Cum se poate obține un control precis și fiabil al echipamentelor industriale grele în medii dificile

Proiectanții de echipamente grele de construcție, industriale, robotice, marine și aeronautice adaugă o funcționalitate mai mare, căutând, în același timp, modalități de a implementa un control din ce în ce mai precis al operațiunilor și mișcărilor delicate, utilizând sisteme de control ușoare și compacte. De asemenea, aceste obiective trebuie realizate într-un mediu dur și neiertător, care este dificil atât din punct de vedere fizic, cât și electric.

Pentru a satisface aceste cerințe, proiectanții trebuie să se asigure că interfața cu utilizatorul are nivelul de precizie, flexibilitate direcțională și feedback tactil necesar pentru un control precis, fiind în același timp robustă și fiabilă în condiții de cicluri de utilizare și temperaturi extreme.

Deși ecranele tactile își au utilitatea lor, acestea nu oferă feedbackul tactil și robustețea necesare. De asemenea, joystick-urile clasice X/Y sunt adesea prea voluminoase și nu oferă suficiente opțiuni de semnalizare și axe necesare pentru a permite un control direcțional optim. În schimb, proiectanții pot folosi joystick-uri cu profil redus sau mini-joystick-uri, care sunt acum capabile să ofere un control mai rafinat într-un factor de formă robust. Acționate de degetul mare sau de celelalte degete ale utilizatorului, aceste dispozitive mici oferă acces ușor pentru mai multe intrări, chiar și în spații înguste.

Acest articol discută pe scurt motivele pentru care echipamentele industriale moderne și alte echipamente grele necesită comenzi de precizie mai mare și prezintă modul în care mini-joystick-urile cu profil redus abordează problemele relevante. Apoi, trece în revistă principalele criterii de proiectare și implementare, inclusiv selectarea senzorilor, robustețea și opțiunile de proiectare fizică și electrică. Ca exemple sunt folosite mini-joystick-uri cu profil redus din lumea reală de la APEM Inc.

Echipamentele mai sofisticate necesită controale mai precise

Necesitatea unor controale mai bune pentru operatori s-a accentuat datorită celor două tendințe principale: creșterea complexității cerințelor de la locul de muncă și adoptarea tehnologiilor avansate. Aceste tendințe conduc la necesitatea de a avea nu numai controale mai precise, ci și controale mai complexe, adesea cu mai multe axe de mișcare.

Pentru a ilustra acest aspect, luați în considerare macaralele de schelă maritime care încarcă și descarcă navele container. Odată cu creșterea dimensiunilor navelor, macaralele trebuie să opereze cu o viteză superioară pentru a asigura un timp rezonabil de manipulare în port (ceea ce influențează direct profiturile). În același timp, reglementările mai stricte impun îmbunătățiri în ceea ce privește siguranța și impactul asupra mediului.

Întregul mediu portuar se află, de asemenea, în schimbare. Navele, trenurile, camioanele și alte echipamente din aceste porturi au adăugat tehnologii care sporesc nevoia de coordonare de înaltă precizie. De exemplu, vehiculele cu ghidaj automat (AGV) sunt utilizate pentru a transporta încărcături în port, iar aceste AGV-uri necesită o plasare precisă a încărcăturii.

Pentru a face față tuturor acestor factori, macaralele trec de la funcționarea hidraulică la cea electrică. Acest lucru nu numai că mărește viteza și precizia, dar îmbunătățește și versatilitatea, permițând combinații mai complexe de deplasare orizontală, verticală și rotativă.

Adaptarea comenzilor operatorului la capacitățile echipamentului

Pentru a controla aceste echipamente din ce în ce mai sofisticate, operatorii au nevoie de controale pe mai multe axe la fel de capabile, care trebuie să fie precise, fiabile și ușor de utilizat.

Ecranele tactile reprezintă o opțiune. Acestea sunt ușor de utilizat și pot găzdui cu ușurință mai multe intrări simultane. Cu toate acestea, ecranele tactile sunt sensibile și predispuse la atingeri accidentale. Murdăria, umiditatea și temperaturile extreme pot cauza defecțiuni, iar ecranele sunt vulnerabile la deteriorări fizice și la interferențe electromagnetice. Cel mai important, acestea nu oferă feedback tactil, ceea ce le face nepotrivite pentru operarea la nivelul capului în cazul echipamentelor grele.

Joystick-urile rezolvă multe dintre aceste probleme. Montarea unui joystick pe o consolă de cotieră sau pe o casetă de comandă mobilă asigură o intrare confortabilă și ergonomică. Cu un design adecvat, acestea pot rezista condițiilor de mediu dificile. De asemenea, pot oferi feedback fizic operatorului, menținând concentrarea vizuală asupra spațiului de lucru.

