Hoe bereikt u nauwkeurige en betrouwbare besturing van zware industriële apparatuur in zware omgevingen?

Ontwerpers van zware constructie-, industriële, robot-, scheeps- en luchtvaartapparatuur voegen steeds meer functionaliteit toe en zoeken tegelijkertijd naar manieren om steeds nauwkeurigere besturing van delicate bewerkingen en bewegingen te implementeren met behulp van lichte, compacte besturingssystemen. Deze doelen moeten ook worden bereikt in een ruige en onvergeeflijke omgeving die zowel fysiek als elektrisch uitdagend is.

Om aan deze eisen te voldoen, moeten ontwerpers ervoor zorgen dat de gebruikersinterface de mate van precisie, richtingsflexibiliteit en tactiele feedback heeft die nodig is voor nauwkeurige bediening, en tegelijkertijd robuust en betrouwbaar is bij extreme temperaturen en gebruikscycli.

Hoewel touchscreens hun plaats hebben, missen ze de nodige tactiele feedback en robuustheid. Bovendien zijn klassieke X/Y-joysticks vaak te groot en missen ze het aantal signaalopties en assen dat nodig is voor maximale richtingbesturing. In plaats daarvan kunnen ontwerpers joysticks met een laag profiel of thumbsticks gebruiken, die nu in staat zijn om meer verfijnde besturing te bieden in een robuuste vormfactor. Deze kleine apparaten worden bediend door de duim of vingers van de gebruiker en bieden eenvoudig toegang tot meerdere ingangen, zelfs in krappe omgevingen.

In dit artikel wordt kort besproken waarom moderne industriële en andere zware apparatuur preciezere besturingen vereist en hoe thumbsticks met een laag profiel de relevante problemen aanpakken. Vervolgens worden de belangrijkste ontwerp- en implementatiecriteria besproken, waaronder sensorselectie, robuustheid en fysieke en elektrische ontwerpopties. Als voorbeeld worden echte thumbsticks met een laag profiel van APEM Inc. gebruikt.

Voor geavanceerdere apparatuur zijn preciezere besturingen nodig

De behoefte aan betere operatorbesturing is toegenomen door twee belangrijke trends: de toenemende complexiteit van de eisen op de werkplek en de toepassing van geavanceerde technologieën. Door deze trends is er niet alleen behoefte aan nauwkeurigere besturingen, maar ook aan complexere besturingen, vaak met meer bewegingsassen.

Neem om dit punt te illustreren de portaalkranen op zee die containerschepen laden en lossen. Naarmate de schepen groter worden, moeten de kranen sneller werken om een acceptabele tijd in de haven te bereiken (wat direct van invloed is op de winst). Tegelijkertijd maken strengere voorschriften verbeteringen nodig op het gebied van veiligheid en milieueffecten.

De hele havenomgeving ondergaat ook veranderingen. De schepen, treinen, vrachtwagens en andere apparatuur in deze havens hebben allemaal technologieën toegevoegd die de behoefte aan zeer nauwkeurige coördinatie vergroten. Automatisch geleide voertuigen (AGV's) worden bijvoorbeeld gebruikt om vracht door de haven te vervoeren en deze AGV's vereisen een nauwkeurige plaatsing van die vracht.

Om met al deze factoren om te gaan, schakelen kranen over van hydraulische naar elektrische bediening. Dit verhoogt niet alleen de snelheid en precisie, maar ook de veelzijdigheid doordat complexere combinaties van horizontale, verticale en roterende verplaatsingen mogelijk worden.

De bedieningselementen afstemmen op de mogelijkheden van de apparatuur

Om deze steeds geavanceerdere apparatuur te besturen, hebben operators meerassige besturingen nodig die net zo goed in staat zijn, nauwkeurig, betrouwbaar en gebruiksvriendelijk zijn.

Touchscreens zijn één optie. Ze zijn eenvoudig te gebruiken en kunnen gemakkelijk meerdere gelijktijdige ingangen aan. Aanraakschermen zijn echter gevoelig en kunnen per ongeluk worden aangeraakt. Vuil, vocht en extreme temperaturen kunnen storingen veroorzaken en de schermen zijn kwetsbaar voor fysieke schade en elektromagnetische interferentie. Het belangrijkste is dat ze geen tactiele feedback geven, waardoor ze niet geschikt zijn voor het bedienen van zware apparatuur met het hoofd omhoog.

