Kundenspezifische Fertigung Ein komplettes HMI-System aus einer Hand

Autor / Redakteur: Uwe Glaser * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Von der Planung bis zum fertigen Eingabesystem: aki-hmi unterstützt seine Kunden, wenn es um die Projektierung eines Eingabesystems geht. Der Service reicht bis zur Gesamtmontage.

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Ein Touchsystem auf Basis der projektiv-kapazitiven Eingabemethode mit partiellem Optical Bonding.
Ein Touchsystem auf Basis der projektiv-kapazitiven Eingabemethode mit partiellem Optical Bonding.
(Foto: aki-hmi)

Eine HMI-Gesamtlösung für die Automatisierungs- und Medizintechnik ist eine komplexe Angelegenheit und funktioniert nur in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden. Dabei wird die gesamte Industriealisierung der stationären oder mobilen Eingabegeräte von aki-hmi mit den sogenannten Designmeilensteinen realisiert: Herstellung, Kosten, Prüfkonzept und Logistik. Schwerpunkte bilden dabei die Vorgaben und Bedürfnisse des Anwenders im abgestimmten gesamtheitlichen Ansatz. Dadurch werden bereits in der Entwicklungsphase kostengünstige Lösungen betreffend der Komponenten und der Produktionskosten erarbeitet. Die Erstellung von Prüfkonzepten, FMEA, Prozessvalidierungen und die eigentliche Produktqualifikation sind wesentliche Aspekte des integrierten Qualitätssystems. Für den Serienbedarf stehen die entsprechenden Logistiklösungen beginnend mit Verpackungslösungen über Labelling bis zu Lieferkonzepten wie Kanban und Lagerkonzepte (Konsignationslager) zur Erfüllung der spezifischen Kundenbedürfnisse zur Verfügung.

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Lösungen für mobile und stationäre Geräte

Bis ein Eingabesystem eingesetzt werden kann, ist es ein langer Weg. Kundenspezifische HMI-Gesamtlösungen sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen müssen gut geplant und dimensioniert werden. Die offensichtliche Frage nach der gewünschten Eingabemethode ist nicht allein entscheidend. Genauso wichtig ist die Wahl der Software oder die der mechanischen Komponenten. Und schließlich muss geklärt werden, das die Geräte auch eine elektromagnetische Verträglichkeit garantieren können. Abgerundet wird das Angebot durch ein Netz unabhängiger Hersteller und Lieferanten.

Die verschiedenen Komponenten des Eingabesystems

Ein Eingabesystem besteht meist aus folgenden Komponenten:

  • Elektronikeinheit: Embedded Computer als Singleboard oder COM-Modul plus Baseboard, Peripheriemodule wie Kamera, Mikrofon oder Bluetooth-Modul.
  • Eingabemodul: Touchscreen resistiv oder projektiv-kapazitiv plus Display, kapazitive Tastatur, Folientastatur, mechanische Tastatur
  • Mechanik, Gehäuse: aus Metall oder Kunststoff
  • Gesamtmontage des Gerätes

Die Auswahl der Komponenten wird bestimmt über die notwendige Applikationsleistung, Speichergrösse bzw. welches Betriebssystem (Linux oder Android) gefordert ist. Vor allem bei mobilen Geräten ist der Strombedarf bei der Auswahl des geeigneten Prozessors wie beispielsweise ARM-Cortex und weiterer der Kernbauteile einzubeziehen. Zu den wichtigen Auswahlkriterien für ein geeignetes Display gehören die Anforderungen betreffend Technologie, Auflösung, Betrachtungswinkel und die Definition der Schnittstelle zum Rechner (RGB oder LVDS).

Zusätzlich sind die notwendigen Stecker und Ports zu definieren. Mechanische Abmessungen, wie der verfügbare Bauraum und Anforderungen an die Betriebstemperatur sowie die Umgebungsbedingungen sind ebenfalls zu berücksichtigen. Ein weiterer Schritt in der Realisierung des Projektes ist die kundenspezifische Entwicklung bzw. Modifikation des Baseboards mit den erforderlichen Schnittstellen wie USB, I²C, UART, sowie die Abstimmung aller weiteren Hardwarekomponenten wie Kamera, Mikrofon, Bluetooth oder RFID-Sensor.

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Die Konstruktion der Leiterplatte mit Prozessor und den weiteren Bauteilen wird den Gegebenheiten angepasst. Die vorgesehene weitere Elektronik vom Netzadapter bis zur Geräteperipherie wird konstruktiv berücksichtigt. Bei der Softwaregestaltung wird die Anpassung des BSP (Basic Support Package) an das Betriebssystem - typischerweise Linux Embedded oder alternativ Android – vorgenommen. Abgerundet werden die Dienstleistungen durch die Vorinstallationen der Applikationssoftware oder Web-Kit-Lösungen. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt ist die Abstimmung der Elektronik auf die Elektromagnetische Verträglichkeit und ihre Einhaltung. Die dazu notwendigen Auswertungen und Optimierungen führt aki-hmi zum Teil selbst durch und arbeitet parallel mit Dienstleistern zusammen. Weitere notwendige Tests für die Sicherstellung der Funktion unter besonderen Umgebungsbedingungen, werden ebenfalls extern beauftragt.

