如何在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確可靠的重型工業(yè)設(shè)備控制

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

重型建筑、工業(yè)、機(jī)器人、船舶和航空設(shè)備的設(shè)計(jì)人員在增加更多功能的同時，也在尋找利用輕便、緊湊的控制系統(tǒng)對精細(xì)操作和運(yùn)動進(jìn)行更精確控制的方法。這些目標(biāo)還必須在艱苦惡劣的環(huán)境中完成，在物理上和電力上都有很大的挑戰(zhàn)性。

為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員需要確保用戶界面具有精確控制所需的精度、方向靈活性和觸覺反饋，同時要在極端溫度下和使用周期內(nèi)保持牢固可靠。

雖然觸摸屏有其存在的價(jià)值，但它缺乏必要的觸覺反饋和牢固性。此外，傳統(tǒng)的 X/Y 操縱桿往往過于笨重，而且缺乏實(shí)現(xiàn)最大方向控制能力所需的信號選項(xiàng)和軸數(shù)。取而代之的是，設(shè)計(jì)人員可以使用短小的操縱桿或指撥搖桿，它們現(xiàn)在能夠以堅(jiān)固的外形提供更精細(xì)的控制。這些小型設(shè)備由使用者的拇指或手指操作，即使在狹窄的環(huán)境中也能輕松實(shí)現(xiàn)多種輸入。

本文簡要討論了現(xiàn)代工業(yè)和其他重型設(shè)備需要更高控制精度的原因，以及短小型指撥搖桿是如何解決相關(guān)問題的。然后，回顧了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則，包括傳感器選擇、耐用性以及物理和電氣設(shè)計(jì)選擇。最后以 [APEM Inc.] 的短小型指撥搖桿為例，對真實(shí)世界中的指撥搖桿進(jìn)行了介紹。

設(shè)備越精密需要的控制就更精確

隨著工作場所需求的日益復(fù)雜和先進(jìn)技術(shù)的不斷采用，造成對更好操作控制的需求的加速增加。這一趨勢促使人們不僅需要更精確、更復(fù)雜的控制裝置，通常還需要更多的運(yùn)動軸。

為了說明這一點(diǎn)，我們可以看看裝卸集裝箱船的海上龍門吊。隨著船只越來越大，起重機(jī)需要更快地工作，以達(dá)到可接受的進(jìn)港時間（這直接影響到利潤）。與此同時，更嚴(yán)格的法規(guī)要求我們要提升安全和環(huán)保因素。

整個港口環(huán)境也在發(fā)生變化。這些港口的船舶、火車、卡車和其他設(shè)備都增加了技術(shù)，從而提高了對高精度協(xié)調(diào)的需求。例如，人們使用自動導(dǎo)引車 (AGV) 在港口內(nèi)穿梭運(yùn)送貨物，且這些 AGV 需要精確地放置貨物。

為了應(yīng)對所有這些因素，起重機(jī)正在從液壓操作轉(zhuǎn)向電動操作。這不僅提高了速度和精度，還通過更復(fù)雜的水平、垂直和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動組合提高了多功能性。

匹配操作控制與設(shè)備功能

為了控制這些日益復(fù)雜的設(shè)備，操作員需要同樣能力的多軸控制器，這些控制器必須精確、可靠且易于使用。

觸摸屏是一種選擇。它們易于使用，可同時接受多路輸入。不過，觸摸屏很敏感，容易發(fā)生誤觸。污垢、濕氣和極端溫度都可能導(dǎo)致故障，屏幕也容易受到物理損壞和電磁干擾。最重要的是，它們不提供觸覺反饋，因此不適合抬頭操作重型設(shè)備。

操縱桿可以解決上述許多問題。將操縱桿安裝在扶手控制臺或腹箱上，可以完成舒適、符合人體工學(xué)的輸入。只要設(shè)計(jì)合理，它們就能經(jīng)受住惡劣環(huán)境條件的考驗(yàn)。它們還能向操作員提供物理反饋，讓操作員視覺焦點(diǎn)始終集中在工作區(qū)。

不過，傳統(tǒng)操縱桿在狹窄的環(huán)境中會占用大量空間，而且會突出來，容易造成意外操作。即使在空間充裕的情況下，操縱桿也要求操作員做出相對較大的動作，這就限制了操縱桿的精度。

指撥搖桿通過將操縱桿縮小到更易于管理的尺寸解決了這些問題。通過拇指或手指操作，這些短小的裝置可將意外操作的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。它們可以實(shí)現(xiàn)精確流暢的輸入，操作員可以輕松地同時操縱兩個指撥搖桿，從而解決了多路輸入的問題。

短小型操縱桿特別適合便攜式控制器，如腹箱或手持設(shè)備。但是，任何空間有限的應(yīng)用都能受益其縮小的尺寸。

選擇合適的傳感器

當(dāng)然，并不是所有的指撥搖桿都是一樣的。首先，它們可以使用各種位置傳感器，包括電位計(jì)（即電阻式）、電感式、光電式或霍爾效應(yīng)（即磁性）傳感器。這些方案各有利弊：

