Hur man uppnår exakt och tillförlitlig styrning av tunga maskiner i tuffa miljöer

Konstruktörer av utrustning för tunga smaskiner, industri, robotteknik, marin och flyg lägger till allt fler funktioner samtidigt som de letar efter sätt att implementera allt mer exakt styrning av känsliga moment och rörelser med hjälp av lätta, kompakta styrsystem. Målen måste även uppnås i en svår och oförlåtande miljö som är både fysiskt och elektriskt utmanande.

För att uppfylla dessa krav måste konstruktörer se till att användargränssnittet har den precision, riktningsflexibilitet och taktila återkoppling som krävs för exakt styrning samtidigt som det är robust och tillförlitligt i extrema temperaturer och användningscykler.

Även om pekskärmar har sin plats saknar de den nödvändiga taktila återkopplingen och stryktåligheten. Dessutom tenderar klassiska X/Y-styrspakar vara för klumpiga och sakna det antal signalalternativ och axlar som krävs för maximal styrning av riktning. Istället kan konstruktörer använda styrspakar med låg profil, eller tumstyrspakar, som nu kan ge mer noggrann styrning i ett robust format. De små enheterna styrs av användarens tumme eller fingrar och ger enkel åtkomst till flera inmatningar, även i trånga miljöer.

Artikeln diskuterar kortfattat varför modern industriutrustning och annan utrustning inom tunga maskiner kräver reglage med högre precision och hur tumstyrspakar med låg profil löser de relevanta problemen. Därefter granskas viktiga kriterier för konstruktion och implementering inklusive val av givare, robusthet samt fysiska och elektriska alternativ till konstruktionen. Som exempel används riktiga tumstyrspakar med låg profil från APEM Inc.

Mer sofistikerad utrustning kräver mer exakt styrning

Behovet av bättre operatörskontroller har ökat på grund av två huvudsakliga trender; de allt mer komplicerade kraven på arbetsplatsen och införandet av avancerad teknik. Trenderna leder till ett behov av inte bara mer exakta reglage, utan även mer komplicerade reglage, ofta med rörelser i flera plan.

För att illustrera detta kan vi ta de marina portalkranarna som lastar och lossar containerfartyg. När fartygen blir större måste kranarna arbeta snabbare för att uppnå en acceptabel tid i hamn (vilket direkt påverkar vinsten). Samtidigt kräver strängare bestämmelser förbättringar av säkerhet och miljöpåverkan.

Hela hamnmiljön genomgår också förändringar. Fartygen, tågen, lastbilarna och övrig utrustning i hamnarna har alla fått ny teknik som ökar behovet av samordning med hög precision. Automatiskt styrda fordon (AGV) används exempelvis för att transportera gods i hamnen och dessa automatiskt styrda fordon kräver noggrann placering av godset.

För att hantera alla dessa faktorer övergår kranarna från hydraulisk till elektrisk drift. Detta ökar inte bara hastigheten och noggrannheten utan förbättrar även mångsidigheten genom att möjliggöra mer avancerade kombinationer av rörelser horisontellt, vertikalt och roterande.

Anpassa operatörens reglage till utrustningens kapacitet

För att styra den alltmer sofistikerade utrustningen behöver operatörer lika kapabla reglage med flera axlar som måste vara exakta, tillförlitliga och enkla att använda.

Pekskärmar är ett alternativ. De är enkla att använda och kan hantera flera samtidiga inmatningar. Pekskärmar är dock känsliga och kan lätt råka ut för oavsiktlig beröring. Smuts, fukt och extrema temperaturer kan orsaka funktionsfel och skärmarna är känsliga för fysiska skador och elektromagnetiska störningar. Framför allt ger de ingen taktil återkoppling, vilket gör att de inte lämpar sig för direktstyrning av tunga maskiner.

Styrspakar löser många av dessa problem. En styrspak som monteras i en armstödskonsol eller på ett manöverdon (bellybox) ger en bekväm och ergonomisk inmatning. Med rätt konstruktion kan de tåla tuffa miljöförhållanden. De kan också ge fysisk feedback till operatören och således kan bibehålla det visuella fokuset på arbetsområdet.

Traditionella styrspakar kan dock ta upp mycket plats i trånga miljöer och kan sticka ut på ett sätt som gör dem känsliga för oavsiktlig manövrering. Även när det finns gott om utrymme begränsas precisionen av att styrspaken kräver att operatören gör relativt stora rörelser.

Tumstyrspakar löser dessa problem genom att krympa styrspaken till en mer hanterbar storlek. Dessa enheter med låg profil manövreras med tummen eller fingret och minimerar risken för oavsiktlig manövrering. De möjliggör exakta och mjuka inmatningar och operatörer kan enkelt hantera två tumstyrspakar samtidigt, vilket löser problemet med flera inmatningar.

Styrspakar med låg profil lämpar sig särskilt väl för bärbara styrenheter, t.ex. manöverdon eller handhållna enheter. Men alla tillämpningar med begränsat utrymme kan dra nytta av deras reducerade storlek.

