Slik oppnår du presis og pålitelig styring av tungt industriutstyr i robuste miljøer

Konstruktører av tungt konstruksjons-, industri-, robot-, marine- og luftfartsutstyr legger til økt funksjonalitet, samtidig som de er ute etter å implementere stadig mer nøyaktig styring av delikate operasjoner og bevegelser ved hjelp av lette, kompakte styringssystemer. Disse målene må også oppnås i et robust og uforsonlig miljø som er både fysisk og elektrisk utfordrende.

For å oppfylle disse kravene må konstruktører sørge for at brukergrensesnittet har det presisjonsnivået, den retningsbestemte fleksibiliteten og den taktile feedbacken som kreves for nøyaktig styring, samtidig som det er robust og pålitelig under ekstreme temperaturer og brukssykluser.

Selv om berøringsskjermer har sin plass, mangler de den nødvendige taktile feedbacken og robustheten. I tillegg har klassiske X/Y-joysticker en tendens til å være for store, og de mangler antallet signalalternativer og akser som trengs for å oppnå maksimal retningsstyring. I stedet kan konstruktører bruke joysticker med lav profil, eller tommelspaker, som nå er i stand til å gi finere styring i en robust formfaktor. Disse små enhetene betjenes av brukerens tommel eller fingre, og de gir enkel tilgang til flere input, selv i trange omgivelser.

Denne artikkelen tar kort for seg hvorfor moderne industrielt og annet tungt utstyr krever styringer med høyere presisjon, og hvordan tommelspaker med lav profil håndterer de aktuelle problemene. Deretter gjennomgår den viktige konstruksjons- og implementeringskriterier, slik som sensorvalg, robusthet og fysiske og elektriske konstruksjonsalternativer. Virkelige eksempler på lavprofilerte tommelspaker fra APEM Inc. gis.

Mer avansert utstyr krever mer nøyaktige styringer

Behovet for bedre operatørstyringer har akselerert på grunn av to hovedtrender: Den voksende kompleksiteten til kravene på arbeidsplassen og den økte bruken av avansert teknologi. Disse trendene driver ikke bare behovet for mer presise styringer, men også mer komplekse styringer, ofte med flere bevegelsesakser.

For å illustrere dette poenget, se på de marine bomkranene som laster og losser containerskip. Etter hvert som skipene blir større, må kranene jobbe raskere for å oppnå en akseptabel tid i havn (noe som direkte påvirker fortjenesten). Samtidig krever strengere forskrifter forbedringer i sikkerhet og miljøpåvirkning.

Hele havnemiljøet er også i endring. Skipene, togene, lastebilene og annet utstyr ved disse havnene har alle lagt til teknologier som øker behovet for høypresisjonskoordinering. For eksempel brukes automatiserte veiledede kjøretøy (AGV – automated guided vehicle) til å transportere last rundt på havnen, og disse AGV-ene krever presis plassering av lasten.

For å håndtere alle disse faktorene, bytter kranene fra hydraulisk til elektrisk drift. Ikke bare øker dette hastigheten og presisjonen, men det forbedrer også allsidigheten ved å gjøre mer komplekse kombinasjoner av horisontal, vertikal og roterende bevegelse mulig.

Samsvaring av operatørstyringene til utstyrets muligheter

For å styre dette stadig mer sofistikerte utstyret, trenger operatører fleraksede styringer som er like godt egnet, og som må være presise, pålitelige og enkle å bruke.

Berøringsskjermer er ett alternativ. De er enkle å bruke og kan enkelt håndtere flere input samtidig. Berøringsskjermer er imidlertid følsomme og utsatt for utilsiktede berøringer. Skitt, fuktighet og ekstreme temperaturer kan forårsake funksjonsfeil, og skjermene er sårbare for fysisk skade og elektromagnetisk interferens. Det viktigste av alt er at de ikke tilbyr taktil feedback, noe som gjør dem dårlig egnet for HUD-drift (HUD – heads-up-display) i tungt utstyr.

