投稿者「takami」のアーカイブ

専門誌トランジスタ技術やインターフェースに1984年から執筆。専門学校講師としてメカトロニクスを教え22年。その他セミナー講師多数。電子回路設計からソフトウェア開発、電子機器開発、ファームウェア開発、データ通信、電話工事など何でもこなし温泉旅行とカラオケが趣味。

メカトロニクス目次

 メカトロニクスは、「メカニカル」と「エレクトロニクス」を合成した和製英語で、直訳すれば、「機械の電子化」になります。メカトロニクスは「センサ」、「コントローラー」、「アクチュエータ」の3要素で構成されます。

 近年では、コントローラーにマイクロコンピューターが使われることが多く、メカトロニクスを習得するには「電子技術」や「ソフトウェア」の知識が欠かせません。

電子技術はdenshikan.com

GX Works2によるPLCラダー・プログラミング

(シーケンサーのラダー図プログラミング)

シーケンサー(PLC)を学ぶのに必要な準備など

まず、GX Works2を起動します。

GX Works2を起動したところ

そして、「プロジェクト」から「新規プロジェクト」を選択します。

新規プロジェクトをクリックすると出る画面

必要な設定をします。

  • シリーズ(FXCPU)
  • 機種(FX1S)
  • プロジェクト種別:シンプルプロジェクト
  • プログラム言語:ラダー

すると次のような画面になります。

GX Worksの新規プロジェクト画面

画面(ウインドウ)の構成は、上から、

  • プロジェクト名
  • 基本操作アイコン
  • ラダー図アイコン
  • プロジェクトのプロパティ/ラダー編集領域

右の白い領域にラダー図を入力します。

ラダー図アイコンをクリックまたはファンクションキーを押すと、

接点番号入力ダイヤログ

左に接点の種類、右に接点番号を入力する領域が表示されます。

ここに接点番号を入力します。

 GX Worksでは、入力がXで出力がYになりますので、その1文字と番号を入力します。

接点番号の入力

接点番号を入力して「OK」をクリックまたはEnterキーを押すと、

ラダー入力中画面

ラダーが入力されて表示されます。

次々とラダーを入力すると、直列(AND)回路になります。

 並列(OR)回路を入力するには、「編集」「行挿入」の順にクリックし、出来た空白行にラダーを入力します。

F9キーを押して横線を入力する
すると、2個分の横線が入力されますので、
縦線を入力したい上の位置にポインター(青い長方形)をクリックして移動し、
Shiftキーを押しながらF9キーを押すと、
縦線を入力してOR回路を完成させたところ

そして、このラダーを出力するための「コイル」をF7キーを押して入力します。

最後に「変換コンパイル」すると、ラダー図が変換され、シーケンサーに書き込める状態になります。

「変換」アイコンをクリックするかF4キーを押して「ラダー図を変換」する。
すると変換済のラダーが白くなり、変換コンパイルが終了して書き込みの準備ができます。

プログラム・ロジック・コントローラー(PLC)を学ぶのに必要なもの

プログラム・ロジック・コントローラーを学ぶと良い理由

三菱電機|はじめてのシーケンサ入門編|PDF

制御回路実習(1)

 進級おめでとうございます。これから1年間にわたって、皆さんには制御回路実習を学んでいただきます。しばらくの間、オンライン実習になりますが、気を落とさずに頑張ってください。

制御回路実習の内容

 まず、制御回路実習の内容ですが、ロボットや自動機械を動かすために必要なメカトロニクス技術の中で、特に「制御回路」について、実習を通して学んで行きます。

制御回路って何?

