Cómo conseguir un control preciso y fiable de equipos industriales pesados en entornos difíciles

Los diseñadores de equipos pesados para la construcción, la industria, la robótica, la marina y la aeronáutica están añadiendo una mayor funcionalidad, al tiempo que buscan formas de implementar un control cada vez más preciso de operaciones y movimientos delicados utilizando sistemas de control ligeros y compactos. Además, estos objetivos deben alcanzarse en un entorno duro e implacable que supone un desafío tanto físico como eléctrico.

Para satisfacer estas demandas, los diseñadores tienen que asegurarse de que la interfaz de usuario tenga el nivel de precisión, flexibilidad direccional y respuesta táctil necesarios para un control exacto y, al mismo tiempo, sea robusta y fiable a temperaturas extremas y ciclos de uso.

Aunque las pantallas táctiles tienen su lugar, carecen de la necesaria respuesta táctil y robustez. Además, las palancas de mando X/Y clásicas suelen ser demasiado voluminosas y carecer del número de opciones de señalización y ejes necesarios para un control direccional máximo. En su lugar, los diseñadores pueden utilizar palancas de mando de bajo perfil, o thumbsticks, que ahora son capaces de proporcionar un control más refinado en un factor de forma resistente. Estos pequeños dispositivos, que se manejan con el pulgar o los dedos del usuario, facilitan el acceso a múltiples entradas, incluso en espacios reducidos.

En este artículo se explica brevemente por qué los equipos industriales modernos y otros equipos pesados requieren controles de mayor precisión, y cómo las palancas de bajo perfil resuelven los problemas pertinentes. A continuación, revisa los criterios clave de diseño e implementación, incluida la selección de sensores, la resistencias y las opciones de diseño físico y eléctrico. Se utilizan como ejemplo palancas reales de bajo perfil de APEM Inc.

Los equipos más sofisticados necesitan controles más precisos

La necesidad de mejores controles para los operarios se ha acelerado debido a dos tendencias principales: la creciente complejidad de las exigencias del lugar de trabajo y la adopción de tecnologías avanzadas. Estas tendencias están impulsando la necesidad no solo de controles más precisos, sino también más complejos, a menudo con más ejes de movimiento.

Para ilustrar este punto, consideremos las grúas pórtico marítimas que cargan y descargan buques portacontenedores. A medida que los buques se hacen más grandes, las grúas tienen que trabajar más deprisa para lograr un tiempo aceptable en puerto (lo que afecta directamente a los beneficios). Al mismo tiempo, el endurecimiento de la normativa obliga a mejorar la seguridad y el impacto ambiental.

Todo el entorno portuario también está experimentando cambios. Los buques, trenes, camiones y otros equipos de estos puertos han incorporado tecnologías que aumentan la necesidad de una coordinación de alta precisión. Por ejemplo, se están utilizando vehículos de guiado automático (AGV) para transportar carga por el puerto, y estos AGV requieren una colocación precisa de esa carga.

Para hacer frente a todos estos factores, las grúas están pasando del funcionamiento hidráulico al eléctrico. Esto no solo aumenta la velocidad y la precisión, sino que también mejora la versatilidad al permitir combinaciones más complejas de recorridos horizontales, verticales y giratorios.

Adecuación de los controles del operador a las capacidades del equipo

Para controlar estos equipos cada vez más sofisticados, los operadores necesitan controles multieje igualmente capaces, que deben ser precisos, fiables y fáciles de usar.

Las pantallas táctiles son una opción. Son fáciles de usar y admiten varias entradas simultáneas. Sin embargo, las pantallas táctiles son sensibles y propensas a los toques accidentales. La suciedad, la humedad y las temperaturas extremas pueden provocar fallos de funcionamiento, y las pantallas son vulnerables a los daños físicos y a las interferencias electromagnéticas. Y lo que es más importante, no ofrecen retroalimentación táctil, por lo que no son adecuados para manejar equipos pesados con la cabeza levantada.

