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Joysticks
Für industrielle und medizinische Anwendungen
Ratgeber Joysticks
Inhaltsangabe
- Einsatzgebiete für Joysticks – die richtige Auswahl der Bauart
- Achsenkonfiguration – die Auswahl der verfügbaren Freiheitsgrade
- Achsenkonfiguration – die Auswahl der richtigen Kulisse
- Der Griff – das Interface zum Anwender
- Sensortechnologien – kontaktlos, potentiometrisch oder per Schalter?
- Rückstelleigenschaften und Haptik – Feedback und Steuerungsgefühl
- Ausgänge und Schnittstellen – analog oder digital?
- Tipps und Hinweise:
- Produktanpassungen
Einsatzgebiete für Joysticks – die richtige Auswahl der Bauart
Um den besten Joystick für Ihre Anwendung zu definieren, ist die Wahl der Baugröße der erste Schritt. In den meisten Fällen kann dadurch die Vorauswahl der Produkte bereits stark eingeschränkt werden. Die Bauformen der verschiedenen Joysticks lassen sich in folgende Kategorien einteilen: Daumen-, Finger-, Hand- und Desktopjoysticks. Da jede dieser Bauarten für grundsätzlich unterschiedliche Anwendungen entwickelt wurde, fällt die Auswahl der richtigen Bauart meist leicht.
Daumenjoysticks stellen die kleinste Bauart
Eine klassische Anwendung sind Fernsteuerungen, bei denen der Bediener das Gehäuse festhalten muss und somit nicht die ganze Hand für die Eingabebewegung frei hat. Die Steuerung erfolgt daher typischerweise mit dem Daumen. Daumenjoysticks werden auch in Bedienpanels oder in großen Handjoysticks eingesetzt, da der Platz oft begrenzt ist und die Abmessungen der Daumenjoysticks nicht viel größer sind als die von Tastern und Schaltern.
Fingerjoysticks sind die Allrounder im Sortiment bei mittlerer Baugröße
Sie bieten dem Anwender die höchste Bedienpräzision, da der Mensch mit seinen Fingern bzw. Fingerkuppen die beste Kontrolle über die Betätigung des Joysticks ausüben kann. Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig und dementsprechend groß ist auch die Auswahl an Fingerjoysticks. Bei Anwendungen zur Steuerung von medizinischen Geräten, Überwachungskameras oder mobilen Arbeitsmaschinen spielt diese Bauart ihre Stärken besonders aus.
Handjoysticks stellen die größte Bauart
Generell kann gesagt werden, dass mit zunehmender Größe die mechanische Stabilität prinzipiell zunimmt. Aber auch die Anwendung stellt erhöhte Anforderungen an das Produkt. Handjoysticks finden sich daher im „Heavy-Duty“-Bereich zur Steuerung von Kranen, Baumaschinen und anderen großen Fahrzeugen und Anlagen. Hier sind die Sicherheitsanforderungen besonders hoch und meist redundante Elektronik und Sensorik erforderlich. Entsprechend steigen die Investitionskosten mit der Größe des Joysticks.
Eine besondere Gruppe bilden die Desktop-Joysticks
In der Regel handelt es sich um in Tischgehäusen integrierte Fingerjoysticks, die meist noch einige Tasten für Zusatzfunktionen im Gehäuse bieten. Diese Eingabegeräte decken den relativ großen Bedarf für stationäre Anwendungen mit bereits fest eingebauten Fingerjoysticks ab. Besonders zu erwähnen ist der Bereich der Videoüberwachung. Hier sind heute nur noch USB-Varianten von Bedeutung, da die Eingabeinformationen meist sofort an einen Rechner weitergeleitet werden.
Achsenkonfiguration
Auswahl der verfügbaren Freiheitsgrade
Jedes Joystick-Modell hat bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der verfügbaren Freiheitsgrade und der Bewegungsfreiheit dieser Freiheitsgrade für die Steuerung. Die Freiheitsgrade werden bei Joysticks als Achsen bezeichnet. Die meisten Modelle verfügen über 2 Achsen, d. h. der Knauf kann in X- und Y-Richtung (vorwärts-rückwärts, links-rechts) bewegt werden. Bei einigen Modellen kann der Knauf zusätzlich gedreht werden. Dies wird als Z-Achse bezeichnet und ermöglicht in einfachen Ausführungen die Erfassung von insgesamt 3 Freiheitsgraden.
