Como obter um controle preciso e confiável de equipamentos industriais pesados em ambientes rústicos

Os projetistas de equipamentos de construção pesada, industriais, robóticos, marítimos e aeronáuticos estão adicionando mais funcionalidades e, ao mesmo tempo, procurando maneiras de implementar um controle cada vez mais preciso de operações e movimentos delicados usando sistemas de controle leves e compactos. Esses objetivos também devem ser alcançados em um ambiente rústico e implacável, que é física e eletricamente desafiador.

Para atender a essas demandas, os projetistas precisam garantir que a interface do usuário tenha o nível de precisão, a flexibilidade direcional e a resposta tátil necessários para um controle preciso e, ao mesmo tempo, seja robusta e confiável em temperaturas extremas e ciclos de uso.

Embora as telas sensíveis ao toque tenham seu lugar, elas não têm a resposta tátil e a robustez necessárias. Além disso, os joysticks X/Y clássicos tendem a ser muito volumosos e a não ter o número de opções de sinalização e eixos necessários para o máximo controle direcional. Em vez disso, os projetistas podem usar joysticks de baixo perfil, conhecidos como thumbsticks ou manípulos analógicos, que agora são capazes de fornecer um controle mais refinado em um fator de forma robusto. Operados pelo polegar ou pelos dedos do usuário, esses pequenos dispositivos oferecem acesso fácil a várias entradas, mesmo em ambientes apertados.

Este artigo discute brevemente por que os equipamentos industriais modernos e outros equipamentos pesados exigem controles de maior precisão e como os manípulos analógicos de baixo perfil resolvem os problemas relevantes. Em seguida, analisa os principais critérios de projeto e implementação, incluindo a seleção do sensor, a robustez e as opções de projeto físico e elétrico. Os manípulos analógicos reais e de baixo perfil da APEM Inc. são usados como exemplos.

Equipamentos mais sofisticados precisam de controles mais precisos

A necessidade de melhores controles do operador se acelerou devido a duas tendências principais: a crescente complexidade das demandas do local de trabalho e a adoção de tecnologias avançadas. Essas tendências estão gerando a necessidade não apenas de controles mais precisos, mas também de controles mais complexos, muitas vezes com mais eixos de movimento.

Para ilustrar esse ponto, considere os guindastes de pórtico marítimo que carregam e descarregam navios de contêineres. À medida que os navios ficam maiores, os guindastes precisam trabalhar mais rápido para atingir um tempo aceitável no porto (o que afeta diretamente os lucros). Ao mesmo tempo, regulamentações mais rígidas exigem melhorias na segurança e no impacto ambiental.

Todo o ambiente portuário também está passando por mudanças. Os navios, trens, caminhões e outros equipamentos nesses portos têm tecnologias adicionais que aumentam a necessidade de coordenação de alta precisão. Por exemplo, os veículos guiados automatizados (AGVs) estão sendo usados para transportar cargas pelo porto, e esses AGVs exigem precisão no posicionamento da carga.

Para lidar com todos esses fatores, os guindastes estão mudando da operação hidráulica para a elétrica. Isso não apenas aumenta a velocidade e a precisão, mas também melhora a versatilidade, permitindo combinações mais complexas de percurso horizontal, vertical e rotativo.

Combinando os controles do operador com os recursos do equipamento

Para controlar esse equipamento cada vez mais sofisticado, os operadores precisam de controles multieixos igualmente capazes, que devem ser precisos, confiáveis e fáceis de usar.

As telas sensíveis ao toque são uma opção. Elas são fáceis de usar e podem acomodar prontamente várias entradas simultâneas. Entretanto, as telas táteis são sensíveis e propensas a toques acidentais. Sujeira, umidade e temperaturas extremas podem causar mau funcionamento, e as telas são vulneráveis a danos físicos e interferência eletromagnética. O mais importante é que elas não oferecem resposta tátil, o que as torna inadequadas para a operação atenta de equipamentos pesados.