Las palancas de mando resuelven muchos de estos problemas. El montaje de una palanca de mando en una consola reposabrazos o en una caja ventral proporciona una entrada cómoda y ergonómica. Con un diseño adecuado, pueden soportar duras condiciones ambientales. También pueden proporcionar información física al operador, manteniendo la atención visual en el espacio de trabajo.

Sin embargo, las palancas de mando tradicionales pueden ocupar mucho espacio en entornos estrechos y sobresalir de tal forma que se prestan a un manejo involuntario. Incluso cuando el espacio es abundante, el hecho de que las palancas de mando obliguen a los operadores a realizar movimientos relativamente grandes limita su precisión.

Los Thumbsticks solucionan estos problemas reduciendo las palancas de mando a un tamaño más manejable. Accionados con el pulgar o el dedo, estos dispositivos de bajo perfil minimizan el riesgo de accionamiento accidental. Permiten realizar entradas precisas y suaves, y los operadores pueden manipular fácilmente dos palancas de pulgar a la vez, lo que resuelve el problema de las entradas múltiples.

Las palancas de mando de bajo perfil son especialmente adecuadas para los controladores portátiles, como las cajas de barriga o los dispositivos manuales. Pero cualquier aplicación con espacio limitado puede beneficiarse de su reducido tamaño.

Selección del sensor adecuado

Por supuesto, no todos los pulgares son iguales. Para empezar, pueden utilizar diversos sensores de posición, como potenciométricos (es decir, resistivos), inductivos, fotoeléctricos o de efecto Hall (es decir, magnéticos). Cada una de estas opciones tiene sus pros y sus contras:

• Los sensores potenciométricos son sencillos y baratos, pero tienen una vida útil limitada.
• Los sensores inductivos son más fiables, pero son sensibles a los cambios de temperatura y a las interferencias electromagnéticas (EMI).
• Los sensores fotoeléctricos son precisos, pero vulnerables al polvo, la humedad y los daños físicos.
• Los sensores de efecto Hall son precisos y duraderos, pero pueden verse afectados por campos magnéticos intensos.

Teniendo en cuenta todas estas ventajas y desventajas, un sensor de efecto Hall suele ser la mejor opción para una detección de alta precisión en un entorno exigente. Los sensores de efecto Hall, que funcionan con corriente continua (CC) estándar de 3.3 o 5 voltios y se implementan junto con mecánicas robustas, dan como resultado un dispositivo que puede soportar una vida útil prevista de 10 millones de ciclos.

Los sensores de efecto Hall colocan una fina tira de material conductor entre dos electrodos (figura 1). Cuando circula una corriente (I) por la banda y se aplica un campo magnético (B) perpendicular a ella, se genera una diferencia de voltaje (U_H) a través de la banda. Esta diferencia de tensión se denomina tensión Hall, que es proporcional a la intensidad y dirección del campo magnético.

Figura 1: El voltaje Hall (U_H) se genera cuando una corriente (I) circula por una banda conductora y se coloca una densidad de flujo magnético (B) perpendicular a la banda. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Algunas ventajas de los sensores de efecto Hall sobre otros tipos de sensores en aplicaciones industriales de palanca de mando son:

• No requieren contacto y no se desgastan con el tiempo.
• Son inmunes al polvo, la suciedad, la humedad y las vibraciones.
• Pueden medir desplazamientos lineales y angulares con alta precisión y resolución.
• Pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas y voltajes.
• Pueden integrarse fácilmente con la electrónica digital y los microcontroladores.

Los sensores de efecto Hall son especialmente útiles porque pueden detectar tanto la posición como el ángulo. Esto permite que sean ideales para controles multieje, como palancas de mando que no solo tienen controles X/Y, sino también una toma central en el eje Z.

Dicho esto, el sensor es solo un parámetro de diseño a tener en cuenta. El éxito de la implementación de una palanca de efecto Hall requiere una cuidadosa consideración de varios parámetros físicos y eléctricos.

