Mechanische Integration verschiedener Human Machine Interfaces (HMI) in das Gerätegehäuse des Gesamtsystems (v.l.n.r.): rahmenloses System, Boxed-System und das System Senso-Glass.

Mechanische Integration verschiedener Human Machine Interfaces (HMI) in das Gerätegehäuse des Gesamtsystems (v.l.n.r.): rahmenloses System, Boxed-System und das System Senso-Glass. Garz & Fricke

Apple hat 2007 nicht nur das Smartphone (neu) erfunden, sondern auch eine neue Design-Ära begründet. Elektronische Geräte müssen seither nicht nur neue Funktionen bereitstellen, sondern auch einen hohen ästhetischen Gesamteindruck vermitteln. Mit dieser Entwicklung in der Konsumer-Elektronik sind auch die Design-Ansprüche im Industriebereich deutlich gestiegen.

Bei der Planung und Auswahl eines HMI ergeben sich, neben den Ansprüchen an das Gehäuse, spezifische Systemanforderungen durch die Art der Verwendung und dessen Einsatzort. Durch diese Ansprüche werden die Vorgaben für die mechanische Integration des HMI zunehmend anspruchsvoller. Dabei ergeben sich für die Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen wie Medizintechnik, Hotellerie-Restaurant-Café (Horeca), Heizung-Klima-Lüftung (HKL) oder Industrie jeweils eigene Umgebungssituationen. Möglicherweise muss das HMI großen Temperaturschwankungen standhalten, eine Bedienung mit Handschuhen ermöglichen, widerstandsfähig gegen chemische Reinigungsmittel oder sogar seewasserfest sein.

eckdaten

Bei der Planung und Auswahl eines HMI ergeben sich neben den Ansprüchen an das Gehäuse-Design vor allem spezifische Systemanforderungen durch die Art der Verwendung und dessen Einsatzort. Dabei sollten die Design-Aspekte bei der Auswahl spätestens mit der Planung der mechanischen Integration des HMI-Systems einfließen. Für den Käufer ist es sinnvoll, sein eigenes Know-how und seine eigenen Entwicklungs- und Fertigungskapazitäten bereits bei Auswahl und Planung eines HMI einzuschätzen, weil dies die mechanische Integration und damit Systemauswahl stark beeinflussen kann. Der Beitrag stellt vier verschiedene Formen der mechanischen Integration des HMI in ein Gesamtsystem vor und zeigt die Rahmenbedingungen auf.

Diese Beispiele zeigen, dass die spezifischen Ansprüche an ein Gehäusesystem eng mit der Auswahl eines geeigneten HMI zusammenhängen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die generelle Kompaktheit der einzelnen Komponenten eines HMI, die Verfügbarkeit dieser Komponenten (etwa von Displays und Touchscreens sowie deren Kompatibilität) und die Upgrade-Fähigkeit der PC-Flachbaugruppen als Bestandteile eines HMI. Nicht zuletzt ist auch der Preis für ein HMI ausschlaggebend bei der Systemauswahl.

Design und Technik

Der erste Eindruck des Gesamtsystems als Mensch-Maschine-Schnittstelle ist für den Bediener und subjektiv für den Käufer des Systems von entscheidender Bedeutung. Dabei übernimmt auch das Gehäuse eine wichtige Rolle. Die Formensprache des Geräts als auch das HMI selbst (vor allem die grafische Benutzeroberfläche) sollen dabei eine Einheit im Rahmen eines Corporate Design bilden.

Bei der Auswahl und Planung eines HMI ist es für den Käufer sehr sinnvoll, sein eigenes Know-how und seine eigenen Entwicklungs- und Fertigungskapazitäten bereits auf dieser Stufe gut einzuschätzen. Wie gut kann er selbst das HMI in das Endgerät oder Gesamtsystem integrieren? Wie sehen die eigenen Möglichkeiten bei der Montage, Elektronikfertigung und beim Elektronik-Handling generell aus? Welche Erfahrungen gibt es in Bezug auf die Konstruktion und Entwicklung eines EMV-konformen Designs?

