Raskaiden teollisuuskoneiden tarkka ja luotettava ohjaus haastavissa olosuhteissa

Rakentamisen, teollisuuden, robotiikan, merenkulun ja ilmailun raskaisiin laitteisiin lisätään jatkuvasti ominaisuuksia, ja suunnittelijat etsivät tapoja tarkentaa herkkien toimintojen ja liikkeiden ohjausta kevyillä ja kompakteilla ohjausjärjestelmillä. Nämä tavoitteet pitää pystyä täyttämään vaativissa olosuhteissa, joihin liittyy sekä fyysisiä että sähköisiä haasteita.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi suunnittelijoiden on varmistettava, että käyttöliittymä tarjoaa täsmällistä ohjausta varten riittävän tarkkuuden, suunnattavuuden ja tuntopalautteen samalla, kun ohjaimet sietävät luotettavasti äärilämpötiloja ja käyttösyklejä.

Kosketusnäytöillä on paikkansa, mutta ne eivät tarjoa tarvittavaa tuntopalautetta ja kestävyyttä. Lisäksi klassiset X/Y-ohjainsauvat ovat usein liian kookkaita, eivätkä ne tue kaikkia monimutkaiseen suuntaohjaukseen tarvittavia signaalivaihtoehtoja ja akseleita. Sen sijaan suunnittelijat voivat hyödyntää matalan profiilin ohjainsauvoja eli peukalosauvoja, jotka tarjoavat nyt paljon tarkemman ohjauksen kestävässä laitemuodossa. Nämä käyttäjän peukalolla tai sormilla käytettävät pienet laitteet mahdollistavat usean syötteen käytön myös pienissä tiloissa.

Tässä artikkelissa tutustutaan siihen, miksi modernit teollisuuslaitteet ja muut raskaat laitteet tarvitsevat tarkemman ohjauksen ja kuinka matalan profiilin peukalosauvat ratkaisevat tähän liittyviä ongelmia. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan keskeisiä suunnittelu- ja toteutuskriteereitä, mukaan lukien anturin valinta, sen vahvistaminen sekä fyysiset ja sähköiset suunnitteluvaihtoehdot. Esimerkkeinä käytetään APEM Inc:n valmistamia matalan profiilin peukalosauvoja.

Sofistikoituneemmat laitteet tarvitsevat tarkemman ohjauksen

Parempien ohjausjärjestelmien tarvetta ovat kiihdyttäneet kaksi päätrendiä: työpaikkojen entistä monimutkaisemmat vaatimukset ja edistyneiden teknologioiden käyttöönotto. Näiden trendien myötä tarvitaan tarkempia ja monimutkaisempia ohjaimia ja usein myös enemmän liikeakseleita.

Otetaanpa esimerkiksi pukkinosturi, jolla kuormataan ja puretaan konttilaivoja. Mitä suurempia alukset ovat, sitä nopeammin nostureiden on toimittava laivan pysähdysajan minimoimiseksi (mikä vaikuttaa suoraan tuottoihin). Samaan aikaan tiukkenevat määräykset edellyttävät parannuksia turvallisuuteen ja ympäristövaikutuksiin.

Samalla koko satamaympäristö on murroksen alla. Satamissa toimiviin laivoihin, juniin, kuorma-autoihin ja muihin laitteisiin on kaikkiin lisätty erittäin tarkkaa koordinointia vaativaa teknologiaa. Esimerkiksi vihivaunuja (Automated Guided Vehicle, AGV) käytetään rahdin kuljettamiseen ympäri satamaa. Näiden ajoneuvojen käyttö vaatii rahdin tarkkaa sijoittamista.

Näiden tekijöiden ratkaisemiseksi nostureita vaihdetaan hydraulitoimisista sähkötoimisiin. Tämä parantaa nopeutta, tarkkuutta ja monipuolisuutta mahdollistamalla monimutkaisemmat vaaka- ja pystysuuntaisten liikkeiden ja kiertoliikkeiden yhdistelmät.