Colocación de un mando en el panel de control

A veces se puede montar una palanca en un lugar fijo protegido, como un panel de control. Más a menudo, los operarios necesitan estar cerca del trabajo, lo que limita las opciones a lugares de fácil abuso como consolas, reposabrazos de vehículos, colgantes y cajas ventrales.

Si la palanca se utiliza en un gabinete portátil, hay que tener cuidado de protegerla de posibles daños por caídas. Para garantizar la fiabilidad a largo plazo, deben tomarse precauciones básicas, como montarlo en el extremo más ligero del gabinete para que no golpee primero contra el suelo o protegerlo con una cubierta de seguridad.

Los vehículos son otra situación de riesgo. Los mandos a bordo de un barco o vehículo que cabecea pueden servir de asidero poco aconsejable, por lo que es importante mantener los pulgares a la mínima altura posible para evitar un manejo accidental potencialmente peligroso.

En cualquiera de estas situaciones, los pulgares no deben extenderse más de 50 milímetros (mm) (2 pulgadas (in)). por encima de la cara de un panel. También debe haber espacio suficiente entre la palanca de pulgar y cualquier otro control del panel, con espacio adicional si el operador puede llevar guantes voluminosos.

Robustez de una palanca de mando de bajo perfil

Las palancas de mando industriales suelen estar expuestas a caídas o a la acción directa del agua, por lo que estos dispositivos deben tener una clasificación IP66 como mínimo. Esto puede lograrse con una polaina en espiral, es decir, una bota flexible que puede expandirse y contraerse a medida que se mueve la palanca de mando (Figura 2).

Una palanca de mando puede colocarse en un recorte del panel o montarse desde la parte trasera. En cualquier caso, la parte inferior del panel no debe estar sujeta a salpicaduras de agua, humedad excesiva o polvo, ya que esta sección de la palanca de mando no está protegida por la polaina.

Figura 2: El montaje empotrado de una varilla de pulgar de bajo perfil (izquierda) utiliza un bisel y tornillos avellanados; el montaje posterior (derecha) utiliza tornillos para metales y las tuercas correspondientes, pero sin bisel. Un fuelle en espiral proporciona protección IP66. (Imagen: Autor, a partir de material de APEM)

Para maximizar la durabilidad, los diseñadores deben buscar un dispositivo con un eje de acero inoxidable, junto con un cardán de metal igualmente resistente y mecanismos y limitadores de base. Como ya se ha indicado, los dispositivos manuales son propensos a caerse, por lo que la palanca de mando debe probarse para que resista una caída libre de 1 metro (m). Los diseñadores también deben comprobar si los valores nominales son adecuados para la protección contra vibraciones, compatibilidad electromagnética (CEM) y descargas electrostáticas (Descarga electrostática) de acuerdo con las normas IEC aplicables.

La resistencia a temperaturas extremas también es fundamental en entornos difíciles. Por ejemplo, las palancas de mando de bajo perfil de la Serie XS de APEM están preparadas para una temperatura de funcionamiento de -30 °C a +85 °C, y una temperatura de almacenamiento de -40 °C a +110 °C.

Por último, si la palanca se va a utilizar en una aplicación de seguridad crítica (como suele ser el caso), busque un nivel de integridad de la seguridad (SIL) SIL2 o superior.

Consideraciones sobre el diseño de los factores de usabilidad humana

La elección de los materiales adecuados y el diseño ergonómico de la palanca de mando pueden tener un impacto significativo en la usabilidad. Los diseñadores deben tener en cuenta que el controlador puede estar mojado o sucio, y que el operador puede llevar guantes gruesos. Por lo tanto, la tapa de la palanca de mando debe utilizar un material como el nailon para proporcionar una superficie duradera pero de fácil agarre.

Como se ilustra en la figura 3, existe una gran variedad de tapas de palanca de mando para diferentes escenarios. Por ejemplo, la palanca de mando XS140SCA12A62000 de APEM está equipada con una tapa de castillo (izquierda). Esta tapa facilita al operador la percepción de los ejes principales X e Y, lo que puede ayudar a mantener una trayectoria recta. Por el contrario, el XS140SDM12A62000 utiliza una tapa de dedo que se adapta al movimiento arbitrario.