Die meisten Daumen-Joysticks bieten maximal 2 Freiheitsgrade. Viele Fingerjoysticks sind als 3-Achsen-Joysticks erhältlich. Bei Handjoysticks können jedoch wesentlich mehr Achsen realisiert werden. In der Kopfplatte dieser Joysticks ist Platz für zusätzliche Eingabeelemente und damit Möglichkeiten zur Realisierung entsprechender Freiheitsgrade.
Eine Ausnahme im Sortiment bildet unser SpaceMouse® Module: Hier lässt sich der Bedienknauf in alle drei Raumrichtungen auslenken - zusätzlich ist eine Kippung/Rotation in jede Raumrichtung möglich. Dadurch ergeben sich insgesamt 6 Freiheitsgrade, die eine direkte und intuitive Navigation und Steuerung im dreidimensionalen Raum ermöglichen.
Achsenkonfiguration – Auswahl der Kulisse
Die Bewegungsfreiheit der Hauptachsen kann bei fast allen Modellen begrenzt werden. In einigen Anwendungsfällen soll bei einer Auslenkung der ersten Achse die zweite blockiert werden (Plus-Kulisse). In anderen Fällen soll nur die gleichzeitige Auslenkung in begrenztem Umfang möglich sein (runde Kulisse). Volle Bewegungsfreiheit bietet die quadratische Kulisse. Einige Handjoystickmodelle bieten die Möglichkeit, in der Mitte oder in der Auslenkung zu rasten. Siehe hierzu den Abschnitt „Rückstelleigenschaften und Haptik“.
Der Griff – Interface zum Anwender
Die Konfigurierbarkeit der Knäufe nimmt mit der Größe des Modells zu. Daumen-Joysticks bieten eine Vielzahl von Knaufformen und einige wenige die Möglichkeit, durch Druck auf den Knauf zu schalten.
Bei Fingerjoysticks nimmt die Vielfalt weiter zu und es sind bereits mehrere Druckknöpfe möglich.
Handjoysticks bieten die größte Vielfalt an Knauf-Optionen. Hier werden fast alle Modelle sogar kundenspezifisch an die Anwendung angepasst. Die Konfigurierbarkeit ist in der Regel höher als in den Datenblättern angegeben. Kontaktieren Sie uns für die beste Lösung für Ihre Anwendung!
Auswahl der Sensortechnologie
Kontaktlos, potentiometrisch oder per Schalter?
Für elektrische Industrie-Joysticks sind heute im Wesentlichen zwei Technologien von Bedeutung: Hallsensoren und potentiometrische Sensoren.
Die Hallsensorik ist eine kontaktlose Technologie, bei der die sensorische Erfassung der Auslenkung berührungslos erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass praktisch kein Verschleiß und damit keine Änderung des Sensorverhaltens über die gesamte Lebensdauer zu erwarten ist.
Wenn es keine besonderen Ausschlussgründe für diese Technologie gibt, wie z. B. starke elektromagnetische Störfelder in der Umgebung der Anwendung, dann fällt die Wahl in der Regel auf Hall-Sensoren.
Potentiometrische Sensoren verwenden Schleifer- und Widerstandselemente zur sensorischen Erfassung. Nur hochwertige, sogenannte Präzisionspotentiometer erfüllen die Anforderungen an Qualität und Lebensdauer. Der Vorteil dieser Technologie liegt in der Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störfeldern. Insbesondere in der Medizintechnik werden nach wie vor Joysticks mit potentiometrischen Sensoren eingesetzt. Hier sind die Anforderungen an die Unempfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlen, anderen Störfeldern und elektrostatischen Entladungen sehr hoch.
Für Anwendungen, bei denen kein kontinuierliches Ausgangssignal zwischen minimaler und maximaler Auslenkung benötigt wird, bieten sich Switchsticks an. Diese sind nur mit Schaltern ausgestattet, die die Auslenkung des Joysticks erfassen. Aufgrund ihres einfachen und unkomplizierten Aufbaus sind Schalter sehr unempfindlich gegen Störungen und Störeinflüsse. Allerdings ist die Anzahl der Schaltvorgänge begrenzt, was sich in der Regel in einer geringeren Lebensdauer niederschlägt. Einen Sonderfall stellt der Einsatz von Switchsticks zum Schalten hoher Ströme direkt über den Joystick dar, was sonst mit einem externen Relais realisiert werden muss.
Generell ist zu beachten, dass die verwendete Sensorik nichts über die Qualität und Haltbarkeit der Mechanik des Joysticks aussagt. So kann es vorkommen, dass bei Low-Cost-Komponenten die Mechanik deutlich vor der Sensorik versagt, weshalb die Sensortechnik nicht überbewertet werden sollte. In einfachen Fällen empfehlen wir kompakte Hall-Joysticks, da diese heute am einfachsten zu integrieren und für die meisten Anwendungen sehr gut geeignet sind.
