Az ipari nehézgépek pontos és megbízható vezérlése zord környezetben

Az építőiparban, az ipari felhasználási területeken, a robotikában, a hajózásban és a repülésben használt nehézgépek tervezői egyre több funkcióval ruházzák fel termékeiket, ugyanakkor keresik a módját annak, hogy könnyű, kis méretű vezérlőrendszerek segítségével valósítsák meg a finom műveletek és mozgások egyre pontosabb vezérlését. Ezeket a célokat egy fizikailag és villamosan is kihívást jelentő, zord és kíméletlen környezetben kell elérni.

Hogy megfeleljenek ezeknek az igényeknek, a tervezőknek biztosítaniuk kell, hogy a felhasználói felület rendelkezzen a pontos vezérléshez szükséges pontossággal, rugalmas irányíthatósággal és tapintással érzékelhető visszajelzéssel, ugyanakkor kellően ellenálló és megbízható legyen, hogy elviselje a szélsőséges hőmérsékleteket, és sok használati ciklust kiálljon.

Bár az érintőképernyőknek megvan a maguk helye, hiányzik belőlük az itt szükséges tapintással érzékelhető visszajelzés és az ellenálló képesség. Emellett a klasszikus, X–Y irányban való irányítást lehetővé tevő botkormányok általában túlságosan nagy méretűek, és hiányoznak belőlük a lehető legnagyobb irányíthatósághoz szükséges visszajelzési lehetőségek és tengelyek. Ezek helyett a tervezők használhatnak kis magasságú, más néven hüvelykujjal mozgatható vagy röviden hüvelykujjas botkormányokat, amelyek ma már képesek kifinomultabb vezérlést kínálni strapabíró kivitelben. Ezek a hüvelykujjal vagy más ujjakkal működtethető kis eszközök többszörös adatbevitelre adnak egyszerű lehetőséget, még szűkös helyeken is.

Ez a cikk röviden tárgyalja, hogy a korszerű ipari és egyéb nehézgépek miért igényelnek nagyobb pontosságú vezérlést, és hogy a kis magasságú hüvelykujjas botkormányokkal hogyan oldhatók meg a kapcsolódó problémák. Ezután áttekinti a legfontosabb tervezési és megvalósítási szempontokat, beleértve az érzékelők kiválasztását, az ellenálló képességet, valamint a fizikai és a villamos tervezési szempontokat. A valós életből vett példaként az APEM Inc. kis magasságú hüvelykujjas botkormányait használjuk.

A kifinomultabb berendezések pontosabb vezérlést igényelnek

A jobban használható kezelőszervek iránti igény két fő tendencia miatt gyorsult fel: a munkahelyi követelmények növekvő összetettsége és a fejlett technikák elterjedése miatt. Ezek a tendenciák nemcsak a pontosabb, hanem a bonyolultabb, gyakran több tengely menti mozgást is lehetővé tevő kezelőszervek iránti igényt is növelik.

Ennek szemléltetésére nézzük meg a konténerszállító hajók be- és kirakodását végző tengerészeti portáldarukat. Ahogy a hajók egyre nagyobbak, a daruknak gyorsabban kell dolgozniuk, hogy elfogadható kikötőben töltött időt lehessen velük elérni (ami közvetlenül befolyásolja a nyereséget). Ugyanakkor a szigorúbb szabályozások szükségessé teszik a biztonság növelését és a környezeti hatások csökkentését.

A teljes kikötői környezet is változáson megy keresztül. A hajók, vonatok, teherautók és egyéb gépek ezekben a kikötőkben ma már mind olyan technikákkal vannak ellátva, amelyek növelik a nagy pontosságú koordináció szükségességét. Például a kikötőkben automatizált irányított járműveket (AGV, automated guided vehicle) használnak a rakomány szállítására, és ezek az automatizált irányított járművek a rakomány pontos elhelyezését igénylik.

