Независимо дали управляваме тежка техника, като мостов кран в машинен цех, роботизирани ръце в производствено предприятие или сложни дистанционни операции, винаги ще има нужда от интуитивно и прецизно управление. Намирането на устройство, което може да преведе нюансираните движения на човешкия оператор в прецизни действия на машината, често в сурова или изискваща среда, е деликатно предизвикателство.

Промишлените електрически джойстици не са просто периферни устройства за видеоигри; те са здрави, специализирани входни устройства, проектирани да издържат на интензивна употреба и да осигуряват критично управление в различни сектори. Принципите на работата им обаче са разработени успоредно с тези на техните аналози за игри и са еволюирали от прости превключвателни конструкции до усъвършенствани системи, базирани на сензори.

Търсите информация за хидравлични органи за управление с джойстик? Разгледайте тази статия.

 

Фигура 1. Цветните джойстици за управление на игри са доста сходни с промишлените си аналози. Изображението е предоставено с любезното съдействие на Adobe Stock

 

Цифрови джойстици за промишлени приложения

Цифровите джойстици са проектирани да осигуряват основни дискретни команди, като движение нагоре, надолу, наляво или надясно, което ги прави идеални за специфични промишлени приложения. Цифровите джойстици функционират чрез регистриране на движение във фиксирани посоки, като нагоре, надолу, наляво и надясно, но това е всичко, което правят. Те не разполагат със средство за измерване на интензитета на движението. Този характер на включване/изключване ги прави подходящи за задачи, изискващи ясни, отчетливи команди, като управление на посоката на конвейерна лента, преместване на кран от точка А до точка Б или активиране на специфични функции в машина.

 

Фигура 2. Цифровите джойстици обикновено се доставят с вече включени превключватели N/O или N/C (AR22A0N-A0A0B). Изображението е предоставено с любезното съдействие на AutomationDirect

 

Характеристики на цифровите джойстици:

• Регистрират движение с фиксирана скорост в фиксирани, дискретни посоки
• Идеални за задачи, изискващи команди за включване/изключване, много подобни на управлението с бутон
• Опростен дизайн, често по-устойчив в сурови среди
• Използват се в приложения, при които не е необходим прецизен контрол на налягането, а ясна посока

В по-старите промишлени системи цифровите джойстици са били широко разпространени, но все още се използват в съвременни системи, където простотата и надеждността са от ключово значение. Например в някои базови системи за обработка на материали, като мостови кранове, цифровият джойстик може да осигури лесно управление на посоката.

 

Окабеляване на цифров джойстик

Като цяло цифровите джойстици представляват по същество бутони и затова се окабеляват по много сходен начин, както е показано на фигурата по-горе. В система с 1 ос джойстикът ще има четири контактни извода — двойка за +x и двойка за -x. В система с 2 оси джойстикът ще има осем извода, тъй като се добавят още четири за +/-y. Ако потребителят натисне джойстика напред, контактът в тази позиция ще се затвори, позволявайки на обекта да се движи в зададената посока с зададената скорост.

 

 

Фигура 3. Окабеляването на цифров джойстик е толкова лесно, колкото окабеляването на обикновен превключвател. Този модел включва 4x комплекта нормално отворени контакти. Изображението е предоставено с любезното съдействие на AutomationDirect

 

Аналогови джойстици за прецизно движение

За да постигнат по-прецизен контрол на движението и скоростта, интеграторите или производителите на машини ще изберат аналогови джойстици, тъй като тези устройства използват потенциометри, променливи резистори, сензори за сила или оптични сензори, за да преобразуват положението на лоста в електрически сигнал. Когато операторът премества джойстика, съпротивлението се променя, което изменя напрежението и позволява плавно, пропорционално управление, от съществено значение за ежедневни задачи като работа с шестосен индустриален робот, управление на CMM по време на програмиране или управление на мобилни роботи.

Характеристики на аналоговите джойстици:

• Непрекъснато управление на множество оси чрез по-широк диапазон на движение
• Променливото съпротивление осигурява пропорционален изход, който преобразува положението на лоста в пропорционален електрически сигнал
• Използват се в приложения, при които е необходимо прецизно управление на скоростта или посоката

 

Джойстици на базата на потенциометри

С развитието на индустриите необходимостта от по-прецизен контрол стана очевидна. Това доведе до разработването на аналогови джойстици, които използват потенциометри за измерване на положението на лоста. Представете си променлив резистор, при който преместването на лоста променя съпротивлението, генерирайки аналогов електрически сигнал, пропорционален на отклонението на лоста, и позволявайки непрекъснато пропорционално управление, което е от съществено значение при задачи като работа с хидравлични системи в строителството или регулиране на скоростта на конвейерни ленти в производството.

Джойстици на базата на потенциометри:

• Осигуряват непрекъснато, пропорционално управление
• Здрава конструкция за промишлени среди
• Много податливи на износване поради механичните компоненти
• От съществено значение за хидравличното управление и регулирането на скоростта

Потенциометрите обаче имат ограничения, особено в сурови промишлени среди, където износването може да влоши точността. За да се справят с този проблем, производителите се насочиха към безконтактни технологии за отчитане.