 ロボットや自動機械の制御回路は、「マイクロコンピューター」や「プログラム・ロジック・コントローラー」と呼ばれる制御装置が多く使われています。

マイクロコンピューターの例
プログラム・ロジック・コントローラーの例

マイクロコンピューターを使った制御回路

 マイクロコンピューターは略して「マイコン」とも呼ばれ、安いものでは百円程度、高いものでは10万円程度します。処理が速く、小型軽量で、大量生産に向きますが、プログラムを作るのが難しく、大量生産する家電製品や、高性能な制御装置を必要とするロボットや、安く作らないといけない「おもちゃ」などに使われます。また、マイクロコンピューター単体では使えず、マイクロコンピューターを中心とした回路を組まなくてはなりません。

 マイクロコンピューターを制御装置として使えるようにする回路は、試作品などでは「ユニバーサル基板」と呼ばれる材料と電子部品を使って、自分でハンダ付けして作ります。

制御回路試作品の例

 また、量産時には、「プリント基板」と呼ばれる、銅箔であらかじめ配線された基板に「自動ハンダ付け装置」などを使って電子部品をハンダ付けして組み立てます。

低価格なマイクロコンピューター(Arduino nano互換機)
マイクロコンピューターを使った制御回路の例

マイクロコンピューターを使った制御回路の開発手順

 マイクロコンピューターを使った制御回路の開発は、一般的に次のような手順で行われます。

  • マイクロコンピューターを選ぶ
  • ユニバーサル基板を使ってはんだ付けして制御回路基板を作る
  • 制御回路基板を配線する
  • マイクロコンピューターのプログラムを作る
  • 動作試験を繰り返しながらプログラムを修正する
  • (試作した回路を元にプリント基板を設計する)
  • (プリント基板に電子部品を実装する)
  • (実装済プリント基板にプログラムを書き込む)
  • (プログラムを書き込んだ制御回路基板を検査する)
  • (制御回路基板を機械に組み込んで配線する)
  • (制御回路基板を組み込んだ機械を検査する)

 かっこ付きの手順は、「電子機器」の知識と技術が必要なため、機械技術者が直接実施することは少ないです。

プログラム・ロジック・コントローラーを使った制御回路

プログラム・ロジック・コントローラーを使った制御回路の例

 プログラム・ロジック・コントローラーを使った制御回路の開発はマイクロコンピューターよりもずっと簡単です。プログラム・ロジック・コントローラーにはマイクロコンピューターが使われているのですが、プリント基板の実装や内部の配線は既に済んでいます。

プログラム・ロジック・コントローラーの内部(中段の基板がマイクロコンピューター)

 そこで、プログラム・ロジック・コントローラーを使って機械の制御装置を作る手順は次のようになります。

  • プログラム・ロジック・コントローラーを選ぶ
  • プログラム・ロジック・コントローラーを取り付ける
  • プログラム・ロジック・コントローラーを配線する
  • プログラム・ロジック・コントローラーにプログラムを書き込む

 これで、プログラム・ロジック・コントローラーを使った制御装置は開発できてしまいます。しかも、プログラム・ロジック・コントローラーのプログラム開発はマイクロコンピューターのプログラム開発よりも、ずっと簡単に作ることができます。

マイクロコンピューターのプログラム開発の例

 マイクロコンピューターのプログラムは近年ではC言語と呼ばれるプログラムの書き方の決まりを守って作ります。そのプログラムを本格的に作れるようになるには、コンピューター専門学校などに2年ほど通って、やっとできるようになります。ただし、C言語プログラムを本格的に作れれば、パソコンやスマートフォンのアプリなども作れますし、少し勉強すればGoogleが提供しているようなサービスを自分で始めることもできます。

C言語によるプログラムの例

プログラム・ロジック・コントローラーのプログラムの例

 プログラム・ロジック・コントローラーのプログラムはマイクロコンピューターのプログラムよりもずっと簡単で、パソコンソフトで4つほどのアイコンをクリックして数字を入力し、線で結ぶだけです。

プログラム・ロジック・コントローラーのプログラムの例

 このようにプログラム・ロジック・コントローラー(PLC)は簡単に使えるため、正確に調査したわけではありませんが、ロボットや自動機械の90%以上はプログラム・ロジック・コントローラーが使われていると思います。

制御回路実習の今後の流れ

 制御回路は、このようにマイクロコンピューター(マイコン)またはPLCを使って実現できますが、実際に制御回路を作れるようになるためには、他にも知っておかないといけない知識や技術があります。