Cu toate acestea, joystick-urile tradiționale pot ocupa mult spațiu în mediile înguste și pot fi amplasate în așa fel încât să fie susceptibile la utilizare neintenționată. Chiar și în cazul în care spațiul este suficient, faptul că joystick-urile necesită mișcări relativ mari din partea operatorilor limitează precizia acestora.

Mini-joystick-urile rezolvă aceste probleme prin reducerea dimensiunii joystick-urilor la una mai ușor de gestionat. Acționate cu ajutorul degetului mare sau al oricărui alt deget, aceste dispozitive cu profil redus reduc la minimum riscul de acționare accidentală. Acestea permit intrări precise și fluide, iar operatorii pot manipula cu ușurință cele două mini-joystick-uri în același timp, rezolvând astfel problema intrărilor multiple.

Joystick-urile cu profil redus sunt deosebit de potrivite pentru controlerele portabile, cum ar fi casetele de comandă mobilă sau dispozitivele portabile. Orice aplicație cu spațiu limitat poate beneficia de dimensiunea redusă a acestora.

Selectarea senzorului potrivit

Bineînțeles, nu toate mini-joystick-urile sunt la fel. Pentru început, acestea pot utiliza o varietate de senzori de poziție, inclusiv potențiometrici (adică rezistivi), inductivi, fotoelectrici sau cu efect Hall (adică magnetici). Fiecare dintre aceste opțiuni are avantajele și dezavantajele sale:

• Senzorii potențiometrici sunt simpli și ieftini, dar au o durată de viață limitată.
• Senzorii inductivi sunt mai fiabili, dar sunt sensibili la schimbările de temperatură și la interferențele electromagnetice (EMI).
• Senzorii fotoelectrici sunt preciși, dar sunt vulnerabili la praf, umiditate și deteriorări fizice.
• Senzorii cu efect Hall sunt preciși și durabili, dar pot fi afectați de câmpuri magnetice puternice.

Având în vedere toate aceste compromisuri, un senzor cu efect Hall este adesea alegerea superioară pentru detectarea de înaltă precizie într-un mediu dur. Senzorii cu efect Hall, care funcționează la un curent continuu (c.c.) standard de 3,3 sau 5 volți și sunt implementați împreună cu mecanisme robuste, au ca rezultat un dispozitiv care poate rezista la o durată de viață preconizată de 10 milioane de cicluri.

Senzorii cu efect Hall plasează o bandă subțire de material conductor între doi electrozi (Figura 1). Atunci când un curent (I) trece prin bandă și un câmp magnetic (B) este aplicat perpendicular pe aceasta, se generează o diferență de tensiune (U_H) pe bandă. Această diferență de tensiune se numește tensiune Hall, care este proporțională cu intensitatea și direcția câmpului magnetic.

Figura 1: Tensiunea Hall (_UH) este generată atunci când un curent (I) trece printr-o bandă conductoare, iar o densitate de flux magnetic (B) este plasată perpendicular pe bandă. (Sursă imagine: Wikipedia)

Unele avantaje ale senzorilor cu efect Hall față de alte tipuri de senzori în aplicațiile industriale cu joystick sunt:

• Sunt fără contact și nu se uzează în timp.
• Sunt imuni la praf, murdărie, umiditate și vibrații.
• Pot măsura deplasarea liniară și unghiulară cu o precizie și o rezoluție ridicate.
• Pot funcționa într-o gamă largă de temperaturi și tensiuni.
• Pot fi ușor de integrat cu electronica digitală și microcontrolerele.

Senzorii cu efect Hall sunt deosebit de utili deoarece pot detecta atât poziția, cât și unghiul. Acest lucru îi face potriviți pentru controalele pe mai multe axe, cum ar fi joystick-urile care au nu numai comenzi X/Y, ci și un buton de centru pentru axa Z pentru control prin atingere.

Acestea fiind spuse, senzorul este doar un parametru de proiectare care trebuie luat în considerare. Implementarea cu succes a unui mini-joystick cu efect Hall necesită analiza atentă a mai multor parametri fizici și electrici.

Plasarea unui mini-joystick pe panoul de control

Uneori, un mini-joystick poate fi montat într-o locație fixă protejată, cum ar fi un panou de control. De cele mai multe ori, operatorii trebuie să fie aproape de zona de lucru, ceea ce limitează opțiunile pentru locații ușor de abuzat, cum ar fi consolele, cotierele vehiculelor, cutiile suspendate cu butoane de comandă și casetele de comandă mobilă.

