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鉄道模型工学 μ特性を測定しよう 予備実験用の装置の製作
μ特性を測定するための装置を作っています。まず、予備実験が可能な機能を有した装置を工作して、本当に狙いどうりの測定が可能かどうか検証することにしました。
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■ 余談
報告書の中では、魔法のようにストック品が出てきます。その魔法の箱の中身を紹介しましょう。いままで、クラフトシリーズなど多くのモデルを入手して工作してきましたが、キットの中に含まれていた多くのオプション部品は廃却せずにそのまま保管しておりました。捨てるのが勿体ない古い世代の証ですね。これらの部品を漁って応用できそうなものを探すのも、これまた楽しみな時間です。その一部を紹介しましょう。
■ 装置の骨格を作る
まず、装置の基本となる骨格部分を作りました。このようなホビーの実験装置では、簡単に工作できる木工工作で充分です。製作も容易なら、廃却も容易です。不要になったら分解し、さらに細かく切り刻んでしまえば燃えるごみとして処理できるのです。
装置は、レールを取り付ける長い角材を用意し、先回報告した駆動ユニットをそれに取り付けた構成にしました。角材は45×24×1800ｍｍで、これまた分解されていたストック品です。この角材にふたつの足を取り付けました。この上に直線レールを取り付ける予定です。
そして、その一端に駆動ユニットをボルトで固定するようにしました。保管時には分解して保管できるようにネジで固定するようにしています。
使用時は下左の写真のような状態となります。
また、動力車のモータ回転を計測した信号ケーブルは、８字レイアウトで使用したケーブルを再利用します。
■ 測定データの処理回路の検討
電気系のハード構成を検討するため、測定データの処理回路を検討しました。今回のプロジェクトでは、動輪の回転数、車速、そして連結棒引張力の計測がメインとなります。このためには、
- 動輪の円周速度の計測 ⇒ 動力車のモータ回転数を計測して動輪の回転速度を計算する。
- 車速の計測 ⇒ 巻取り装置のモータ回転数を計測して動力車の車速を計算する。
- 動輪周引張力 ⇒ 連結棒引張力をロードセルにて計測して換算する。
の計測がメインとなりますが、どうせなら動力車の動力特性としてその時の供給電圧と電流も計測できるようにしておくことにします。また、これらの計測を実施するためには、直線線路における往復運転が必要となるので、この往復運動の自動運転も出来るようにしておきたいし、測定操作自体も自動化できるに、欲張った構成を考えています。
でも、一抹の不安のある ”本当に狙いどうりの測定が可能か？” ・・・・・を検証するために、予備実験を実施することにします。このためには、測定のメイン項目だけに絞って実行できる回路構成を優先させました。それが上記の回路図に示したカラーボックスで括った部分です。
ロードセルとその処理回路、動力車のモータ回転数計測回路、巻取装置のモータ回転数計測回路、そしてこれらまとめてパソコンにデータを送信する中央制御用のArduinoです。そして、巻取装置のモータを制御して試験車両の速度を決める操作部として、前進後進の切替スイッチ（中立時は停止状態となるように３ポジション機能）と速度を調整できるボリュームも組み込んでおきます。
この他に、レール終端では給電ストップと到着信号を発するレールエンド装置が必要ですが、「新登山鉄道 運転システムの検討」（2021/11/10）にて使用予定であった１セットがストック品としてあったので、これを活用しますが、今回はこの信号を利用しません。給電カット機能だけを利用して、方向変換は手動操作です。他方（駆動ユニット側）は目視操作の手動で実施予定です。また、給電部は通常のパワーユニットを使用し、往復運動のための方向変換も手動操作です。
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■ ハード回路の制作
今回、新たに工作が必要な部分は、ふたつのモータの回転計測回路です。先々回の報告にてブレッドボードで実施した回路を工作しました。同じ処理をする二つの回路が必要でしたので、ひとつのボードの中に納めました。
でも、ひと通り工作が進んだ処で、再利用する上記のケーブル線を見て、脚が３本しかないことに気が付きました。回路中の220Ωの抵抗がすでにケーブルの中に組み込まれていたのです。そこで急遽３本脚用のピンホルダを追加しました。右の写真の下の方です。
ディップスイッチはカウント回数を指定するスイッチです。スイッチ１はQ9ポートで256カウントでONになります。同様に、スイッチ２は、Q８、128カウント、スイッチ３は、Q10、512カウント、スイッチ４は、Q11、1024カウントです。
パルスカウンタ74HC4020の脚の配置が順番どうりではないで注意が必要です。
制御用マイコンはArduino UNO を使用します。No7のマーキングがあるので何かに使用したものと思われます。スケッチは新しいものに入れ替える必要があります。下左の写真。
各要素とのI/O接続は直接ポートに直接接続させますが、電源の＋5VとGNDは多数のポートが必要なため、専用のボードを作りました。下右の写真です。
ロードセルの処理回路も取り付けました。下の写真。
このユニットの全体を下に示します。ボードの表側を下左の写真に、裏側を下右の写真に示します。
巻取り装置の駆動回路は、予備実験用としてとりあえず組んだ回路です。自動測定や自動運転の場合にはもっと工夫が必要となってきますが、今回は手動操作で実施できるようにしています。このため、新たに追加した右上の押しボタンスイッチは、ロードセルの測定処理を実行させるための手動ボタンのつもりです。
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ハード工作は着々（？）と進めていますが、暑さと齢のせいで根気が続きません。でも、無理をせずに少しづつ進めていきましょう。