Indipendentemente dal fatto che ci si trovi a manovrare macchinari pesanti, come una gru a ponte in un’officina meccanica, bracci robotici in uno stabilimento produttivo o complesse operazioni da remoto, ci sarà sempre bisogno di un controllo intuitivo e preciso. Trovare un dispositivo in grado di tradurre i movimenti sfumati di un operatore umano in azioni precise della macchina, spesso in ambienti difficili o impegnativi, è una sfida delicata.

I joystick elettrici industriali non sono semplici periferiche per videogiochi; sono dispositivi di input robusti e specializzati, progettati per resistere a un uso intensivo e fornire un controllo essenziale in vari settori. I principi alla base del loro funzionamento, tuttavia, sono stati sviluppati parallelamente a quelli delle loro controparti per il gaming e si sono evoluti da semplici configurazioni con interruttori a sofisticati sistemi basati su sensori.

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Figura 1. I joystick colorati per videogiochi sono molto simili alle loro controparti industriali. Immagine utilizzata per gentile concessione di Adobe Stock

 

Joystick digitali per applicazioni industriali

I joystick digitali sono stati progettati per fornire comandi discreti di base, come spostarsi verso l’alto, il basso, sinistra o destra, rendendoli ideali per applicazioni industriali specifiche. I joystick digitali funzionano registrando il movimento in direzioni fisse, come alto, basso, sinistra e destra, ma fanno solo questo. Non dispongono di un sistema per misurare l’intensità del movimento. Questa natura on/off li rende adatti alle attività che richiedono comandi chiari e distinti, come controllare la direzione di un nastro trasportatore, spostare una gru dal punto A al punto B o attivare funzioni specifiche in una macchina.

 

Figura 2. I joystick digitali sono generalmente dotati di interruttori N/O o N/C già inclusi (AR22A0N-A0A0B). Immagine utilizzata per gentile concessione di AutomationDirect

 

Caratteristiche dei joystick digitali:

• Registrano il movimento a una velocità fissa in direzioni fisse e discrete
• Ideali per attività che richiedono comandi on/off molto simili al controllo tramite pulsanti
• Design semplice, spesso più robusto negli ambienti difficili
• Utilizzati nelle applicazioni in cui non è necessaria una pressione precisa, ma è richiesta una direzione chiara

Negli impianti industriali più datati, i joystick digitali erano molto diffusi, ma vengono ancora utilizzati nei sistemi moderni in cui semplicità e affidabilità sono fondamentali. Ad esempio, in alcuni sistemi di movimentazione dei materiali di base, come una gru a ponte, un joystick digitale può fornire un semplice controllo direzionale.

 

Cablaggio dei joystick digitali

Nel complesso, i joystick digitali sono essenzialmente pulsanti e vengono quindi cablati in modo molto simile, come mostrato nella figura sopra. In un sistema a 1 asse, il joystick dispone di quattro terminali di contatto, una coppia per indicare +x e una coppia per -x. In un sistema a 2 assi, il joystick dispone di otto terminali, poiché vengono aggiunti altri quattro terminali per +/-y. Se l’utente spinge il joystick in avanti, il contatto in quella posizione si chiude, consentendo all’oggetto di muoversi nella direzione e alla velocità impostate.

 

 

Figura 3. Il cablaggio di un joystick digitale è semplice quanto quello di un normale interruttore. Questo modello include 4 serie di contatti normalmente aperti. Immagine utilizzata per gentile concessione di AutomationDirect

 

Joystick analogici per movimenti regolati con precisione

Per consentire agli integratori o ai costruttori di macchine di ottenere un controllo più preciso del movimento e della velocità, i joystick analogici rappresentano la scelta degli integratori, poiché questi dispositivi utilizzano potenziometri, resistori variabili, sensori di forza o sensori ottici per tradurre la posizione della leva in un segnale elettrico. Quando l’operatore muove il joystick, la resistenza cambia, modificando la tensione e consentendo un controllo fluido e proporzionale, essenziale per attività quotidiane come il funzionamento di un robot industriale a sei assi, il controllo di una CMM durante la programmazione o il controllo di robot mobili.

Caratteristiche dei joystick analogici:

• Controllo continuo di più assi attraverso un’ampia gamma di movimento
• La resistenza variabile genera un’uscita proporzionale che traduce la posizione della leva in un segnale elettrico proporzionale
• Utilizzati nelle applicazioni in cui è necessario un controllo preciso della velocità o della direzione

 

Joystick basati su potenziometro

Con l’evoluzione dei settori industriali, è diventata evidente la necessità di un controllo più preciso. Ciò ha portato allo sviluppo dei joystick analogici, che utilizzano potenziometri per misurare la posizione della leva. Immaginate un resistore variabile: muovendo la leva si modifica la resistenza, generando un segnale elettrico analogico proporzionale allo spostamento della leva e consentendo un controllo continuo e proporzionale, essenziale per attività come il funzionamento di sistemi idraulici nel settore delle costruzioni o la regolazione della velocità dei nastri trasportatori nella produzione.

Joystick basati su potenziometro:

• Offrono un controllo continuo e proporzionale
• Design robusto per gli ambienti industriali
• Molto soggetti all’usura a causa dei componenti meccanici
• Essenziali per i sistemi idraulici e la regolazione della velocità

Tuttavia, i potenziometri presentano dei limiti, soprattutto negli ambienti industriali difficili, dove l’usura può compromettere la precisione. Per ovviare a questo problema, i produttori si sono rivolti alle tecnologie di rilevamento senza contatto.