 制御回路実習では、次のような制御回路を作れるようになるために必要な知識と技術を実習(しばらくは出来ないかも知れませんが)を通して身に付けていただく予定です。

  • 電気の基本を学ぶ(電圧、電流、電力、周波数、テスターの使い方など)
  • 制御回路で動かす「アクチュエーター」を知る
  • 制御回路を自動化する「センサー」を知る
  • ハンダ付けや配線などの実技を身に付ける
  • プログラム・ロジック・コントローラー(PLC)を使ってみる
  • マイクロコンピューター(マイコン)のプログラムを作ってみる
  • 電子部品について学習する
  • 実際に機械の制御をしてみる
間違えても安全なプログラム・ロジック・コントローラー実験装置
メカトロニクス機器の例
3Dプリンターを自分で組み立てる
3軸NC加工機の製作例
掃除しない掃除ロボット
実習用ロボットアーム
プログラム・ロジック・コントローラー実習
アクチュエーター実習
アーケードゲームのようなもので実習(手振れ注意)
パチンコのようなもので実習(手振れ注意)

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空圧機器に使われる部品

(空気圧機器)

エア・シリンダー

 空気圧を直線運動に変換する装置。

エアーシリンダーの例

エア・ユニット

 空気圧を調節しゴミを取り除いて給油する装置。

エアーユニットの例

エア・ポート(電磁弁)

 電気で圧縮空気を送ったり止めたりする弁。

電磁弁
(ソレノイドバルブ)

スピード・コントローラ

 空気の流量を調節する装置。

調整弁 (スピードコントローラー)

エア・コンプレッサ

 圧縮空気を作り出す装置。

メカトロニクスの構成

 メカトロニクスは、メカニカルとエレクトロニクスを合成した和製英語で、センサーから得た信号を、コントローラーで計算したり判断したりして、アクチュエーターでメカニズムを動かすという仕組みになっていて、基本的に電気で動きます。

メカトロニクス機器の例

メカトロニクスと人間を比較すると

 メカトロニクスは、直訳すれば「電子機械」ですから、その究極の目的は人間の代わり、つまり「自動化」です。人間の代わりですから、その構成は人間に例えられます。

メカトロニクスを人間に例えると

 人間は、五感(視覚,聴覚,嗅覚,味覚,触覚)で情報を得て、その情報を脳で過去の記憶や本能で判断し、筋肉を動かして行動します。

 つまり、五感=センサー、脳=コントローラー、筋肉=アクチュエーターと、メカトロニクスの基本構成と同じになります。

 そう考えると、人間は非常に優秀で、高性能なセンサー、高性能なコントローラー、高性能なアクチュエーターを備えています。それぞれ見てみると、

  • 5億7600万画素の視覚センサー
  • 20~2万ヘルツの1000万倍の強度の音を捉える聴覚センサー
  • 他の哺乳類に劣らない嗅覚センサー(犬よりもチョコレートの匂いに敏感)
  • 他の肉食動物と比較にならない1万近くの味覚センサー(草食動物は多い)
  • 13ナノメートルの凸凹を感知できる触覚センサー(スマホの1万倍)
  • スーパーコンピューター「京」の2400倍の処理能力を持つ知能
  • 1ペタバイト(約1125兆バイト)の記憶容量を持つ脳(HD動画数十年分)
  • モーターよりずっと小型軽量でエネルギー効率の良い筋肉

メカトロニクスは極めて性能の悪い自動化方法

 そう考えると、メカトロニクスで実現されるロボットは人間とは比較にならない低性能なものになりますが、人間には実現できない利点がいくつかあります。

  • 人間には不可能な大きさや重量のものを扱える
  • 計算そのものは超高速で間違いもない
  • 百万分の一以下の時間で簡単な判断が可能
  • 24時間365日働ける
  • 食事が必要ない
  • トイレに行く必要がない
  • 文句を言わない
  • 生体ウイルスに感染しない(コンピューターウイルスは感染の可能性あり)
  • 仕事内容によっては人間よりお金がかからない
  • お金を出せば確実に雇える(中小企業にはココ重要!)

