Laser-Prozesssteuerung mittels LabVIEW-FPGA

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"Der entscheidende Effizienz-Vorteil von LabVIEW-FPGA ist im Projektverlauf gewesen, dass mit LabVIEW-Kenntnissen die FPGA-Karte programmiert werden kann, VHDL-Kenntnisse also nicht erforderlich sind."

- Dipl.-Ing. (FH) Andreas Pfichner, Gesellschaft für Mikroelektronik-Entwicklungen mbH

The Challenge:
Realisierung einer Steuerung für den Laser-Materialbearbeitungsprozess unter Einsatz moderner Lasertechnologie zur Strukturierung von Materialoberflächen im μm Bereich.

The Solution:
Mittels LabVIEW-FPGA in Verbindung mit dem FPGA-Device PCI-7833R konnte der Prozess erfolgreich umgesetz werden. So konnte eine Steuerung entwickelt werden, bei der innerhalb 90 Sekunden 3000 Löcher an einer 100-µm-Edelstahl-Membran in einem mehrstufigen Prozess entstehen.

Author(s):
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Pfichner - Gesellschaft für Mikroelektronik-Entwicklungen mbH

Kurzfassung

Es wurde von der Firma GME mbH bei der Firma PARI Pharma GmbH mittels LabVIEW-FPGA und der FPGA-Karte PCI-7833R eine Steuerung für den Laser-Materialbearbeitunsprozess „Drill“ realisiert. Der Einsatz moderner Lasertechnologie bei PARI ermöglicht die Strukturierung von Materialien im µm-Bereich. Im „Drill“-Prozess der Firma PARI entstehen innerhalb 90 Sekunden 3000 Löcher an einer 100-µm-Edelstahl-Membran in einem mehrstufigen Prozess. Jedes Loch hat einen definierten Eintrittsdurchmesser von ca. 30 µm und einen Austrittsdurchmesser von <3 µm. Die FPGA-Karte von NI erfüllt dabei alle Aufgaben, die an eine hochpräzise Realtime-Lasersteuerung gestellt werden müssen: Im 20-kHz-Takt erfolgt die interruptfreie Messung von Analogsignalen, Verarbeitung der Signale und Ausgabe von analogen Regelsignalen und digitalen Steuersignalen sowie die Übermittlung von Mess- und Prozess-Daten an einen Host-PC. Die sichere Übertragung von 3 MByte FPGA-Daten einer bearbeiteten Membran an den Host-PC wird über die Direct Memory Access Funktionalität (DMA) von LabVIEW gewährleistet. Der entscheidende Effizienz-Vorteil von LabVIEW-FPGA ist im Projektverlauf gewesen, dass mit LabVIEW-Kenntnissen die FPGA-Karte programmiert werden kann, VHDL-Kenntnisse also nicht erforderlich sind.

PARI Laser-Materialbearbeitungsprozess “Drill”: Systemübersicht Prozesssteuerung

An dem Laser-Materialbearbeitungssystem der Firma PARI wird mit einem gepulsten und frequenzverdoppelten NdYag-Laser (Laserpulse im 20-kHz-Takt) in einem mehrstufigen Prozess Material einer 100µm-Edelstahlfolie so abgetragen, dass innerhalb von 90 Sekunden ca. 3000 Löcher mit einem definierten Eintrittsdurchmesser von ca. 30 µm und einem definierten Austrittsdurchmesser von < 3 µm (!) entstehen (Bild 1).

Der Laserprozess ist durch PARI bereits zur Serienreife entwickelt und in seiner Performance einzigartig weltweit. Der Laserprozess und die Leistung eines jeden Laserpulses werden von dem FPGA-Device PCI-7833R unter Einsatz von LabVIEW FPGA geregelt. Für jedes Loch müssen zudem die Daten von vielen einzelnen Laserpulsen (insges. ca. 3 MByte) von der FPGA aufgezeichnet und an einen HOST-PC übermittelt werden. Dabei kommt Direct Memory Access (DMA) zum Einsatz. Mittels DMA können Daten gepuffert und zwischen der FPGA und dem HOST-PC ausgetauscht werden, ohne dass die Realtimeregelung der FPGA gestört wird. Eine auf der FPGA ablaufende LabVIEW-Applikation regelt die Leistung für jeden einzelnen Laserpuls im 20-kHz-Takt. Der HOST-PC dient als Schnittstelle zwischen FPGA und einer übergeordneten Anlagen-Steuerrechnerebene, einem MAIN-PC. Der MAIN-PC integriert Anlagen-SPS, einen oder mehrere HOST-Rechner, optische Inline-QC-Messsysteme und Datenbankanbindung. Der Datenaustausch zwischen MAIN- und HOST-PC wird dabei mit einer LabVIEW-Umgebungsvariablen (shared variable) realisiert. Eine Übersicht der Prozess-Steuerung ist in Bild 2 dargestellt.

Bemerkungen zur Software Architektur

Softwaretechnisch besteht die größte Herausforderung der Applikation darin, die relativ große Datenmenge von 3 MByte pro Mesh innerhalb kurzer Zeit zu speichern, ohne den Drillprozess zu stören (Prozesssicherheit, Massenproduktion, Stückzahlen). C-Programme hatten in der Vergangenheit Nachteile aufgezeigt wie hohe Entwicklungskosten, geringe Flexibilität sowie Störanfälligkeit gegenüber Interrupts des Windows Betriebsystems. Es war zudem nicht möglich, einen C-Spezialisten für die Lösung der Interrupt-Probleme zu finden. Als Lösung hat sich der Einsatz von LabVIEW-FPGA in Verbindung mit der FPGA-Karte NI-PCI-7833R aufgedrängt. Die Erstellung des FPGA-Codes in LabVIEW in Verbindung mit einem VHDL-Compiler ist, tiefergehende LabVIEW-Kenntnisse vorausgesetzt, effizient und flexibel. Die FPGA-Karte regelt den Laserprozess vollkommen unabhängig vom HOST-PC und interruptfrei. Die Daten-Pufferung und -Übertragung von der FPGA zum HOST-PC erfolgt problemlos unter Anwendung der DMA-Funktionalität.

