Präzise und zuverlässige Steuerung von schweren industriellen Maschinen in rauen Umgebungen

Entwickler von schweren Bau-, Industrie-, Roboter-, Schifffahrts- und Luftfahrtausrüstungen fügen immer mehr Funktionen hinzu und suchen gleichzeitig nach Wegen, um eine immer präzisere Steuerung empfindlicher Vorgänge und Bewegungen mit leichten, kompakten Regelungssystemen zu realisieren. Diese Ziele müssen auch in einer rauen und unnachgiebigen Umgebung erreicht werden, die sowohl physisch als auch elektrisch anspruchsvoll ist.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Entwickler sicherstellen, dass die Benutzeroberfläche das für eine präzise Steuerung erforderliche Maß an Genauigkeit, Richtungsflexibilität und taktiler Rückmeldung aufweist und gleichzeitig bei extremen Temperaturen und Nutzungszyklen robust und zuverlässig ist.

Touchscreens haben zwar ihre Berechtigung, aber ihnen fehlt die notwendige taktile Rückmeldung und Robustheit. Und klassische X/Y-Joysticks sind in der Regel zu sperrig und verfügen nicht über die Anzahl der Signalisierungsoptionen und Achsen, die für eine maximale Richtungsflexibilität erforderlich sind. Stattdessen können Entwickler flache Joysticks oder Thumbsticks verwenden, die jetzt in der Lage sind, eine verfeinerte Steuerung in einem robusten Formfaktor zu bieten. Diese kleinen Geräte werden mit dem Daumen oder den Fingern des Benutzers bedient und bieten einen einfachen Zugang zu mehreren Eingabeoptionen, selbst in beengten Umgebungen.

In diesem Artikel wird kurz erörtert, warum moderne Industrie- und andere schwere Ausrüstungen präzisere Steuerungen erfordern und wie flache Thumbsticks die entsprechenden Probleme lösen. Anschließend werden die wichtigsten Design- und Implementierungskriterien, einschließlich Sensorauswahl, Robustheit sowie physikalische und elektrische Designoptionen, erläutert. Als Beispiel werden reale, flache Thumbsticks von APEM Inc. verwendet.

Anspruchsvollere Geräte erfordern präzisere Kontrollen

Der Bedarf an besseren Bedienerkontrollen hat sich aufgrund von zwei Haupttrends beschleunigt: die zunehmende Komplexität der Anforderungen am Arbeitsplatz und die Einführung fortschrittlicher Technologien. Diese Trends führen dazu, dass nicht nur präzisere, sondern auch komplexere Steuerungen benötigt werden, oft mit mehr Bewegungsachsen.

Zur Veranschaulichung dieses Punktes betrachten wir die Portalkräne, die Containerschiffe be- und entladen. Je größer die Schiffe werden, desto schneller müssen die Kräne arbeiten, um eine akzeptable Liegezeit im Hafen zu erreichen (was sich direkt auf den Gewinn auswirkt). Gleichzeitig machen strengere Vorschriften Verbesserungen bei der Sicherheit und den Umweltauswirkungen erforderlich.

Auch das gesamte Hafenumfeld ist im Wandel begriffen. Die Schiffe, Züge, Lastwagen und sonstigen Ausrüstungen in diesen Häfen sind mit neuen Technologien ausgestattet, die eine hochpräzise Koordinierung erforderlich machen. So werden z. B. fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) eingesetzt, um die Fracht im Hafen zu transportieren, und diese AGVs erfordern eine präzise Platzierung der Fracht.

Um all diesen Faktoren Rechnung zu tragen, werden Kräne zunehmend von hydraulischem auf elektrischen Betrieb umgestellt. Dies erhöht nicht nur die Geschwindigkeit und Präzision, sondern verbessert auch die Vielseitigkeit, da komplexere Kombinationen von horizontalen, vertikalen und rotierenden Bewegungen möglich sind.

Anpassung der Bedienelemente an die Fähigkeiten des Geräts

Um diese immer anspruchsvolleren Geräte zu steuern, benötigen die Bediener ebenso leistungsfähige Mehrachsensteuerungen, die präzise, zuverlässig und einfach zu bedienen sein müssen.

Touchscreens sind eine Möglichkeit. Sie sind einfach zu bedienen und können problemlos mehrere gleichzeitige Eingaben verarbeiten. Touchscreens sind jedoch empfindlich und anfällig für versehentliche Berührungen. Schmutz, Feuchtigkeit und extreme Temperaturen können Fehlfunktionen verursachen, und die Bildschirme sind anfällig für physische Schäden und elektromagnetische Störungen. Vor allem aber bieten sie keine taktile Rückmeldung, was sie für die Bedienung schwerer Geräte ungeeignet macht.