Ohjauslaitteiden valinta laitteiston ominaisuuksien mukaan

Yhä sofistikoituneimpien laitteiden ohjaamiseksi käyttäjät tarvitsevat yhtä edistyneet, tarkat, luotettavat ja helppokäyttöiset usean akselin ohjaimet.

Kosketusnäyttö on yksi vaihtoehto. Ne ovat helppokäyttöisiä ja tukevat useita samanaikaisia syötteitä. Ne ovat kuitenkin herkkiä, ja vahinkokosketukset ovat yleisiä. Lika, kosteus ja äärilämpötilat voivat aiheuttaa vikatoimintoja, ja näytöt ovat herkkiä fyysisille vaurioille ja sähkömagneettisille häiriöille. Mutta mikä tärkeintä, ne eivät tarjoa tuntopalautetta, joten niillä ei voi luontevasti ohjata raskaita laitteita katsomatta suoraan ohjauslaitteeseen.

Ohjainsauvat ratkaisevat useita näistä ongelmista. Ohjainsauvan asentaminen käsinojan konsoliin tai ohjauslaatikkoon mahdollistaa mukavan ja ergonomisen ohjauksen. Asianmukaisella suunnittelulla nämä ratkaisut kestävät myös haastavia ympäristöolosuhteita. Ne tarjoavat käyttäjälle fyysisen vasteen, jotta hän voi pitää katseensa työtilassa.

Perinteiset ohjainsauvat vievät kuitenkin paljon tilaa ahtaissa paikoissa, ja ne työntyvät esiin tavalla, joka voi aiheuttaa vahinkotoimintoja. Vaikka tilaa olisikin runsaasti, ne vaativat ohjaajalta suhteellisen suuria liikkeitä, mikä rajoittaa niiden tarkkuutta.

Peukalosauvojen pienempi koko ratkaisee nämä ongelmat. Nämä peukalolla tai sormella käytettävät matalan profiilin laitteet minimoivat vahinkotoimintojen riskin. Ne mahdollistavat tarkat ja sulavat ohjausliikkeet, ja käyttäjä voi helposti operoida kahta peukalosauvaa samaan aikaan, mikä ratkaisee usean syötteen käytön ongelman.

Matalaprofiiliset ohjainsauvat sopivat erityisen hyvin kannettaviin ohjaimiin, kuten ohjauslaatikoihin ja käsikäyttöisiin laitteisiin. Mutta kaikissa tilarajallisissa sovelluksissa voidaan hyötyä niiden pienemmästä koosta.

Oikean anturin valinta

Kaikki peukalosauvat eivät tietenkään ole samanlaisia. Ensinnäkin niissä käytetään erilaisia asentoantureita, kuten potentiometrejä (resistiivinen), induktiivisia ja valosähköisiä antureita sekä Hall-antureita (magneettinen). Kullakin on omat hyvät ja huonot puolensa:

• Potentiometrit ovat yksinkertaisia ja edullisia, mutta niiden käyttöikä on rajallinen.
• Induktiiviset anturit ovat luotettavampia, mutta herkempiä lämpötilamuutoksille ja sähkömagneettisille häiriöille (Electromagnetic Interference, EMI).
• Valosähköiset anturit ovat tarkkoja, mutta herkkiä pölylle, kosteudelle ja fyysisille vaurioille.
• Hall-anturit ovat tarkkoja ja kestäviä, mutta voimakkaat sähkömagneettiset kentät vaikuttavat niihin.

Näiden kaikkien tekijöiden perusteella Hall-anturi on usein paras valinta tarkkaan ohjaukseen vaativissa käyttöympäristöissä. Kun Hall-antureita käytetään 3,3 tai 5 voltin vakiojännitteellä tasavirralla yhdessä kestävien mekaanisten osien kanssa, laitteen odotettu kestoikä voi olla 10 miljoonaa käyttösykliä.

