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メカトロニクス目次

メカトロニクス技術百科(センサー,コントローラー,アクチュエーター,ソフトウェア)について解説します。

 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。

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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 … “メカトロニクスの構成” の続きを読む

メカニズム構成図があります
メカトロニクスの構成(センサー,コントローラー,アクチュエーター,パワー,メカニズム)

 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。

プログラムロジックコントローラーの写真
PLCシーケンサー

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置き換えた図があります
メカトロニクスを人間にたとえると

 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、

メカトロニクスで使われるセンサー

  • 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

相撲ロボットの写真
相撲ロボット

 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。

メカトロニクスの利点

  • 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

その他のセンサー

センサー

 センサーとは、圧力、温度、湿度、距離、光度、移動量などの物理的な量を電気信号に変換するためのもので、メカトロニクスでは自動制御のために人間の五感のように使います。

 人間との違いは、人間には感知できない赤外線や二酸化炭素や放射線などを感知できるセンサーが存在することです。

 また、物理的な量を数値化できることも大きな利点です。人間の感覚は人によって感度の違いがあったり、体調や気候で左右されることも多いのですが、センサーには寿命と精度を別にすれば、そういったことは起きません。

センサー各種の写真
センサー各種

センサーの例

センサーの種類

 センサーには、測定したい物理量や測定範囲、精度、分解能などにより種類があり、一般的に精度や分解能が良いものは値段も高価です。

リミットスイッチ(マイクロスイッチ)

 物理的な圧力を金属接点を利用して電流を流したり止めたりするスイッチで、検知する対象物により、作動力や構造が違うものが存在します。

マイクロスイッチ各種の写真
マイクロスイッチ各種
リミットスイッチの写真があります
リミットスイッチの例

光電センサー

 光電センサーとは、光を電気信号に変換する「フォトトランジスタ」などと、暗い場所で使えるように、あるいは外光による誤作動を防ぐために自分で光を当てるための発光器「LED」や「ランプ」などを組み合わせて、光を使って物体を感知するためのセンサーです。

 物体の位置検出に光の反射または透過を利用しているため、検出したい物体に傷を付けるとか変形させるとか動きを妨害するなどの影響を与えることがなく、信頼性の高い動作が可能です。

 特に発光部にLED(発光ダイオード)を使い、受光部にフォトトランジスタを使ったものでは、寿命が半永久的で、故障が少なく、現在の主流になっています。

回帰型光電センサーの写真があります
回帰型光電センサーの例

磁気センサー

 磁気センサーとは、検出したい物体の位置などを磁気を使って検出するもので、磁石を併用する簡単なものや、ループコイルなどの渦電流が金属の接近で変化する金属探知機と同じ原料を利用したものがあります。

 先ほどの光電センサーも物体に非接触で検知できるのですが、光電センサーは汚れに弱かったり、光を通すために透明なものでカバーしないとならないため防水に問題があったり、センサーの存在に気付かれたり、そもそも太陽光などの外光で誤作動しやすく、屋外に設置したり、水や油などを使う機械(食品関係など)には適していません。

 磁気センサーでは、磁力を利用するため、汚れに強く、覆ったり隠したりしても作動するため、コインパーキングなどで自動車を検出するためのセンサーや、食品機械やロボットなどで多く使われています。

磁石に反応するリードスイッチの例
リードスイッチを利用したドアの開閉を検知するドア防犯センサーの例
渦電流を利用した磁気センサー(金属探知センサー)の例

その他のセンサー

圧力センサーの写真があります
圧力センサーの例(導電性プラスチック)
湿度センサーの例
加速度センサーの例
ガイガーミュラー管の写真
放射線センサーガイガーミュラー管

メカトロニクスとは?

 メカトロニクスとは、メカニカルとエレクトロニクスをつなげた和製英語で、直訳すれば「電子機械」というか、「電子制御された機械といったところでしょうか。

メカトロニクスの基本構成

メカトロニクスの基本構成

 メカトロニクスの目的は、ほとんどの場合は自動制御です。人間のかわりに自動運転したり、無人運転したり、自己診断したりできます。

 単純に機械を電気で動かすだけの場合もありますが、基本的に人間の代わりをさせることから、その基本構成は人間にたとえられます。

メカトロニクスを人間に例えると?

