Contrôle précis et fiable des équipements industriels lourds en environnements difficiles

Les concepteurs d'équipements industriels, robotiques, maritimes, aéronautiques et de construction lourde ajoutent plus de fonctionnalités, tout en cherchant des moyens d'implémenter un contrôle toujours plus précis des opérations et des mouvements sensibles à l'aide de systèmes de contrôle légers et compacts. Ces objectifs doivent également être atteints en environnements rudes et hostiles, ce qui représente un défi à la fois physique et électrique.

Pour répondre à ces exigences, les concepteurs doivent s'assurer que l'interface utilisateur offre le niveau de précision, de flexibilité directionnelle et de rétroaction tactile requis pour un contrôle précis, tout en étant robuste et fiable face aux températures extrêmes et aux cycles d'utilisation.

Les écrans tactiles ont certes leur place, mais ils n'offrent pas la rétroaction tactile et la robustesse nécessaires. De plus, les joysticks X/Y classiques sont souvent trop encombrants et ne disposent pas du nombre d'options de signalisation et d'axes nécessaires pour un contrôle directionnel maximum. À la place, les concepteurs peuvent utiliser des joysticks, ou thumbsticks, extra-plats, qui sont désormais capables de fournir un contrôle plus précis dans un facteur de forme robuste. Actionnés par le pouce ou les doigts de l'utilisateur, ces petits dispositifs offrent un accès facile à plusieurs entrées, même dans des espaces restreints.

Cet article explique brièvement pourquoi les équipements industriels modernes et autres équipements lourds nécessitent des contrôles de plus haute précision, et comment les thumbsticks extra-plats répondent à ces besoins. Il passe ensuite en revue les principaux critères de conception et de mise en œuvre, y compris la sélection des capteurs, le renforcement de la robustesse et les options de conception physique et électrique. Les thumbsticks extra-plats d'APEM Inc. sont utilisés comme exemples.

Un équipement plus sophistiqué requiert des contrôles plus précis

Le besoin de meilleurs contrôles pour les opérateurs s'est accéléré en raison de deux tendances principales : la complexité croissante des exigences du lieu de travail et l'adoption de technologies avancées. Ces tendances entraînent un besoin non seulement de contrôles plus précis, mais également de contrôles plus complexes, souvent avec plus d'axes de mouvement.

Pour illustrer ce point, prenons l'exemple des grues portiques maritimes qui chargent et déchargent les porte-conteneurs. Les navires étant de plus en plus grands, les grues doivent travailler plus vite pour permettre un temps d'escale acceptable au port (ce qui affecte directement les bénéfices). Parallèlement, des réglementations plus strictes nécessitent des améliorations en matière de sécurité et d'impact environnemental.

L'environnement portuaire dans son ensemble est également en pleine mutation. Les navires, trains, camions et autres équipements de ces ports disposent tous de technologies supplémentaires qui nécessitent une coordination de haute précision. Par exemple, des véhicules à guidage automatique (AGV) sont utilisés pour transporter les marchandises dans le port, et ces AGV nécessitent un placement précis de cette cargaison.

Pour faire face à tous ces facteurs, les grues passent d'un fonctionnement hydraulique à un fonctionnement électrique. Cela permet non seulement d'augmenter la vitesse et la précision, mais également d'améliorer la polyvalence en autorisant des combinaisons plus complexes de déplacements horizontaux, verticaux et rotatifs.

Adapter les commandes de l'opérateur aux capacités de l'équipement

Pour contrôler cet équipement de plus en plus sophistiqué, les opérateurs ont besoin de commandes multi-axes tout aussi performantes, qui doivent être précises, fiables et faciles à utiliser.

Les écrans tactiles sont une option. Ils sont faciles à utiliser et peuvent facilement accepter plusieurs entrées simultanées. Cependant, les écrans tactiles sont sensibles et sujets aux contacts accidentels. La saleté, l'humidité et les températures extrêmes peuvent provoquer des dysfonctionnements, et les écrans sont vulnérables aux dommages physiques et aux interférences électromagnétiques. Plus important encore, ils n'offrent pas de rétroaction tactile, ce qui les rend mal adaptés à la commande tête haute des équipements lourds.