Hall-antureissa on ohut nauha sähköä johtavaa materiaalia kahden elektrodin välissä (kuva 1). Kun nauhan läpi kulkee sähkövirta (I) ja siihen kohdistetaan kohtisuoraan magneettikenttä (B), nauhaan muodostuu jännite-ero (U_H). Tätä jännite-eroa kutsutaan Hallin jännitteeksi, joka on suoraan verrannollinen magneettikentän voimakkuuteen ja suuntaan.

Kuva 1: Hallin jännite (U_H) syntyy, kun sähköä johtavan nauhan läpi kulkee sähkövirta (I) ja nauhaan vaikuttaa siihen kohtisuorassa oleva magneettivuo (B). (Kuvan lähde: Wikipedia)

Hall-antureiden hyötyjä muihin anturityyppeihin verrattuna teollisissa ohjainsauvasovelluksissa:

• Niissä ei käytetä koskettimia, eivätkä ne kulu ajan myötä.
• Ne ovat immuuneja pölylle, lialle, kosteudelle ja tärinälle.
• Niillä voi mitata lineaarista liikettä ja kulmaliikettä erittäin tarkasti ja korkealla resoluutiolla.
• Niitä voi käyttää laajalla lämpötila- ja jännitealueella.
• Ne voi integroida helposti digitaalielektroniikan ja mikrokontrollerien kanssa.

Hall-anturit ovat erityisen hyödyllisiä, koska niillä voi havaita sekä asennon että kulman. Tämän ansiosta ne sopivat hyvin usean akselin ohjaimiin, kuten ohjainsauvoihin, joissa on X- ja Y-akseleiden lisäksi mahdollisuus painaa ohjainta Z-akselilla.

Anturi on kuitenkin vain yksi huomioon otettavista suunnitteluparametreista. Hall-anturia käyttävän peukalosauvan onnistunut toteutus vaatii useiden fyysisten ja sähköisten parametrien huolellista harkintaa.

Peukalosauvan sijoittaminen ohjauspaneeliin

Joskus peukalosauvan voi sijoittaa suojattuun kiinteään paikkaan esimerkiksi ohjauspaneeliin. Useimmiten käyttäjien pitää kuitenkin olla lähellä työkohdetta, mikä rajoittaa vaihtoehdoiksi helposti vahingoittuvat kohteet, kuten konsolit, käsinojat, riippuohjaimet ja ohjauslaatikot.

Jos peukalosauvaa käytetään kädessä pidettävässä kotelossa, sitä on suojattava huolellisesti putoamiselta. Pitkäaikaisen luotettavuuden parantamiseksi tulee käyttää sellaisia perusvarotoimia, kuten sauvan kiinnittäminen kotelon kevyimpään päähän, jotta se ei osu ensimmäisenä maahan, sekä suojuksen asentaminen.

Ajoneuvot muodostavat toisen hankalan käyttökohteen. Kallistuvan laivan tai ajoneuvon ohjaimia saatetaan epähuomiossa käyttää kädensijoina, joten peukalosauvat on hyvä pitää mahdollisimman matalalla niin, että ei tapahdu vaarallisia vahinkoliikkeitä.

Tällaisissa kohteissa peukalosauvojen ei tule nousta enemmän kuin noin 50 millimetriä paneelin yläpuolelle. Peukalosauvan ja paneelin kaikkien muiden ohjainten välillä on myös oltava riittävä turvaväli, jonka tulee olla vieläkin suurempi, jos käyttäjä saattaa käyttää paksuja hansikkaita.

Matalaprofiilisen ohjainsauvan vahvistaminen

Teolliset ohjainsauvat altistuvat usein putoamiselle tai suorille vesisuihkeille, joten niillä on oltava vähintään IP66-suojausluokitus. Tämän voi toteuttaa joustavalla paljesuojuksella, joka laajenee ja supistuu ohjainsauvan liikkeiden myötä (kuva 2).