Joysticks lossen veel van deze problemen op. De montage van een joystick in een armsteunconsole of op een buikkast zorgt voor een comfortabele, ergonomische invoer. Met een goed ontwerp zijn ze bestand tegen zware omgevingsomstandigheden. Ze kunnen ook fysieke feedback geven aan de operator, zodat de visuele focus op de werkruimte blijft.

Traditionele joysticks nemen echter veel ruimte in beslag in krappe omgevingen en kunnen uitsteken op een manier die ze vatbaar maakt voor onbedoelde bediening. Zelfs als er genoeg ruimte is, beperkt het feit dat je met joysticks relatief grote bewegingen moet maken de precisie.

Thumbsticks pakken deze problemen aan door joysticks te verkleinen tot een handzamer formaat. Deze onopvallende apparaten worden bediend met de duim of vinger en minimaliseren het risico op onbedoelde bediening. Ze zorgen voor nauwkeurige en soepele invoer en gebruikers kunnen gemakkelijk twee thumbsticks tegelijk manipuleren, waardoor het probleem van meervoudige invoer wordt opgelost.

Joysticks met een laag profiel zijn bijzonder geschikt voor draagbare controllers, zoals buikkastjes of handheld-apparaten. Maar elke toepassing met beperkte ruimte kan profiteren van hun kleinere afmetingen.

De juiste sensor selecteren

Natuurlijk zijn niet alle thumbsticks gelijk. Om te beginnen kunnen ze verschillende positiesensoren gebruiken, waaronder potentiometrische (d.w.z. resistieve), inductieve, foto-elektrische of Hall-effect (d.w.z. magnetische). Elk van deze opties heeft zijn eigen voor- en nadelen:

• Potentiometrische sensors zijn eenvoudig en goedkoop, maar hebben een beperkte levensduur.
• Inductieve sensors zijn betrouwbaarder, maar zijn gevoelig voor temperatuurveranderingen en elektromagnetische interferentie (EMI).
• Foto-elektrische sensors zijn nauwkeurig, maar kwetsbaar voor stof, vocht en fysieke schade.
• Hall-effectsensors zijn nauwkeurig en duurzaam, maar kunnen worden beïnvloed door sterke magnetische velden.

Gezien al deze nadelen is een Hall-effectsensor vaak de beste keuze voor zeer nauwkeurige detectie in een ruwe omgeving. Hall-effect-sensors, die werken op standaard 3,3 of 5 volt gelijkstroom (DC) en geïmplementeerd zijn in combinatie met robuuste mechanica, resulteren in een apparaat dat een verwachte levensduur van 10 miljoen cycli kan doorstaan.

Hall-effect-sensors plaatsen een dunne strook geleidend materiaal tussen twee elektroden (Afbeelding 1). Wanneer er een stroom (I) door de strip vloeit en er loodrecht hierop een magnetisch veld (B) wordt aangelegd, wordt er een spanningsverschil (U_H) gegenereerd over de strip. Dit spanningsverschil wordt de Hall-spanning genoemd en is evenredig met de sterkte en richting van het magnetische veld.

Afbeelding 1: De Hall-spanning (U_H) wordt opgewekt wanneer een stroom (I) door een geleidende strip vloeit en een magnetische fluxdichtheid (B) loodrecht op de strip wordt geplaatst. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Enkele voordelen van Hall-effectsensoren ten opzichte van andere typen sensors in industriële joystickapplicaties zijn:

• Ze zijn contactloos en slijten niet na verloop van tijd.
• Ze zijn ongevoelig voor stof, vuil, vocht en trillingen.
• Ze kunnen lineaire en hoekverplaatsingen meten met een hoge nauwkeurigheid en resolutie.
• Ze kunnen in een breed temperatuur- en spanningsbereik werken.
• Ze kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd met digitale elektronica en microcontrollers.

Hall-effect-sensors zijn bijzonder nuttig omdat ze zowel positie als hoek kunnen detecteren. Hierdoor zijn ze zeer geschikt voor meerassige besturingen, zoals joysticks die niet alleen X/Y-besturingen hebben maar ook een middenaftakking op de Z-as.

Dat gezegd hebbende, is de sensor slechts één ontwerpparameter om rekening mee te houden. Een succesvolle implementatie van een thumbstick met Hall-effect vereist een zorgvuldige afweging van verschillende fysische en elektrische parameters.