Mindezen tényezők kezelése érdekében a daruk lassan hidraulikusról villamos üzemre állnak át. Ez nemcsak a sebességet és a pontosságot növeli, hanem a sokoldalúságot is javítja, mivel a vízszintes, függőleges és forgó mozgások összetettebb kombinációit teszi lehetővé.

A kezelőszerveknek a gép képességeihez illesztése

Az egyre kifinomultabb gépek vezérléséhez a kezelőknek ugyanilyen sokoldalú többtengelyű kezelőszervekre van szükségük, amelyeknek pontosaknak, megbízhatóaknak és könnyen kezelhetőeknek kell lenniük.

Az egyik lehetőséget az érintőképernyők jelentik. Könnyen kezelhetőek, és könnyen tudnak fogadni több egyidejű bemenőjelet. Az érintőképernyők azonban érzékenyek, és hajlamosak arra, hogy a véletlen érintésekre is reagáljanak. A szennyeződés, a nedvesség és a szélsőséges hőmérsékletek meghibásodásokat okozhatnak, a képernyők pedig érzékenyek a fizikai sérülésekre és az elektromágneses zavarásra. Még lényegesebb, hogy nem nyújtanak tapintással érzékelhető visszajelzést, így nem alkalmasak a nehézgépek szem elé vetített kijelzéssel való működtetésére.

A botkormányok számos ilyen problémát megoldanak. A botkormány karfába épített konzolba, illetve nyakba vagy vállra akasztható vezérlőpultba szerelése kényelmes, ergonomikus adatbevitelt tesz lehetővé. Megfelelő kialakítással képesek ellenállni a zord környezeti viszonyoknak is. Fizikai visszajelzést is tudnak adni a kezelőnek, így az a szemével a munkaterületre összpontosíthat.

A hagyományos botkormányok azonban helyszűkében lévő környezetben túl sok helyet foglalhatnak el, és olyan módon állhatnak ki, hogy véletlenül is beléjük akadhat a kezelő, nem kívánt tevékenységet váltva ki ezzel. Még ha van is hely bőven, az a tény, hogy a botkormányokkal viszonylag nagy mozdulatokat kell végezni, korlátozza a pontosságukat.

A hüvelykujjas botkormányok ezeket a problémákat úgy oldják meg, hogy a botkormányokat kezelhetőbb méretűre zsugorítják. A hüvelykujjal vagy más ujjakkal működtethető, kis magasságú eszközök minimálisra csökkentik a véletlen működtetés kockázatát. Pontos és egyenletes adatbevitelt tesznek lehetővé, és a kezelők könnyedén kezelhetnek egyszerre két hüvelykujjas botkormányt is, megoldva a többszörös adatbevitel problémáját.

A kis magasságú botkormányok különösen jól használhatók hordozható vezérlőegységekben, például nyakba vagy vállra akasztható vezérlőpultokban és kézi eszközökben, de a kis méretük minden helyszűkében lévő berendezésben előnyös lehet.

A megfelelő érzékelő kiválasztása

Természetesen nem minden hüvelykujjas botkormány egyforma. Mindenekelőtt különböző helyzetérzékelőket használhatnak, egyebek mellett potenciométeres (azaz ellenállásos), induktív, fotocellás vagy Hall-(azaz mágneses) érzékelőket. Mindegyik típusnak megvannak a maga előnyei és hátrányai:

• A potenciométeres érzékelők egyszerűek és olcsók, de az élettartamuk korlátozott.
• Az induktív érzékelők megbízhatóbbak, de érzékenyek a hőmérséklet-változásokra és az elektromágneses zavarásra (EMI).
• A fotocellás érzékelők pontosak, de érzékenyek a porra, a nedvességre és a fizikai sérülésekre.
• A Hall-érzékelők pontosak és strapabíróak, de az erős mágneses terek befolyásolhatják a pontosságukat.