Joysticker håndterer mange av disse problemene. Montering av en joystick i en armlenekonsoll eller på en trådløs aktuator (belly box) gir komfortabel, ergonomisk input. Med riktig utforming kan de tåle tøffe miljøforhold. De kan også gi fysisk feedback til operatøren, noe som holder det visuelle fokuset på arbeidsområdet.

Tradisjonelle joysticker kan imidlertid ta opp mye plass i trange omgivelser, og de kan stikke ut på måter som gjør dem utsatt for utilsiktet betjening. Selv når det er rikelig med plass krever joysticker at brukerne gjør relativt store bevegelser, noe som setter en grense for hvor nøyaktige de er.

Tommelspaker løser disse problemene ved å krympe joysticken ned til en mer håndterlig størrelse. Disse lavprofilenhetene, som betjenes med en tommel eller finger, minimerer risikoen for utilsiktet betjening. De muliggjør presis og jevn input, og operatører kan enkelt manipulere to tommelspaker samtidig, noe som løser problemet med flere input.

Joysticker med lav profil er spesielt godt egnet for bærbare styringer, for eksempel trådløse aktuatorer (belly box) eller håndholdte enheter. Alle konstruksjoner med begrenset plass kan imidlertid dra nytte av den reduserte størrelsen.

Valg av de riktige sensorene

Selvfølgelig er ikke alle tommelspaker like. Til å begynne med kan de bruke en rekke posisjonssensorer, for eksempel potensiometrisk (dvs. resistiv), induktiv, fotoelektrisk eller Hall-effekt (dvs. magnetisk). Alle disse alternativene har sine egne fordeler og ulemper:

• Potensiometriske sensorer er enkle og billige, men har begrenset levetid.
• Induktive sensorer er mer pålitelige, men er følsomme for temperaturendringer og elektromagnetisk interferens (EMI).
• Fotoelektriske sensorer er nøyaktige, men er sårbare for støv, fuktighet og fysisk skade.
• Hall-effektsensorer er nøyaktige og holdbare, men kan påvirkes av sterke magnetfelt.

Tatt i betraktning alle disse avveiningene, er en Hall-effektsensor ofte det overlegne valget for høypresisjonssensorer i tøffe miljøer. Hall-effektsensorer, som er virksomme ved standard 3,3 eller 5 volt likestrøm (DC) og implementert i forbindelse med robust mekanikk, resulterer i en enhet som kan tåle en forventet levetid på 10 millioner sykluser.

Hall-effektsensorer plasserer en tynn stripe ledende materiale mellom to elektroder (figur 1). Når en strøm (I) går gjennom strimmelen, og et magnetfelt (B) påføres vinkelrett på den, genereres en spenningsforskjell (U_H) over strimmelen. Denne spenningsforskjellen kalles Hall-spenningen, som er proporsjonal med styrken og retningen til magnetfeltet.

Figur 1: Hall-spenningen (U_H) genereres når en strøm (I) går gjennom en ledende strimmel, og en magnetisk flukstetthet (B) legges vinkelrett på strimmelen. (Bildekilde: Wikipedia)

Noen av fordelene til Hall-effektsensorer sammenlignet med andre typer sensorer i industrielle joystick-konstruksjoner, er følgende:

• De er kontaktløse og slites ikke ut over tid.
• De er immune mot støv, smuss, fuktighet og vibrasjoner.
• De kan måle lineær- og vinkelforskyvning med høy nøyaktighet og oppløsning.
• De kan være virksomme over et bredt spekter av temperaturer og spenninger.
• De kan enkelt integreres med digital elektronikk og mikrokontrollere.

Hall-effektsensorer er spesielt nyttige fordi de kan detektere både posisjon og vinkel. Dette gjør dem godt egnet for fleraksede styringer, for eksempel joysticker med ikke bare X/Y-styringer, men også en Z-akset midtre tilkobling.

Når det er sagt, er sensoren bare én av konstruksjonsparameterene som må tas hensyn til. Vellykket implementering av en Hall-effekt-tommelspak krever nøye overveielse av flere fysiske og elektriske parametere.

