כיצד להשיג בקרה מדויקת ואמינה בציוד תעשייתי כבד בסביבות קשות

המתכננים של ציוד כבד לבנייה, תעשייה, רובוטיקה, ספנות ואווירונאוטיקה מוסיפים פונקציונליות רבה יותר, ובו בזמן מחפשים דרכים לממש בקרה מדויקת יותר על פעולות ותנועות עדינות באמצעות מערכות בקרה קלות וקומפקטיות. יעדים אלו חייבים להתבצע גם בסביבות קשות ולא-סלחניות המאתגרות פיזית וחשמלית כאחד.

כדי לעמוד בדרישות אלו, המתכננים צריכים להבטיח שלממשק המשתמש יש רמת דיוק, גמישות כיוונית ומשוב טקטילי הנדרשים עבור בקרה מדויקת, ובו בזמן להיות חסון ואמין על פני טמפרטורת קיצוניות ומחזורי שימוש.

בעוד שלמסכי מגע יש את המקום שלהם, הם חסרים את המשוב הטקטילי והחוסן הנדרשים. כמו כן, ג'ויסטיקים X/Y קלאסיים נוטים להיות גם מגושמים מדי וגם חסרים במספר אפשרויות האיתות והצירים הנדרשים עבור בקרת כיווניות מקסימלית. במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש בג'ויסטיקים בעלי פרופיל נמוך, או טאמבסטיקים (Thumbstick‏), המסוגלים כיום לספק בקרה עדינה יותר עם גורם צורה חסון. מופעלים על ידי בוהן או אצבעות המשתמש, התקנים קטנים אלו מציעים גישה קלה למספר כניסות, אפילו במקומות צפופים.

מאמר זה דן בקצרה מדוע ציוד תעשייתי מודרני וציוד כבד אחר דורש בקרות עם דיוק גבוה יותר, וכיצד טאמבסטיקים בפרופיל נמוך מתמודדים עם הנושאים הרלוונטיים. לאחר מכן הוא סוקר את קריטריוני התכנון והמימוש העיקריים, כולל בחירת חיישנים, הקניית חוסן ואפשרויות תכן פיזי וחשמלי. טאמבסטיקים בעלי פרופיל נמוך מהעולם האמיתי של .APEM Inc‏ משמשים כדוגמאות.

ציוד מתוחכם יותר צריך בקרה מדויקת יותר

הצורך בבקרות מפעיל טובות יותר הואץ עקב שתי מגמות עיקריות: המורכבות הגוברת של הדרישות במקום העבודה ואימוץ טכנולוגיות מתקדמות. מגמות אלו מניעות את הצורך לא רק בבקרות מדויקות יותר אלא גם בבקרות מורכבות יותר, לרוב עם יותר צירי תנועה.

כדי להמחיש נקודה זו, בחנו את עגורני Gantry‏ בספנות המעמיסים ופורקים אוניות מכולות. ככל שהספינות גדולות יותר, העגורנים צריכים לעבוד מהר יותר כדי להשיג זמן סביר בנמל (המשפיע ישירות על שורת הרווח). יחד עם זאת, תקנות מחמירות מחייבות שיפור בבטיחות והשפעה מועטה על הסביבה.

גם סביבת הנמל כולה עוברת שינוי. לספינות, לרכבות, למשאיות ולציוד אחר בנמלים אלה נוספו כולם טכנולוגיות המגדילות את הצורך בתיאום מדויק. לדוגמה, כלי רכב מונחים אוטומטית (AGV) משמשים להובלת מטענים ברחבי הנמל, ו-AGVs אלה דורשים השמה מדויק של המטען שלהם.

כדי להתמודד עם כל הגורמים הללו, העגורנים עוברים מפעולה הידראולית לחשמלית. זה לא רק שזה מגדיל את המהירות והדיוק, אלא זה גם משפר את הוורסאטיליות בכך שמתאפשרים שילובים מורכבים יותר של תנועה אופקית, אנכית וסיבובית.