Mindezen kompromisszumokat figyelembe véve zord környezetben gyakran a Hall-érzékelők jelentik a legjobb választást a nagy pontosságú érzékeléshez. A szabványos 3,3 vagy 5 voltos egyenfeszültségről (DC) működő és strapabíró mechanikára szerelve használt Hall-érzékelők olyan eszközt eredményeznek, amely várhatóan 10 millió ciklusnyi élettartamot is kibír.

A Hall-érzékelők esetében két elektróda közé egy vezető anyagból készült vékony szalagot helyeznek (1. ábra). Ha a szalagon áram (I) folyik át, és a szalagot az áram irányára merőleges mágneses térbe (B) helyezzük, akkor a szalag két vége között feszültségkülönbség (U_H) jön létre. Ezt a feszültségkülönbséget nevezzük Hall-feszültségnek, amely arányos a mágneses tér erősségével és irányával.

1. ábra: Hall-feszültség (U_H) akkor jön létre, ha egy vezető anyagból készült szalagon áram (I) folyik át, és a szalagot rá merőleges fluxusú (B) mágneses térbe (B) helyezzük (ábra: Wikipedia)

A Hall-érzékelők néhány előnye a botkormányt használó ipari készülékekben a más típusú érzékelőkkel szemben:

• Érintkezésmentesek, ezért nem kopnak az idő múlásával.
• Immunisak a porral, szennyeződéssel, nedvességgel és rezgésekkel szemben.
• Nagy pontossággal és felbontással képesek egyenes vonalú (lineáris) és szögelmozdulást mérni.
• Tág hőmérséklet- és feszültségtartományban képesek működni.
• Könnyen építhetők össze digitális elektronikával és mikrovezérlőkkel.

A Hall-érzékelők különösen hasznosak, mivel mind a térbeli helyzetet, mind a szöghelyzetet érzékelik. Ennélfogva jól használhatók többtengelyű vezérlésekhez, például olyan botkormányokhoz, amelyek nemcsak X–Y irányú vezérlést végeznek, hanem a Z tengely menti vezérlésre szolgáló középső koppintásra is lehetőséget adnak.

Ezzel együtt az érzékelő csak az egyik figyelembe veendő tervezési paraméter. A Hall-érzékelős hüvelykujjas botkormányok sikeres megvalósítása számos fizikai és villamos paraméter gondos mérlegelését igényli.

A hüvelykujjas botkormány elhelyezése a vezérlőpulton

A hüvelykujjas botkormányt néha védett, rögzített helyre, például egy vezérlőpultra lehet szerelni. Ennél gyakoribb eset azonban, hogy a kezelőnek kell közel lennie a munkaterülethez, és ekkor a lehetőségek olyan, a helytelen használat esélyét könnyen megteremtő helyekre korlátozódnak, mint a konzolok, a jármű ülésének karfái, a kábelre függesztett kezelőszervek, illetve a nyakba vagy vállra akasztható vezérlőpultok.

Ha a hüvelykujjas botkormány kézi készülékbe van beépítve, akkor ügyelni kell arra, hogy megóvjuk a leejtés okozta sérülésektől. A hosszú távú megbízhatóság érdekében alapvető óvintézkedéseket kell alkalmazni, például a botkormányt a ház könnyebb végébe kell szerelni, hogy ne az érjen először talajt, illetve védőburkolattal kell ellátni.

Egy másik kockázatos helyzetet jelentenek a járművek. A megdőlő hajó vagy egyéb jármű fedélzetén lévő kezelőszervek rosszul megválasztott kapaszkodóul szolgálhatnak, ezért fontos, hogy a hüvelykujjas botkormányok karja a lehető legrövidebb legyen, elkerülendő az esetlegesen veszélyeket rejtő véletlen működtetést.

A hüvelykujjas botkormányok egyik ilyen helyzetben sem állhatnak ki 50 mm-nél jobban a vezérlőpultból. A hüvelykujjas botkormányok és a vezérlőpulton lévő egyéb kezelőszervek között is elegendő távolságnak kell lennie, és még nagyobb távolságot kell kialakítani akkor, ha a kezelő esetleg vastag kesztyűt visel.