 人間は、視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚の五感センサーを備え、それを神経(電線)で頭脳(コントローラー)に伝え、脳で過去の経験や直感や条件反射で処理して行動を決定し、神経を通して筋肉を動かして出来事を自動的に処理し、場合によっては処理がうまくできたかどうかを記憶し、次回の判断に活かします。

センサー(人間の五感に相当)

コントローラー(人間の脳に相当)

アクチュエーター(人間の筋肉に相当)

相撲ロボット制御基板の製作

 相撲ロボットもどきを制御するための回路基板を製作する手順について解説します。というか写真集です。

 相撲ロボットもどきを制御するための回路基板を製作する手順について解説します。というか写真集です。

相撲ロボットもどき制御回路基板
部品の両端をはんだ付けで固定して部品の足を曲げて配線する
部品の足を曲げて数珠つなぎに倒してはんだ付け
スズめっき線を使ってGNDを配線している途中
放熱クリップを使って上手に固定してはんだ付け
スズめっき線の両端をはんだ付けしたところ
曲り角から数珠つなぎに配線すると段差がなく美しい
曲げる時は銅箔でショートしないように90°か45°に曲げる
45°に曲げて最後の接続点をはんだ付け
GNDの配線が終わったところ
トランジスタのGNDをつなげる
トランジスタのGNDをつなげたところ
スズめっき線と交差する配線はジュンフロン線の両端を2mmほど剥いてはんだ付け
コネクタを付ける
完成した相撲ロボットもどき制御回路基板

GX WORKSプログラミング

三菱電機のプログラムコントローラーFX-1SをGX Works3(GX Works2)を使ってラダーで簡単なプログラムを作る方法について解説します。

プログラム・ロジック・コントローラーFX-1S-20MT

 三菱電機株式会社のFX-1Sとラダー開発用ソフトウェアのGX Works2(GX works3)を使ったプログラム・ロジック・コントローラーのラダー・プログラム作成の手順について解説します。

 GX Works2(GX Works3)とFX-USB-AW接続ユニットのドライバーのインストールは完了しているものとします。まだ完了していない場合は下のリンクをクリックしてください。

GX Works3のインストール

接続ケーブルFX-USB-AWのインストール

GX Works2の起動

 GX Works2のアイコンをダブル・クリックするか右クリックして管理者として実行または管理者として実行が表示されない場合は開くをクリックするとソフトウェアが起動します。

新規作成

 ウインドウ左上の「ファイル」プルダウンメニューから「新規作成」を選ぶとプログラム・ロジック・コントローラー(シーケンサー)の機種を選択するダイヤログがポップアップしますのて、使用する機種(FX-CPU,FX-1S)を選択してOKをクリックします。

新規プロジェクトの機種設定

 すると空のプロジェクトが作成されますので、このウインドウにラダーを入力します。入力される場所は青枠で囲まれた部分で、マウスでクリックすると直接場所を指定でき、キーボードの矢印キーで上下左右に動きます。

空のプロジェクト

ラダーの入力

 ウインドウ上部のラダー要素アイコンをクリックするか、キーボード上部のファンクションキーを押せばラダー要素を入力できます。

 F5キーを押すと青枠の場所に作動時にオンになるメーク接点(a接点)を入力できます。F6キーを押すと作動時にオフになるブレーク接点(b接点)を入力できます。F7キーを押すとリレーコイルやタイマーリレーコイルを入力できます。

 これらのキーを押すと、接点番号を入力するダイヤログがポップアップし、接点番号を入力してEnterキーを押すかOKをクリックします。

ラダー要素の入力

 ちなみに三菱電機のシーケンサーでは、入力はXと数字、出力はYと数字、リレーコイルは出力なのでYと数字またはタイマーリレーの場合はTと数字に半角の空白(スペース)を押してからKに続きタイマーの設定時間(基本は0.1秒単位)で入力します。タイマーの設定時間は1で0.1秒、10で1秒、100で10秒になります。小数点は入りません。

続けてラダー要素を入力
縦線を入力

 間違えた場合は、消したい縦線の右上に青枠を移動して、縦線×をクリックすれば縦線が消えます。

コイルを入力する前

 ラダー要素を入力するとポインターが右へ移動します。リレーコイルは横線を入力せずともコイルのアイコンをクリックするかF7キーを押して接点番号を入力しEnterキーを押すかOKをクリックすれば自動的にラダーの右端に配置されます。

