Eckelmann Reale Tasten verbessern Maschinenbedienung

Autor / Redakteur: Manfred Hofmann / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Ein Portalsystem für das Plasma- und Autogenschneiden soll Maßstäbe in Sachen Schnittpräzision und Bedienkomfort setzen. Die Bedienung ist auf die Anforderungen des thermischen Trennens abgestimmt. Das Besondere: Das Touchpanel hat zusätzlich reale Tasten, wovon man sich eine leichtere Bedienung verspricht.

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Das Touch-Bedienpanel dieser Portalschneidmaschine mit Plasma- und Autogenbrenner hat zusätzlich reale Schalter und Regler.
Das Touch-Bedienpanel dieser Portalschneidmaschine mit Plasma- und Autogenbrenner hat zusätzlich reale Schalter und Regler.
(Bild: Erl Automation)

Die Erl Automation GmbH hat in Zusammenarbeit mit dem Steuerungshersteller Eckelmann AG ein Portalsystem für das Plasma- und Autogenschneiden entwickelt (Bild 1). Um die Bedienung zu vereinfachen, hat das 21-Zoll-Touch-Bedienpanel zusätzlich ergonomisch geformte Tasten, über die sich unter anderem die Achsen manuell verfahren lassen. Darüber hinaus leitet ein intelligenter Schneidassistent den Maschinenbediener intuitiv in fünf Schritten durch die Auftragsvorbereitung. Entwickelt, konstruiert und gebaut wurde die erste Maschine in nur acht Monaten. Der Schweißanlagenbauer Erl entschied sich bei der Auslegung der Automatisierung für Eckelmann, denn der Wiesbadener Automatisierungsspezialist hat sich in den vergangenen Jahren mit seinem Applikationsschwerpunkt Schneiden in der Branche einen Namen gemacht.

Automation aus einer Hand vermeidet unnötige Schnittstellen

Das NC-Betriebssystem der Controller-Familie E°EXC beinhaltet eine umfangreiche Bibliothek an bewährten, schneidspezifischen Standard- und Sonderfunktionen, was die Entwicklungszeit deutlich verkürzt. Exemplarisch seien diese Funktionen genannt:

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  • Anbindung gängiger Plasmastromquellen und Gaskonsolen,
  • Ermittlung der Werkstücklage,
  • Rückwärtsfahren und Wiederanfahren an der Kontur,
  • hochdynamische integrierte Abstandsregelung (Z-Achse),
  • Leistungsregelung in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit,
  • Unterstützung diverser Kinematiken, auch für das Fasenschneiden und komplexe 3D-Bearbeitung,
  • Manteltransformation für das Rohrschneiden.

Ein weiterer Grund war, dass Eckelmann sämtliche Automatisierungskomponenten (Bild 2) aus einer Hand anbieten kann, wodurch unnötige Schnittstellen vermieden werden, die im Maschinenbau nicht nur technologisch, sondern auch bei der Beschaffung zu Komplikationen führen können. Eckelmann liefert dafür alle Komponenten und übernimmt auch den Aufbau des kompletten Schaltschranks. So kann sich der Kunde ganz auf seine Kernkompetenzen in der Mechatronik und dem thermischen Trennen konzentrieren.

Partnerschaftlicher Applikationssupport begünstigt Innovationen

Die Programmierung der Anwendung konnten die Ingenieure von Erl Automation nach einer Schulung in den Programmierwerkzeugen nach IEC 61131-3 und Konfigurationstools von Eckelmann selbstständig umsetzen. Ihre Kernkompetenzen und Alleinstellungsmerkmale konnten die Ingenieure somit direkt in die Lösung einbringen. Dank der umfangreichen Funktionen von E°CUT wurden viele universelle Lösungsbausteine bereits fertig zur Verfügung gestellt, wie die Anbindung von Plasmageneratoren, automatischen Gaskonsolen, Ansteuerung der Höhenregelung (zum Beispiel Sperren bei Überfahren von Schnitten). Bei Fragen konnten die Ingenieure auf einen kompetenten Applikationssupport vertrauen. Parallel wurde ein neues HMI (Human Machine Interface) für Schneidmaschinen entwickelt, das erstmals bei Erl eingesetzt wurde.

Weil Erl im Bereich Bedienung und User Experience neue Wege gehen wollte, kam dem Maschinenbauer auch das flexible HMI-Framework E°Tools HMI entgegen, mit dem sich nicht bloß individuelle Designs erstellen lassen, sondern vor allem die Bedienlogik optimal auf die CNC-Applikation abstimmen lässt.

Trotz vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten sollte sich die Bedienung der Maschine möglichst intuitiv und damit zeitsparend gestalten, weil Fehlbedienungen und die zeitraubende Suche nach im Untermenü versteckten Funktionen wegfallen. So wurde als Highlight beispielsweise ein Schneidassistent realisiert, der den Bediener in nur fünf Schritten (Beschreibung folgt später) durch die Auftragsvorbereitung führt.