A kis magasságú botkormányok ellenállóbbá tétele

Az ipari botkormányok gyakran vannak kitéve vízsugárnak vagy lecsöpögő víznek, ezért legalább IP66-os védettségűeknek kell lenniük. Ezt rugalmas gumiharanggal lehet elérni, amely a botkormány mozgásával együtt nyúlik ki és húzódik össze (2. ábra).

A botkormányt el lehet helyezni a vezérlőpult kivágásában, vagy fel lehet szerelni a vezérlőpult hátoldalára. A vezérlőpult alját egyik esetben sem szabad vízpermetnek, túl magas páratartalomnak vagy pornak kitenni, mert a botkormány alsó részét nem védi a gumiharang.

2. ábra: A kis magasságú hüvelykujjas botkormány előlap felőli beszereléséhez (balra) keretet és süllyesztett csavarokat kell használni. A hátoldalról való beszereléshez (jobbra) csavarokat és azokhoz tartozó anyákat kell használni, de nincs keret. Az IP66-os védettséget egy gumiharang biztosítja (kép: a szerző, az APEM által adott forrásanyagból)

A tartósság maximálisra növelése érdekében a tervezőknek rozsdamentes acél tengelyű eszközt kell keresniük, hasonlóan strapabíró fémkerettel és alapmechanikával, valamint véghelyzet-határolókkal. Amint korábban említettük, a kézi eszközök időnként leesnek, ezért a botkormányt úgy kell tesztelni, hogy túléljen egy 1 méteres szabadesést. A tervezőknek ellenőrizniük kell a megfelelő rezgésvédelmet, elektromágneses összeférhetőséget (EMC) és elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelmet is a vonatkozó IEC szabványoknak megfelelően.

Zord környezetben való használat esetén szintén lényeges a szélsőséges hőmérsékletek elviselése. Az APEM XS sorozatú kis magasságú botkormányainak névleges üzemi hőmérséklete például –30 °C – +85 °C, tárolási hőmérséklete –40 °C – +110 °C.

Végül pedig, ha a hüvelykujjas botkormányt biztonság szempontjából kritikus területen kell használni (ami gyakran előfordul), keresse a SIL2 vagy annál magasabb biztonságjósági szintnek (SIL, Safety Integrity Level) megfelelő besorolást.

Az emberek általi használhatóságot figyelembe vevő tervezési szempontok

A botkormány anyagának és ergonómiai kialakításának megfelelő megválasztása jelentős hatással lehet a botkormány használhatóságára. A tervezőknek szem előtt kell tartaniuk, hogy a kezelőszerv lehet nedves vagy piszkos is, és a kezelő viselhet vastag kesztyűt is. Ezért a botkormány sapkáját olyan anyagból kell készíteni, amilyen például a nejlon, hogy tartós, mégis jól megfogható felületű legyen.

Amint a 3. ábra szemlélteti, a különböző felhasználási területekre különböző botkormánysapkák közül lehet választani. Például az APEM XS140SCA12A62000 ujjbeggyel mozgatható botkormánya bástyaszerű sapkával van ellátva (balra). Ez a sapka megkönnyíti a kezelő számára a fő X és Y tengely érzékelését, ami segíthet az egyenes pálya fenntartásában. Ezzel szemben az XS140SDM12A62000 egy lapos sapkával van felszerelve, amely tetszőleges irányú mozgatásra alkalmas.

3. ábra: Az XS140SCA12A62000 (balra) bástyaszerű és az XS140SDM12A62000 (jobbra) lapos sapkája egyenes vonalú, illetve tetszőleges irányú mozgatásra alkalmas (kép: a szerző, az APEM által adott forrásanyagból)

A botkormányok elláthatók irány szerinti műterheléssel is. Az ilyen botkormány a fő tengelyek irányában könnyebben mozgatható, míg az ezektől a tengelyektől eltérő irányban való kimozdítása nagyobb erőt igényel. Ehhez hasonlóan a botkormányt el lehet látni olyan középre húzó rugóval is, amely minden irányban növeli a botkormány kimozdítással szembeni ellenállását. Például az APEM XS sorozatú kis magasságú botkormányt mindössze 1 N, de akár 2,5 N rugóerővel is középre lehet állítani.