コイルを入力したところ

 ラダーの入力が終わったら変換アイコンまたはF4キーを押すとシーケンサーに書き込める状態に変換されます。

変換後

 変換の際にエラーがあるとエラーのある行がグレーで表示され、「エラーのある行を削除しますか」と聞かれるので、必ず「いいえ」を選択してください。

 ここで「はい」を選択するとエラーのある行が全部削除され、入力した時間が無駄になります。

 エラーを修正し、正しく変換が完了すると背景が全部白くなりますので、この時点で「ファイル」「名前を付けて保存」を選び、保存先のフォルダを指定してファイル名を入力(日本語のファイル名も可能)してEnterキーを押すとラダーや設定がGX Worksのプロジェクトとして保存されます。

 書込みの前に左下の「接続先」をクリックし、Connection1をダブルクリックして設定を確認します。

接続先の確認

プロジェクトの書込み(ダウンロード)

書込み

 書込みのアイコンをクリックすると、書き込む項目のダイヤログがポップアップしますので、少なくとも「MAIN」の右をクリックしてチェックを入れ、実行をクリックするとシーケンサーに書き込まれます。

 本来ならばシーケンサーのRUN/STOPスイッチをSTOPにしないと書き込めないのですが、FX-1以降の機種では自動的に遠隔でSTOPして書き込むことができます。

 その場合、「リモートSTOPしますか?」と警告のダイヤログがポップアップしますので、OKをクリックするとリモートSTOPの後に自動的に書き込みが始まります。

書込み

 書込み中は進行状況を示すダイヤログがポップアップし、書き込みが終了したら「リモートRUNしますか?」とダイヤログがポップアップしますので、OKをクリックすると遠隔でシーケンサーを起動し、プログラムが実行されます。

 いきなり機械が作動するようなラダーを描く人は居ないと思いますが、機械の周囲に人が居ないかを確認してからRUNしてください。

リモートRUNの警告

 プログラムの書き込みに失敗する場合は、変換ユニットかケーブルが正しく装着されていないか、デバイスドライバーが正しくインストールされていないか、COMポート番号がCOM0とCOM1以外になっている可能性が高いので、Windowsの「スタートボタン」を右クリックしてデバイスマネージャーを開き、ポート(COMとLPT)をダブルクリックして展開し、黄色い警告マークが付いていないかとFX-USB-AWがCOM1になっているかどうかを確認してください。

 もし黄色い警告マークが付いていたら、デバイスドライバを更新し、COM1になっていなければ右クリックして「プロパティ」を開き、「ポートの設定」タブをクリックし、ダイヤログ左下の「詳細設定」をクリックしてCOMポート番号をCOM1に設定し、OKをクリックして修正してください。

電気配線

メカトロニクス機器における電気配線の方法について解説します。

 近年の機械では電気を使うのが普通で、電気配線を習得する必要があります。配線方法には、次のような方法があります。

  • はんだ付け配線
  • ねじ止め配線
  • 圧着端子配線
  • 圧接配線
  • ラッピング配線

はんだ付け配線

 はんだ付け配線は、信頼性が高く、費用が安く済みますが、高温加熱による劣化や熟練を必要とするなどの欠点もあり、修正や変更が困難なため、おもにプリント基板の配線や操作スイッチ類の配線に使われます。

はんだ付け配線の例

ねじ止め配線

 ねじ止め配線は、電線の被覆(ひふく)を剥いて(むいて)ねじ止めにより固定して配線する方法です。修正や変更が容易で、見た目も整然としていて信頼性も高いのですが、端子台や端子台付き部品などが不可欠で、費用が高く、大きくなりがちなので、おもに分電盤(ぶんでんばん)や制御盤(せいぎょばん)などに使われます。

ねじ止め配線の例

圧着端子配線

 圧着端子配線は、配線を修正したり変更したりしても電線が傷みにくいのと、電線の芯線の飛び出しなどによる隣との短絡(たんらく=ショート)や接続不良が起こりにくいため、制御盤などのメカトロニクス機器で、もっとも多く使われる配線方法です。