Modulares Maschinendesign mit breitem Anwendungsspektrum

Die Portalschneidmaschinen vom Typ Erlcut sind für bis zu vier Autogen- oder zwei Plasma-Schneidköpfe (Bild 3) ausgelegt. Je nach Bedarf des Kunden sind Spurbreiten von 2500 bis 5500 mm verfügbar. Der Arbeitsbereich, in dem geschnitten werden kann, umfasst maximal 4700 mm in der Breite und 25.000 mm in der Länge, wie zum Beispiel für den Blechzuschnitt in Werften. Die Erlcut e540 für den Kunden Moll hat eine Spurbreite von 4000 mm und der Arbeitsbereich hat eine Fläche von 3000 mm × 2000 mm mit je einem Autogen- und einem Plasmaschneidkopf (Bild 4). Beim Autogenschneiden können Blechdicken bis 200 mm geschnitten werden, beim Plasmaschneiden bis 50 mm.

Für sehr kurze Bearbeitungszeiten sorgen die Positionierungsgeschwindigkeit von 25.000 mm/min und eine hochdynamische Z-Achse mit einer Hub- und Senkgeschwindigkeit von 15.000 mm/min. Die Abstandsregelung wird auch von der CNC übernommen. Dies spart im Vergleich zu einer externen Höhenregelung nicht nur Komponenten ein, sondern sorgt auch für eine präzisere Höhensetzung beim Autogen- und Plasmaschneiden – ein wesentlicher Faktor für die Schnittqualität. Auch die Erweiterung auf Fasenaggregate ist mit der integrierten Höhenregelung ein Kinderspiel.

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Innovationstreiber Mensch-Maschine-Kooperation

Ein Highlight der Maschine ist das kundenspezifische Bedienpanel. Durch den groß dimensionierten Touchscreen in Verbindung mit der flachen Bauform und der Farbgebung wirkt das Bedienpanel besonders elegant und unterstreicht die hohe Qualität und den wertigen Eindruck der gesamten Maschine. Man entschied sich bewusst dafür, einzelne Funktionen als „Hardkeys“ umzusetzen, weil dies vielen Maschinenbedienern entgegenkommt.

Großes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Schneidenbedienoberfläche auf die User Experience gelegt – die konkrete Erfahrung der Bediener. Damit wird nicht nur beschrieben, wie etwas aussieht, sondern auch, wie etwas funktioniert. Ähnlich wie beim Smartphone war die Philosophie bei der Bedienoberfläche, alle Funktionen um einen zentralen Bildschirm herum anzuordnen. Möglichst viele Aufgaben sollten über den zentralen Bildschirm zu erledigen sein.

Der Bediener muss keine Betriebsart oder in andere Menüs wechseln. Alles Notwendige ist „in Reichweite“ und kann bei Bedarf eingeblendet werden – die Zeiten, in denen sich ein Bediener die Funktionen mühsam in verschiedenen Menüs zusammensuchen musste, sind damit endgültig Geschichte. Um dabei zu vermeiden, dass der zentrale Bildschirm vor Funktionen und Anzeigen überquillt, werden kontextsensitive Funktionen über Overlays ein- und wieder ausgeblendet. Ein gutes Beispiel für diesen Ansatz ist der Schneidenassistent.

Der Schneidenassistent (Bild 5) ist für den Werker und seinen Arbeitsablauf konzipiert worden. Er führt in maximal fünf Schritten durch die Vorbereitung bis zum Start der Bearbeitung. Der hinterlegte Workflow wurde aus den User Stories abgeleitet und erfüllt somit die praktischen Anforderungen.

Die fünf Schritte zum Einrichten und Starten eines Schneidvorgangs sind:

  • 1. Laden des NC-Programms mit Listenvorschau der verfügbaren Schneidprogramme.
  • 2. Auswahl der Schneidtechnik: Dies ist abhängig vom Maschinentyp (Plasma, Autogen, Laser oder andere).
  • 3. Werkstück einrichten (bedienergeführte Plattenlagekorrektur): Über das manuelle Anfahren von zwei Punkten oder optional über eine Kamera und automatische Bildverarbeitungslösung wird die Plattenlage ermittelt und an das NC-Programm übergeben. Die Platte muss also nicht manuell entlang der Maschinenachsen ausgerichtet werden.
  • 4. Wiederaufnahme der Bearbeitung nach einem Abbruch im aktuellen Programm mit Wahl des Einstechpunktes.
  • 5. Anfahren der Startposition und Start der Bearbeitung.

Für den erfahrenen „Power User“ stehen aber auch viele detaillierte Einstellungsmöglichkeiten zur Verfügung. So kann die gesamte Technologietabelle, die die Schneidparameter enthält, nach Belieben editiert werden. Damit das aber auch wirklich nur erfahrene Werker machen, können diese Dialoge per Passwort geschützt werden, und zwar nicht nur auf Gruppen- ebene, sondern sogar für einzelne Bediener.

Die Touch-Bedienung ist nicht immer das Nonplusultra in der Maschinenbedienung. Um die praktischen Anforderungen einer ergonomischen Bedienung optimal zu erfüllen, entschied sich Erl Automation dafür, zentrale Bedienfunktionen immer griffbereit zur Verfügung zu stellen. So lassen sich auch die Achsen mit einem echten Joystick verfahren, der dem Bediener ein haptisches Feedback ermöglicht, und die Verfahrgeschwindigkeit lässt sich per Drehschalter sehr viel feinfühliger regulieren.