Végezetül a botkormányhoz a középhelyzethez kapcsolódó számos funkció is beállítható:

• A középső koppintás funkció hozzáadása lehetővé teszi a botkormány gombként való használatát, ami egyszerűsítheti a vezérlőpultot, és bonyolultabb műveletek végrehajtását teszi lehetővé.
• Másik lehetőségként a középső koppintást lehet feszültségvizsgálatra is használni, azt ellenőrizve, hogy a tápegység megfelelően működik-e.
• Az olyan felhasználási területek esetében, amelyek aktív vagy passzív állapotjelzőt igényelnek, a középhelyzetet érzékelő funkció meghatározhatja, hogy a botkormány használatban van-e (ez a funkció biztonsági és védelmi célokra nem használható).

Ne feledje, hogy ezek a lehetőségek kölcsönösen kizárják egymást. Fontos meghatározni azt, hogy melyik funkciót lehet a botkormánnyal végrehajtani a legjobban, és mely funkciókat érdemes más kezelőszervekre kiosztani.

Villamos tervezési szempontok

A lehető legnagyobb megbízhatóság érdekében keressen olyan botkormányt, amely redundáns Hall-érzékelőkkel van felszerelve. Ezenkívül gondosan szabályozni kell a tápegység feszültségét. Ha a tápfeszültség változása túllépi a megadott tűréshatárokat, az érzékelők maradandó károsodást szenvedhetnek, ami semmissé teszi a redundancia jelentette előnyöket.

A botkormány kimenőfeszültségei is átgondolt tervezést igényelnek. Első lépésként ki kell választani a kimenőjel típusát (pl. analóg vagy impulzusszélesség-modulált (PWM)), és a feszültséget úgy kell beállítani, hogy az megfeleljen a jeleket olvasó mikrovezérlő egység (MCU) várható bemenő jelszintjeinek. A 4. ábra az ilyen lehetséges kimenőfeszültségekre mutat példát. A kimeneti impedanciát is figyelembe kell venni. A kis terhelő ellenállás (pl. < 10 kΩ) nagy áramerősségek kockázatát rejti, amelyek károsíthatják az érzékelőt.

4. ábra: Többtengelyű botkormányok esetén a két kimenőfeszültséget (X–Y) a mikrovezérlő bemenő jelszintjeinek megfelelően kell beállítani (ábra: APEM)

Amint azt korábban említettük, a Hall-érzékelők érzékenyek a mágneses zavarásra, ezért egy jól megtervezett botkormány belső mágneses zavarszűrést is tartalmaz. Gondoskodni kell a tápegység megfelelő leválasztásáról és a megfelelő elektromágneses árnyékolásról is. A botkormányt még ezen intézkedések mellett sem szabad erős mágneses terek közelében felszerelni vagy használni.

Összegzés

Ahogy az ipari berendezések egyre összetettebbé válnak, a tervezőknek egyre strapabíróbb kezelőszervekre van szükségük, hogy a felhasználói felület rendelkezzen a pontos vezérléshez szükséges pontossággal, irányíthatósággal és tapintással érzékelhető visszajelzéssel, ugyanakkor kellően ellenálló és megbízható legyen, hogy elviselje a szélsőséges hőmérsékleteket, és sok használati ciklust kiálljon. Mint látható, a kis magasságú botkormányok kiváló megoldást jelenthetnek erre. A helyzetérzékelő, az IP-besorolás, az elektromágneses szigetelés és az emberek általi használhatóság szükséges mértékű figyelembevételével, valamint gondos megvalósítással kiegészítve az ilyen hüvelykujjas botkormányok számos előnyt nyújthatnak a felhasználási területek széles körében.