Ohjainsauvan voi asentaa paneelin aukkoon ylhäältä tai alhaalta. Kummassakaan tapauksessa paneelin alaosaan ei saa kohdistua vesisuihkeita, liiallista kosteutta tai pölyä, sillä paljesuojus ei suojaa ohjainsauvan tätä osaa.

Kuva 2: Matalaprofiilisen peukalosauvan ylhäältä asentamiseen (vasen) käytetään reunusta ja upotettuja ruuveja. Alhaalta asentamiseen (oikea) käytetään koneruuveja ja muttereita, mutta ei reunusta. Paljesuojus tarjoaa IP66-suojausluokituksen. (Kuvan lähde: kirjoittaja, APEM-lähdemateriaaleista)

Kestävyyden maksimoimiseksi suunnittelijoiden kannattaa etsiä laite, jonka sauva on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, sekä vastaava kestävä metallikehys, perusmekaniikka ja rajoittimet. Kuten aiemmin todettiin, käsikäyttöiset laitteet voivat helposti pudota, joten ohjainsauvan kestävyys tulee testata 1 metrin vapaapudotuksella. Suunnittelijoiden tulee myös tarkistaa tärinään, sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen ja staattisilta purkauksilta suojaukseen liittyvät luokitukset sovellettavien IEC-standardien mukaisesti.

Äärilämpötilojen kestäminen on myös kriittinen tekijä haastavissa käyttöympäristöissä. Esimerkiksi APEM XS-sarjan matalaprofiiliset ohjainsauvat on luokiteltu käyttöön lämpötiloissa −30…+85 °C ja varastoitavaksi lämpötiloissa −40…+110 °C.

Lopuksi jos peukalosauvaa käytetään turvakriittisessä sovelluksessa (kuten on tavallista), on syytä valita tuote, jonka Safety Integrity Level (SIL) ‑luokitustaso on vähintään SIL2.

Käytettävyyden suunnittelutekijät

Ohjainsauvan oikeiden materiaalien ja ergonomisen rakenteen valinta vaikuttaa huomattavasti käytettävyyteen. Suunnittelijoiden tulee huomioida, että ohjain voi olla märkä tai likainen tai että käyttäjällä voi olla yllään paksut käsineet. Siksi ohjainsauvan hatun on oltava esimerkiksi nailonia, joka tarjoaa kestävän mutta helposti kiinni otettavan pinnan.

Kuten kuvassa 3 näkyy, erilaisiin käyttökohteisiin on saatavilla erilaisia ohjainsauvan hattuja. Esimerkiksi APEM-yrityksen sormenpäillä käytettävässä XS140SCA12A62000-ohjainsauvassa on kruunutyyppinen hattu (vasen). Tämän hatun avulla käyttäjä tuntee helposti X- ja Y-akselin pääilmansuunnat, mikä helpottaa ohjausta suoralla liikeradalla. Sen sijaan XS140SDM12A62000-ohjainsauvan hattu soveltuu hyvin vapaavalintaiseen suuntaukseen.

Kuva 3: XS140SCA12A62000-ohjaimen (vasen) kruunutyyppinen hattu sopii lineaariseen liikkeeseen ja XS140SDM12A62000-ohjaimen (oikea) tasainen hattu vapaavalintaiseen suuntaukseen. (Kuvan lähde: kirjoittaja, APEM-lähdemateriaaleista)

Ohjainsauvan liike voi myös olla pääilmansuuntiin painottuvaa. Tällöin se liikkuu helpommin kohti pääilmansuuntia ja niistä poispäin liikuttaminen vaatii enemmän voimaa. Ohjainsauvassa voi myös olla keskitysvoima, mikä kasvattaa sen kokonaisvastusta. Esimerkiksi APEM XS -sarjan matalaprofiilisen ohjainsauvan keskitysvoima voi olla vain 1 newton (N) tai jopa 2,5 N.