Figura 3: La tapa de castillo de la XS140SCA12A62000 (izquierda) y la tapa plana de la XS140SDM12A62000 (derecha) son adecuadas para movimientos lineales y arbitrarios, respectivamente. (Imagen: Autor, a partir de material de APEM)

Las palancas de mando también pueden equiparse con un tacto guiado. Una palanca de mando de este tipo se mueve más fácilmente hacia los ejes principales; alejarse de estos ejes requiere más fuerza. Del mismo modo, una palanca de mando puede estar equipada con una fuerza de centrado que aumenta la resistencia general de la palanca. Por ejemplo, la palanca de mando de bajo perfil de la Serie APEM XS puede saltar al centro con una fuerza tan ligera como 1 newton (N), o tan fuerte como 2.5 N.

Por último, se puede configurar una palanca de mando con diversas funciones relacionadas con la posición central:

• Añadir una función de toque central permite utilizar la palanca de mando como un botón, lo que puede simplificar el panel de control y permitir acciones más complejas.
• Alternativamente, la toma central se puede utilizar para una prueba de voltaje para asegurarse de que la fuente de alimentación funciona correctamente.
• Para aplicaciones que necesitan un indicador de estado activo/inactivo, una función de detección central puede determinar si la palanca de mando está en uso (esta función no debe utilizarse con fines de seguridad).

Tenga en cuenta que estas opciones se excluyen mutuamente. Es importante identificar qué función es la más adecuada para implementarla en la palanca de mando y qué otras funciones pueden asignarse a otros mandos.

Consideraciones sobre el diseño eléctrico

Para garantizar la máxima fiabilidad, busque una palanca de mando con sensores de efecto Hall redundantes. Además, la fuente de alimentación debe regularse cuidadosamente. Si la fuente de alimentación cambia fuera de las tolerancias especificadas, pueden producirse daños permanentes en los sensores, obviando las ventajas de la redundancia.

Las salidas de voltaje de la palanca de mando también requieren un diseño cuidado. Como primer paso, se debe seleccionar el tipo de señal de salida (por ejemplo, analógica o modulación por ancho de pulsos (PWM)) y escalar el voltaje para que coincida con las entradas previstas de la unidad de microcontrolador (MCU) que leerá estas señales. La figura 4 ilustra un ejemplo de estos posibles voltajes de salida. También hay que tener en cuenta la impedancia de salida. Una resistencia de carga baja (por ejemplo, < 10 kilohmios (kΩ)) crea un riesgo de corrientes elevadas que podrían dañar el sensor.

Figura 4: Para palancas de mando multieje, los dos voltajes de salida (X/Y) deben escalarse para que coincidan con las entradas de la MCU. (Fuente de la imagen: APEM)

Como ya se ha señalado, los sensores de efecto Hall son vulnerables a las interferencias magnéticas. Por tanto, una palanca de mando bien diseñada incorporará un tamizado magnético interno. Debe procurarse desacoplar correctamente la fuente de alimentación y emplear un apantallamiento CEM adecuado. Incluso con estas medidas, la palanca de mando no debe montarse ni utilizarse cerca de campos magnéticos intensos.

Conclusión:

A medida que los equipos industriales se vuelven más complejos, los diseñadores necesitan controles más robustos para garantizar que la interfaz de usuario tenga el nivel de precisión, flexibilidad direccional y respuesta táctil necesarios para un control exacto, y que al mismo tiempo sea resistente y fiable a temperaturas extremas y ciclos de uso. Como se ha demostrado, una palanca de mando de bajo perfil puede ser una solución excelente. Si se tienen debidamente en cuenta el sensor de posición, el grado de protección IP, el aislamiento electromagnético y la facilidad de uso humano, con el apoyo de una cuidadosa implementación del diseño, este tipo de palanca puede ofrecer muchas ventajas para un amplio rango de aplicaciones.