HMI-Enwicklungsplattformen Ein Geschenk für Entwickler von Laserbearbeitung und Mikrofertigung

Systemintegratoren und OEM in der Laserbearbeitung oder Mikrofertigung haben oft kein Problem damit, ein neues Konzept auf einer Demomaschine vorzustellen. Der schwierige Teil beginnt, sobald das Interesse des Kunden geweckt ist und das Konzept unter Zeitdruck in eine robuste Maschinenlösung umzusetzen ist. Hier helfen Motion- und CNC-Controller-Technologien, die bereits vom Benutzer anpassbare Entwicklungsplattformen und fortschrittliche Bewegungsoptimierungen bei der Lasersteuerung bieten.

Bei der Entwicklung einer industrietauglichen Maschine für die Laserbearbeitung oder Mikrofertigung gibt es vor allem zwei komplexe und ressourcenintensive Aufgaben. Zum einen müssen die Laserimpulse mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ans Werkstück gebracht werden. Zum anderen gilt es, eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle zu entwickeln.

HMI-Entwicklungsplattform spart Zeit

Der Entwickler muss sich dabei vielen Herausforderungen stellen: die Verarbeitung der CAD-/CAM-Daten, die Generierung und Programmierung der Bewegungsprofile für den Laser, die Programmierung der Benutzeroberfläche und die Ansteuerung des Lasers in Echtzeit. Hinzu kommen oft zusätzliche applikationsspezifische Herausforderungen. Der Entwicklungsprozess wird dadurch zeitaufwendig und teuer.

Die Benutzerschnittstelle (Human Machine Interface, HMI) ist ein wichtiges Subsystem der Maschine und fällt üblicherweise in eine von zwei Klassifikationen:

• HMIs im „CNC-Stil“, importieren maschinencodierte Programme, die zuvor ein CAM-Software-Postprozessor erstellt hat, und führen diese aus (typischerweise G-Code).

• Oft findet man auch integrierte grafische HMIs, die den Import sowie die Bearbeitung von CAD-Dateien ermöglichen und integrierte Funktionalität zur Nachbearbeitung der CAM-Daten bieten.

Einige Motion- und CNC-Controller-Hersteller bieten mittlerweile anpassbare HMI-Entwicklungsplattformen für beide Klassifikationen an. Der Systemintegrator oder OEM kann somit einen neuen, weniger ressourcenintensiven Ansatz für die Entwicklung und Wartung seiner HMI-Software nutzen und seine HMI-Applikation mit der anpassbaren Plattform deutlich schneller aufbauen.

HMI im CNC-Stil

Viele Lasermikrobearbeitungs- und Mikroprozesssysteme werden in einer
Bearbeitungs- oder Fertigungsumgebung neben anderen traditionellen CNC-Maschinen wie Drehmaschinen, Mühlen oder Fräsmaschinen eingesetzt. In solchen Fällen ist es von Vorteil, wenn sich HMIs, Lasersystem und andere Maschinen ähnlich bedienen lassen. Dadurch lässt sich die gleiche Wissensbasis nutzen. Eine anpassbare CNC-HMI-Entwicklungsplattform sollte viele Standard-HMI-Features „out-of-the-box“ anbieten.

Dazu gehört die Möglichkeit, NC-Dateien nach dem Standard RS-274 und benutzerdefinierte G-Codes zu laden, zu bearbeiten und auszuführen oder flexible CNC-Programm-Ablaufoptionen wie Stopp, Halten, Abbruch, Einzel-Block-Ausführung, Block Überspringen und Feed-Rate halten. Hinzu kommt die Echtzeitüberwachung der Programmausführung, der Achspositionen, Vorschubgeschwindigkeiten, der G-Code-Modalitäten und von Alarmen und Störungen. Außerdem sollte es zur Sicherheit einen mehrstufigen Benutzerzugang mit Login-Bildschirmen unter anderem für Bediener, Techniker, Entwickler und Administratoren geben.

Weitere Herausforderungen im Zusammenhang mit der Integration der HMI-Host-Applikation und der Motion/CNC-Steuerung sind heute ebenfalls gelöst: Dazu zählen beispielsweise die Optimierung von NC-Programm-Download, von Kompilierung und Ausführungszeit, der Verwaltung der G-Code-Modalität, um den Mid-Programm-Start zu unterstützen, und die Verbesserung von Darstellung, Handhabung sowie Protokollierung von Maschinenfehlern und Fehlerbedingungen.

Die Wettbewerbsvorteile eines Systems zur Laserbearbeitung oder Mikrofertigung sind oft mit der anwendungsspezifischen Funktionalität verbunden. Eine anpassbare CNC-HMI-Entwicklungsplattform bietet einen Mehrwert für den Maschinenentwickler, indem sie eine anwendungsspezifische HMI-Anpassung mit relativ geringem Aufwand ermöglicht. Einfache Beispiele für solche Anpassungen können benutzerdefinierte Registerkarten, Schaltflächen oder Bildschirme sein. Das vereinfacht auch anspruchsvollere Anpassungen, wie Prozessvisualisierung oder die Integration weiterer Geräte wie Kameras und Laser-Wegsensoren in die Maschine.