התאמת בקרות המפעיל ליכולות הציוד

כדי לבקר ציוד יותר ויותר מתוחכם זה, המפעילים זקוקים לבקרות רבות-צירים בעלות יכולת, החייבות להיות מדויקות, אמינות וקלות לשימוש.

מסכי מגע הם אפשרות אחת. הם קלים לשימוש ויכולים להכיל בקלות מספר כניסות בו-זמנית. עם זאת, מסכי מגע הם רגישים ונוטים לנגיעות בשוגג. לכלוך, לחות וטמפרטורות קיצוניות עלולים לגרום לתקלות, והמסכים חשופים לנזק פיזי ולהפרעות אלקטרומגנטיות. והכי חשוב, הם אינם מציעים משוב טקטילי, אשר היעדרו הופך אותם לבלתי-מתאימים עבור תפעול ציוד כבד.

ג'ויסטיקים מטפלים ברבים מנושאים אלו. הרכבת ג'ויסטיק בקונסולת משענת-יד או על תיבת בטן מספקת קלט נוח וארגונומי. עם התכן הנכון, הם יכולים לעמוד בתנאים סביבתיים קשים. הם יכולים גם לספק משוב פיזי למפעיל, תוך שמירה על התמקדות ויזואלית על סביבת העבודה.

עם זאת, ג'ויסטיקים מסורתיים יכולים לתפוס מקום רב בסביבות צפופות ויכולים לבלוט באופן ההופך אותם לרגישים לפעולה שלא במתכוון. גם כשיש מקום בשפע, העובדה שג'ויסטיקים מחייבים את המפעילים לבצע תנועות גדולות יחסית מציבה גבול לדיוק שלהם.

טאמבסטיקים מטפלים בנושאים אלה על ידי כיווץ הג'ויסטיקים לגודל קטן. מופעלים על ידי אגודל או אצבע, התקנים בפרופיל נמוך אלו מקטינים למינימום את הסיכון של פעולה שלא במתכוון. הם מאפשרים תנועות מדויקות וחלקות, והמפעילים יכולים לתפעל בקלות שני טאמבסטיקים בבת אחת ובכך לפתור את הבעיה של ריבוי כניסות.

ג'ויסטיקים בעלי פרופיל נמוך מתאימים במיוחד עבור בקרים ניידים, כגון תיבות בטן או התקנים נישאים-ביד. אך כל יישום במקום מוגבל יכול ליהנות מהגודל המוקטן שלהם.

בחירת החיישן הנכון

כמובן, לא כל הטאמבסטיקים נולדו שווים. בתור התחלה, הם יכולים להשתמש במגוון של חיישני מיקום, כולל פוטנציומטריים (כלומר, התנגדותיים), אינדוקטיביים, פוטואלקטריים או אפקט Hall (כלומר, מגנטיים). לכל אחת מהאפשרויות הללו יש יתרונות וחסרונות משלה:

• חיישנים פוטנציומטריים הם פשוטים וזולים אך יש להם אורך חיים מוגבל.
• חיישנים אינדוקטיביים הם אמינים יותר אך רגישים לשינויי טמפרטורה והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).
• חיישנים פוטו-אלקטריים הם מדויקים אך פגיעים לאבק, לחות ולנזק פיזי.
• חיישני אפקט Hall‏ הם מדויקים ועמידים אך יכולים להיות מושפעים משדות מגנטיים חזקים.

בהתחשב בכל הפשרות הללו, חיישן אפקט Hall‏ הוא לעתים הבחירה המעולה עבור חישה בדיוק גבוהה בסביבה קשה. חיישני אפקט Hall‏, הפועלים בזרם ישר (DC) סטנדרטי של 3.3 או 5 וולט וממומשים בשילוב עם מבנים מכניים חסונים, יוצרים התקן היכול להחזיק מעמד לאורך חיים צפוי של 10 מיליון מחזורים.