メカトロニクスの要素

コントローラー(制御回路)

 メカトロニクスで使われるコントローラーで一番多いのは、リレー回路の置き換え用として開発された「プログラム・ロジック・コントローラー」略してPLCです。プログラムロジックコントローラーはシーケンサーやプログラムコントローラーとも呼ばれ、様々なメーカーが販売しています。

リレーを使ったコントローラー

 リレーを使ったコントローラーは1970年代まで良く使われましたが、近年では大きなモーターを制御するとかの場合を除いて使われていません。リレーには、つぎのような特徴があります。

  • 寿命が短い(定期的に交換しないと故障する)
  • 消費電力が大きい
  • 動作速度が遅い
  • 発熱量が大きい
  • 動作音が大きい
  • 動きが目でわかるので修理しやすい
  • 機能が単純なので設計が簡単
リレーの例

トランジスターを使ったコントローラー

 トランジスターを使ったコントローラーやコンピューターはリレーの次に良く使われていましたが、近年ではマイクロコンピューターに置き換えられ、やはりモーターなどを最終的にオンオフするくらいしか使われません。トランジスターの特徴は次の通りです。

  • 価格が安い
  • 小型軽量
  • 消費電力が少ない
  • 速度が比較的早い
  • 寿命が半永久的で故障が少ない
  • 作動音がしない
  • 発熱量が少ない
  • 動きが見た目でわからない(修理にはテスターなどが必要)
トランジスターの例

ICを使ったコントローラー

 IC(集積回路)を使ったコントローラーは、1980年代にトランジスターに置き換えが急速に進み、現在使われているマイクロコンピューターと構造的には同じものなので、現在でもICが使われているといえるが、この時代のICは、「汎用デジタルIC」と呼ばれるICを組み合わせてリレー回路のように使われていたので、機能を変えるには作り直さなければならないかわりにソフトウェア(プログラム)は不要で電子回路の知識があれば手軽に使えました。ICの特徴は次の通りです。

  • トランジスターを組み合わせて使うより値段が安い
  • トランジスターを組み合わせて使うより更に小型軽量
  • トランジスターを組み合わせて使うより動作速度が速い
  • 寿命が半永久的で故障が少ない
  • 消費電力が極めて少ない
  • 小さくなって組立しにくい
汎用(はんよう)デジタルICの例

マイクロコンピューター(マイコン)を使ったコントローラー

 1980年代後半からマイクロコンピューター(マイコン)を使ったコントローラーが一気に増えてきました。マイクロコンピューターはプログラムを変えるだけで改良や機能追加が可能になったり、大量生産が楽になったり、制御回路の共通化が可能になってコスト削減や在庫の削減に貢献しました。

 しかし、プログラムを作らないと動かないため、アセンブリ言語やC言語などのプログラム作るための知識がないと使えなくなりました。マイクロコンピューターを使ったコントローラーの特徴は次の通りです。

  • 非常に安価
  • 大量生産が楽
  • 超小型超軽量
  • 超低消費電力(のものもある)
  • 寿命が半永久的
  • 故障した際の安全性が高い
  • プログラムを作らないと動かない(ソフトウェアの知識が必要)
マイコンピューター(マイコン)の例

プログラム・ロジック・コントローラー(PLC)シーケンサーを使った例

 マイクロコンピューターを使ったコントローラーでは、ソフトウェアを作るためのアセンブリ言語やC言語などの知識が不可欠でしたが、プログラマーや電子技術者ならともかく、メカトロニクス技術者や電気技術者には簡単に使えるようなものではありませんでした。

 そこで、メーカーがマイクロコンピューターとプログラムをあらかじめ内蔵して、リレー回路のように簡単に使えるコントローラーを発売しました。

 それがプログラム・ロジック・コントローラー(PLC)、プログラム・コントローラー、シーケンサーなどと呼ばれるコントローラーです。

 このコントローラーは、電気技術者や機械技術者でも割と簡単に使えるため、メカトロニクス機器のコントローラーといえば、数値制御(NC)や人工知能(AI)などを除いて、ほとんどがこのPLCを使うようになりました。

 ただ、割と大きいのと価格が高いので、家電製品や持ち運ぶ電子機器、おもちゃなどにはマイクロコンピューターが使われます。プログラム・ロジック・コントローラーの特徴は次の通りです。

  • 割と簡単に使える
  • 割と大きくて少し重い
  • 値段が高い(数万円~数十万円)
  • 故障しにくい(リレー出力のものを除く)
  • 高価なプログラム作成用ソフトウェアが必要なものが多い
プログラム・ロジック・コントローラー(PLC)シーケンサーの例