• 電位計(jì)傳感器簡單便宜，但壽命有限。
• 電感式傳感器更加可靠，但對溫度變化和電磁干擾 (EMI) 比較敏感。
• 光電傳感器精度高，但易受灰塵、濕氣和物理損壞的影響。
• 霍爾效應(yīng)傳感器準(zhǔn)確耐用，但會受到強(qiáng)磁場的影響。

考慮到所有這些權(quán)衡因素，霍爾效應(yīng)傳感器通常是在惡劣環(huán)境中進(jìn)行高精度傳感的最佳選擇?；魻栃?yīng)傳感器的工作電壓為標(biāo)準(zhǔn)的 3.3 伏或 5 伏直流電壓 (DC)，與堅(jiān)固耐用的機(jī)械裝置配合使用，可使設(shè)備的預(yù)期使用壽命達(dá)到 1000 萬次。

霍爾效應(yīng)傳感器在兩個電極之間放置一層薄薄導(dǎo)電材料（圖 1）。當(dāng)電流 (I) 流過帶這個導(dǎo)電帶，且磁場 (B) 與之垂直時，導(dǎo)電帶上就會產(chǎn)生電壓差 ( 呃 )。這一電壓差稱為霍爾電壓，與磁場強(qiáng)度和方向成正比。

圖 1：當(dāng)電流 (I) 流過導(dǎo)電帶，且磁通密度 (B) 垂直于導(dǎo)電帶時，就會產(chǎn)生霍爾電壓 ( 呃 )。（圖片來源：維基百科）

與工業(yè)操縱桿應(yīng)用中的其他類型傳感器相比，霍爾效應(yīng)傳感器的優(yōu)勢在于：

• 非接觸式，不會隨著時間的推移而磨損。
• 不受灰塵、污垢、濕氣和振動的影響。
• 可以高精度、高分辨率地測量線性位移和角位移。
• 可以在很寬的溫度和電壓范圍內(nèi)工作。
• 很容易與數(shù)字電子設(shè)備和微控制器集成。

霍爾效應(yīng)傳感器特別有用，是因?yàn)樗鼈兛梢?a target="_blank">檢測位置和角度。這使得它們非常適合用于多軸控制，例如操縱桿不僅具有 X/Y 控制功能，還具有 Z 軸中心點(diǎn)按功能。

盡管如此，傳感器只是一個需要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。要成功實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)指撥搖桿，需要仔細(xì)考慮多個物理和電氣參數(shù)。

在控制面板上安裝指撥搖桿

有時指撥搖桿會安裝在一個受保護(hù)的固定位置，如控制面板上。更常見的情況是，操作員需要靠近工作區(qū)域，因此只能選擇控制臺、車輛扶手、吊索和腹箱等容易被濫用的位置。

如果在手持式外殼中使用指撥搖桿，則必須注意防止跌落損壞。應(yīng)采取基本的預(yù)防措施，如將其安裝在外殼最輕的一端，使其不會首先著地，或用防護(hù)罩保護(hù)，以確保長期可靠性。

車輛是另一種危險(xiǎn)情況。傾斜的船舶或車輛上的控制裝置可能會成為一個拙劣的抓手，因此必須將指撥搖桿保持在盡可能低的高度，以避免潛在危險(xiǎn)的意外操作。

在上述任何一種情況下，指撥搖桿伸出板面上方的高度不應(yīng)超過約 50 毫米 (mm)（2 英寸）。指撥搖桿與面板上的任何其他控制裝置之間也必須有足夠的間隙，如果操作員可能戴有厚實(shí)的手套，還必須留有額外的間隙。

讓短小型操縱桿堅(jiān)固耐用

工業(yè)操縱桿經(jīng)常會被水濺或水浸中，因此這些設(shè)備的防護(hù)等級至少需要達(dá)到 IP66。這可以通過回旋保護(hù)罩來實(shí)現(xiàn)，即外裝一個可以隨著操縱桿移動和伸縮的柔性護(hù)套（圖 2）。

操縱桿可放置在面板開口處或從背面安裝。無論哪種情況，面板底部都不能有水霧、過度潮濕或灰塵，因?yàn)槭直倪@一部分不受保護(hù)罩的保護(hù)。

圖 2：短小型指撥搖桿的嵌裝（左）使用了擋板和沉頭螺釘；后端安裝（右）使用機(jī)械螺釘和螺母，但不使用擋板?；匦Ｗo(hù)罩的防護(hù)等級為 IP66。（圖片來源：作者摘自 APEM 原始資料）