Een thumbstick op het bedieningspaneel plaatsen

Soms kan een thumbstick worden gemonteerd op een beschermde vaste locatie, zoals een bedieningspaneel. Bestuurders moeten vaker dicht bij het werk zijn, waardoor de opties beperkt zijn tot gemakkelijk te misbruiken locaties zoals consoles, armsteunen van voertuigen, hangers en belly boxes.

Als de thumbstick wordt gebruikt in een handheld-behuizing, moet deze worden beschermd tegen valschade. Basisvoorzorgen zoals montage aan het lichtste uiteinde van de behuizing zodat deze niet als eerste de grond raakt of bescherming met een afscherming moeten worden geïmplementeerd voor langdurige betrouwbaarheid.

Voertuigen zijn een andere risicovolle situatie. Bedieningselementen aan boord van een hellend schip of voertuig kunnen dienen als een onverstandig houvast, dus het is belangrijk om de thumbsticks zo laag mogelijk te houden om mogelijk gevaarlijke bediening per ongeluk te voorkomen.

In elk van deze situaties mogen de thumbsticks niet meer dan ongeveer 50 millimeter (mm) (2 inch (in.)) uitsteken. boven een paneelvlak. Er moet ook voldoende ruimte zijn tussen de thumbstick en andere bedieningselementen op het paneel, met extra ruimte als de operator dikke handschoenen draagt.

Robuust maken van een joystick met laag profiel

Industriële joysticks worden vaak blootgesteld aan vallend of gericht water, dus deze apparaten moeten minimaal een IP66-classificatie hebben. Dit kan worden bereikt met een ingewikkelde hoes, d.w.z. een flexibele laars die kan uitzetten en inkrimpen terwijl de joystick beweegt (Afbeelding 2).

Een joystick kan in een paneeluitsparing worden geplaatst of aan de achterkant worden gemonteerd. In beide gevallen mag de onderkant van het paneel niet worden blootgesteld aan spatwater, overmatige vochtigheid of stof, omdat dit deel van de joystick niet wordt beschermd door de hoes.

Afbeelding 2: Bij drop-in montage van een thumbstick met laag profiel (links) wordt gebruikgemaakt van een montageframe en verzonken schroeven; bij montage aan de achterkant (rechts) worden machineschroeven en bijbehorende moeren gebruikt, maar geen montageframe. Een ingewikkelede hoes biedt bescherming tot IP66. (Bron afbeelding: Auteur, van APEM bronmateriaal)

Om de duurzaamheid te maximaliseren, moeten ontwerpers op zoek gaan naar een apparaat met een roestvrijstalen as, samen met een even sterke metalen cardan en basismechanismen en begrenzers. Zoals eerder vermeld, kunnen handheld-apparaten gemakkelijk vallen. Daarom moet de joystick getest worden om een vrije val van 1 meter (m) te overleven. Ontwerpers moeten ook controleren of ze de juiste classificaties hebben voor bescherming tegen trillingen, elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en elektrostatische ontlading (ESD) in overeenstemming met de toepasselijke IEC-normen.

Bestendigheid tegen extreme temperaturen is ook cruciaal in ruwe omgevingen. De laagprofiel joysticks uit de XS-serie van APEM zijn bijvoorbeeld geschikt voor een bedrijfstemperatuur van -30 °C tot +85 °C en een opslagtemperatuur van -40 °C tot +110 °C.

Als de thumbstick wordt gebruikt in een veiligheidskritische toepassing (wat vaak het geval is), zoek dan naar een SIL-classificatie (Safety Integrity Level) van SIL2 of hoger.

Ontwerpoverwegingen voor menselijke bruikbaarheidsfactors

Het kiezen van de juiste materialen en het ergonomische ontwerp voor de joystick kan een grote invloed hebben op de bruikbaarheid. Ontwerpers moeten er rekening mee houden dat de controller nat of vuil kan zijn en dat de operator zware handschoenen draagt. Voor de kap van de joystick moet dus een materiaal zoals nylon worden gebruikt om een duurzaam maar gemakkelijk vast te pakken oppervlak te bieden.

Zoals geïllustreerd in Afbeelding 3, zijn er verschillende joystickkappen beschikbaar voor verschillende scenario's. De XS140SCA12A62000-fingertipjoystick van APEM is bijvoorbeeld uitgerust met een slotkap (links). Deze kap maakt het makkelijker voor de operator om de belangrijkste X- en Y-as te voelen, wat kan helpen om een rechte baan aan te houden. De XS140SDM12A62000 maakt daarentegen gebruik van een fingertipjoystickkap die geschikt is voor willekeurige bewegingen.