Välj rätt givare

Naturligtvis är inte alla tumstyrspakar lika bra. Till att börja med kan de använda en mängd olika givare för position, inklusive potentiometriska (dvs. resistiva), induktiva, fotoelektriska eller magnetiska (Hall-effekt). Vart och ett av dessa alternativ har sina för- och nackdelar:

• Givare med potentiometer är enkla och billiga men har en begränsad livslängd.
• Induktiva givare är mer tillförlitliga men känsliga för temperaturförändringar och elektromagnetiska störningar (EMI).
• Fotoelektriska sensorer är exakta men känsliga för damm, fukt och fysiska skador.
• Hall-effektsensorer är noggranna och hållbara men kan påverkas av starka magnetfält.

Med tanke på alla dessa kompromisser är en Hall-effektsensor ofta det bästa valet för avkänning med hög noggrannhet i en tuff miljö. Hall-effektsensorer, som normalt arbetar med 3,3 eller 5 VDC och används tillsammans med robust mekanik, resulterar i en enhet som kan klara en förväntad livslängd på tio miljoner cykler.

Hall-effektsensorer placerar en tunn remsa av ledande material mellan två elektroder (figur 1). När en ström (I) flyter genom remsan och ett magnetfält (B) appliceras vinkelrätt mot densamma genereras en spänningsskillnad (U_H) över remsan. Denna spänningsskillnad kallas Hall-spänning och är proportionell mot magnetfältets styrka och riktning.

Figur 1: Hall-spänningen (U_H) uppstår när en ström (I) flödar genom en ledande remsa och en magnetisk flödestäthet (B) placeras vinkelrätt mot remsan. (Bildkälla: Wikipedia)

Några fördelar med Hall-effektsensorer jämfört med andra typer av givare i tillämpningar med industriella styrspakar är:

• De är kontaktlösa och slits inte ut med tiden.
• De är okänsliga för damm, smuts, fukt och vibrationer.
• De kan mäta linjär och vinklad förskjutning med hög noggrannhet och upplösning.
• De kan arbeta i ett stort temperatur- och spänningsintervall.
• De kan enkelt integreras med digital elektronik och microcontrollers.

Hall-effektsensorer är särskilt användbara eftersom de kan känna av både position och vinkel. Det gör dem väl lämpade för styrning av flera axlar, som t.ex. styrspakar som inte bara bara har X/Y-styrning utan även en Z-axel i mitten.

Med detta sagt är sensorn bara en konstruktionsparameter att ta hänsyn till. En lyckad implementering av en tumstyrspak med Hall-effekt kräver noggrant övervägande av flera fysiska och elektriska parametrar.

Att placera en tumstyrspak i en manöverpanel

Ibland kan en tumstyrspak monteras på en skyddad fast plats, t.ex. på en manöverpanel. Ofta behöver operatörerna vara nära arbetet vilket begränsar alternativen till placeringar som lätt kan skadas, som t.ex. konsoler, armstöd i fordon, paneler och manöverdon.

Om tumstyrspaken används i ett handhållet hölje måste det skyddas mot fallskador. Grundläggande försiktighetsåtgärder som att montera den i den lättaste änden av höljet så att den inte slår i marken först eller att skydda den med ett skydd bör vidtas för långsiktig tillförlitlighet.

Fordon är en annan riskfylld situation. Reglagen ombord på ett fartyg eller fordon kan fungera som ett olämpligt handtag, så det är viktigt att hålla tumstyrspakarna på lägsta möjliga höjd för att undvika potentiellt farliga och oavsiktliga manövrar.

I alla dessa situationer bör tumstyrspaken inte vara placerade högre än ca 50 mm (2 tum (in.)) ovanför panelens yta. Det måste också finnas tillräckligt med utrymme mellan tumstyrspaken och alla andra reglage på panelen, med extra utrymme om operatören kanske bär tjocka handskar.

Robust konstruktion av en styrspak med låg profil

Styrspakar inom industrin utsätts ofta för fallande eller riktat vatten så dessa enheter måste ha minst en IP66-klassificering. Detta kan åstadkommas med en s.k. veckad damask, dvs. en flexibel sko som kan expandera och kontrahera när styrspaken rör sig (figur 2).

En styrspak kan fällas in i en panel eller monteras bakifrån. I båda fallen får panelens undersida inte utsättas för vattenstänk, hög luftfuktighet eller damm eftersom denna del av styrspaken inte skyddas av damasken.

Bild 2: Infälld montering av en tumstyrspak med låg profil (vänster) med ram och försänkta skruvar; montering bakifrån (höger) med maskinskruvar och tillhörande muttrar men utan ram. En veckad damask ger skydd enligt IP66. (Bildkälla: Författaren, källmaterial från APEM)

För att maximera hållbarheten bör konstruktörer leta efter en enhet med ett skaft i rostfritt stål tillsammans med en lika tålig kardanupphängning, basmekanik och begränsare i metall. Som tidigare nämnts är handhållna enheter benägna att tappas så styrspaken bör testas så att den klarar ett fritt fall på 1 m. Konstruktörer bör också kontrollera att det finns lämpliga klassificeringar för skydd mot vibrationer, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och elektrostatisk urladdning (ESD) i enlighet med tillämpliga IEC-standarder.