Auf MAIN- und HOST-Seite kommen die üblichen Frameworks für Userinterface- in Verbindung mit Maschinensteuerung-Funktionalitäten zum Einsatz (Eventstruktur mit paralleler State-Machine). Daten und Steuerbefehle werden zwischen MAIN- und HOST-VI über Umgebungsvariablen (shared variable) ausgetauscht.

Für den Betrieb der FPGA-Karte wird ein LabVIEW-VI nach VHDL kompiliert, welches eine einfache State-Machine enthält. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass (entgegen unbegründeter Befürchtungen) für das FPGA sehr umfangreicher Code kompiliert werden kann: So enthält die FPGA-State-Machine zahlreiche States für Funktionen wie verschiedene Kalibrierroutinen, Fokussuche, Manueller Modus (für vom HOST-User-Interface manuell gesteuerte Wartungstasks) sowie die „Drill“-Prozesssteuerung. Alle States enthalten Sub-VIs, die wiederum Sub-VIs enthalten. Auch die Verwendung umfangreicher Parametercluster, die zur Parametrisierung des Prozesses einerseits, zum strukturierten und „lesbaren“ Coding andererseits unerlässlich sind, stellte sich nicht als limitierend oder problematisch heraus. Bei der Anwendung werden zudem 4 AOs, 3 AIs und ca. 30 DIOs von der FPGA eingesetzt. Nach Kompilierung des FPGA-VIs wurden dennoch erst 76% der sog. Slices benötigt. Es ließen sich somit weitere Funktionen problemlos hinzufügen. Sollte der Platz auf der FPGA dennoch nicht ausreichen, ist es möglich, die FPGA durch das Laden eines bereits kompilierten, anderen LabVIEW-VIs programmatisch umzukonfigurieren.

Die FPGA erfüllt folgende Aufgaben:

  • Verarbeitung von Prozessparametern wie SOLL-Laserleistung,
  • Messung der Leistung jedes einzelnen Laserpulses (20 kHz) durch Auslesen eines Sample-and-hold-Devices,
  • Regelung der Laserleistung mit Elektrooptischen Modulatoren (20 kHz),
  • Datenübertragung IST-Werte Laserleistung an Host via DMA, 3MByte/3000holes,
  • Galvo-Ansteuerung via DIOs für die Laserfokus-Positionierung.

Die Aufgaben des HOST sind u.a.:

  • Aufruf verschiedener FPGA-Funktionen und Prozessparameter-Übergabe an FPGA für verschiedene Lochgeometrien,
  • Erfassung und Archivierung der FPGA-Messdaten,
  • User-Interface im Wartungsfall, um manuell auf bestimmte FPGA-Funktionen zuzugreifen, wie z.B. manuelle Einstellung der Laser-leistung.

Der übergeordnete MAIN-PC bzw. Anlagen-Steuerrechner integriert Anlagen-SPS, HOST-Rechner, optische Inline-QC-Messsysteme und Datenbankanbindung.

Zusammenfassung

Durch Anwendung von LabVIEW-FPGA in Verbindung mit dem FPGA-Device PCI-7833R konnte eine Laser-Prozesssteuerung realisiert werden. Die Datenpufferung und Datenübertragung umfangreicher Prozessdaten zur übergeordneten HOST- und MAIN-PC-Ebene erfolgt problemlos über „DMA“ und „Umgebungsvariable“. Die Erstellung von Code für die FPGA-Karte ist für einen erfahrenen LabVIEW-Programmierer höchst effizient. Es können auch komplexere LabVIEW-VIs nach VHDL kompiliert werden.

Gegenüber dem Versuch, mit C-Programmierung eine Lösung zu finden, hat der Einsatz von LabVIEW-FPGA erhebliche Vorteile hinsichtlich Entwicklungskosten, Flexibilität und Interrupt-Problemen bzw. Prozesssicherheit aufgezeigt. Das FPGA erfasst die Leistung eines jeden Laserpulses (20kHz), und verarbeitet die Daten und regelt die Leistung des nächsten Laserpulses innerhalb von 50µs. Somit wurde mit LabVIEW-FPGA eine hochpräzise und absolut prozesssichere Laser-Prozesssteuerung realisiert.

Für die Erstellung der LabVIEW-Architektur und für das Coding der Applikationen auf MAIN-, HOST- und FPGA-Ebene sind umfangreichere LabVIEW- und Messtechnik-Kenntnisse unbedingt erforderlich. Im speziellen Anwendungsfall waren darüber hinaus eingehendere Prozesskenntnisse auf Programmiererseite unerlässlich.

Der Laserprozess der PARI Pharma GmbH ist bis zur Serienreife entwickelt. Das herausragende Lasertechnologie-Knowhow der PARI-Laserspezialisten, welches Vorraussetzung für einen Prozess von so hoher Performance (<3µm-Stukturen) bei gleichzeitiger Tauglichkeit und Robustheit für die Massenproduktion ist, ist weltweit einmalig.

Author Information:
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Pfichner
Gesellschaft für Mikroelektronik-Entwicklungen mbH
Kapellenstrasse 22
Unterhaching 82008
Germany
Tel: +49 171 778 20 01
andreas.pfichner@gme-online.de

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