În cazul în care mini-joystick-ul este utilizat într-o carcasă portabilă, trebuie să aveți grijă să îl protejați împotriva deteriorării prin cădere. Pentru fiabilitate pe termen lung, ar trebui luate măsuri de precauție de bază, cum ar fi montarea acestuia la capătul cel mai ușor al carcasei, astfel încât să nu se lovească primul de sol, sau protejarea lui cu o apărătoare.

Vehiculele reprezintă o altă situație riscantă. Când un vehicul sau o navă se află în tangaj, controalele de la bordul său nu sunt un loc potrivit pentru prindere cu mâna, așadar, pentru a evita acționarea accidentală și potențial periculoasă, se recomandă ca mini-joystick-urile să fie menținute la înălțimea minimă posibilă.

În oricare dintre aceste situații, mini-joystick-urile trebuie să se extindă cel mult 50 milimetri (mm) (2 inch (in.)) deasupra suprafeței unui panou. De asemenea, trebuie să existe suficient spațiu liber între mini-joystick și orice alte controale de pe panou, cu un spațiu liber suplimentar pentru situațiile în care operatorul poartă mănuși voluminoase.

Îmbunătățirea rezistenței unui joystick cu profil redus

Joystick-urile industriale sunt adesea expuse la căderi sau la jeturi de apă dirijate, astfel că trebuie să aibă cel puțin gradul de protecție IP66. Acest lucru poate fi realizat cu un element de protecție convolut, adică un manșon flexibil care se poate extinde și contracta în funcție de mișcarea joystick-ului (Figura 2).

Un joystick poate fi coborât într-un panou decupat sau poate fi montat din spate. În ambele cazuri, partea inferioară a panoului nu trebuie să fie expusă la stropi de apă, umiditate excesivă sau praf, deoarece această secțiune a joystick-ului nu este protejată de elementul de protecție.

Figura 2: Montarea directă a unui mini-joystick cu profil redus (stânga) utilizează o ramă și șuruburi cu cap înecat; montarea din spate (dreapta) utilizează șuruburi mecanice și piulițele însoțitoare, dar nu și o ramă. Un element de protecție convolut asigură protecție de grad IP66. (Sursa imaginii: Autor, din materialul sursă APEM)

Pentru a maximiza sustenabilitatea, proiectanții ar trebui să aleagă un dispozitiv cu un arbore din oțel inoxidabil, însoțit de o suspensie cardanică metalică la fel de rezistentă, împreună cu mecanisme și limitatoare de bază. După cum s-a menționat anterior, dispozitivele portabile sunt predispuse la cădere, astfel încât joystick-ul trebuie testat pentru a rezista la o cădere liberă de 1 metru (m). De asemenea, proiectanții trebuie să verifice dacă există clasificări adecvate pentru vibrații, compatibilitate electromagnetică (CEM) și protecție împotriva descărcărilor electrostatice (ESD), în conformitate cu standardele IEC aplicabile.

De asemenea, rezistența la temperaturi extreme este esențială în mediile dure. De exemplu, joystick-urile cu profil redus din seria XS de la APEM sunt proiectate pentru o temperatură de funcționare cuprinsă între -30 °C și +85 °C și o temperatură de depozitare cuprinsă între -40 °C și +110 °C.

În cele din urmă, dacă mini-joystick-ul urmează să fie utilizat într-o aplicație critică pentru siguranță (ceea ce se întâmplă destul de des), căutați un nivel de integritate a siguranței (SIL) SIL2 sau mai bun.

Considerente de proiectare privind factorii de aplicabilitate din perspectiva utilizatorilor umani

Alegerea materialelor potrivite și a designului ergonomic al joystick-ului poate avea un impact semnificativ asupra aplicabilității. Proiectanții trebuie să ia în considerare că respectivul controler poate fi expus la umiditate sau murdărie și că operatorul poate folosi mănuși grele. Astfel, capacul joystick-ului ar trebui să fie fabricat dintr-un material cum ar fi nailonul, care asigură o suprafață durabilă, dar ușor de prins cu mâna.

După cum este ilustrat în Figura 3, este disponibilă o varietate de capace de joystick-uri pentru diferite scenarii. De exemplu, joystick-ul cu control la nivelul degetului XS140SCA12A62000 de la APEM este echipat cu un capac moletat (stânga). Prin utilizarea acestui capac, operatorul poate simți mai ușor mișcările pe axele principale X și Y, ceea ce îi permite să mențină o traiectorie dreaptă cu mai mare precizie. În schimb, XS140SDM12A62000 utilizează un capac pentru control la nivelul degetului, care este potrivit pentru mișcări arbitrare.