בחיישני אפקט Hall‏ יש פס דק של חומר מוליך בין שתי אלקטרודות (איור 1). כאשר זרם (I) זורם דרך הפס ומופעל שדה מגנטי (B) בניצב אליו, נוצר הפרש מתחים (_H‏U‏) על פני הפס. הפרש מתחים זה נקרא מתח Hall‏, והוא פרופורציונלי לעוצמה ולכיוון של השדה המגנטי.

איור 1: מתח Hall‏(_H‏U‏) נוצר כאשר זרם (I) זורם דרך פס מוליך, וקיימת צפיפות שטף מגנטי (B) בניצב לפס. (מקור התמונה: Wikipedia)

כמה מהיתרונות של חיישני אפקט Hall‏ על פני סוגים אחרים של חיישנים ביישומי ג'ויסטיק תעשייתיים הם:

• הם ללא-מגעים ואינם נשחקים עם הזמן.
• הם חסינים בפני אבק, לכלוך, רטיבות ורעידות.
• הם יכולים למדוד תזוזה ליניארית וזוויתית עם דיוק ורזולוציה גבוהים.
• הם יכולים לפעול בתחום רחב של טמפרטורות ומתחים.
• ניתן לשלב אותם בקלות עם אלקטרוניקה דיגיטלית ומיקרו-בקרים.

חיישני אפקט Hall‏ שימושיים במיוחד מכיוון שהם יכולים לגלות גם מיקום וגם זווית. זה הופך אותם למתאימים היטב עבור פקדים רבי-צירים, כגון ג'ויסטיקים עם לא רק פקדי X/Y אלא גם מסעף (Tap) מרכזי בציר Z.

עם זאת, החיישן הוא רק פרמטר תכן אחד שיש לקחת בחשבון. מימוש מוצלח של טאמבסטיק אפקט Hall‏ מצריך התייחסות מדוקדקת למספר פרמטרים פיזיקליים וחשמליים.

הצבת טאמבסטיק על פאנל הבקרה

לעיתים טאמבסטיק יכול להיות מותקן במיקום קבוע מוגן, כמו פאנל בקרה. לעתים קרובות יותר, המפעילים צריכים להיות קרובים לנקודת העבודה ולכן יש להגביל את האפשרויות למיקומים חשופים כמו קונסולות, משענות-יד לרכב, תליונים ותיבות בטן.

אם טאמבסטיק משמש במארז נישא-ביד, יש להקפיד על הגנה מפני נזקי נפילה. יש ליישם אמצעי זהירות בסיסיים כגון התקנה בקצה הקל ביותר של המארז כך שהוא לא יפגע קודם בקרקע, או הגנה עליו באמצעות מגן לטובת אמינות ארוכת טווח.

רכבים מייצגים מצב מסוכן אחר. בקרות בתוך-הרכב בספינות או כלי רכב עלולות להפוך לדוגמה שלילית, לכן חשוב שטאמבסטיקים יהיו בגובה המינימלי האפשרי כדי למנוע פעולה שלא במתכוון העלולה להיות מסוכנת.

בכל אחד מהמצבים הללו, הטאמבסטיקים צריכים לבלוט בלא יותר מ-50 מילימטרים (מ"מ) (2 אינץ') מעל משטח הפאנל. כמו כן חייב להיות מרווח מספיק בין הטאמבסטיק לכל בקרה אחרת על הפאנל, עם מרווח נוסף אם המפעיל עשוי ללבוש כפפות מגושמות.

חיזוק העמידות של ג'ויסטיק בעל פרופיל נמוך

ג'ויסטיקים תעשייתיים נחשפים לעתים קרובות למים נופלים או מכוונים, לכן יש לדרג התקנים אלו לפחות לפי IP66‏. ניתן להשיג זאת באמצעות חותלת גלית, כלומר מעטה גמיש היכול להתרחב ולהתכווץ ככל שהג'ויסטיק זז (איור 2).