為了最大限度地提高耐用性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋找一種配有不銹鋼軸、類似堅(jiān)固型金屬墊圈、底座機(jī)械裝置和限位器的設(shè)備。如前所述，手持設(shè)備很容易跌落，因此操縱桿應(yīng)通過 1 米 (m) 自由跌落測試。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)適用的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)檢查振動、電磁兼容性 (EMC) 和靜電放電 (ESD) 保護(hù)的額定值是否合適。

在惡劣的環(huán)境中，耐極端溫度也至關(guān)重要。例如，APEM 的 [XS 系列]短小型操縱桿的額定工作溫度為 -30°C 至 +85°C，存儲溫度為 -40°C 至 +110°C。

最后，如果指撥搖桿要用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用（通常就是這種情況），則應(yīng)選擇安全完整性等級 (SIL) 達(dá) SIL2 或更高等級的產(chǎn)品。

人的可用性因素設(shè)計(jì)考慮

操縱桿選擇的材料是否合適，設(shè)計(jì)是否符合人體工程學(xué)，會對其可用性產(chǎn)生重大影響。設(shè)計(jì)人員需要牢記，控制器可能是濕的或臟的，操作員可能戴著厚厚的手套。因此，操縱桿帽應(yīng)使用尼龍等材料，以提供耐用且易于抓握的表面。

如圖 3 所示，操縱桿帽各不相同，可用于不同的應(yīng)用場景。例如，APEM 的 [XS140SCA12A62000] 指尖操縱桿配有城堡蓋（左）。這個蓋子使操作員更容易感覺到主 X 軸和主 Y 軸，有助于保持直線軌跡。相比之下，[XS140SDM12A62000] 使用的是適合任意運(yùn)動的指尖帽。

圖 3：XS140SCA12A62000（左）上提供的城堡頂和 XS140SDM12A62000（右）上提供的平帽分別適用于線性運(yùn)動和任意運(yùn)動。（圖片來源：作者摘自 APEM 原始資料）

操縱桿還可配上引導(dǎo)感。這樣操縱桿更容易向主軸移動，而遠(yuǎn)離這些軸則需要更大的力。同樣，操縱桿也可以配備定心力，以增加操縱桿的整體阻力。例如，APEM XS 系列短小型操縱桿可以用輕至 1 牛頓 (N) 或強(qiáng)至 2.5 N 的力彈向中心。

最后，操縱桿可以配置與中心位置相關(guān)的各種功能：

• 添加中心點(diǎn)按功能可使操縱桿像按鈕一樣使用，從而簡化控制面板并實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作。
• 另外，中心點(diǎn)按還可用于電壓測試，以確保電源正常工作。
• 對于需要活動/非活動狀態(tài)指示器的應(yīng)用，中心檢測功能可確定操縱桿是否正在使用（該功能不得用于安全或安保目的）。

請注意，這些選項(xiàng)是相互排斥的。重要的是要確定哪些功能最適合在操縱桿上實(shí)現(xiàn)，哪些功能可以運(yùn)用到其他控制器上。

電氣設(shè)計(jì)考慮因素

為確保最高可靠性，請選擇帶有冗余霍爾效應(yīng)傳感器的操縱桿。此外，還必須仔細(xì)調(diào)節(jié)電源。如果電源的變化超出了規(guī)定的公差范圍，則可能會對傳感器造成永久性損壞，從而失去冗余的優(yōu)勢。

操縱桿的電壓輸出也需要精心設(shè)計(jì)。第一步，應(yīng)選擇輸出信號類型（如模擬或脈寬調(diào)制 (PWM)）和電壓比例，以便與讀取這些信號的微控制器 (MCU) 的預(yù)期輸入相匹配。圖 4 舉例說明了這種可能的輸出電壓。輸出阻抗也應(yīng)考慮在內(nèi)。負(fù)載電阻過低（例如小于 10 千歐 (kΩ)）會產(chǎn)生大電流風(fēng)險(xiǎn)，從而損壞傳感器。

圖 4：對于多軸操縱桿，兩個輸出電壓 (X/Y) 的比例應(yīng)與 MCU 輸入相匹配。（圖片來源：APEM）

如前所述，霍爾效應(yīng)傳感器容易受到磁場干擾。因此，設(shè)計(jì)精良的操縱桿將包含內(nèi)部磁屏蔽。應(yīng)注意電源的正確去耦，并采用足夠的 EMC 屏蔽。即使采取了這些措施，操縱桿也不應(yīng)在強(qiáng)磁場附近安裝或操作。

結(jié)語

隨著工業(yè)設(shè)備日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要采用更強(qiáng)大的控制裝置，以確保用戶界面具有精確控制所需的精度、方向靈活性和觸覺反饋，同時在極端溫度下和使用周期內(nèi)保持穩(wěn)定可靠。綜上所述，短小型操縱桿是一種良好的解決方案。只要位置傳感器、IP 防護(hù)等級、電磁隔離和人的可用性考慮得當(dāng)，并輔以精心的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，這種指撥搖桿就能讓各種各樣的應(yīng)用受益。