Für sicherheitskritische Anwendungen werden häufig redundante Ausführungen mit zwei Sensorelementen pro Achse gefordert. Fast alle unsere Modelle sind optional in redundanter Ausführung erhältlich.
Rückstelleigenschaften und Haptik
In der Regel bestimmt die Anwendung, ob der Joystick bei Nichtbetätigung in die Ausgangsstellung zurückkehren soll (Federrückstellung) oder ob er in einer oder mehreren Auslenkrichtungen in der letzten Stellung verharren soll (Reibungsbremse, optional auch durch Rastpositionen).
Die meisten modernen Joysticks sind mit einer Mittelfeder ausgestattet. Diese bewirkt, dass der Steuerhebel in beiden Auslenkrichtungen in die Mittelstellung zurückgeführt wird. Die Federkraft ist einstellbar. Aus konstruktiven Gründen sind darüber hinaus keine weiteren Anpassungen, wie z. B. eine zusätzliche Reibungsbremse, möglich.
Erfordert die Anwendung eine Reibungsbremse oder Rastpositionen, so müssen Sonderausführungen verwendet werden, die zwar größer und aufwendiger in der Konstruktion sind, dafür aber entsprechend flexibler in der Anpassung.
Ausgänge/Schnittstellen – analog oder digital?
Fast alle Joystick-Modelle bieten analoge Spannungsausgänge im Bereich von 0-5 V. Meist handelt es sich dabei um die Basisversionen der Produkte und damit um die preiswertesten Ausführungen. Da Potentiometer grundsätzlich passive Bauelemente sind, bieten Joysticks mit Potentiometern in der Regel nur analoge Ausgänge. Einige Modelle sind nur in analoger Ausführung erhältlich, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Moderne Modelle mit berührungslosen Sensoren bieten zusätzlich digitale Schnittstellen wie Pulsweitenmodulation (PWM), USB, RS232 (seriell) und CAN-Bus-Varianten. Die angebotenen Schnittstellen sind zum Teil sehr unterschiedlich und nur für bestimmte Baureihen aufgeführt. Daher ist es sinnvoll, nur diese Produkte zu betrachten, wenn die Schnittstelle feststeht.
Tipps und Hinweise
Beschaltung
Je nach verwendeter Sensortechnologie muss die Auswerteelektronik sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Hall-Effekt-Joysticks verwenden als Sensorelemente integrierte Schaltungen, die auf Leiterplatten innerhalb des Joystickgehäuses montiert sind. Je nach Leiterplattendesign sind daher unterschiedliche Betriebsparameter einzuhalten, die dem Datenblatt zu entnehmen sind. Dies gilt in der Regel auch für die angebotenen Bussysteme.
Bei den potentiometrischen Modellen mit Analogausgang sind die Winkelsensoren jedoch passive Bauelemente (Leitplastikpotentiometer) und die Modelle haben in der Regel keine Regelelektronik. Die Anschlüsse führen direkt zu den Potentiometern, die unbedingt in Spannungsteilerschaltung betrieben werden müssen, um die Sensoren nicht zu beschädigen. Es ist besonders darauf zu achten, dass kein relevanter Strom über die Ausgänge fließt, da sonst die Schleifer der Potentiometer beschädigt werden.
Umwelteinflüsse
Vibrationen, mechanische Überbelastung, Hitze, aggressive Substanzen, usw. können die Betriebssicherheit von Eingabeelementen gefährden. Die Widerstandsfähigkeit der einzelnen Modelle ist sehr unterschiedlich, und im Allgemeinen sind höhere Preise durch eine höhere Widerstandsfähigkeit oder allgemein durch bessere technische Spezifikationen gerechtfertigt.
Generell gilt: Die spezifizierten Schutzarten werden oberhalb des Panels angegeben. Wenn Feuchtigkeit unterhalb der Abdichtung zu erwarten ist, müssen Produkte ausgewählt werden, die eine optionale Abdichtung der Elektronik ermöglichen. Bitte kontaktieren Sie uns, wenn Sie diese Anforderung haben. Die angegebenen Betriebstemperaturen gelten einerseits als Richtwerte für das Rückstellverhalten der Mechanik und der für die Dichtungen verwendeten Elastomere, andererseits aber auch für die elektronischen Bauteile. Die meisten Joysticks funktionieren auch bei niedrigeren Temperaturen als im Datenblatt angegeben. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen raten wir davon ab, die Joysticks außerhalb dieser Grenzen zu betreiben.