Figura 3: Capacul moletat prevăzut pentru XS140SCA12A62000 (stânga) și capacul plat prevăzut pentru XS140SDM12A62000 (dreapta) sunt potrivite pentru mișcări liniare și, respectiv, arbitrare. (Sursa imaginii: Autor, din materialul sursă APEM)

De asemenea, joystick-urile pot fi echipate cu sisteme de ghidare prin feedback haptic. Un astfel de joystick se deplasează mai ușor spre axele principale; îndepărtarea de aceste axe necesită mai multă forță. În mod similar, un joystick poate fi echipat cu o forță de centrare care mărește rezistența generală a joystick-ului. De exemplu, joystick-ul cu profil redus din seria XS de la APEM se poate întoarce automat spre centru cu o forță de doar 1 newton (N) sau de 2,5 N.

În cele din urmă, un joystick poate fi configurat cu o varietate de funcții legate de poziția centrală:

• Prin adăugarea unei funcții de atingere centrale, joystick-ul poate fi folosit ca un buton, ceea ce simplifică panoul de control și deschide calea către acțiuni mai complexe.
• Alternativ, controlul prin apăsare centrală poate fi folosit pentru un test de tensiune pentru a asigura faptul că sursa de alimentare funcționează corect.
• Pentru aplicațiile care au nevoie de un indicator de stare activă/inactivă, o funcție de detectare a centrului poate determina dacă joystick-ul este utilizat (această funcție nu trebuie utilizată în scopuri de siguranță sau securitate).

Rețineți că aceste opțiuni se exclud reciproc. Este important să se identifice care funcție este cea mai potrivită pentru a fi implementată pe joystick și care alte funcții pot fi atribuite altor controale.

Considerente privind proiectarea electrică

Pentru a asigura o fiabilitate maximă, căutați un joystick cu senzori cu efect Hall redundanți. În plus, alimentarea cu energie electrică trebuie să fie atent reglată. În cazul în care alimentarea cu energie electrică se modifică în afara toleranțelor specificate, senzorii pot fi deteriorați definitiv, ceea ce anulează avantajele oferite de redundanță.

Ieșirile de tensiune ale joystick-ului necesită, de asemenea, o proiectare atentă. Ca prim pas, trebuie să alegem tipul de semnal de ieșire (de exemplu, analogic sau cu modulație în lățime a impulsurilor (PWM)), și apoi să ajustăm nivelul de tensiune pentru a se potrivi cu cerințele de intrare ale unității microcontroler (MCU) care va citi aceste semnale. Figura 4 ilustrează un exemplu de astfel de tensiuni de ieșire posibile. De asemenea, trebuie luată în considerare și impedanța de ieșire. O rezistență de sarcină mică (de exemplu, < 10 kilohmi (kΩ)) creează riscul unor curenți mari care ar putea deteriora senzorul.

Figura 4: Pentru joystick-urile cu mai multe axe, cele două tensiuni de ieșire (X/Y) trebuie să fie scalate pentru a se potrivi cu intrările MCU. (Sursa imaginii: APEM)

După cum s-a menționat anterior, senzorii cu efect Hall sunt vulnerabili la interferențe magnetice. Prin urmare, un joystick bine conceput va încorpora o ecranare magnetică internă. Trebuie să se acorde atenție pentru a se asigura decuplarea corespunzătoare a sursei de alimentare și utilizarea măsurilor adecvate de ecranare CEM. Chiar și atunci când aceste măsuri sunt implementate, joystick-ul nu trebuie montat sau utilizat în apropierea unor câmpuri magnetice puternice.

Concluzie

Pe măsură ce echipamentele industriale devin mai complexe, proiectanții au nevoie de controale mai solide pentru a se asigura că interfața cu utilizatorul are nivelul de precizie, flexibilitate direcțională și feedback tactil necesar pentru un control precis, fiind în același timp robustă și fiabilă în condiții de cicluri de utilizare și temperaturi extreme. După cum s-a arătat, un joystick cu profil redus poate fi o soluție excelentă. Dacă se iau în considerare în mod corespunzător senzorul de poziție, clasificarea IP, izolarea electromagnetică și aplicabilitatea din perspectiva utilizatorilor umani, susținute de o proiectare atentă, un astfel de mini-joystick poate oferi multe beneficii pentru o gamă largă de aplicații.