgeving voldeed, werd een volledige testeenheid ontwikkeld, inclusief printkop handling. De testeenheid regelt met andere woorden dus ook het transport van de PZT-actuator naar de testprobes en vice versa. De complete testeenheid maakt gebruik van vijftien motoren, vier camera’s en een PXI meetsysteem, die via een Profibus-protocol communiceren met de software. De software werd volledig in LabVIEW geschreven.

Werking
Het testsysteem kan tot maximaal 32 PZT-actuatoren gelijktijdig verwerken. De geïntegreerde pick-and-place eenheid pakt een actuator en plaatst die in een fixture. Vervolgens controleert een camera de 2D barcode, de identificatie van het product. Deze camera wordt tevens gebruikt om de eerste elektrode op de PZT-actuator te lokaliseren. Deze inspectie dient uiterst nauwkeurig plaats te vinden omdat de actuatoren slechts 100 µm van elkaar liggen. Deze nauwkeurige plaatsbepaling, evenals de ligging van de actuator en de ligging van de eerste elektrode ten opzichte van de positie van de naburige elektroden wordt gerealiseerd met behulp van de NI Vision Development Module.

De test probe eenheid.

Vervolgens verplaatst de fixture zich naar het inspectiestation. Vier setjes van testprobes worden op de elektroden van de spuitmondjes geplaatst. Elke testprobe bevat 32 naaldjes om het directe elektrische contact met de 32 elektroden van de piëzo-elektrische cel te realiseren. De vier camera’s zorgen ervoor dat de testprobes goed worden gepositioneerd. Na plaatsing van de probes wordt via de NI PXI-5401 arbitrary waveform generator een signaal gegenereerd dat tussen de 0 MHz en 3 MHz ligt. Dit stimulussignaal kan met software worden ingesteld op het gewenste type (blokvorm, sinusvormig enzovoort), afhankelijk van de soort spuitmond.

PXI modulaire instrumenten
Het testsignaal wordt met behulp van vier NI PXI-2530 128-channel matrix switches naar de testprobes gestuurd. Het testsignaal wordt snel over de 32 contacten geleid en binnen drie seconde kunnen maximaal 64 verschillende testsignaalcombinaties worden gegenereerd en vindt simultaan voor alle vier de testprobes plaats. Vier NI PXI-5102 digitizer-modulen meten simultaan op vier kanalen de respons van de piëzo-elektrische cellen (op 20 MS/s). De binnenkomende data wordt naar het geheugen gestuurd voor analyse. Als de eerste 4 x 32 contacten zijn getest, worden de testprobes verplaatst naar de volgende set contacten. LabVIEW bestuurt de beweging en de instrumenten en leidt de signaalanalyse, zoals het bepalen van de frequentierespons en de resonantiefrequentie. Deze informatie wordt vervolgens gebruikt voor de goed/fout beslissingen.

De PXI modulaire instrumenten

De applicatie maakt gebruik van twee monitoren. Een voor het weergeven van de lopende meetresultaten en een ander die de status van de testmachine laat zien. Het uiteindelijke resultaat wordt via Ethernet naar de database gestuurd en als referentie opgenomen.
De kwaliteit van de printkop hangt af van de kwaliteit van de actuator eenheid. Een studie liet zien dat er een correcte analyse van de resonantiefrequentie gebruikt kan worden als indicator voor de kwaliteit van de actuator. De gebouwde testeenheid die gebruik maakt van NI instrumenten en die bestuurd worden door LabVIEW blijkt flexibel te functioneren en kan op een eenvoudige manier worden aangepast voor het testen van nieuwe spuitmondeenheden.

KURT HENSEN, ES International, Hasselt, België, bewerking: Dirk Scheper