Montage
Die meisten Modelle können von oben in ein Panel eingebaut werden. Die Basis, der Joystick-Topf, ist in der Regel rund und wird mit 4 Schrauben befestigt. Bei einigen Modellen passt der Griff durch die Aussparung im Panel und kann daher auch von unten in das Panel eingebaut werden. Je nach Schutzart und allgemeiner Bauart werden die Abdeckungen der Mechanik (Gummibalg) mit einem Abdeckring dicht verschraubt oder es werden eigene Dichtungen mitgeliefert, die die Abdichtung im Panel sicherstellen.
Produktanpassungen
MEGATRON ist ein zuverlässiger Partner für Kunden aus Industrie und Medizintechnik mit jahrzehntelanger Erfahrung. Unsere besondere Stärke liegt in der kundenspezifischen Anpassung unserer Produkte. Gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen ist die optimale Abstimmung unserer Joysticks auf die Applikation gefragt, da hier oft Nischenmärkte bedient werden.
Joysticks bieten eine Vielzahl von Anpassungsmöglichkeiten. Je nach zu modifizierender Eigenschaft können diese Anpassungen bereits bei kleinen Stückzahlen durchgeführt werden. Kontaktieren Sie uns und schildern Sie uns Ihre Anforderungen - wir finden die beste Lösung für Ihre Applikation!
Moderne Industriejoysticks sind in der Regel modular aufgebaut. Dies ermöglicht eine relativ kostengünstige Anpassung des Joysticks an die Anwendung, da einzelne Komponenten bei der Montage einfach ausgetauscht werden können. Die Verfügbarkeit der Komponenten richtet sich nach den Marktbedürfnissen und definiert, was eine Standard- und was eine Sondervariante ist. Durch das Baukastensystem hält sich der Aufwand für kundenspezifische Sonderanfertigungen in Grenzen, da nur einzelne Module angepasst oder neu konstruiert werden müssen.
Baukästen und variantenreiche Joysticks haben eines gemeinsam: Die Fülle der Optionen macht es praktisch unmöglich, jede elektrische und mechanische Kombinationsmöglichkeit abzubilden oder gar als physischen Artikel zu bevorraten. Denn die Gesamtzahl aller über den Bestellschlüssel generierbaren Produkte ergibt sich multiplikativ aus den Auswahlmöglichkeiten für jedes Modul des Baukastens. Insbesondere bei stark individualisierbaren Baureihen mit vielen Optionen beläuft sich die Artikelvielfalt auf mehrere hundert bis tausend Varianten, die sich aus der Kombinatorik des Bestellschlüssels ergeben. Deshalb haben wir bei einigen Baureihen die Produktoptionen, die eine hohe Marktakzeptanz aufweisen, im Datenblatt hervorgehoben und als Standard deklariert.
Bei den Auswahlmöglichkeiten der Joystick-Eigenschaften handelt es sich um elektrische oder mechanische Anpassungen. Darüber hinaus realisieren wir Produktanpassungen, die über die Optionen des Bestellschlüssels hinausgehen und nennen beispielhaft weitere Möglichkeiten. Gerade die Fähigkeit, das Angebot auf die Anforderungen der Anwendung zu optimieren, zeichnet uns aus.
Voraussetzung dafür ist die bestmögliche Kenntnis der Anwendung und des Einsatzgebietes. Nur so können wir das von Ihnen angefragte Produkt in seinen technischen Möglichkeiten sowie in seiner wirtschaftlichen Umsetzung analysieren und gleichzeitig unser gesamtes Produktportfolio prüfen. Im Rahmen unserer Beratung ermitteln wir das für Ihre Anwendung am besten geeignete Produkt und schlagen Ihnen gegebenenfalls alternative Produkte vor, wenn diese für Sie sowohl in wirtschaftlicher als auch in technischer Hinsicht Vorteile bieten.
Mechanische und elektrische Optimierungen
Konfektionieren von Kabeln und Steckern
Sparen Sie Zeit und Aufwand und erhalten Sie Ihr Produkt vorkonfektioniert und passend für Ihre Anwendung. Nennen Sie uns die Anforderungen an Umgebungsbedingungen und Einbausituation - wir übernehmen auf Wunsch die Erstellung der technischen Dokumentation, die operative Beschaffung und die Umsetzung zur Konfektionierung von Kabeln und Steckverbindern für den angebotenen Artikel.
Optimierung der Knaufform
Zur Optimierung des Bediengefühls steht für eine Vielzahl von Joystick-Baureihen eine große Auswahl an Knaufvarianten für Ihre Anwendung zur Verfügung. Aber auch eine Anpassung der Knaufform nach Kundenwunsch setzen wir um. Auf Wunsch erstellen wir Designvorschläge und beschaffen alle notwendigen Komponenten, um das ideale Produkt für Ihre Anwendung zu realisieren.