Os joysticks resolvem muitos desses problemas. A montagem de um joystick em um console de apoio de braço ou em uma caixa de colo proporciona uma entrada confortável e ergonômica. Com um projeto adequado, eles podem resistir a condições ambientais adversas. Eles também podem fornecer resposta física ao operador, mantendo o foco visual no espaço de trabalho.

No entanto, os joysticks tradicionais podem ocupar muito espaço em ambientes apertados e podem ficar expostos, o que os torna suscetíveis a operações não intencionais. Mesmo quando o espaço é abundante, o fato de os joysticks exigirem que os operadores façam movimentos relativamente grandes limita sua precisão.

Os manípulos analógicos resolvem esses problemas reduzindo os joysticks a um tamanho mais manejável. Operados com o polegar ou o dedo, esses dispositivos de baixo perfil minimizam o risco de operação acidental. Eles permitem entradas precisas e suaves, e os operadores podem manejar facilmente dois manípulos analógicos ao mesmo tempo, resolvendo o problema de várias entradas.

Os joysticks de baixo perfil são particularmente adequados para controladores portáteis, como caixas de colo ou dispositivos de mão. Mas qualquer aplicação com espaço limitado pode se beneficiar de seu tamanho reduzido.

Selecionando o sensor certo

É claro que nem todos os manípulos analógicos são criados iguais. Para começar, eles podem usar uma variedade de sensores de posição, incluindo potenciométricos (ou seja, resistivos), indutivos, fotoelétricos ou de efeito Hall (ou seja, magnéticos). Cada uma dessas opções tem seus próprios prós e contras:

• Os sensores potenciométricos são simples e baratos, mas têm uma vida útil limitada.
• Os sensores indutivos são mais confiáveis, mas são sensíveis às mudanças de temperatura e à interferência eletromagnética (EMI).
• Os sensores fotoelétricos são precisos, mas são vulneráveis a poeira, umidade e danos físicos.
• Os sensores de efeito Hall são precisos e duráveis, mas podem ser afetados por campos magnéticos fortes.

Considerando todas essas vantagens e desvantagens, um sensor de efeito Hall costuma ser a melhor opção para sensoriamento de alta precisão em um ambiente rústico. Os sensores de efeito Hall, que operam em corrente contínua (CC) padrão de 3,3 ou 5 volts e são implementados em conjunto com mecânicas robustas, resultam em um dispositivo que pode suportar uma vida útil esperada de 10 milhões de ciclos.

Os sensores de efeito Hall colocam uma tira fina de material condutor entre dois eletrodos (Figura 1). Quando uma corrente (I) flui através da tira e um campo magnético (B) é aplicado perpendicularmente a ela, uma diferença de tensão (U_H) é gerada através da tira. Essa diferença de tensão é chamada de tensão Hall, que é proporcional à intensidade e à direção do campo magnético.

Figura 1: A tensão Hall (U_H) é gerada quando uma corrente (I) flui por uma tira condutora e uma densidade de fluxo magnético (B) é colocada perpendicularmente à tira. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Algumas vantagens dos sensores de efeito Hall em relação a outros tipos de sensores em aplicações de joystick industrial são:

• Eles são sem contato e não se desgastam com o tempo.
• Eles são imunes a poeira, sujeira, umidade e vibração.
• Eles podem medir o deslocamento linear e angular com alta precisão e resolução.
• Eles podem operar em uma ampla faixa de temperaturas e tensões.
• Eles podem ser facilmente integrados a eletrônicos digitais e microcontroladores.

Os sensores de efeito Hall são particularmente úteis porque podem detectar tanto a posição quanto o ângulo. Isso os torna adequados para controles de vários eixos, como joysticks com controles X/Y e também uma derivação central no eixo Z.

Dito isso, o sensor é apenas um parâmetro de projeto a ser considerado. A implementação bem-sucedida de um manípulo analógico de efeito Hall exige a consideração cuidadosa de vários parâmetros físicos e elétricos.