Les joysticks résolvent bon nombre de ces problèmes. Le montage d'un joystick dans une console d'accoudoir ou sur une boîte ventrale permet une saisie confortable et ergonomique. Avec une conception appropriée, ils peuvent résister à des conditions environnementales difficiles. Ils peuvent également fournir une rétroaction physique à l'opérateur, de sorte que la concentration visuelle reste sur la zone de travail.

Cependant, les joysticks traditionnels peuvent prendre beaucoup de place dans les environnements exigus et peuvent dépasser d'une manière qui les rend susceptibles d'être utilisés par inadvertance. Même lorsque l'espace est suffisant, le fait que les joysticks exigent des mouvements relativement importants de la part de l'opérateur limite leur précision.

Les thumbsticks résolvent ces problèmes en réduisant les joysticks à une taille plus gérable. Actionnés par le pouce ou le doigt, ces dispositifs extra-plats minimisent le risque d'utilisation accidentelle. Ils permettent des entrées précises et fluides, et les opérateurs peuvent facilement manipuler deux thumbsticks à la fois, résolvant ainsi le problème des entrées multiples.

Les joysticks extra-plats sont particulièrement bien adaptés aux contrôleurs portables, tels que les boîtes ventrales ou les dispositifs portables. Mais toute application avec un espace limité peut bénéficier de leur taille réduite.

Choisir le bon capteur

Bien sûr, tous les thumbsticks ne sont pas égaux. Ils peuvent utiliser une variété de capteurs de position, y compris potentiométriques (c'est-à-dire résistifs), inductifs, photoélectriques ou à effet Hall (c'est-à-dire magnétiques). Chacune de ces options présente ses propres avantages et inconvénients :

• Les capteurs potentiométriques sont simples et économiques mais ont une durée de vie limitée.
• Les capteurs inductifs sont plus fiables mais ils sont sensibles aux changements de température et aux interférences électromagnétiques (EMI).
• Les capteurs photoélectriques sont précis mais sont vulnérables à la poussière, à l'humidité et aux dommages physiques.
• Les capteurs à effet Hall sont précis et durables mais peuvent être affectés par de puissants champs magnétiques.

Compte tenu de tous ces compromis, le capteur à effet Hall est souvent le meilleur choix pour une détection de haute précision en environnement difficile. Les capteurs à effet Hall, fonctionnant à un courant continu (CC) standard de 3,3 volts (V) ou 5 V et utilisés en combinaison avec des éléments mécaniques robustes, résultent en un dispositif capable de supporter une durée de vie attendue de 10 millions de cycles.

Les capteurs à effet Hall placent une fine bande de matériau conducteur entre deux électrodes (Figure 1). Lorsqu'un courant (I) traverse la bande et qu'un champ magnétique (B) lui est appliqué perpendiculairement, une différence de tension (U_H) est générée sur toute la bande. Cette différence de tension est appelée tension de Hall, et est proportionnelle à la force et à la direction du champ magnétique.

Figure 1 : La tension de Hall (U_H) est générée lorsqu'un courant (I) traverse une bande conductrice, et qu'une densité de flux magnétique (B) est placée perpendiculairement à la bande. (Source de l'image : Wikipédia)

Les avantages des capteurs à effet Hall par rapport à d'autres types de capteurs dans les applications de joysticks industriels incluent les suivants :

• Ils sont sans contact et ne s'usent pas avec le temps.
• Ils ne sont pas sensibles à la poussière, à la saleté, à l'humidité et aux vibrations.
• Ils peuvent mesurer les déplacements linéaires et angulaires avec une précision et une résolution élevées.
• Ils peuvent fonctionner sur une large plage de températures et de tensions.
• Ils peuvent être facilement intégrés à l'électronique numérique et aux microcontrôleurs.

Les capteurs à effet Hall sont particulièrement utiles car ils peuvent détecter à la fois la position et l'angle. Ils sont donc bien adaptés aux commandes multi-axes, par exemple les joysticks avec non seulement des contrôles X/Y, mais également une prise centrale sur l'axe Z.