Joysticks lösen viele dieser Probleme. Die Montage eines Joysticks in einer Armlehnenkonsole oder auf einem Armaturenbrett ermöglicht eine bequeme und ergonomische Eingabe. Mit einer geeigneten Konstruktion können sie auch harten Umweltbedingungen standhalten. Sie können dem Bediener auch ein physisches Feedback geben, so dass der visuelle Fokus auf dem Arbeitsbereich bleibt.

Herkömmliche Joysticks können jedoch in beengten Umgebungen viel Platz beanspruchen und so hervorstehen, dass sie leicht unbeabsichtigt betätigt werden können. Selbst wenn viel Platz vorhanden ist, schränkt die Tatsache, dass Joysticks dem Bediener relativ große Bewegungen abverlangen, ihre Präzision ein.

Thumbsticks lösen diese Probleme, indem sie Joysticks auf eine handlichere Größe verkleinern. Diese unauffälligen Geräte werden mit dem Daumen oder Finger bedient und minimieren das Risiko einer versehentlichen Betätigung. Sie ermöglichen präzise und sanfte Eingaben, und die Bediener können problemlos zwei Thumbsticks gleichzeitig bedienen, wodurch das Problem der Mehrfacheingabe gelöst wird.

Flache Joysticks eignen sich besonders gut für tragbare Steuerungen, wie z. B. tragbare Armaturen oder Handgeräte. Aber jede Anwendung mit begrenztem Platzangebot kann von ihrer geringen Größe profitieren.

Die Auswahl des richtigen Sensors

Natürlich sind nicht alle Thumbsticks gleich. Zunächst einmal können sie eine Vielzahl von Optionen für Positionssensoren verwenden, darunter potentiometrische (d. h. resistive), induktive, fotoelektrische oder Hall-Effekt-Sensoren (d. h. magnetische). Jede dieser Optionen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile:

• Potentiometrische Sensoren sind einfach und preiswert, haben aber eine begrenzte Lebensdauer.
• Induktive Sensoren sind zuverlässiger, reagieren aber empfindlich auf Temperaturschwankungen und elektromagnetische Störungen (EMI).
• Photoelektrische Sensoren sind präzise, aber anfällig für Staub, Feuchtigkeit und physische Schäden.
• Hall-Effekt-Sensoren sind genau und langlebig, können aber durch starke Magnetfelder beeinträchtigt werden.

In Anbetracht all dieser Kompromisse ist ein Hall-Effekt-Sensor oft die beste Wahl für hochpräzise Messungen in einer rauen Umgebung. Hall-Effekt-Sensoren, die mit standardmäßigen 3,3 oder 5 Volt Gleichstrom (DC) arbeiten und in Verbindung mit robuster Mechanik eingesetzt werden, ergeben ein Gerät, das eine erwartete Lebensdauer von 10 Millionen Zyklen erreichen kann.

Bei Hall-Effekt-Sensoren befindet sich ein dünner Streifen aus leitfähigem Material zwischen zwei Elektroden (Abbildung 1). Wenn ein Strom (I) durch den Streifen fließt und ein Magnetfeld (B) senkrecht dazu angelegt wird, entsteht über dem Streifen eine Spannungsdifferenz (U_H) . Diese Spannungsdifferenz wird als Hall-Spannung bezeichnet, die proportional zur Stärke und Richtung des Magnetfelds ist.

Abbildung 1: Die Hall-Spannung (U_H) wird erzeugt, wenn ein Strom (I) durch einen leitenden Streifen fließt und eine magnetische Flussdichte (B) senkrecht zum Streifen angeordnet ist. (Bildquelle: Wikipedia)

Einige Vorteile von Hall-Effekt-Sensoren gegenüber anderen Arten von Sensoren in industriellen Joystick-Anwendungen sind:

• Sie sind kontaktlos und verschleißen nicht mit der Zeit.
• Sie sind immun gegen Staub, Schmutz, Feuchtigkeit und Vibrationen.
• Sie können lineare und Winkelverschiebungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung messen.
• Sie können in einem breiten Temperatur- und Spannungsbereich betrieben werden.
• Sie lassen sich leicht mit digitaler Elektronik und Mikrocontrollern integrieren.

Hall-Effekt-Sensoren sind besonders nützlich, da sie sowohl Position als auch Winkel erfassen können. Dadurch eignen sie sich gut für mehrachsige Steuerungen, wie z. B. Joysticks, die nicht nur über X/Y-Steuerungen, sondern auch über eine zentrale Z-Achsen-Steuerung verfügen.

Der Sensor ist jedoch nur ein zu berücksichtigender Konstruktionsparameter. Die erfolgreiche Implementierung eines Hall-Effekt-Thumbsticks erfordert die sorgfältige Berücksichtigung mehrerer physikalischer und elektrischer Parameter.