 しかし、工具にドライバーの他に高価な圧着工具が必要で、圧着端子もネジの直径や電線の太さなどにより様々な種類を用意しなくてはならず、電子工作程度の配線では費用も手間もかかりますが、メカトロニクスの制御盤などでは信頼性が非常に高く、修理や改造も容易なため、基本的に圧着配線をしておけば間違いありません。

各種圧着端子

圧接配線

 フラットケーブルやコネクターを使って配線する場合は、おもに圧接配線が行われます。複数ある配線をコネクターにしておけば、容易に部品やプリント基板を交換でき、現場での修理や変更が短時間でできます。

 しかし、圧着端子配線よりも更に高価な工具を必要としたり、熟練度が足りないと接触不良による動作不良を起こしたりするため、配線の本数が少ない場合は使わないほうが良いでしょう。

圧接コネクターを利用したフラットケーブルの例

ラッピング配線

 以前は電話交換機と電話ケーブルを接続する際や試作品の配線に使われていましたが、デジタル交換機の普及で配線を変更しなくても電話番号を変えられるようになり、試作の際にも部品の小型化によりラッピング配線が非常に困難になってしまい、ラッピング配線部品も次々と入手が困難になったため、近年ではほとんど使われなくなりました。

圧着端子による配線

 圧着端子による配線はメカトロニクス機器で一番多く使われる配線方法です。修理や改造が簡単で、はんだ付け配線と違って修正による劣化も非常に少なく、信頼性も非常に高い優れた方法です。  反面、高価な工具を必要とするとか、ネジ … “圧着端子による配線” の続きを読む

 圧着端子による配線はメカトロニクス機器で一番多く使われる配線方法です。修理や改造が簡単で、はんだ付け配線と違って修正による劣化も非常に少なく、信頼性も非常に高い優れた方法です。

 反面、高価な工具を必要とするとか、ネジの直径や電線の直径、絶縁スリーブの有無や色など、非常に多くの圧着端子が必要になりますので、電子工作程度の配線には向きません。

 圧着端子による配線の注意点は次のようなものです。

  • 使用する電流や電圧や温度などにより適切な電線を選ぶ
  • 選んだ電線に適合する適切な圧着端子を選ぶ
  • 圧着端子に適合する圧着工具を用意する
  • 適切な圧着方法と圧着力で圧着する
  • 使用電圧や配線の種類によりO型とY型の圧着端子を使い分ける
圧着端子の例

電線を選ぶ

 電線には、耐電圧、許容電流、耐熱温度などがあり、耐電圧が足りないと漏電による感電や火災の原因になり、許容電流をオーバーすると発熱や発火の恐れがあり、耐熱温度が足りないとショートや絶縁不良による感電や火災の原因になりますので、それぞれ適切な電線を選ぶ必要があります。

電線の選び方

各種電線

圧着端子を選ぶ

各種圧着端子

 圧着端子には、簡単には取り外しができないO型と簡単に取り外しできるY型があり、電圧が高いとか安全回路とか、間違えて簡単に外されては困る配線にはO型圧着端子を、信号線などの入れ替えが多く、間違えて外しても感電したりショートして壊れたりする危険性のないところにはY型圧着端子を使うと作業効率が上がります。

 また、圧着端子には絶縁スリーブの有無による分類で、ドライバーなどでショートした場合に感電や故障などの事故につながる危険な配線には絶縁スリーブ付きを、ショートしても故障につながらないプログラム・ロジック・コントローラーの入力端子などは絶縁スリーブなしの圧着端子を使い、信号名を印刷した絶縁チューブを被せるのが間違いを減らし、修理点検をしやすくするために効果的です。

 圧着端子のリングの内径は、圧着する電線の太さごとに違うものが必要です。また、圧着する際に使う圧着工具の溝も圧着する電線の太さの溝を正しく使う必要があります。

圧着工具を用意する

 圧着工具は、安価な簡易型と高価なものがあり、安価なものですと圧着が不十分になりやすいので、ラチェット付きの圧着が完了するまで圧着端子が外れない圧着工具を使うのが理想的です。