Dateneingabe mit Folien- und kapazitive Tastaturen

Für die Eingabe von Daten oder Befehlen stehen neben den traditionellen Varianten wie mechanischen Tasten und Folientastaturen in zunehmendem Umfang kapazitive Tastaturen und Touchscreens diverser Technologien zur Auswahl. Anforderungsspezifisch werden häufig Kombinationen verschiedener Eingabetechnologien in einem Gerät realisiert. So können bei komplexen Steuerungen fixe und häufig benötigte Befehle über eine Folientastatur erfolgen, während parallel seltener benutzte und menüabhängige Funktionen über einen in der Folientastatur integrierten Touchscreen erfolgen. Eine weitere, von aki bereits häufig realisierte Variante, ist die Kombination von kapazitiven Tasten mit einem projektiv kapazitiven Touchscreen unter einem gemeinsamen Schutzglas. Bei beiden Touch–Tasten- Kombinationen ist die Integration von homogen beleuchteten Tasten State of the Art. Die homogene Ausleuchtung erleichtert die Benutzerführung und erhöht die dargestellte Wertigkeit des HMI.

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Kundenspezifische Anforderungen an den Touch

Die Leistungsspektrum von aki-hmi umfasst die Konstruktion und Eigenfertigung von Folientastaturen als auch kapazitiven Tastaturen. Bei Folientastaturen liegt ein Schwerpunkt darauf, eine individuelle Beleuchtung zu realisieren. Es lassen sich unterschiedliche Beleuchtungen von Tasten oder Feldern in sehr flacher Bauweise umsetzen, die zudem kostengünstig und energiesparend sind.

Bei kapazitiven Tastaturen bietet aki erweiterte Funktionen ähnlich eines kapazitiven Touchscreens. Ihre Betätigung erfolgt ebenfalls gleichsam ohne Berührung. Dabei werden stufenlose Wheel- und Slider–Funktionen generiert, die in der Lage sind, Wischbewegungen analog zu Touch-Eingabeverhalten umzusetzen. Besonders vorteilhaft sind die geringere Bauhöhe, sowie Gewichts- und Kostenersparnisse. Die flächige Ausleuchtung dieser Elemente mit LEDs ergänzt die gestalterische Vielfalt.

Der Einsatz von Projektiv-Kapazitiven-Touchscreens (PCT / PCAP) bietet als Benutzerschnittstelle noch wesentlich komplexere Bedienungsmöglichkeiten. Die Auswahl des geeigneten Sensors unter Berücksichtigung der kundenspezifischen Anforderungen richtet sich nach umfangreichen Kriterien. Wesentlich sind Dimension, aktiver Bereich, Glas- oder Folientouch, die Schnittstelle und deren Uniformität über verschiedene Diagonalen. In Abhängigkeit dessen ergibt sich der jeweilige Controller mit unterschiedlichen Leistungen betreffend der Einstellung und der konstruktions- und anwendungsspezifischen Parameter. Hier ist aki-hmi unabhängiger Verarbeiter und beschafft weltweit und markenunabhängig. Mit 30.000 verarbeiteten Touches im Jahr bestehen breite Handelsbeziehungen zu Herstellern und Lieferanten.

Glasqualitäten und verschiedene Beschichtungen

Glas, Polyester, PMMA, das Material und die Dicke des Overlays, beziehungsweise die Art der Betätigung ob mit Handschuhen aus Gummi oder Leder haben ebenso Einfluss auf die Auswahl. Für die Auswahl des Glas-Overlays sind abgesehen von der Materialstärke unterschiedliche Glasqualitäten als auch Oberflächenbeschichtungen kundenseitig frei auswählbar, Schwerpunkte: entspiegelt, antireflex, anti-sparkling und gehärtet. Die Overlays werden entsprechend der Gehäusekonstruktion mechanisch bearbeitet und individuell bedruckt. Eine wesentliche Verbesserung der optischen Eigenschaften ergibt sich durch die vollflächige flüssige Verklebung der einzelnen Komponenten, Overlay – Touchscreen – Display. Dadurch werden die Lichtbrechungen zwischen den einzelnen Glasschichten minimiert. Dieser als Optical Bonding genannte Prozess wird im klimatisierten Reinraum durchgeführt.

Von der Mechanik bis zur Gesamtmontage des Touchs

Frontplatten und gefräste Fronten aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff bilden einen Teil des Gerätecorpus und tragen wesentlich zum sogenannten Look and Feel bei. Bei aki-hmi werden diese auf eigenen CNC-Fräszentren kundenspezifisch in kurzen Durchlaufzeiten gefertigt. Als Oberflächenschutz stehen Eloxieren, Pulverbeschichten, Chromatieren, Verchromen oder Vernickeln zur Verfügung. Kunststoffgehäuse können als Standardgehäuse ausgewählt oder als kundenspezifische Form inklusive Werkzeugbau bei unseren Partnern gefertigt werden.

Der Zusammenbau von Display, Touchscreen und Bedienoberfläche erfolgt unter Reinraumbedingungen bei kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Durch die komplette In-House-Fertigung aller mechanischen Teile und Montage erreicht man Passgenauigkeit durch Abstimmung der einzelnen Fertigungstoleranzen. Die anschließende Gesamtmontage der Elektronikbaugruppe und dem Gehäuse erfolgt im ESD geschützten Montagebereich. Nach den elektrischen Gesamttests erfolgt die mit dem Kunden abgestimmte Verpackung.

* Uwe Glaser ist für den Vertrieb der HMI-Produkte von aki-hmi verantwortlich.

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