ניתן למקם ג'ויסטיק בתוך פאנל דרך מיפתח או להתקין אותו מאחור. בכל מקרה, אסור שהצד התחתון של הפאנל יהיה תחת רסיסי מים, לחות חריגה או אבק, מכיוון שחלק זה של הג'ויסטיק אינו מוגן על ידי החותלת.

איור 2: הרכבה בתוך מיפתח של טאמבסטיק בעל פרופיל נמוך (משמאל) משתמשת במסגרת Bezel‏ וברגים שקועים; הרכבה אחורית (מימין) משתמשת בבורגי מכונה ואומים נלווים אך ללא מסגרת Bezel‏. חותלת גלית מעניקה הגנה עד IP66‏. (מקור התמונה: הכותב, מתוך חומר מקורי של APEM)

כדי למקסם את העמידות, המתכננים צריכים לחפש התקן עם מוט פלב"ם, ביחד עם גימבל מתכת חסון ובסיס יציב עם מגבילים. כפי שצוין קודם לכן, התקנים נישאים-ביד נוטים ליפול, לכן יש לבדוק את הג'ויסטיק כך שיוכל לשרוד נפילה חופשית מגובה של מטר אחד. על המתכננים גם לבדוק אם יש דירוגים מתאימים להגנה מפני רעידות, תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ופריקה אלקטרוסטטית (ESD) בהתאם לתקני IEC החלים.

עמידות בטמפרטורות קיצוניות היא קריטית גם בסביבות קשות. כדוגמה, הג'ויסטיקים בעלי הפרופיל הנמוך סדרת XS של APEM מדורגים לטמפרטורות פעולה של 30°C- עד 85°C+, וטמפרטורות אחסנה של 40°C- עד 110°C+.

לבסוף, אם הטאמבסטיק מיועד לשמש ביישום קריטי לבטיחות (מה שקורה לעתים קרובות), חפשו דירוג Safety Integrity Level‏ (SIL‏ של SIL2‏ או טוב יותר.

שיקולי תכנון של גורמי שימוש אנושיים

לבחירת החומרים הנכונים והתכן הארגונומי עבור הג'ויסטיק יכולה להיות השפעה משמעותית על השימושיות. המתכננים צריכים לזכור שהבקר עשוי להיות רטוב או מלוכלך, והמפעיל עשוי ללבוש כפפות כבדות. לפיכך, כיפת הג'ויסטיק צריכה להיות מחומר כמו ניילון כדי לספק משטח עמיד אך נוח לאחיזה.

כפי שמוצג באיור 3, קיים מגוון של כיפות ג'ויסטיק עבור תרחישים שונים. לדוגמה, ג'ויסטיק XS140SCA12A62000 של APEM מצויד בכיפה בצורת טירה (משמאל). כיפה זו מקלה על המפעיל להרגיש את ציר ה-X וה-Y העיקריים ולעזור לשמור על מסלול ישר. לעומת זאת, ה-XS140SDM12A62000 משתמש בכיפת קצה אצבע המותאמת לתנועה שרירותית.

איור 3: הכיפה בצורת טירה המסופקת עם ה-XS140SCA12A62000 (משמאל) והכיפה השטוחה המסופקת עם ה-XS140SDM12A62000 (מימין) מתאימות לתנועה ליניארית ושרירותית, בהתאמה. (מקור התמונה: הכותב, מתוך חומר מקורי של APEM)

ג'ויסטיקים יכולים להיות מצוידים גם go תחושה מודרכת. ג'ויסטיק כזה נע ביתר קלות לעבר הצירים העיקריים; התרחקות מצירים אלו דורשת יותר כוח. בדומה, ניתן לצייד ג'ויסטיק בכוח ממרכז המגביר את ההתנגדות הכוללת של הג'ויסטיק. לדוגמה, הג'ויסטיק בעל הפרופיל הנמוך סדרת XS של APEM‏ יכול להיות בעל קפץ ממרכז עם כוח חלש עד כדי N‏ 1‏ (ניוטון אחד) או חזק עד כדי N‏ 2.5‏.