 太い電線を使わない場合や、高電圧や大電流で使う圧着をせず、あまり使わない場合はカーショップやホームセンターなどで千円前後で売られている簡易型でも良いでしょう。

圧着工具の例

圧着する

 電線に圧着端子を圧着するには、まず電線を圧着端子のスリーブリングの長さよりも少し長めに剥き(むき)、撚線(よりせん)の場合は芯線がバラバラになって導通不良で火災の原因になったり、隣とショートしたりしないように芯線を時計回りにねじってから圧着端子のリングスリーブに通し、ビニール被覆を根元まで差し込んで芯線の先端がリングスリーブから少しはみ出すように、リングスリーブの中央をリングスリーブ側から圧着工具の適合する溝で挟んで圧着工具を強く握り圧着します。

圧着不良の例

  • 芯線のヒゲが飛び出していて感電や火災の原因になる
  • 芯線の長さが足りず抜けたり導通不良になったりする
  • 芯線が長すぎてネジ止め部分にまで被っている
  • リングスリーブの先端を圧着して芯線抜けの原因になる
  • リングスリーブの付け根を圧着して断線しやすくなる
  • リングスリーブに電線の被覆が密着せず感電や断線の原因になる
圧着不良の例

配線する

 1本の端子台にねじ止め可能な圧着端子の数は2本までです。1本のときはリングスリーブを上にしてねじ止めします。2本のときは圧着端子を背中合わせにして膨らまないようにねじ止めします。

 3本以上の圧着端子を接続したい場合は、中継の端子台を経由して、2本ずつ次々と数珠繋ぎ(じゅずつなぎ)します。

圧着端子によるシーケンサーの配線

各種スイッチ

押しボタンスイッチ トグルスイッチ(シーソースイッチ)各種 マイクロスイッチ

押しボタンスイッチ

押しボタンスイッチ各種

トグルスイッチ(シーソースイッチ)各種

トグルスイッチ(シーソースイッチ)各種

マイクロスイッチ

マイクロスイッチ各種

誘導電動機(インダクションモーター)

 誘導電動機(インダクションモーター)はローター(回転子)に永久磁石や電磁石を使わずに誘導子を利用してローターに電源供給をするためのブラシや整流子が必要ない寿命の長い交流電動機(ACモーター)です。  英語ではInduc … “誘導電動機(インダクションモーター)” の続きを読む

誘導電動機(インダクションモーター)

 誘導電動機(インダクションモーター)はローター(回転子)に永久磁石や電磁石を使わずに誘導子を利用してローターに電源供給をするためのブラシや整流子が必要ない寿命の長い交流電動機(ACモーター)です。

 英語ではInduction Motorと呼ばれ、小型の機械や大型の機械の動力などに使われますが、大型の機械の動力には誘導電動機のうちの三相誘導電動機(三相インダクションモーター)が使われることが多いです。

大型誘導モーターの例

ステッピングモーター内部

 上の写真の上側がローター(回転子)で下側がステーター(固定子)になります。ローターは永久磁石と誘導子を組み合わせたハイブリッド型(HB型)で、ステップ角が小さくトルクが大きいのが特徴です。  ステッピングモーターはステ … “ステッピングモーター内部” の続きを読む

ステッピングモーター内部写真

 上の写真の上側がローター(回転子)で下側がステーター(固定子)になります。ローターは永久磁石と誘導子を組み合わせたハイブリッド型(HB型)で、ステップ角が小さくトルクが大きいのが特徴です。

 ステッピングモーターはステーターのコイルによる磁力とローターの磁力との吸引反発力で回転するため、寿命は湿気や発熱などによる絶縁不良を除けば、ほぼローター両端を支えるベアリングの寿命で決まります。

各種ステッピングモーター

三菱電機シーケンサー実習

プログラム・ロジック・コントローラー(PLC)の実習の様子を復習するページです。

 シーケンサーはプログラム・ロジック・コントローラー(PLC)とも呼ばれる制御装置で、各種製造装置や自動倉庫や自動検査装置などの自動機械で良く使われるものです。

 シーケンサーを使いこなせるようになると、機械の自動化が簡単にできるため、就職に非常に有利で、就職したあとも空調の行き届いた部屋で仕事をしながら高収入を得ることができ、転職の際にも非常に有利です。

三菱電機プログラマブル・コントローラー(PC)実験装置

ラダー・プログラミング

早押しクイズのラダー
ラダーの基本的な使い方
信号機のラダー
ラダーによるプログラミングと書き込み
歩行者用信号機の課題要件
歩行者用信号機のタイムチャートとラダー
プログラム・ロジック・コントローラーで実現した押しボタン信号機