Ať už obsluhujeme těžkou techniku, například mostový jeřáb v dílně, robotická ramena ve výrobním závodě nebo složité systémy ovládané na dálku, vždy bude zapotřebí intuitivní a přesné ovládání. Najít zařízení, které dokáže převést jemné pohyby lidské obsluhy na přesné úkony stroje, často v náročném či nepříznivém prostředí, je nelehká výzva.

Průmyslové elektrické joysticky nejsou pouhými periferiemi pro videohry; jedná se o robustní specializovaná vstupní zařízení navržená tak, aby odolala náročnému používání a poskytovala kritické ovládání v různých odvětvích. Principy jejich fungování se však vyvíjely souběžně s jejich herními protějšky a tato zařízení se vyvinula od jednoduchých konstrukcí se spínači až po sofistikované systémy využívající senzory.

Hledáte informace o hydraulickém ovládání joysticků? Přečtěte si tento článek.

 

Obrázek 1. Barevné joysticky pro ovládání her jsou velmi podobné svým průmyslovým protějškům. Obrázek byl použit s laskavým svolením Adobe Stock

 

Digitální joysticky pro průmyslové aplikace

Digitální joysticky byly navrženy k zadávání základních diskrétních příkazů, jako je pohyb nahoru, dolů, doleva nebo doprava, takže jsou ideální pro konkrétní průmyslové aplikace. Digitální joysticky registrují pohyb v pevných směrech, například nahoru, dolů, doleva a doprava, ale tím také končí jejich funkce. Nemají možnost měřit intenzitu pohybu. Díky této povaze zapnuto/vypnuto se hodí pro úkoly vyžadující jasné, zřetelné příkazy, například řízení směru dopravníkového pásu, přesun jeřábu z bodu A do bodu B nebo aktivaci konkrétních funkcí stroje.

 

Obrázek 2. Digitální joysticky se obvykle dodávají s již zabudovanými spínači N/O nebo N/C (AR22A0N-A0A0B). Obrázek byl použit s laskavým svolením AutomationDirect

 

Charakteristiky digitálních joysticků:

• Registrují pohyb pevnou rychlostí v pevných, diskrétních směrech
• Ideální pro úkoly vyžadující příkazy zapnutí/vypnutí velmi podobné ovládání tlačítkem
• Jednoduchá konstrukce, často odolnější v náročných prostředích
• Používá se v aplikacích, kde není potřeba přesný tlak, ale je důležitý jednoznačný směr

Ve starších průmyslových instalacích byly digitální joysticky běžné, ale i v moderních systémech se stále používají tam, kde je klíčová jednoduchost a spolehlivost. Například v některých základních systémech pro manipulaci s materiálem, jako je mostový jeřáb, může digitální joystick poskytovat jednoduché směrové řízení.

 

Zapojení digitálního joysticku

Digitální joysticky jsou v zásadě tlačítka, a proto se zapojují velmi podobně, jak je znázorněno na obrázku výše. V systému s 1 osou bude mít joystick čtyři kontaktní svorky: dvojici pro indikaci +x a dvojici pro -x. V systému se 2 osami bude mít joystick osm svorek, protože se přidají další čtyři pro +/-y. Když uživatel zatlačí joystick dopředu, kontakt v dané poloze se sepne, což umožní objektu pohybovat se nastaveným směrem nastavenou rychlostí.

 

 

Obrázek 3. Zapojení digitálního joysticku je stejně snadné jako zapojení běžného spínače. Tento obsahuje 4x sady normálně rozpojených kontaktů. Obrázek byl použit s laskavým svolením AutomationDirect

 

Analogové joysticky pro precizní pohyb

Aby integrátoři nebo výrobci strojů dosáhli jemnějšího řízení pohybu a rychlosti, zvolí analogové joysticky, protože tato zařízení používají potenciometry, proměnné rezistory, snímače síly nebo optické snímače k převodu polohy páky na elektrický signál. Když obsluha joystickem pohybuje, mění se odpor, a tím i napětí, což umožňuje plynulé proporcionální řízení nezbytné pro její každodenní úkoly, jako je ovládání šestiosého průmyslového robota, řízení souřadnicového měřicího stroje (CMM) při programování nebo ovládání mobilních robotů.

Charakteristiky analogových joysticků:

• Plynulé řízení více os prostřednictvím širšího rozsahu pohybu
• Proměnný odpor poskytuje proporcionální výstup, který převádí polohu páky na proporcionální elektrický signál
• Používají se v aplikacích, kde je nutné přesně řídit rychlost nebo směr

 

Joysticky s potenciometrem

S vývojem průmyslových odvětví se ukázala potřeba jemnějšího řízení. To vedlo k vývoji analogových joysticků, které k měření polohy páky používají potenciometry. Představte si proměnný rezistor, u něhož pohyb páky mění odpor a vytváří analogový elektrický signál úměrný vychýlení páky, což umožňuje plynulé proporcionální řízení nezbytné například pro ovládání hydraulických systémů ve stavebnictví nebo regulaci rychlosti dopravníkových pásů ve výrobě.

Joysticky založené na potenciometrech:

• Poskytují plynulé proporcionální ovládání
• Robustní konstrukce pro průmyslová prostředí
• Velmi náchylné k opotřebení v důsledku mechanických součástí
• Nezbytné pro hydrauliku a regulaci rychlosti

Potenciometry však mají omezení, zejména v náročných průmyslových prostředích, kde opotřebení může zhoršit přesnost. Výrobci proto začali využívat bezkontaktní snímací technologie.