Garz & Fricke als HMI-Anbieter verfügt über entsprechende Kapazitäten in der Konstruktion als auch bei der Hard- und Software-Entwicklung. Beim Design und bei der Programmierung grafischer Benutzeroberflächen (GUI) arbeitet das Unternehmen mit festen Partnern zusammen.

Mechanische Integration

Bild 1: Rahmenlose beziehungsweise Open-Frame-Systeme (Rear Mount) sind die klassische Art der mechanischen HMI-Integration in ein Endgerät oder Kundensystem; sie werden von hinten in das Gerätegehäuse eingesetzt.

Bild 1: Rahmenlose beziehungsweise Open-Frame-Systeme (Rear Mount) sind die klassische Art der mechanischen HMI-Integration in ein Endgerät oder Kundensystem; sie werden von hinten in das Gerätegehäuse eingesetzt. Garz & Fricke

Aus den verschiedenartigen Nutzer-Anforderungen bei HMIs haben sich auch verschiedene Formen der mechanischen Integration des HMI in das Gesamtsystem herausgebildet. Rahmenlose beziehungsweise Open-Frame-Systeme (Rear Mount) bieten die erste Möglichkeit, resistive oder kapazitive Touch-Displays zu integrieren (Bild 1). Embedded Systeme in der Open-Frame-Variante werden von hinten in das Gerätegehäuse eingesetzt und über entsprechende Anschraublaschen an der Gehäusefront befestigt. Die Abdichtung gegenüber dem Gerätegehäuse kann in diesem Falle über eine weiche Polyurethan-Schaumdichtung wie zum Beispiel Poron erfolgen. Bei den kapazitiven Touchscreens sorgt eine Abdichtung mit doppelseitigem Klebepad für eine Unterwasserdichtigkeit nach IP67.

Für die HMI-Integration spielt das Material der Gehäusefront (beim Endgerät oder -system) keine Rolle; es ist nicht entscheidend, ob die Front aus Blech oder aus spritzgegossenem Kunststoff gefertigt ist. Bei resistiven Touchscreens besitzen die Fronten zumeist eine kundenspezifische Frontfolie, welche vor dem HMI sitzt und frontseitig auf das Kundengehäuse aufgeklebt wird. Dies bietet zusätzliche Design-Spielräume und Möglichkeiten der Logo-Integration.

Ungewollte elektrische Störungen zwischen Display/Touchscreen und PC-Flachbaugruppe werden entweder über eine abschirmende Montageplatte aus Blech oder eine Metall-beschichtete Kunststoffplatte verhindert. Für den Einsatz in Gehäusen, an denen der Kunde mehr Spielraum und Möglichkeiten in der konstruktiven Gestaltung der Frontanbindung besitzt (Anschraubdome, die Integration einer kundenspezifischen Frontfolie, Abdichtung, …), ist die Open Frame-Variante die erste Wahl.

Wenig Aufwand

Bild 2: Einbaufertige HMI-Komplettlösungen (Boxed-Systeme) sind eine besonders einfache Möglichkeit, ein Display beziehungsweise Touchscreen in ein Gehäuse zu integrieren; sie werden von vorne in das Gerätegehäuse eingesetzt.

Bild 2: Einbaufertige HMI-Komplettlösungen (Boxed-Systeme) sind eine besonders einfache Möglichkeit, ein Display beziehungsweise Touchscreen in ein Gehäuse zu integrieren; sie werden von vorne in das Gerätegehäuse eingesetzt. Garz & Fricke

Einbaufertige HMI-Komplettlösungen, sogenannte Boxed-Systeme, sind eine besonders einfache Möglichkeit, ein Display beziehungsweise Touchscreen in ein Gehäuse zu integrieren (Bild 2). Dazu ist lediglich ein einfacher rechteckiger Gehäuse-Ausschnitt erforderlich, durch den das HMI von vorne eingesetzt wird. Metall- und Kunststoff-Halteklammern fixieren das System von der Rückseite her im Gehäuse. Eine umlaufende Rundschnurdichtung dichtet die Front nach IP66 ab (staubdicht und Schutz gegen starkes Strahlwasser).