Platzieren eines Thumbsticks auf dem Bedienfeld

Manchmal kann ein Thumbstick an einem geschützten Ort, z. B. auf einem Bedienfeld, angebracht werden. Häufig müssen sich die Bediener aber in der Nähe der Arbeit befinden, was die Möglichkeiten auf Orte wie Konsolen, Fahrzeugarmlehnen, Hängevorrichtungen und tragbare Armaturen beschränkt.

Wenn der Thumbstick in einem Handgerät verwendet wird, muss er vor Sturzschäden geschützt werden. Grundlegende Vorsichtsmaßnahmen wie die Montage am leichtesten Ende des Gehäuses, damit es nicht zuerst auf den Boden fällt, oder der Schutz durch einen Schutzrahmen sollten für eine langfristige Zuverlässigkeit getroffen werden.

Fahrzeuge sind eine weitere riskante Situation. Bedienelemente an Bord eines sich neigenden Schiffes oder Fahrzeugs können als ungünstiger Griff dienen. Daher ist es wichtig, die Thumbsticks auf die geringstmögliche Höhe zu bringen, um eine möglicherweise gefährliche versehentliche Betätigung zu vermeiden.

In jeder dieser Situationen sollten die Thumbsticks nicht weiter als 50 Millimeter (mm) (2 Zoll (in.)) über eine Schalttafelfläche herausragen. Außerdem muss ein ausreichender Abstand zwischen dem Thumbstick und allen anderen Bedienelementen auf dem Bedienfeld vorhanden sein, wobei ein zusätzlicher Abstand erforderlich ist, wenn der Bediener dicke Handschuhe tragen könnte.

Robustheit eines flachen Joysticks

Industrielle Joysticks sind häufig herabregnendem Wasser oder Sprühwasser ausgesetzt, so dass diese Geräte mindestens der Schutzart IP66 entsprechen müssen. Dies kann mit einer Faltenbalgmanschette erreicht werden, d. h. einer flexiblen Manschette, die sich bei der Bewegung des Joysticks ausdehnen und zusammenziehen kann (Abbildung 2).

Ein Joystick kann in einen Schalttafelausschnitt eingesetzt oder von hinten montiert werden. In beiden Fällen darf die Unterseite des Bedienfelds weder Spritzwasser noch übermäßiger Feuchtigkeit oder Staub ausgesetzt werden, da dieser Bereich des Joysticks nicht durch die Manschette geschützt ist.

Abbildung 2: Bei der Einsetzmontage eines flachen Thumbsticks (links) werden eine Blende und Senkschrauben verwendet; bei der rückseitigen Montage (rechts) werden Maschinenschrauben und die dazugehörigen Muttern verwendet, aber keine Blende. Eine Faltenbalgmanschette bietet Schutz nach IP66. (Bildquelle: Autor, aus APEM-Quellmaterial)

Um die Haltbarkeit zu maximieren, sollten Entwickler eine Komponente mit einem Schaft aus rostfreiem Stahl verwenden, zusammen mit einer ähnlich widerstandsfähigen Kardangelenk- und Basismechanik sowie Begrenzern aus Metall. Wie bereits erwähnt, sind Handgeräte anfällig für Stürze, daher sollte der Joystick getestet werden, um einen freien Fall aus 1 m Höhe zu überstehen. Entwickler sollten auch prüfen, ob der Schutz vor Vibrationen, elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und elektrostatischer Entladung (ESD) in Übereinstimmung mit den geltenden IEC-Normen angemessen ist.

Auch die Widerstandsfähigkeit gegen extreme Temperaturen ist in rauen Umgebungen entscheidend. Die flachen Joysticks der XS-Serie von APEM zum Beispiel sind für eine Betriebstemperatur von -30°C bis +85°C und eine Lagertemperatur von -40°C bis +110°C ausgelegt.

Wenn der Thumbstick in einer sicherheitskritischen Anwendung eingesetzt werden soll (was häufig der Fall ist), achten Sie auf eine Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) von SIL2 oder höher.

Designüberlegungen für die Benutzerfreundlichkeit

Die Wahl der richtigen Materialien und des ergonomischen Designs für den Joystick kann einen erheblichen Einfluss auf die Benutzerfreundlichkeit haben. Entwickler müssen bedenken, dass die Steuerung nass oder schmutzig sein kann und dass der Bediener möglicherweise schwere Handschuhe trägt. Daher sollte die Kappe des Joysticks aus einem Material wie Nylon bestehen, um eine haltbare und dennoch leicht zu greifende Oberfläche zu bieten.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, gibt es eine Vielzahl von Joystick-Kappen für verschiedene Szenarien. Der Fingerspitzen-Joystick XS140SCA12A62000 von APEM ist zum Beispiel mit einer zinnenbewerten Kappe ausgestattet (links). Diese Kappe erleichtert es dem Bediener, die X- und Y-Hauptachse zu ertasten, was die Einhaltung einer geraden Laufbahn erleichtern kann. Im Gegensatz dazu verwendet der XS140SDM12A62000 eine Fingerspitzen-Kappe, die für beliebige Bewegungen geeignet ist.