 

Джойстици със сензори с ефект на Хол

Тези джойстици използват ефекта на Хол — явление, при което магнитно поле създава напрежение в проводник. Магнит, прикрепен към джойстика, се движи спрямо неподвижен сензор с ефект на Хол. Това движение променя магнитното поле и генерира пропорционален аналогов изходен сигнал за напрежение.

 

Фигура 4. Аналогови джойстици с ефект на Хол с две оси. Изображението е предоставено с любезното съдействие на Avioni Technologies

 

Характеристики на сензорите с ефект на Хол:

• Безконтактна работа, която значително намалява износването
• По-висока надеждност и по-дълъг експлоатационен живот в сравнение с потенциометрите
• Подобрена точност и стабилност, особено в среди с прах или отпадъци
• Използват се в области като аерокосмическата индустрия и напредналата роботика

 

Други електрически джойстици

Оптичните джойстици използват светодиоди и фотодетектори за откриване на движение. Кодираният диск или диск, свързан с оста на джойстика, прекъсва светлинните лъчи. След това фотодетекторите генерират аналогови сигнали, пропорционални на позицията на джойстика.

Характеристики на оптичните сензори:

• Безконтактна работа, която минимизира износването
• Висока точност и разделителна способност
• Нечувствителни към електрически шум и магнитни смущения
• Често срещани в медицинското оборудване и роботизираните системи от висок клас

В приложения, изискващи изключително фин контрол, като роботизирана хирургия или дистанционно боравене с опасни материали, се използват сензори за сила (тензодатчици). Тези сензори са достатъчно чувствителни, за да измерват директно силата, приложена от оператора върху джойстика, вместо само неговото преместване. Това позволява изключително прецизно управление. Оптичната сензорна технология може да осигури най-високото ниво на чувствителност, което е от решаващо значение в ситуации, при които дори минимална грешка може да има сериозни последици, например в медицинската индустрия.

Характеристики на джойстиците със сензори за сила:

• Измерват приложената сила, а не преместването
• Осигуряват изключително фин контрол и чувствителност
• От съществено значение за критични приложения като роботизирана хирургия

Интегрирането на усъвършенствани микропроцесори и цифрова обработка на сигнали допълнително подобри възможностите на индустриалните джойстици. Именно нови технологии като тези дават на крайните потребители възможност да активират функции като програмируеми криви на управление, които позволяват на операторите да персонализират реакцията на джойстика според конкретните си нужди.

 

Свързване на аналогов джойстик

Що се отнася до свързването на аналогов джойстик, то е много лесно. Контактите включват извод за GND и извод VCC за захранващото напрежение (обикновено 5 V при интеграция с микроконтролер или 10 V при промишлена употреба). Вероятно има и извод за превключвател, който представлява опционален изход за бутон, разположен в горната част на някои джойстици. Този извод е предназначен за цифров входен модул, но при повечето PLC системи към него трябва да се подадат 24 V.

 

Фигура 5. Контакти за типичен аналогов джойстик с опционално управление чрез бутон (обикновено в горната част на джойстика).

 

Накрая и може би най-важното — ще откриете променливи изходи за X и Y (вероятно означени като VRx и VRy), а при повече управлявани оси е възможно да има и допълнителни изходи. Тези два променливи сигнала ще бъдат свързани към аналогови входове на PLC.

На изображението с примера по-горе виждаме двуосна система: x и y. Контактите VRx и VRy генерират напрежение, пропорционално на положението на джойстика при преместването му. Да приемем, че при система с 10 V, когато отпуснете джойстика, VRx трябва да показва 5 V. При преместване на джойстика наляво или надясно VRx ще показва стойност между 0 и 5 V или между 5 и 10 V, пропорционална на положението му спрямо централната точка.

Забележка: Поради начина на свързване на този превключвател на изображението нашият цифров входен модул трябва да бъде от типа „sourcing“. Vcc от 10 волта ще е подходящо за аналоговото входно напрежение, а 24-те волта, подавани от цифровия модул, също ще са съвместими едновременно с него. Ако превключвателят е свързан към извода Vcc, може да се използва входен модул от типа „sinking“, но не можете едновременно да подадете 24 волта към превключвателя и 10 волта към потенциометъра. Това е донякъде рядък случай, който доказва полезността на захранващ входен модул!

 

Джойстици за управление на човек-машина

В индустриални условия както цифровите, така и аналоговите джойстици са основни инструменти, като всеки от тях има различно предназначение. Докато цифровите джойстици осигуряват надеждни дискретни команди, аналоговите модели предоставят на производителите и интеграторите на машини прецизния контрол, необходим за сложни операции.

Чрез използването на технологии като потенциометри, оптични сензори и силови сензори, индустриалните джойстици са още един инструмент, който може да се използва за изпълнение на ежедневните работни задачи, като гарантира, че всеки оператор може да поддържа прецизен контрол върху почти всяка система.