Laserbearbeitungs- und Mikrofertigungssysteme für flexibles Bohren und Schneiden von Leiterplatten, für die Glas- und Polymer-Display-Verarbeitung, die Halbleiter-Verarbeitung, die Fertigung von Präzisions-Optik oder eine hochgenaue additive Fertigung arbeiten häufig in der High-Tech-Forschung und in Produktionsanlagen. Bei solchen Systemen wird typischerweise ein integriertes grafisches HMI gegenüber einer Bedienung im CNC-Stil bevorzugt, da der Systembetreiber üblicherweise kein CNC-Maschinist ist. Das integrierte grafische HMI kann eine CAD-Datei direkt einlesen, einen Laserpfad definieren und den entsprechenden Maschinencode automatisch generieren. Diesen führt der Motion Controller selbstständig aus und eine separate CAM- oder Nachbearbeitungssoftware ist nicht erforderlich.

Das integrierte grafische HMI

Eine anpassbare integrierte grafische HMI-Entwicklungsplattform mit eingebauten Funktionen für spezifische Prozesse wie Lasermarkierung, Bohren, Ätzen, Schneiden oder Additivherstellung bietet dem Industrieanwender Vorteile, da viele Herausforderungen bereits gelöst sind. Zum Beispiel wird eine breite Palette an CAD-Formaten nativ unterstützt (DXF, DWG, Gerber, NC Drill oder STL) und lässt sich problemlos bearbeiten, um Bewegungsprofile wie Skalierung, Rotation oder Kacheln zu generieren. Parameter für alle Bewegungsachsen können im gleichen Fenster konfiguriert und überwacht werden. Es gibt eine Echtzeitüberwachung und Datenerfassung von Bewegungsrückmeldungen und den Laserstatus.

Häufig verwendete Geräte wie Kameras und Galvoscanner werden im HMI nativ unterstützt und sind konfigurierbar. Auch neue Geräte lassen sich einfach integrieren und entsprechende Bibliotheken müssen nicht mehr von Grund auf neu geschrieben werden. Vollständige Simulationen zeigen dem Benutzer den erwarteten Laserstrahlengang und erlauben es ihm, die voraussichtliche Prozessdauer zu bestimmen. Ähnlich wie bei einer HMI-Entwicklungsplattform im CNC-Stil kann die integrierte grafische HMI-Entwicklungsplattform auch für anwendungsspezifische Funktionalität angepasst werden.

Verbesserte Bewegungsleistung

Für viele Anwendungen in der Laser-Mikrobearbeitung und Mikrofertigung ist die Bewegungsleistung entscheidend für die erreichbare Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Prozesses. Das Bewegungsverhalten wird sowohl durch die Profilgenerierung (Befehlsbewegungsweg) als auch durch die Servo-Performance beeinflusst und hängt davon ab, wie gut die Aktoren dem geplanten Bewegungspfad folgen. Um die Profilerzeugung und Servo-Performance zu verbessern, bieten aktuelle Motion/CNC-Steuerungen erweiterte Funktionen an. Dazu gehören Profilgenerierung für minimalen Energieverbrauch, Eckglättung, adaptive Servosteueralgorithmen und Autotuning.

Neben der Bewegungsleistung hat aber auch die positionsbasierte Ausgangssynchronisation Einfluss auf die Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Diese Aufgabe übernahm bisher der Bewegungs-/CNC-Regler oder Antrieb, der mechanisch mit den Maschinenantrieben verbunden war. Heute gibt es spezielle Lasersteuermodule, die flexible Möglichkeiten zur positionsbasierten Ausgangssynchronisation für die Laserauslösung und das Gating bereitstellen. Sobald es ins Steuerungsnetzwerk integriert ist, kann das Modul per Software konfiguriert werden, um synchronisierte Ausgänge basierend auf der Bewegung einer beliebigen Kombination von Achsen im Netzwerk bereitzustellen.

Dabei sind verschiedene Lasersteuerungsmodi möglich: Für Anwendungen, bei denen die Laserpulse nicht einzeln durch eine externe Steuerung ausgelöst werden, kann ein Gating-Modus verwendet werden. Bei derartigen Anwendungen wird das Torsignal typischerweise am Anfang oder Ende eines Bewegungssegments oder Blocks genau ein- oder ausgeschaltet, falls gewünscht aber auch an beliebigen Stellen entlang eines Bewegungspfades. Digitale Modulationsmodi zur Leistungsregelung sind ebenfalls möglich, wie Pulsweitenmodulation und Frequenzmodulation. Unterschiedliche Betriebsarten können darüber hinaus für anspruchsvolle Anwendungen miteinander kombiniert werden.

Wenig Aufwand für mehr Maschinenleistung

Die Herausforderungen bei der Entwicklung einer robusten und skalierbaren Laserbearbeitungs- oder Mikrofertigungs-Maschinenplattform lassen sich mit anpassbaren HMI-Plattformen und Lasermodulen heute besser und schneller lösen. Insbesondere gilt das für die Optimierung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Lasersteuerung relativ zur Bewegung und für die Entwicklung der zugehörigen HMI-Software. Maschinenentwickler, Systemintegratoren und Anwender profitieren davon gleichermaßen, denn das Resultat bedeutet gleichzeitig höhere Maschinenleistung und geringerer Entwicklungsaufwand.