PLCのプログラムについてはこちら

3相誘導電動機を動かす

 三相交流で三相電動機(3相モーター)を動かすには、下の図の「スター結線」か「デルタ結線」で配線します。大型のモーターでは起動時のラッシュ電流を防止するために最初は「スター結線」で、時間が経ってから「デルタ結線」に配線する「スター・デルタ起動方式」が用いられることが多いです。

 スター結線からデルタ結線に配線を切り替えるには、電磁接触器(マグネチック・コンタクター)が使われます。マグネチック・コンタクターは、リレーの大きいものです。

スター結線
デルタ結線(Δ結線)

ステッピング・モーター駆動原理

 ステッピング・モーターには大きく分けて、電流を片方向にしか流さない「ユニポーラ」と、電流を双方向に流す「バイポーラ」の2種類あります。

 一般的にバイポーラは回路が複雑になりますが、効率が良く、バイポーラは回路は簡単ですが効率が悪いのですが、ステッピング・モーターを直接つなげるステッピング・モーター用ICの普及により、徐々にバイポーラが使われることが多くなってきました。

2相ユニポーラ型ステッピング・モーターの例(電線が5~6本)
2相バイポーラ型ステッピング・モーター(電線が4本)
2相ステッピング・モーターの図記号(バイポーラ型)
2相ステッピング・モーターの駆動原理(半分だけ)
トランジスターを使った2相バイポーラ型ステッピング・モーター駆動回路(半分だけ)

 2相ユニポーラ型ステッピング・モーターの駆動回路は、モーターのコイルに電流を両方向に流さないとならないので、回路が複雑になります。

 4個のトランジスタがアルファベットのHの形に見えるため「Hブリッジ」または「フル・ブリッジ」と呼ばれます。

Hブリッジがショートして壊れる理屈

 また、Hブリッジは正しく制御しないとトランジスターがショートして壊れるため、ソフトウェアでタイミングを作るのはおすすめできません。

 ちなみにHブリッジの半分のトランジスタ2個だけの回路は「ハーフ・ブリッジ」と呼ばれます。

2相ユニポーラステッピング・モーターの駆動原理

 ユニポーラ型ステッピング・モーターの駆動回路は、電流を片方向にだけ流せば良いので、バイポーラ型のようなHブリッジは必要なく、コイルの数と同じだけのトランジスターがあれば可能です。具体的には次の図のような駆動回路になります。

2相ユニポーラ形ステッピング・モーターの駆動回路例

ステッピング・モーターの駆動回路の写真はこちら

Arduinoマイコンで相撲ロボットを作る

Arduinoマイコンで相撲ロボットを作る

 ArduinoマイコンとDCギヤードモーター2個、モーターハブ2個、ラジコン用タイヤ2個、ボールキャスター2個、フォトリフレクタを4個使って相撲ロボットを作りました。

 測距センサ2個で、相手との距離や位置関係を判断し、DCギヤードモーターをコントロールして戦います。

 まだプログラムが未完成なため、戦うことはできていませんが、とりあえず壁を避けて走ります。

 制御回路には、Arduino nanoマイコン、3端子レギュレータ、モータードライバー2個、土俵を割らないようにするためのフォトリフレクタの感度調整用の半固定抵抗4個で構成されています。

使用した1個400円程度のArduino nano互換マイコンボード

 Arduino nanoマイコンボードは、ICチップの付いた基板にピンヘッダが付いており、ユニバーサル基板を使った回路基板にICのように載せられる便利なマイコンボードですが、設計が古いため左側のUSBコネクターがMini USBになっていますが、USBケーブルだけでパソコンと接続してプログラムを書き込むことができます。

相撲ロボットの制御基板

 このArduinoを中心に、他の必要部品を配置して配線した基板が上の写真です。ArduinoのUSBコネクターはプログラムの書き換えが基板に取り付けたまま可能なように、基板の外周に配置し、コネクターをふさぐように部品を配置してはいけません。

 バッテリーを接続する電源コネクター(左下)は、その右側の3端子レギュレータによって12ボルトから5ボルトに下げられ、Arduinoマイコンの5V端子とフォトリフレクタ(白いコネクター(3ピン)に供給します。バッテリーのマイナス端子は、3端子レギュレータのGND、そしてArduinoのGNDに接続します。そのため、これらの回路はArduinoの5VとGNDの近くに配置します。