Cela étant dit, le capteur n'est que l'un des paramètres de conception à prendre en compte. La mise en œuvre réussie d'un thumbstick à effet Hall requiert un examen attentif de plusieurs paramètres physiques et électriques.

Placer un thumbstick sur un panneau de commande

Parfois, un thumbstick peut être monté dans un endroit fixe protégé, comme un panneau de commande. Le plus souvent, les opérateurs doivent être proches du travail à effectuer, ce qui limite les options à des emplacements pratiques tels que des consoles, des accoudoirs de véhicule, des pendentifs et des boîtes ventrales.

Si le thumbstick est utilisé dans un boîtier portable, il faut veiller à la protéger contre les chutes. Des précautions de base, telles que le montage à l'extrémité la plus légère du boîtier pour éviter qu'il ne touche la terre en premier, ou l'utilisation d'un dispositif de protection, doivent être mises en œuvre pour une fiabilité à long terme.

Les véhicules constituent une autre situation à risque. Les dispositifs de commande à bord d'un véhicule ou d'un navire qui tangue peuvent constituer un appui malencontreux. Il est donc important de garder les thumbsticks à la hauteur minimale possible afin d'éviter toute manœuvre accidentelle potentiellement dangereuse.

Dans toutes ces situations, les thumbsticks ne doivent pas dépasser de plus de 50 millimètres (mm) (2 pouces) de la face d'un panneau. Il doit également y avoir un dégagement suffisant entre le thumbstick et toute autre commande sur le panneau, avec un dégagement supplémentaire si l'opérateur porte des gants épais.

Renforcement d'un joystick extra-plat

Les joystick industriels étant souvent exposés à des chutes d'eau ou à des projections d'eau, il est important qu'ils présentent au moins un indice de protection IP66. Pour ce faire, il est possible d'utiliser une gaine flexible qui peut se dilater et se contracter en fonction des mouvements du joystick (Figure 2).

Un joystick peut être placé dans une découpe de panneau ou monté par l'arrière. Dans les deux cas, le dessous du panneau ne doit pas être exposé à des projections d'eau, à une humidité excessive ou à la poussière, car cette partie du joystick n'est pas protégée par la gaine.

Figure 2 : Le montage par encastrement d'un thumbstick extra-plat (à gauche) utilise un cadre et des vis à tête fraisée ; le montage arrière (à droite) utilise des vis mécaniques et les écrous correspondants, mais pas de cadre. Une gaine élaborée assure une protection IP66. (Source de l'image : auteur, à partir du matériel source d'APEM)

Pour maximiser la durabilité, les concepteurs doivent rechercher un dispositif avec un arbre en acier inoxydable, un cardan en métal tout aussi résistant, un mécanisme de base et des limiteurs. Comme mentionné précédemment, les dispositifs portables sont susceptibles de tomber, de sorte que le joystick doit être testé pour résister à une chute libre de 1 mètre (m). Les concepteurs doivent également vérifier les caractéristiques appropriées pour la protection contre les vibrations, la compatibilité électromagnétique (CEM) et les décharges électrostatiques (DES) conformément aux normes CEI applicables.

La résistance aux températures extrêmes est également essentielle dans les environnements difficiles. À titre d'exemple, les joysticks extra-plats série XS d'APEM sont répertoriés pour une température de fonctionnement de -30°C à +85°C et une température de stockage de -40°C à +110°C.

Enfin, si le thumbstick doit être utilisé dans une application critique en termes de sécurité (ce qui est souvent le cas), recherchez un niveau d'intégrité de sécurité (SIL) de SIL2 ou supérieur.

Considérations relatives à la conception de facteurs d'utilisabilité humaine

Le choix des matériaux et de l'ergonomie du joystick peut avoir un impact significatif sur la facilité d'utilisation. Les concepteurs doivent garder à l'esprit que le contrôleur peut être mouillé ou sale et que l'opérateur peut porter des gants épais. C'est pourquoi le capuchon du joystick doit être fabriqué dans un matériau tel que le nylon qui offre une surface durable mais adhérente.