Beständighet mot extrema temperaturer är också avgörande i tuffa miljöer. Styrspakar med låg profil från APEM i XS-serien är till exempel klassade för en driftstemperatur på -30 till +85 °C och en förvaringstemperatur på -40 till +110 °C.

Om tumstyrspaken ska användas i en säkerhetskritisk tillämpning (vilket ofta är fallet) ska du leta efter en SIL-klassificering (Safety Integrity Level) på SIL2 eller bättre.

Konstruktionsöverväganden av faktorer för mänsklig användning

Att välja rätt material och ergonomisk konstruktion för styrspaken kan ha en betydande inverkan på användbarheten. Konstruktörer måste ha i åtanke att styrenheten kan vara våt eller smutsig och att operatören kan bära tunga handskar. Därför bör man använda ett material som nylon för att ge styrspaken en tålig men ändå greppvänlig yta.

Som framgår av figur 3 finns det en mängd olika lock till styrspakar för olika scenarier. Fingertoppsstyrspaken XS140SCA12A62000 från APEM är exempelvis utrustad med ett tornformat lock (vänster). Locket gör det lättare för operatören att känna den huvudsakliga X- och Y-axeln vilket gör det lättare att hålla riktningen rak. XS140SDM12A62000 använder däremot ett fingertoppshuvud som lämpar sig för egenmäktiga rörelser.

Figur 3: Det tornformare locket på XS140SCA12A62000 (vänster) och det platta locket på XS140SDM12A62000 (höger) lämpar sig för linjär respektive egenmäktig rörelse. (Bildkälla: Författaren, källmaterial från APEM)

Styrspakar kan också utrustas med en vägledande känsla. En sådan styrspak rör sig lättare mot huvudaxlarna; att röra sig bort från axlarna kräver mer kraft. På samma sätt kan en styrspak utrustas med en centreringskraft som ökar styrspakens totala motstånd. Styrspak med låg profil i XS-serien från APEM kan t.ex. fjädra mot mitten med en kraft så liten som 1 N (Newton) eller så stor som 2,5 N.

Slutligen kan en styrspak konfigureras med en mängd olika funktioner som är relaterade till centrumpositionen:

• Genom att lägga till en centrumfunktion kan styrspaken användas som en knapp vilket kan förenkla manöverpanelen och möjliggöra mer avancerade åtgärder.
• Alternativt kan centrumfunktionen användas för ett spänningstest för att säkerställa att strömförsörjningen fungerar som den ska.
• Vid tillämpningar som behöver en aktiv/inaktiv statusindikering kan en funktion för centreringsdetektering avgöra om styrspaken används (denna funktion bör inte användas för säkerhetsändamål).

Observera att alternativen utesluter varandra. Det är viktigt att identifiera vilken funktion som är bäst lämpad att implementera på styrspaken och vilka andra funktioner som kan mappas till andra reglage.

Överväganden vid elektrisk konstruktion

För att säkerställa maximal tillförlitlighet bör du välja en styrspak med redundanta Hall-effektsensorer. Strömförsörjningen måste dessutom vara noggrant reglerad. Om strömförsörjningen ändras utanför de angivna toleranserna kan permanenta skador uppstå på givarna, vilket omöjliggör fördelarna med redundans.

Spänningsutgångarna för styrspaken kräver också en eftertänksam konstruktion. Som ett första steg bör typen av utgångssignal (t.ex. analog eller pulsbreddsmodulering (PWM)) väljas och spänningen anpassas för att matcha de förväntade ingångarna på den microcontroller (MCU) som ska läsa av signalerna. Figur 4 visar ett exempel på sådana möjliga utgångsspänningar. Utgångsimpedansen bör också beaktas. En låg belastningsresistor (t.ex. < 10 kΩ) skapar en risk för höga strömmar som kan skada givaren.

Figur 4: För styrspakar med flera axlar bör de två utgångsspänningarna (X/Y) anpassas så att de matchar ingångarna på microcontrollern. (Bildkälla: APEM)

Som tidigare nämnts är Hall-effektsensorer känsliga för magnetiska störningar. En välkonstruerad styrspak har därför inbyggd magnetisk avskärmning. Var noga med att frikoppla strömförsörjningen ordentligt och använd lämplig EMC-skärmning. Även om dessa åtgärder har vidtagits bör styrspaken inte monteras eller användas i närheten av starka magnetfält.

Sammanfattning

I takt med att industriell utrustning blir allt mer avancerad behöver konstruktörer mer robusta styrningar för att säkerställa att användargränssnittet har den nivå av precision, riktningsflexibilitet och taktila återkoppling som krävs för exakt styrning, samtidigt som det är robust och tillförlitligt i extrema temperaturer och användningscykler. En styrspak med låg profil kan vara en utmärkt lösning. Med lämplig hänsyn tagen till positionsgivaren, IP-klassificering, elektromagnetisk isolering och mänsklig användbarhet, med stöd av noggrann implementering av konstruktionen, kan en sådan tumstyrspak ge många fördelar i en stor mängd tillämpningar.