Zum Antasten an die Werkstückoberfläche muss nur ein Kippschalter umgelegt werden. Die haptischen Bedienelemente ermöglichen auch eine „blinde Bedienung“ der Maschine. So kann beispielsweise beim Antasten der Prozess beobachtet werden, ohne dass man Gefahr läuft, von der Touch-Bedienfläche abzurutschen – „smart“ heißt eben nicht per se „touch“. Und mit maßgeschneiderten Panels haben Maschinenbauer alle Freiheiten, sich mit durchdachten Interaktionsmöglichkeiten positiv vom Wettbewerb abzuheben.

Visuelle Fortschrittskontrolle und Reduktion der Informationsdichte

Die Bedienoberfläche bietet standardmäßig eine grafische Darstellung des NC-Programms mit Anzeige des aktuellen Bearbeitungsstatus. Zum Einrichten eines neuen NC-Programms besteht die Möglichkeit, den Schneidprozess erst einmal mit der Bewegung aller Achsen auszuführen – ohne Schneiden. Zu den Verschleißteilen von Plasma-Brennern können Bilder in gerätespezifischen Technologietabellen (Bild 6) hinterlegt werden. Dies ermöglicht eine einfache visuelle Kontrolle, ob der Schneidkopf korrekt bestückt wurde.

Die Bedienung ist auf Single- und Multitouch-Monitore individuell abgestimmt. Bei der Multitouch-Bedienung, die auch bei Erl realisiert wurde, können die gleichen Wischgesten verwendet werden, die man auch vom heimischen Smartphone oder Tablet kennt. Durch Spreizen der Finger kann die Grafik intuitiv gezoomt werden, Wischgesten blenden Overlays an den Bildschirmrändern ein. Overlays sind Panels mit Zusatzinfos oder Funktionen, die nicht immer sichtbar sein müssen. Sie werden vom Schneiden-HMI bei Bedarf sogar automatisch eingeblendet, indem das HMI versucht, die nächste Aktion des Benutzers zu erschließen. So wird beim Wechsel eines Verschleißteils zum Beispiel die bereits erwähnte Technologietabelle eingeblendet.

Das Bedienpanel basiert auf dem HMI-Systemwerkzeug E°Tools HMI von Eckelmann, das zur Erstellung beliebiger CNC-Bedienoberflächen für Maschinen entwickelt wurde. Die Architektur von E°Tools HMI trennt strikt zwischen Funktionalitäten, Bedienlogik und Präsentation und verfügt über eine modulare Architektur, sodass es per Plug-ins sehr einfach kundenspezifisch erweiterbar ist (Bild 7). Durch das Plug-in-Konzept von E°Tools HMI kann zum Beispiel sehr einfach eine Plasmastromquelle, Gasregelung oder auch die bevorzugte Nesting-Software eingebunden werden.

Systemwerkzeug als Innovationsbeschleuniger

Ein weiteres Highlight ist die Möglichkeit, Teile des HMI direkt über die SPS zu konfigurieren sowie ein- und ausblenden zu können. Dies ist immer dann wichtig, wenn eine Maschine mit verschiedenen Optionen oder unterschiedlichem Zubehör vertrieben wird. Auch Erl Automation kommt das mit seinem modularen Maschinendesign und der kundenindividuellen Anpassbarkeit zugute. Ergänzende optionale Technologien, die über den E°EXC-Controller angesteuert werden, lassen sich so einfach integrieren, ganz gleich ob es um eine zusätzliche Bohrspindel, ein Beschriftungssystem oder ein integriertes Bildverarbeitungssystem geht.

Sobald an der SPS die entsprechenden Optionen freigeschaltet oder die Zubehörteile eingerichtet sind, kann die SPS automatisch die zugehörigen Bedien- und Anzeigeelemente im HMI parametrieren und zur Anzeige freigeben. Gerade weil die Maschinen heutzutage immer individueller auf die Kunden zugeschnitten werden, lässt sich dank dieses Ansatzes endlich die resultierende Variantenvielfalt beherrschen. Der Vorteil: Es gibt nur ein HMI für alle Maschinen, nicht vorhandene Funktionen werden automatisch ausgeblendet.

Durch den zunehmenden Innovationsdruck in der Consumer-Elektronik, insbesondere bei Smartphones und Tablets, wird es immer wichtiger, die Präsentation, also die Optik, schnell ändern zu können. Trends und Strömungen aus diesem Bereich lassen sich dank der Trennung von Darstellung und Funktionalität in E°Tools HMI zeitnah berücksichtigen. Denn wer möchte heute noch eine Maschine kaufen, deren Bedienoberfläche wie ein fünf Jahre altes PC-Abbild aussieht?

* Dipl.-Ing. Manfred Hofmann ist Mitarbeiter im Vertrieb Maschinenautomation der Eckelmann AG in 65205 Wiesbaden, (06 11) 71 03-0, info@eckelmann.de

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