Comme illustré à la Figure 3, une variété de capuchons de joystick sont disponibles pour différents scénarios. Par exemple, le joystick XS140SCA12A62000 d'APEM est équipé d'un capuchon crénelé (à gauche). Ce capuchon permet à l'opérateur de sentir plus facilement les axes X et Y principaux, ce qui peut contribuer à maintenir une trajectoire droite. En revanche, le XS140SDM12A62000 utilise un capuchon plat adapté aux mouvements arbitraires.

Figure 3 : Le capuchon crénelé fourni sur le XS140SCA12A62000 (à gauche) et le capuchon plat fourni sur le XS140SDM12A62000 (à droite) conviennent respectivement aux mouvements linéaires et arbitraires. (Source de l'image : auteur, à partir du matériel source d'APEM)

Les joysticks peuvent également être équipés d'un guidage. De tels joysticks se déplacent plus facilement dans la direction des axes principaux ; s'éloigner de ces axes demande plus de force. De même, un joystick peut être équipé d'une force de centrage qui augmente la résistance globale du joystick. Par exemple, le joystick extra-plat série XS d'APEM peut être centré avec une force de seulement 1 newton (N) ou atteignant 2,5 N.

Enfin, un joystick peut être configuré avec diverses fonctions liées à la position centrale :

• L'ajout d'une fonction de prise centrale permet d'utiliser le joystick comme un bouton, ce qui peut simplifier le panneau de commande et permettre des actions plus complexes.
• Alternativement, la prise centrale peut être utilisée pour un test de tension afin de s'assurer que l'alimentation fonctionne correctement.
• Pour les applications exigeant un indicateur d'état actif/inactif, une fonction de détection centrale peut déterminer si le joystick est utilisé (cette fonction ne doit pas être utilisée à des fins de sécurité).

Notez que ces options sont mutuellement exclusives. Il est important d'identifier quelle fonction est la mieux adaptée à l'implémentation sur le joystick et quelles autres fonctions peuvent être mappées sur d'autres commandes.

Considérations de conception électrique

Pour garantir une fiabilité maximale, recherchez un joystick avec des capteurs à effet Hall redondants. L'alimentation électrique doit également être soigneusement régulée. Si l'alimentation varie en dehors des tolérances spécifiées, les capteurs risquent d'être endommagés de manière permanente, ce qui annule les avantages de la redondance.

Les sorties de tension du joystick nécessitent également une conception réfléchie. Dans un premier temps, le type de signal de sortie (par exemple, analogique ou modulation de largeur d'impulsion (PWM)) doit être sélectionné et la tension mise à l'échelle pour correspondre aux entrées attendues du microcontrôleur (MCU) qui lira ces signaux. La Figure 4 illustre un exemple de telles tensions de sortie possibles. L'impédance de sortie doit également être prise en compte. Une faible résistance de charge (par exemple, < 10 kilohms (kΩ)) crée un risque de forts courants pouvant endommager le capteur.

Figure 4 : Pour les joysticks multi-axes, les deux tensions de sortie (X/Y) doivent être mises à l'échelle pour correspondre aux entrées du microcontrôleur. (Source de l'image : APEM)

Comme mentionné précédemment, les capteurs à effet Hall sont vulnérables aux interférences magnétiques. Un joystick bien conçu intégrera donc un blindage magnétique interne. Il faut veiller à découpler correctement l'alimentation et à utiliser un blindage CEM adéquat. Même avec ces mesures en place, le joystick ne doit pas être monté ou utilisé à proximité de champs magnétiques puissants.

Conclusion

Les équipements industriels devenant de plus en plus complexes, les concepteurs ont besoin de contrôles plus robustes pour garantir que l'interface utilisateur offre le niveau de précision, de flexibilité directionnelle et de rétroaction tactile requis pour un contrôle précis, tout en étant robuste et fiable face aux températures extrêmes et aux cycles d'utilisation. Comme illustré, un joystick extra-plat peut constituer une excellente solution. Avec une prise en compte appropriée du capteur de position, de l'indice IP, de l'isolation électromagnétique et de la facilité d'utilisation, soutenue par une mise en œuvre de conception soignée, un tel thumbstick peut offrir de nombreux avantages pour un large éventail d'applications.