Abbildung 3: Die zinnenbewerte Kappe des XS140SCA12A62000 (links) und die flache Kappe des XS140SDM12A62000 (rechts) eignen sich für lineare bzw. arbiträre Bewegungen. (Bildquelle: Autor, aus APEM-Quellmaterial)

Joysticks können auch mit einer Richtungsführung ausgestattet werden. Ein solcher Joystick lässt sich leichter in Richtung der Hauptachsen bewegen, eine Bewegung weg von diesen Achsen erfordert mehr Kraft. In ähnlicher Weise kann ein Joystick mit einer Zentrierkraft ausgestattet werden, die den Gesamtwiderstand des Joysticks erhöht. So kann beispielsweise der flache Joystick der XS-Serie von APEM mit einer Kraft von nur 1 Newton (N) oder mit größerer Kraft bis 2,5 N in die Mitte gezogen werden.

Schließlich kann ein Joystick mit einer Vielzahl von Funktionen konfiguriert werden, die mit der Mittelstellung zusammenhängen:

• Durch das Hinzufügen einer mittleren Tastfunktion kann der Joystick wie eine Taste verwendet werden, was das Bedienfeld vereinfachen und komplexere Aktionen ermöglichen kann.
• Alternativ kann der Mitteltaster für eine Spannungsprüfung verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung ordnungsgemäß funktioniert.
• Für Anwendungen, die eine Aktiv/Inaktiv-Statusanzeige benötigen, kann eine Funktion zur Detektion der Mittelstellung verwendet werden, um festzustellen, ob der Joystick in Gebrauch ist (diese Funktion sollte nicht für Sicherheitszwecke verwendet werden).

Beachten Sie, dass sich diese Optionen gegenseitig ausschließen. Es ist wichtig herauszufinden, welche Funktion sich am besten für den Joystick eignet und welche Funktionen auf andere Bedienelemente übertragen werden können.

Überlegungen zur elektrischen Konstruktion

Um maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sollten Sie einen Joystick mit redundanten Hall-Effekt-Sensoren wählen. Außerdem muss die Stromversorgung sorgfältig geregelt werden. Sollte sich die Stromversorgung außerhalb der spezifizierten Toleranzen ändern, kann dies zu einer dauerhaften Beschädigung der Sensoren führen, wodurch die Vorteile der Redundanz zunichte gemacht werden.

Auch die Spannungsausgänge des Joysticks müssen gut durchdacht sein. In einem ersten Schritt sollte der Ausgangssignaltyp (z. B. analog oder Pulsweitenmodulation (PWM)) ausgewählt und die Spannung so skaliert werden, dass sie den erwarteten Eingängen der Mikrocontrollereinheit (MCU) entspricht, die diese Signale lesen wird. In Abbildung 4 ist ein Beispiel für solche möglichen Ausgangsspannungen dargestellt. Auch die Ausgangsimpedanz sollte berücksichtigt werden. Ein niedriger Lastwiderstand (z. B. <10 Kiloohm (kΩ)) birgt die Gefahr hoher Ströme, die den Sensor beschädigen könnten.

Abbildung 4: Bei mehrachsigen Joysticks sollten die beiden Ausgangsspannungen (X/Y) so skaliert werden, dass sie mit den Eingängen der MCU übereinstimmen. (Bildquelle: APEM)

Wie bereits erwähnt, sind Hall-Effekt-Sensoren anfällig für magnetische Störungen. Ein gut konzipierter Joystick verfügt daher über eine interne magnetische Abschirmung. Es sollte darauf geachtet werden, die Stromversorgung ordnungsgemäß zu entkoppeln und eine angemessene EMV-Abschirmung zu verwenden. Auch mit diesen Maßnahmen sollte der Joystick nicht in der Nähe starker Magnetfelder montiert oder betrieben werden.

Fazit

Da Industrieanlagen immer komplexer werden, benötigen Entwickler robustere Steuerungen, um sicherzustellen, dass die Benutzeroberfläche das für eine präzise Steuerung erforderliche Maß an Genauigkeit, Richtungsflexibilität und taktiler Rückmeldung bietet und gleichzeitig auch bei extremen Temperaturen und Nutzungszyklen robust und zuverlässig ist. Wie gezeigt, kann ein flacher Joystick eine hervorragende Lösung sein. Bei angemessener Berücksichtigung des Positionssensors, der IP-Schutzart, der elektromagnetischen Isolierung und der Benutzerfreundlichkeit, unterstützt durch eine sorgfältige Design-Implementierung, kann ein solcher Thumbstick viele Vorteile für eine breite Palette von Anwendungen bieten.