Bei Boxed-Systemen schützt die umlaufende Glaseinfassung durch den Rahmen die Kanten bei abgesetzten Glasfronten. Für den Rahmen stehen eloxiertes Aluminium oder chromatierter Zinkdruckguss zur Verfügung. Damit gibt es, neben dem individuellen rückseitigen Bedrucken der Glasfront, eine große Auswahl gestalterischer Variationsmöglichkeiten in Farbe und Haptik.

Solche Boxed-Systeme erfordern nur wenig Konstruktionsaufwand; sie können dadurch die Zeit bis zur Markteinführung des Endgerätes deutlich verkürzen. Zudem vermitteln diese Systeme eine gewisse Robustheit und Wertigkeit und können so auch einem gestalterisch einfachen Gesamtsystem ein recht hochwertiges Erscheinungsbild verleihen.

Individuelle Integration

Um Kunden auch bei gehobenen Designansprüchen passende und innovative out-of–the-box-Lösungen anbieten zu können, hat der Hersteller das System Senso Glass entwickelt. Es ist in den verschiedenen Displaygrößen von 4,3 bis 8,4 Zoll erhältlich. Die Glasfront lässt sich ohne Rahmen in vorhandene Oberflächengeometrien eines Endgeräts oder Kundensystems integrieren. Dabei sind sowohl individuelle Glasgrößen als auch Glasdicken möglich; dadurch ergeben sich wiederum verschiedene Integrationsmöglichkeiten. Die Oberfläche des Glases kann entweder bündig mit der Gehäusefront abschließen oder die Glasränder können bündig mit dem Gehäuserand eines Gesamtsystems abschließen oder ein individuell gestalteter Gehäuserand in eigenem Design kann die Glaskanten zusätzlich schützen. Das Frontglas lässt sich bei diesem Gehäusesystem zudem direkt mit der Gehäusefront verkleben.

Damit die Glasfronten nicht so einfach zerstörbar sind, werden zumeist Gläser bis 3 mm Dicke chemisch gehärtet, während Gläser ab 3 mm Dicke eine thermische Härtung erfahren. Chemisch gehärtete Gläser erhalten in diesem Prozess rückseitig einen organischen Druck, während thermisch gehärtete Gläser einen keramischen Druck erhalten. Diese Aufdrucke dürfen bei kapazitiven Touchscreens nicht metallisch sein, um Störungen an der Berührungsfunktion zu verhindern.

Kundenspezifische HMI-Lösung

Bild 3: Kundenspezifische, vollintegrierte Lösungen eines HMI eröffnen ein sehr breites Design-Spektrum im Zusammenspiel mit der Gesamtfunktion eines Endgerätes oder Kundensystems.

Bild 3: Kundenspezifische, vollintegrierte Lösungen eines HMI eröffnen ein sehr breites Design-Spektrum im Zusammenspiel mit der Gesamtfunktion eines Endgerätes oder Kundensystems. Garz & Fricke

Vollintegrierte Lösungen eines HMI eröffnen ein noch breiteres Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten (Bild 3) im Zusammenspiel mit der Gesamtfunktion eines Endgerätes oder Kundensystems. Dazu gehört die individuelle PC- und Schaltungsentwicklung, die zusätzliche Funktionen abbilden kann und weitere Platinen im Kundengehäuse überflüssig macht. Glasfronten können zusätzliche Funktionen aufnehmen wie zum Beispiel separate kapazitive Taster, hinterleuchtete Logos, Drehencoder, RFID-Antennen oder Schlüsselschalter. Spezielle Display-Wünsche etwa bei extremen Temperatur- und Helligkeits-Anforderungen sind möglich. Weitere Vorgaben können ein erhöhter Schutz gegen Vandalismus sein sowie auch die konstruktive Integration einer gesamten Einheit in eine bestehende oder neu zu entwickelnde Gerätetür oder Gehäusefront.

Eine HMI-Sonderform bilden Stand-alone-Lösungen, also abgeschlossene Bedienterminals mit eigenem Gehäuse, beispielsweise für die Steuerung von Bearbeitungszentren oder Röntgengeräten. Auch hierfür bietet Garz & Fricke entsprechende VESA-kompatible Lösungen an.