Plassering av en tommelspak på styringspanelet

Noen ganger kan en tommelspak monteres på et beskyttet, fast sted, for eksempel på et styringspanel. Oftere må operatørene være i nærheten av arbeidet, noe som begrenser alternativene til hyppig brukte steder som konsoller, kjøretøyarmlener, hengebrytere (pendants) og trådløse aktuatorer (belly boxes).

Hvis tommelspaken brukes i et håndholdt hus, må forsiktighet utvises for å beskytte det mot fallskader. Grunnleggende forholdsregler, for eksempel å montere den på den letteste enden av huset slik at den ikke treffer bakken først eller beskytte den med et vern, bør implementeres for å oppnå langsiktig pålitelighet.

Kjøretøy er en annen risikabel situasjon. Styringer ombord på et skip som stamper eller et i kjøretøy kan vise seg å være ugunstige håndtak, så det er viktig å holde tommelspakene så lave som mulige for å unngå potensielt farlig utilsiktet betjening.

I disse situasjonene bør ikke tommelspaker stikke ut mer enn ca. 50 millimeter (mm) (2 tommer) over en panelflate. Det må også være tilstrekkelig klaring mellom tommelspaken og andre styringer på panelet, med ekstra klaring hvis operatøren skal bruke store hansker.

Slik gjøres en joystick med lav profil mer robust

Industrielle joysticker utsettes ofte for fallende eller rettet vann, så disse enhetene må være klassifisert til minst IP66. Dette kan oppnås med en falset mansjett, dvs. en fleksibel støvel som kan ekspandere og trekke seg sammen når joysticken beveger seg (figur 2).

En joystick kan slippes ned i en panelåpning som er kuttet ut eller den kan monteres fra baksiden. Undersiden av panelet må ikke utsettes for vannsprut, høy luftfuktighet eller støv, siden denne delen av joysticken ikke er beskyttet av mansjetten.

Figur 2: Drop-in-montering av en tommelspak med lav profil (venstre) bruker en ramme og forsenkede skruer. Montering på baksiden (høyre) bruker maskinskruer og tilknyttede muttere, men ingen ramme. En innviklet mansjett beskytter til IP66. (Bildekilde: Forfatter, fra APEM-kildemateriale)

For å maksimere holdbarheten, bør konstruktører se etter en enhet som har aksel i rustfritt stål, kombinert med en tilsvarende tøff metallkardan og grunnmekanikk og begrensere. Som nevnt tidligere er håndholdte enheter utsatt for fall, så joysticken bør testes for og overleve et fritt fall på 1 meter (m). Konstruktører bør også se etter egnede klassifiseringer for vibrasjon, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og beskyttelse mot elektrostatisk utladning (ESD) i henhold til gjeldende IEC-standarder.

Motstandsdyktighet mot ekstreme temperaturer er også svært viktig i tøffe miljøer. Som et eksempel er APEM sine lavprofil-joysticker i XS-serien klassifisert for driftstemperatur på –30 °C til +85 °C og lagringstemperatur på –40 °C til +110 °C.

Til slutt, hvis tommelspaken skal brukes i en sikkerhetskritisk utrustning (noe som ofte er tilfelle), anbefales et SIL-nivå (SIL – safety integrity level) på SIL2 eller bedre.

Konstruksjonshensyn rundt faktorer for menneskelig brukervennlighet

Valg av de riktige materialene og den ergonomiske utformingen av joysticken kan ha en stor innvirkning på brukervennligheten. Konstruktører må være oppmerksomme på at styringen kan være våt eller skitten, og at operatøren kan ha på seg tunge hansker. Derfor bør joystickhetten bruke et materiale som nylon for å gi en slitesterk, men lett gripbar overflate.

Som illustrert i figur 3, er en rekke joystickhetter tilgjengelige for forskjellige scenarier. For eksempel er XS140SCA12A62000-fingertupp-joysticken fra APEM utstyrt med et kronelokk (castle cap) (venstre). Denne hetten gjør det enklere for brukeren å føle X- og Y-aksen, noe som kan bidra til å opprettholde en rett bane. XS140SDM12A62000 bruker derimot en fingertupphette som er egnet for vilkårlig bevegelse.