Lopuksi ohjainsauvan keskiasentoon voidaan määrittää erilaisia toimintoja:

• Napsautustoiminnon lisääminen keskiasentoon mahdollistaa ohjainsauvan käyttämisen painikkeen tavoin, mikä voi yksinkertaistaa ohjauspaneelia ja mahdollistaa monimutkaisempia toimintoja.
• Keskinapsautustoimintoa voi käyttää myös jännitetestipainikkeena virtalähteen toiminnan varmistamiseksi.
• Jos sovelluksessa tarvitaan aktiivisuuden tilailmaisinta, keskiasennon havaitsemistoimintoa voidaan käyttää ilmaisemaan, onko ohjaussauva käytössä (tätä toimintoa ei tule käyttää turvallisuuden tai turvatoimien tukena).

Huomaa, että nämä vaihtoehdot ovat toisensa poissulkevia. On tärkeää tunnistaa, mikä toiminto sopii parhaiten ohjainsauvaan ja mitkä toiminnot on paras toteuttaa muilla ohjaimilla.

Sähkösuunnittelun näkökohtia

Parhaan mahdollisen luotettavuuden varmistamiseksi on syytä valita ohjainsauva, jossa käytetään redundantteja Hall-antureita. Lisäksi virtalähteen on oltava huolellisesti säädelty. Jos virransyöttö ei pysy määritettyjen toleranssien sisällä, anturit voivat vaurioitua pysyvästi, jolloin vikasietoisuus on erityisen tärkeää.

Myös ohjainsauvan jännitelähdöt vaativat huolellista suunnittelua. Ensimmäinen vaihe on valita lähtösignaalin tyyppi (esim. analoginen tai pulssileveysmodulaatio [Pulse Width Modulation, PWM]) ja sovittaa jännitealue signaalit lukevan mikrokontrollerin (MCU) odottamalle tasolle. Kuvassa 4 on esimerkki mahdollisista lähtöjännitteistä. Myös lähtöimpedanssi tulee huomioida. Matala kuormitusvastus (esim. < 10 kilo-ohmia [kΩ]) synnyttää riskin korkeasta virrasta, joka voi vaurioittaa anturia.

Kuva 4: Usean akselin ohjainsauvojen kaksi lähtöjännitettä (X/Y) tulee sovittaa vastaamaan mikrokontrollerin odottamia syötteitä. (Kuvan lähde: APEM)

Kuten aiemmin todettiin, Hall-anturit ovat herkkiä magneettisille häiriöille. Siksi hyvin suunnitellussa ohjainsauvassa käytetään magneettista suojausta. Virtalähde tulee erottaa asianmukaisesti ja käyttää riittävää EMC-suojausta. Ohjainsauvaa ei tule asentaa lähelle voimakkaita magneettikenttiä tai käyttää lähellä niitä, vaikka nämä varotoimet olisivatkin käytössä.

Yhteenveto

Teollisuuslaitteet muuttuvat alati monimutkaisemmiksi, joten suunnittelijat tarvitsevat luotettavia ohjaimia varmistaakseen, että käyttöliittymä tarjoaa täsmällistä ohjausta varten riittävän tarkkuuden, suunnattavuuden ja tuntopalautteen samalla, kun ohjaimet kestävät luotettavasti äärilämpötiloja ja käyttösyklejä. Kuten artikkelissa on esitetty, matalaprofiilinen ohjainsauva tarjoaa tähän erinomaisen ratkaisun. Kun noudatetaan huolellista suunnittelua ja toteutusta sekä huomioidaan tärkeät suunnittelutekijät, kuten asentoanturin valinta, IP-suojausluokitus, sähkömagneettinen eristys ja käytettävyys, ohjaussauva voi tarjota useita hyötyjä erilaisissa sovelluksissa.