Anpassung der Programmierung
Insbesondere bei Hall-Joysticks und Modellen mit optischem Sensorsystem kommen moderne speicherprogrammierbare Bausteine zum Einsatz, mit denen das Signalverhalten des Joysticks an die Applikation angepasst werden kann: zum Beispiel das Ansprechverhalten bei Auslenkung aus der Mittellage (Totzone, siehe nebenstehende Abbildung) oder die Änderung der Signalspanne am Ausgang. Wir analysieren für Sie die technischen Rahmenbedingungen, unter denen eine Sonderprogrammierung in Serie möglich ist und realisieren Prototypen für Ihre Anwendung. Die Umprogrammierung der Joysticks erfolgt je nach Möglichkeit in der Produktionslinie oder separat mit eigens dafür entwickelten Produktionsmitteln.
Anpassung von Farbe und Form
Das Interface Joystick steht als Bedienelement sehr oft im zentralen Blickfeld der Anwendung. Daher ist der Wiedererkennungswert von großer Bedeutung. Wir übernehmen das entsprechende Corporate Design nach Ihren Vorgaben. Mittels 3D-Drucker können schnell gedruckte Prototypen zur Bemusterung erstellt und so in relativ kurzer Zeit die ideale Form gefunden werden. Bei entsprechenden Stückzahlen wird das Design kostengünstig im Spritzgussverfahren umgesetzt.
Anpassung von Haptik und Bediengefühl
Das Bediengefühl in der Anwendung wird maßgeblich durch die Form und das Material des Knaufs, vor allem aber durch die erforderliche Kraft zur Auslenkung beeinflusst. Eine hohe Rückstellkraft kann z. B. zu einer schnelleren Ermüdung des Bedieners führen als eine geringe Rückstellkraft. Eine relativ hohe Rückstellkraft unterstützt jedoch in der Regel die präzise Steuerung der Maschine. Wie immer kommt es auf die Anforderungen der Anwendung an und sofern die Konstruktion des Joysticks eine Anpassung der Feder zulässt, ist der Aufwand überschaubar. Sprechen Sie uns einfach an, um die Möglichkeiten für den von Ihnen favorisierten Joysticktyp zu erfahren.
Anpassung von Funktionen
Eine weitere häufige Anpassung ist die optimale Platzierung von Zusatzfunktionen im Knauf von Joysticks. Viele Joysticks bieten bereits eine große Auswahl. Grundsätzlich ist die Anzahl der unterzubringenden Elemente durch den verfügbaren Platz im Knauf und die Anzahl der in den Sockel zu führenden elektrischen Leitungen begrenzt. Gemeinsam mit Ihnen loten wir die Möglichkeiten entsprechend Ihren Anforderungen aus und realisieren bei Bedarf kundenspezifische Konstruktionen, um die geforderten Bedienfunktionen bestmöglich zu realisieren.
Daumenjoysticks für portable Geräte oder Panelintegration, Fingerjoysticks für feinfühlige Steuerungsaufgaben, Handjoysticks für den Einsatz in rauer Umgebung und Joysticks im ergonomischen Tischgehäuse mit integrierten Tasten für Zusatzfunktionen. Damit bedienen wir vielfältige Kundenwünsche und können gleichzeitig durch eigene Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung auf individuelle Anforderungen eingehen und kundenspezifische Lösungen anbieten.
In den von MEGATRON angebotenen Joysticks werden moderne, berührungslos arbeitende Hallsensoren oder hochwertige Potentiometer eingesetzt. Unsere Industriejoysticks zeichnen sich insbesondere durch hochwertige Komponenten und Konstruktionen aus, die eine lange und störungsfreie Funktion gewährleisten. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der damit verbundenen unterschiedlichen Anforderungen an die Joysticks bietet MEGATRON Lösungen für jeden Bedarf.
Joysticks spielen als Eingabegeräte in Bedienkonzepten an der Schnittstelle Mensch-Maschine eine zentrale Rolle. Sie werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt, wie z.B. in der Robotik, in Kranen, in Land- und Forstmaschinen, in Baumaschinen, in der Medizintechnik sowie zur Steuerung mobiler Maschinen und in industriellen Fertigungslinien. Aufgrund der oft rauen Umgebungsbedingungen muss ein industrieller Joystick robuste und langlebige Eigenschaften aufweisen, um Ausfälle zu minimieren.