 フォトリフレクタを接続する白い3ピンのコネクターと、土俵の白線を検出する感度調整用の半固定抵抗は、それぞれArduinoのA0~A3に接続しますので、その近くに配置します。

 モータードライバーICは、ArduinoのD2~D5に接続しますので、その近くに配置し、2個のモーターを接続する右下の茶色のコネクターは、モータードライバーICの近くに配置します。

 ArduinoのD0とD1は、パソコンとの通信に使って、プログラムを書き込んだり、データをパソコンに表示したりするのに使いますので、ここには何も接続しません。もしここにモータードライバーICとモーターを接続すれば、プログラムを書き込むたびにロボットがランダムに動いて暴れることになるはずです。

 このように、回路から部品配置と配線を考えるときに、その部品が配置されるべき位置を慎重に考えてから固定すれば、配線が短く簡単になり、交差しないのでプリント基板を設計するときにも楽になります。ユニバーサル基板で組み立てるばあいは、あまり配線が短すぎるのも配線しにくいのですが、配線が交差しないようにしておけば、抵抗のリードを切った余りなどで直接接続できますので、作業効率からも見た目からもお勧めです。

プログラムを書き込む

Arduino IDEソフトウェアによるArduinoプログラムの開発画面

 Arduinoマイコンのプログラム(ソフトウェア)を開発するためのパソコンソフトはarduino.ccから無料でダウンロードでき(できれば寄付してください)、簡単に使えます。

 このような点からも、学生の学習用や趣味などで使うにもArduinoマイコンは適しています。

ユニバーサル基板を利用した組立方法はこちら

ラジコン用サーボモーターでロボットアームを作る

ラジコン用サーボモーターを使ってロボットアームを作る

 ラジコン用サーボモーターは1個500円程度から1,000円程度で購入でき、マイコンを使えば制御も簡単なので、おもちゃのロボットアームを作るのに適しています。

 おもちゃと書いたのは、精密な動作はできずロボットとしての実用性はないからです。また、無理矢理関節を曲げたり物にぶつかったりすると簡単に壊れます。

 でも、学習用や子供を喜ばせる程度には使えるため、「おもちゃ」と書いてます。

 このロボットアームは、ラジコン用サーボモーターを2個と、物にぶつかったりしても壊れないステッピング・モーターを2個併用することにより、安全性を少しだけ高めたもので、400円ほどで買えるArduinoマイコン互換機で制御し、プログラムで時間と角度の指定で自動的に動かすこともできますが、ここではプログラムを簡単にするためと、学生や子供(同じようなレベルです)が喜ぶので、可変抵抗によりそれぞれの軸の角度を手動で設定して動かせるようにしました。

 また、ロボットアームのメカは、上の写真のように「アルミ・アングル」と市販の「アルミ・ケース」を使ったものや、下の2枚の写真のように、中国製のロボットアーム金具(確か2,500円程度だったと思います)を使ったものや、タミヤ模型のプラ板を切って削って使ったものなど、学生によって色々なものが出来上がりました。

中国製のロボットアーム金具を使ったロボットアーム
タミヤ模型のプラ板を使ったロボットアーム
Arduino nanoマイコンを使ったロボットアームのコントローラー

 回路は、Arduinoマイコンに「エボルタ充電池」などのニッケル水素電池4本を電源とし、D2~D5までにラジコン用サーボモーターをつないだだけの簡単なものです。

 そして、可変抵抗の3本ある端子の両側に5VとGNDをつなぎ、可変抵抗の中央の端子をArduinoマイコンのA0~A4につないだだけです。

 もちろんラジコン用サーボモーターの電源は直列4本のニッケル水素電池から供給します。

 プログラムは、Arduino開発用のソフトウェアであるArduino IDEのスケッチ例servoのknobを4回コピペして数字の0~4を付けただけのものです。

 最初に書いたように、まるで実用にはなりませんが、消しゴムをつかんで別の場所に置く程度のことはできますので、時間と5千円程度の小遣いがあったら、ぜひ作ってみてください。