לבסוף, ניתן להגדיר ג'ויסטיק עם מגוון של פונקציות הקשורות למיקום המרכז:

• הוספת פונקציית סעף מרכזי מאפשרת להשתמש בג'ויסטיק כמו כפתור, היכול לפשט את פאנל הבקרה ולאפשר פעולות מורכבות יותר.
• לחלופין, ניתן להשתמש בסעף המרכז עבור בדיקת מתח כדי לוודא שספק הכוח פועל כהלכה.
• עבור יישומים הזקוקים למחוון סטטוס פעיל/לא-פעיל, פונקציית גילוי מרכז יכולה לקבוע אם הג'ויסטיק נמצא בשימוש (אין להשתמש בפונקציה זו עבור מטרות בטיחות או אבטחה).

יש לשים לב שהאפשרויות הללו מבטלות זו את האחרת (Mutually Exclusive‏). חשוב לזהות איזו פונקציה מתאימה ביותר למימוש עם ג'ויסטיק, ואילו פונקציות אחרות ניתן למפות לאמצעי בקרה אחרים.

שיקולי תכנון חשמלי

כדי להבטיח אמינות מרבית, חפשו ג'ויסטיק עם חיישני אפקט Hall יתירים. יתר על כן, הספקת-הכוח חייבת להיות מיוצבת בקפידה. אם הספקת-הכוח משתנה אל מחוץ לטולרנס שהוגדר, עלול להיגרם נזק פרמננטי לחיישנים שיבטל את יתרונות היתירות.

יציאות המתח של הג'ויסטיק דורשות גם תכן מוקפד. כצעד ראשון, יש לבחור את סוג אות היציאה (לדוגמה, אפנון רוחב פולס אנלוגי (PWM‏)) ולכוונן את המתח כך שיתאים לכניסות הצפויות של יחידת המיקרו-בקר (MCU) שיקרא אותות אלו. איור 4 ממחיש דוגמה של מתחי יציאה אפשריים כאלה. יש להתחשב גם באימפדנס היציאה. התנגדות עומס נמוכה (לדוגמה, < 10 קילו-אוהם (kΩ‏)) יוצרת סיכון לזרמים גבוהים העלולים להזיק לחיישן.

איור 4: עבור ג'ויסטיקים רבי-צירים, יש לכוונן את שני מתחי היציאה (X/Y) כך שיתאימו לכניסות המיקרו-בקר. (מקור התמונה: APEM)

כפי שצוין קודם לכן, חיישני אפקט Hall‏ הם פגיעים להפרעות מגנטיות. לכן ג'ויסטיק מתוכנן-היטב ישלב מיסוך מגנטי פנימי. יש להקפיד לנתק את הספקת-הכוח כראוי ולהשתמש בסיכוך EMC מתאים. אפילו עם אמצעים אלה, אין להרכיב או להפעיל את הג'ויסטיק ליד שדות מגנטיים חזקים.

סיכום

ככל שהציוד התעשייתי הופך מורכב יותר, המתכננים זקוקים לאמצעי בקרה חסונים יותר כדי להבטיח שלממשק המשתמש יש את רמת הדיוק, הגמישות הכיוונית והמשוב הטקטילי הנדרשים עבור בקרה מדויקת, ובמקביל להיות חסונים ואמינים על פני טמפרטורות קיצוניות ומחזורי שימוש רבים. כפי שהוצג, ג'ויסטיק עם פרופיל נמוך יכול להיות פתרון מצוין. עם התחשבות מתאימה בחיישן המיקום, דירוג ה-IP, הבידוד האלקטרומגנטי והשימושיות האנושית, הנתמכים עם מימוש תכן קפדני, טאמבסטיק כזה יכול לספק יתרונות רבים עבור מגוון רחב של יישומים.