Afbeelding 3: De kasteeltop op de XS140SCA12A62000 (links) en de platte kap op de XS140SDM12A62000 (rechts) zijn geschikt voor respectievelijk lineaire en willekeurige bewegingen. (Bron afbeelding: Auteur, van APEM-bronmateriaal)

Joysticks kunnen ook worden uitgerust met een geleid gevoel. Zo'n joystick beweegt gemakkelijker in de richting van de hoofdassen; om van deze assen weg te bewegen is meer kracht nodig. Op dezelfde manier kan een joystick worden uitgerust met een centreerkracht die de totale weerstand van de joystick verhoogt. De APEM XS-serie joystick met laag profiel kan bijvoorbeeld naar het midden worden geveerd met een kracht die zo licht is als 1 newton (N), of zo sterk als 2,5 N.

Tot slot kan een joystick worden geconfigureerd met verschillende functies die verband houden met de middenpositie:

• Door een middelste tikfunctie toe te voegen, kan de joystick worden gebruikt als een knop, wat het bedieningspaneel kan vereenvoudigen en complexere acties mogelijk kan maken.
• De middenaftakking kan ook worden gebruikt voor een spanningstest om te controleren of de voeding goed werkt.
• Voor toepassingen die een actieve/inactieve statusindicator nodig hebben, kan een middendetectiefunctie bepalen of de joystick in gebruik is (deze functie mag niet worden gebruikt voor veiligheids- of beveiligingsdoeleinden).

Merk op dat deze opties elkaar uitsluiten. Het is belangrijk om te bepalen welke functie het meest geschikt is voor implementatie op de joystick en welke andere functies kunnen worden toegewezen aan andere besturingen.

Elektrische ontwerpoverwegingen

Voor maximale betrouwbaarheid zoek je een joystick met redundante Hall-effectsensoren. Verder moet de voeding zorgvuldig worden geregeld. Als de voeding buiten de gespecificeerde toleranties verandert, kan er permanente schade aan de sensoren optreden, waardoor de voordelen van redundantie teniet worden gedaan.

De spanningsuitgangen van de joystick vereisen ook een doordacht ontwerp. Als eerste stap moet het type uitgangssignaal (bijvoorbeeld analoog of pulsbreedtemodulatie (PWM)) worden geselecteerd en de spanning worden geschaald om overeen te komen met de verwachte ingangen van de microcontroller-eenheid (MCU) die deze signalen zal lezen. Afbeelding 4 illustreert een voorbeeld van dergelijke mogelijke uitgangsspanningen. Er moet ook rekening worden gehouden met de uitgangsimpedantie. Een lage belastingsweerstand (bijvoorbeeld < 10 kilohm (kΩ)) creëert een risico op hoge stromen die de sensor kunnen beschadigen.

Afbeelding 4: Voor joysticks met meerdere assen moeten de twee uitgangsspanningen (X/Y) worden geschaald om overeen te komen met de MCU-ingangen. (Bron afbeelding: APEM)

Zoals eerder opgemerkt zijn Hall-effect-sensors kwetsbaar voor magnetische interferentie. Een goed ontworpen joystick bevat daarom een interne magnetische afscherming. De voeding moet goed worden ontkoppeld en er moet een goede EMC-afscherming worden gebruikt. Zelfs met deze maatregelen in acht genomen, mag de joystick niet worden gemonteerd of gebruikt in de buurt van sterke magnetische velden.

Conclusie

Naarmate industriële apparatuur complexer wordt, hebben ontwerpers robuustere besturingen nodig om ervoor te zorgen dat de gebruikersinterface het precisieniveau, de richtingsflexibiliteit en de tactiele feedback biedt die nodig zijn voor nauwkeurige besturing, en tegelijkertijd robuust en betrouwbaar is bij extreme temperaturen en gebruikscycli. Zoals u kunt zien, kan een joystick met een laag profiel een uitstekende oplossing zijn. Met de juiste overweging van de positiesensor, IP-classificatie, elektromagnetische isolatie en menselijke bruikbaarheid, ondersteund door een zorgvuldige ontwerpimplementatie, kan zo'n thumbstick veel voordelen bieden voor een breed scala aan toepassingen.