 

Joysticky se snímačem s Hallovým jevem

Tyto joysticky využívají Hallův jev, což je fenomén, při kterém magnetické pole vytváří ve vodiči napětí. Magnet připevněný k joysticku se pohybuje vzhledem k nepohyblivému snímači s Hallovým jevem. Tento pohyb mění magnetické pole a vytváří proporcionální analogový výstup napětí.

 

Obrázek 4. Analogové joysticky s Hallovým jevem a dvěma osami. Obrázek byl použit se svolením společnosti Avioni Technologies

 

Charakteristiky snímačů s Hallovým jevem:

• Bezkontaktní provoz výrazně snižující opotřebení
• Vyšší spolehlivost a delší životnost ve srovnání s potenciometry
• Vyšší přesnost a stabilita, zejména v prostředích s prachem nebo nečistotami
• Používají se v oblastech, jako je letectví a kosmonautika nebo pokročilá robotika

 

Jiné elektrické joysticky

Optické joysticky využívají LED diody a fotodetektory k detekci pohybu. Kódovaný disk nebo kotouč připojený k hřídeli joysticku přerušuje světelné paprsky. Fotodetektory následně vytvářejí analogové signály úměrné poloze joysticku.

Charakteristiky optických snímačů:

• Bezkontaktní provoz minimalizující opotřebení
• Vysoká přesnost a rozlišení
• Odolné vůči elektrickému šumu a magnetickému rušení
• Běžné ve zdravotnickém vybavení a špičkových robotických systémech

V aplikacích vyžadujících mimořádně jemné ovládání, jako je robotická chirurgie nebo dálková manipulace s nebezpečnými materiály, se používají snímače síly (tenzometry). Tyto snímače jsou dostatečně citlivé na to, aby měřily sílu, kterou obsluha působí přímo na joystick, nikoli pouze jeho posunutí. To umožňuje neuvěřitelně přesnou manipulaci. Technologie optických snímačů může poskytnout nejvyšší úroveň citlivosti, která je klíčová v situacích, kdy i nepatrná chyba může mít závažné následky, například v oblasti zdravotnictví.

Charakteristiky joysticků se snímačem síly:

• Měří působící sílu, nikoli posunutí
• Poskytují mimořádně jemné ovládání a citlivost
• Nezbytné pro kritické aplikace, jako je robotická chirurgie

Integrace pokročilých mikroprocesorů a digitálního zpracování signálu dále rozšířila možnosti průmyslových joysticků. Právě nové technologie, jako jsou tyto, mohou koncovým uživatelům umožnit aktivovat funkce, například programovatelné řídicí křivky, které operátorům umožňují přizpůsobit odezvu joysticku jejich konkrétním potřebám.

 

Zapojení analogového joysticku

Zapojení analogového joysticku je velmi jednoduché. Kontakty zahrnují kolík GND a kolík VCC pro napájecí napětí (obvykle 5 V pro integraci s mikrokontrolérem nebo 10 V pro průmyslové použití). Pravděpodobně zde bude také kolík spínače, který slouží jako volitelný výstup pro tlačítko na horní části některých joysticků. Tento kolík spínače je určen pro modul digitálních vstupů, ale u většiny PLC musí být přivedeno napětí 24 V.

 

Obrázek 5. Kontakty typického analogového joysticku s volitelným ovládáním tlačítkem (obvykle na horní části joysticku).

 

A konečně, a možná především, najdete proměnné výstupy pro osy X a Y (případně označené jako VRx a VRy) a podle počtu ovládaných os možná i další. Tyto dva proměnné signály budou připojeny k analogovým vstupům PLC.

Na výše uvedeném obrázku vidíme dvouosý systém: osu x a osu y. Kontakty VRx a VRy generují napětí úměrné poloze joysticku při jeho pohybu. Řekněme tedy, že u systému s napětím 10 V by měl kontakt VRx po uvolnění joysticku vykazovat 5 V. Při pohybu joysticku doleva nebo doprava bude VRx vykazovat hodnotu mezi 0–5 V nebo mezi 5–10 V, úměrnou jeho poloze vzhledem ke středovému bodu.

Poznámka: Vzhledem ke způsobu zapojení tohoto spínače na obrázku musí být náš modul digitálních vstupů typu „sourcing“. Napětí Vcc o hodnotě 10 voltů bude vhodné pro analogové vstupní napětí a 24 voltů dodávaných digitálním modulem bude současně také kompatibilních. Pokud je spínač připojen ke kolíku Vcc, lze použít modul vstupů typu „sinking“, ale nelze současně zajistit 24 voltů pro spínač a 10 voltů pro potenciometr. Jde o poněkud vzácný případ, který dokazuje užitečnost sourcing vstupní modul!

 

Joysticky pro ovládání člověk–stroj

V průmyslovém prostředí jsou digitální i analogové joysticky nezbytnými nástroji, přičemž každý z nich slouží k jinému účelu. Digitální joysticky nabízejí spolehlivé diskrétní příkazy, zatímco analogové modely mohou konstruktérům strojů a integrátorům poskytnout jemně vyladěné ovládání potřebné pro složité operace.

Používáním technologií, jako jsou potenciometry, optické senzory a silové senzory, představují průmyslové joysticky další nástroj, který lze využít k plnění každodenních pracovních úkolů a který každému operátorovi umožňuje zachovat přesnou kontrolu téměř nad jakýmkoli systémem.