Colocação de um manípulo analógico no painel de controle

Às vezes, um manípulo analógico pode ser montado em um local fixo protegido, como um painel de controle. Na maioria das vezes, os operadores precisam estar próximos ao trabalho, limitando as opções a locais de fácil manuseio, como consoles, apoios de braço de veículos, pendentes e caixas de colo.

Se o manípulo analógico for usado em um gabinete portátil, deve-se tomar cuidado para protegê-lo contra quedas. Precauções básicas, como montá-lo na extremidade mais leve do gabinete para que ele não bata no chão primeiro ou protegê-lo com uma guarnição, devem ser implementadas para garantir a confiabilidade a longo prazo.

Os veículos são outra situação de risco. Os controles a bordo de uma embarcação ou veículo em movimento podem servir como um apoio para as mãos, portanto, é importante manter os manípulos analógicos na altura mínima possível para evitar uma operação acidental potencialmente perigosa.

Em qualquer uma dessas situações, os manípulos analógicos não devem se estender mais do que 50 milímetros (mm) (2 polegadas (in.)) acima de uma superfície do painel. Também deve haver folga suficiente entre o manípulo analógico e quaisquer outros controles no painel, com folga extra se o operador usar luvas volumosas.

Robustez de um joystick de baixo perfil

Os joysticks industriais são frequentemente expostos a quedas ou à água direcionada, portanto, esses dispositivos precisam ser classificados, no mínimo, como IP66. Isso pode ser feito com uma cobertura envolvente, ou seja, uma luva flexível que pode se expandir e contrair conforme o joystick se move (Figura 2).

Um joystick pode ser inserido em um recorte do painel ou montado na parte traseira. Em ambos os casos, a parte inferior do painel não deve estar sujeita a respingos de água, umidade excessiva ou poeira, pois essa seção do joystick não é protegida pela cobertura.

Figura 2: A montagem inserida de um manípulo analógico de baixo perfil (esquerda) usa um engaste e parafusos de cabeça chata; a montagem traseira (direita) usa parafusos de máquina e as respectivas porcas, mas não usa engaste. Uma cobertura envolvente oferece proteção IP66. (Fonte da imagem: Autor, do material de origem da APEM)

Para maximizar a durabilidade, os projetistas devem procurar um dispositivo com um eixo de aço inoxidável, juntamente com um gimbal de metal igualmente resistente e mecanismos e limitadores de base. Conforme observado anteriormente, os dispositivos de mão são propensos a quedas, portanto o joystick deve ser testado para sobreviver a uma queda livre de 1 metro (m). Os projetistas também devem verificar se há classificações apropriadas para proteção contra vibração, compatibilidade eletromagnética (EMC) e descarga eletrostática (ESD), de acordo com as normas IEC aplicáveis.

A resistência a temperaturas extremas também é fundamental em ambientes difíceis. Por exemplo, os joysticks de baixo perfil da série XS da APEM são dimensionados para uma temperatura operacional de -30°C a +85°C e uma temperatura de armazenamento de -40°C a +110°C.

Por fim, se o manípulo analógico for usado em uma aplicação de segurança crítica (o que geralmente acontece), procure uma classificação de nível de integridade de segurança (SIL) de SIL2 ou superior.

Considerações sobre o design de fatores de usabilidade humana

A escolha dos materiais certos e do design ergonômico do joystick pode ter um impacto significativo na usabilidade. Os projetistas precisam ter em mente que o controlador pode estar molhado ou sujo, e o operador pode estar usando luvas pesadas. Portanto, a capa do joystick deve usar um material como o náilon para proporcionar uma superfície durável e de fácil aderência.

Conforme ilustrado na Figura 3, há uma variedade de capas de joystick disponíveis para diferentes cenários. Por exemplo, o joystick de ponta de dedo XS140SCA12A62000 da APEM é equipado com uma capa em forma de castelo (esquerda). Essa capa facilita para o operador sentir os eixos principais X e Y, o que pode ajudar a manter uma trajetória reta. Por outro lado, o XS140SDM12A62000 usa uma capa de ponta de dedo que é adequada para movimentos arbitrários.