 

Joystick con sensore a effetto Hall

Questi joystick sfruttano l’effetto Hall, un fenomeno in cui un campo magnetico genera una tensione in un conduttore. Un magnete collegato al joystick si muove rispetto a un sensore a effetto Hall fisso. Questo movimento modifica il campo magnetico e genera un’uscita analogica di tensione proporzionale.

 

Figura 4. Joystick analogici a effetto Hall a doppio asse. Immagine utilizzata per gentile concessione di Avioni Technologies

 

Caratteristiche dei sensori a effetto Hall:

• Funzionamento senza contatto, con una significativa riduzione dell’usura
• Maggiore affidabilità e durata più lunga rispetto ai potenziometri
• Maggiore precisione e stabilità, soprattutto in ambienti con polvere o detriti
• Utilizzati in settori come l’aerospazio e la robotica avanzata

 

Altri joystick elettrici

I joystick con sensore ottico utilizzano LED e fotorilevatori per rilevare il movimento. Un disco o una ruota codificata, collegata all’albero del joystick, interrompe i fasci luminosi. I fotorilevatori producono quindi segnali analogici proporzionali alla posizione del joystick.

Caratteristiche dei sensori ottici:

• Funzionamento senza contatto, per ridurre al minimo l’usura
• Elevata precisione e risoluzione
• Immuni al rumore elettrico e alle interferenze magnetiche
• Comuni nelle apparecchiature medicali e nei sistemi robotici di fascia alta

Nelle applicazioni che richiedono un controllo estremamente preciso, come la chirurgia robotica o la gestione a distanza di materiali pericolosi, vengono impiegati sensori di forza (estensimetri). Questi sensori sono abbastanza sensibili da misurare direttamente la forza applicata dall’operatore al joystick, anziché rilevarne soltanto lo spostamento. Ciò consente una manipolazione incredibilmente precisa. La tecnologia dei sensori ottici può offrire il massimo livello di sensibilità, fondamentale nelle situazioni in cui anche un errore minimo può avere conseguenze significative, come nel settore medico.

Caratteristiche dei joystick con sensore di forza:

• Misurano la forza applicata, non lo spostamento
• Offrono un controllo e una sensibilità estremamente precisi
• Essenziali per applicazioni critiche come la chirurgia robotica

L'integrazione di microprocessori avanzati e dell'elaborazione digitale dei segnali ha ulteriormente ampliato le capacità dei joystick industriali. Sono proprio tecnologie come queste a consentire agli utenti finali di attivare funzioni come curve di controllo programmabili, che permettono agli operatori di personalizzare la risposta del joystick in base alle proprie esigenze.

 

Cablaggio del joystick analogico

Per quanto riguarda il cablaggio di un joystick analogico, è molto semplice. I contatti includeranno un pin per GND e un pin VCC per la tensione di alimentazione (in genere 5 V per l'integrazione con microcontrollori o 10 V per l'uso industriale). Probabilmente sarà presente anche un pin dell'interruttore, ovvero un'uscita opzionale per un pulsante situato sulla parte superiore di alcuni joystick. Questo pin dell'interruttore è destinato a un modulo di ingresso digitale, ma per la maggior parte dei PLC deve essere alimentato con 24 V.

 

Figura 5. Contatti di un tipico joystick analogico con un pulsante opzionale (solitamente nella parte superiore del joystick).

 

Infine, e forse soprattutto, saranno presenti uscite variabili per X e Y (forse indicate come VRx e VRy), e probabilmente altre ancora, a seconda del numero di assi controllati. Questi due segnali variabili saranno collegati agli ingressi analogici del PLC.

Nell'immagine dell'esempio precedente vediamo un sistema a due assi: x e y. I contatti VRx e VRy generano una tensione proporzionale alla posizione del joystick quando viene spostato. Supponiamo quindi di avere un sistema a 10 V: quando si rilascia il joystick, VRx dovrebbe indicare 5 V. Spostando il joystick a sinistra o a destra, VRx indicherà un valore compreso tra 0 e 5 V oppure tra 5 e 10 V, proporzionale alla sua posizione rispetto al punto centrale.

Nota: A causa della configurazione del cablaggio di questo interruttore nell'immagine, il nostro modulo di ingresso digitale deve essere di tipo «sourcing». Una Vcc di 10 volt sarà adatta per la tensione di ingresso analogica, mentre i 24 volt forniti dal modulo digitale saranno anch'essi compatibili contemporaneamente. Se l'interruttore è collegato al pin Vcc, è possibile utilizzare un modulo di ingresso di tipo «sinking», ma non è possibile fornire contemporaneamente 24 volt all'interruttore e 10 volt al potenziometro. Questo è un caso piuttosto raro che dimostra l'utilità di un a sourcing modulo di ingresso!

 

Joystick per il controllo uomo-macchina

Negli ambienti industriali, i joystick digitali e analogici sono strumenti essenziali, ciascuno con funzioni specifiche. Mentre i joystick digitali offrono comandi discreti affidabili, i modelli analogici possono fornire a costruttori e integratori di macchinari il controllo preciso necessario per operazioni complesse.

Utilizzando tecnologie come potenziometri, sensori ottici e sensori di forza, i joystick industriali sono un ulteriore strumento che può essere utilizzato per svolgere le attività quotidiane, consentendo a qualsiasi operatore di mantenere un controllo preciso su quasi ogni sistema.