Figur 3: Kronehetten på XS140SCA12A62000 (venstre) og den flate hetten på XS140SDM12A62000 (høyre) er egnet for henholdsvis lineær og vilkårlig bevegelse. (Bildekilde: Forfatter, fra APEM-kildemateriale)

Joysticker kan også utstyres med en veiledet følelse. En slik joystick beveger seg lettere mot hovedaksene, og bevegelse bort fra disse aksene krever mer kraft. På samme måte kan en joystick utstyres med en sentreringskraft som øker den totale motstanden til joysticken. For eksempel kan den lavprofilerte joysticken i APEM XS-serien fjæres til midten med en kraft så lett som 1 newton (N), eller så sterk som 2,5 N.

Til slutt kan en joystick konfigureres med en rekke funksjoner relatert til midtposisjonen:

• Ved å legge til en funksjon for en midtre tilkobling kan joysticken brukes som en knapp, noe som kan forenkle styringspanelet og muliggjøre mer komplekse handlinger.
• Alternativt kan den midtre tilkoblingen brukes til en spenningstest for å sikre at strømforsyningen fungerer som den skal.
• For konstruksjoner som trenger en viserinnretning for aktiv/inaktiv status, kan en senteruttaksfunksjon avgjøre om joysticken er i bruk (denne funksjonen bør ikke brukes av sikkerhetsmessige årsaker).

Vær oppmerksom på at disse alternativene er gjensidig utelukkende. Det er viktig å identifisere hvilken funksjon som er best egnet for implementering på joysticken, og hvilke andre funksjoner som kan knyttes til andre styringer.

Faktorer ved elektrisk konstruksjon

For å sikre maksimal pålitelighet kan du se etter en joystick med redundante Hall-effektsensorer. Videre må strømforsyningen reguleres nøye. Hvis strømforsyningen skulle bevege seg utenfor de angitte toleransene, kan det oppstå permanent skade på sensorene, noe som opphever fordelene av å ha redundans.

Spenningsutgangene til joysticken krever også gjennomtenkt utforming. Som et første trinn bør utgangssignaltypen (f.eks. analog eller pulsbreddemodulasjon (PWM)) velges, og spenningen skaleres til å samsvare med de forventede input-verdiene til mikrokontrolleren (MCU) som vil lese disse signalene. Figur 4 viser et eksempel på slike mulige utgangsspenninger. Utgangsimpedansen bør også tas i betraktning. En lav lastmotstand (f.eks. < 10 kilohm (kΩ)) skaper risiko med høye strømmer, noe som kan skade sensoren.

Figur 4: For fleraksede joysticker må de to utgangsspenningene (X/Y) skaleres slik at de samsvarer med mikrokontrollerens innganger. (Bildekilde: APEM)

Som nevnt tidligere, er Hall-effektsensorer sårbare for magnetisk interferens. En velutformet joystick vil derfor inkludere intern magnetisk skjerming. Det må utvises forsiktighet for at strømforsyningen skal avkobles på riktig måte, og det må brukes tilstrekkelig skjerming for å oppnå elektromagnetisk kompatibilitet. Selv med disse tiltakene på plass, bør ikke joysticken monteres eller brukes i nærheten av sterke magnetfelt.

Konklusjon

Etter hvert som industrielt utstyr blir mer og mer komplekst, trenger konstruktører mer robuste styringer for å sikre at brukergrensesnittet har presisjonsnivået, den retningsbestemte fleksibiliteten og den taktile feedbacken som kreves for nøyaktig styring, samtidig som det er robust og pålitelig under ekstreme temperaturer og brukssykluser. Som vist, kan en joystick med lav profil være en utmerket løsning. Med riktig overveielse av posisjonssensor, IP-klassifisering, elektromagnetisk isolasjon og menneskelig brukervennlighet, støttet opp av nøye konstruksjonsimplementering, kan en slik tommelspak gi mange fordeler for et bredt spekter av bruksområder.