Figura 3: A parte superior em forma de castelo fornecida no XS140SCA12A62000 (esquerda) e a capa plana fornecida no XS140SDM12A62000 (direita) são adequadas para movimentos lineares e arbitrários, respectivamente. (Fonte da imagem: Autor, do material de origem da APEM)

Os joysticks também podem ser equipados com uma sensação guiada. Esse joystick se move mais prontamente em direção aos eixos principais; afastar-se desses eixos exige mais força. Da mesma forma, um joystick pode ser equipado com uma força de centralização que aumenta a resistência geral do joystick. Por exemplo, o joystick de baixo perfil da série APEM XS pode ser direcionado para o centro com uma força tão leve quanto 1 newton (N) ou tão forte quanto 2,5 N.

Por fim, um joystick pode ser configurado com uma variedade de funções relacionadas à posição central:

• A adição de uma função de derivação central permite que o joystick seja usado como um botão, o que pode simplificar o painel de controle e permitir ações mais complexas.
• Como alternativa, a derivação central pode ser usada para um teste de tensão para garantir que a fonte de alimentação esteja funcionando corretamente.
• Para aplicações que precisam de um indicador de status ativo/inativo, uma função de detecção central pode determinar se o joystick está em uso (essa função não deve ser usada para fins de segurança ou proteção).

Observe que essas opções são mutuamente exclusivas. É importante identificar qual função é mais adequada para ser implementada no joystick e quais outras funções podem ser mapeadas para outros controles.

Considerações sobre o projeto elétrico

Para garantir a máxima confiabilidade, procure um joystick com sensores de efeito Hall redundantes. Além disso, a fonte de alimentação deve ser cuidadosamente regulada. Se a fonte de alimentação for alterada fora das tolerâncias especificadas, poderão ocorrer danos permanentes aos sensores, anulando os benefícios da redundância.

As saídas de tensão do joystick também exigem um projeto cuidadoso. Como primeira etapa, o tipo de sinal de saída (por exemplo, analógico ou modulação por largura de pulso (PWM)) deve ser selecionado e a tensão deve ser dimensionada para corresponder às entradas esperadas da unidade microcontroladora (MCU) que lerá esses sinais. A Figura 4 ilustra um exemplo dessas possíveis tensões de saída. A impedância de saída também deve ser considerada. Uma baixa resistência de carga (por exemplo, < 10 quilo-ohms (kΩ)) cria um risco de altas correntes que podem danificar o sensor.

Figura 4: Para joysticks de vários eixos, as duas tensões de saída (X/Y) devem ser dimensionadas para corresponder às entradas da MCU. (Fonte da imagem: APEM)

Conforme observado anteriormente, os sensores de efeito Hall são vulneráveis à interferência magnética. Portanto, um joystick bem projetado incorporará uma tela magnética interna. Deve-se tomar cuidado para desacoplar a fonte de alimentação adequadamente e usar blindagem EMC adequada. Mesmo com essas medidas em vigor, o joystick não deve ser montado ou operado próximo a campos magnéticos fortes.

Conclusão

À medida que os equipamentos industriais se tornam mais complexos, os projetistas precisam de controles mais robustos para garantir que a interface do usuário tenha o nível de precisão, a flexibilidade direcional e a resposta tátil necessários para um controle preciso e, ao mesmo tempo, seja robusta e confiável em temperaturas extremas e ciclos de uso. Como mostrado, um joystick de baixo perfil pode ser uma excelente solução. Com a devida consideração do sensor de posição, da classificação IP, da isolação eletromagnética e da usabilidade humana, com o apoio de uma implementação cuidadosa do projeto, esse manípulo analógico pode oferecer muitos benefícios para uma ampla gama de aplicações.