【AI相談記録4】「機械」はどうやって動いている？

こんにちは
吉岡よっしーです

とりあえず簡単に使い始めることができたChatGPTにはよく相談するのですが、たまにその対話の記録が消えていることがあります。
そのため、記録しておきたいことはこちらのnoteに貼っておきたいと思います。

今回は、現在私が製造業で機械設計に従事していることに関しての話題で、電子制御する産業装置などの機械装置の電装部品の基本構成を聞きました。

電子制御が必要なメカトロ機器の電装部品の基本的な構成（各部品の名称、システム線図など）を教えてください

メカトロニクス機器の電装部品は、機器の種類や用途によって異なりますが、基本的な構成要素は共通しています。以下に、一般的なメカトロニクス機器の電装部品の基本的な構成と各部品の名称、システム線図の概要を示します。

基本的な構成要素
１．電源ユニット (Power Supply Unit):
　・AC/DCコンバータ: 家庭用電源などの交流電源を直流電源に変換する。
　・バッテリー: ポータブル機器や電力バックアップ用。
２．センサー (Sensors):
　・位置センサー: エンコーダー、ポテンショメータなど。
　・温度センサー: サーミスタ、RTDなど。
　・圧力センサー: 圧力計、ストレインゲージなど。
　・光センサー: フォトダイオード、フォトトランジスタなど。
３．アクチュエータ (Actuators):
　・モーター: DCモーター、ステッピングモーター、サーボモーターなど。
　・ソレノイド: 電磁石を用いて機械的動作を行う。
　・ピエゾアクチュエータ: 圧電素子を用いた高精度な位置決め。
４．制御ユニット (Control Unit):
　・マイクロコントローラ: プログラム制御を行う小型のコンピュータ。
　・DSP (デジタルシグナルプロセッサ): 高速信号処理を行うプロセッサ。
　・PLC (プログラマブルロジックコントローラ): 工業用の制御装置。
５．通信モジュール (Communication Modules):
　・有線通信: RS232、RS485、Ethernetなど。
　・無線通信: Wi-Fi、Bluetooth、Zigbeeなど。
６．インターフェース (Interfaces):
　・HMI (ヒューマンマシンインターフェース): タッチパネル、ボタン、ディスプレイなど。


システム線図の例

以下に、一般的なメカトロニクスシステムの簡単なシステム線図を示します。
+-----------------+
| 電源ユニット |
| (Power Supply) |
+--------+--------+
|
v
+--------+--------+
| 制御ユニット |
| (Control Unit) |
+---+--------+---+
| |
v v
+---+--+ +--+---+
| センサー| |アクチュエータ|
| (Sensors) | (Actuators) |
+------+ +---------+
| |
v v
+----+------+ +----+------+
| 通信モジュール | | インターフェース |
| (Comm. Mod.)| | (Interface) |
+-------------+ +------------+

各部品の詳細
電源ユニット:
電圧変換と安定化を行う。
センサー:
システムの状態をモニタリングし、データを制御ユニットに送信。
アクチュエータ:
制御ユニットからの指示に基づいて物理的な動作を行う。
制御ユニット:
センサーからのデータを処理し、アクチュエータに指示を出す。
通信モジュール:
システム内部および外部とのデータ通信を行う。
インターフェース:
ユーザーがシステムとやり取りするための手段を提供。


まとめ

メカトロニクス機器の電装部品は、各要素が連携してシステム全体を制御し、効率的に機能するように設計されています。システム線図を利用することで、各部品の相互関係と全体の動作を視覚的に理解しやすくなります。

電気で動く機械には、電気関係の様々な部品が必要で、それらが頭の中では整理されていなかったので聞いてみました。
私はメカの設計なので一応専門外ではあるものの知っておく必要があります。

さて、これらの電装部品はどう考えれば整理できるかと言うと、３の「アクチュエータ」を動かすこととが目的と考えるといいと思います。
機械の目的は、例えば産業用のロボットハンドならハンドを自由自在に動かすことですよね。
電車も車輪を回して運送することです。
その動力を生み出しているものはたいてい「モーター」というアクチュエーターです。
世の中で発電される電力のうちあらゆる「モーター」に使用されている割合は５割とも６割とも聞きますが、とにかくたくさんの機械がモーターによって動いています。
そのモーターを動かそうとすると上記のようないろいろな電装部品が必要なわけですね。

え？でもモーターって電池とモーターをつなげば普通に動くと思うけど、と思った人もいるかもしれません。
その通りですが、しかし、機械にちゃんと搭載するモーターは、「制御」が必要なためにセンサーやコントローラーなどが必要になってくるわけです。

さて、設計職にはメカ、電気、ソフトと主に３部門の人が存在しますが私はメカ設計です。
メカ設計は、モーターの必要な動力や寸法などを計算して選定する必要があり、ここはメカの担当です。
そして、このタイミングでこのような動きをしてほしいという「タイムチャート」を作成して電気、ソフト設計者にあとを任せるわけですね。

それで、一応以下の事も聞いてみました。

メカトロ機器の設計における制御ユニットの選定はどのように行えばよいですか？それぞれのアクチュエータに対して専用の制御ユニットがメーカから用意されていたりするのですか？

メカトロニクス機器の設計における制御ユニットの選定は、システムの要件や使用するアクチュエータの種類、性能、コスト、拡張性などの複数の要素を考慮して行います。以下に、制御ユニットの選定プロセスと、アクチュエータに対する専用制御ユニットの有無について説明します。

制御ユニットの選定プロセス
１．システム要件の明確化:
制御するアクチュエータの種類と数（モーター、ソレノイドなど）。
センサーの種類と数。
必要な制御精度と応答速度。
データ処理の複雑さ（PID制御、フィードバック制御など）。
入出力インターフェースの種類と数（デジタルI/O、アナログI/O、通信ポートなど）。
２．性能要件の検討:
制御ユニットの処理速度（CPUクロック速度、メモリ容量）。
必要なリアルタイム性能（リアルタイムOSの使用など）。
データの処理能力（デジタル信号処理が必要な場合、DSPの使用など）。
３．互換性の確認:
アクチュエータやセンサーとの電気的・論理的互換性。
通信プロトコルの対応（CAN、Modbus、Ethernetなど）。
４．拡張性と柔軟性:
将来的なシステム拡張の可能性。
モジュール追加や機能拡張が可能か。
５．コストと信頼性:
予算内での最適な選択。
信頼性や耐久性の評価（産業用グレード、環境条件など）。


アクチュエータに対する専用制御ユニット

各アクチュエータに対して専用の制御ユニットがメーカーから提供されている場合があります。以下に代表的な例を示します：
１．モーターコントローラー:
　・DCモーター: Hブリッジ回路を使用したモーター制御ユニット。
　・ステッピングモーター: ステップ信号を生成する専用ドライバ。
　・サーボモーター: 位置フィードバック制御を行う専用コントローラー。
２．ソレノイドコントローラー:
瞬時に大電流を流すための専用ドライバ。
３．ピエゾアクチュエータコントローラー:
高電圧を精密に制御するための専用ユニット。


汎用制御ユニットと専用制御ユニットの選択
汎用制御ユニット（マイクロコントローラ、PLCなど）:
複数のアクチュエータやセンサーを統合的に制御する場合に適しています。
プログラム可能であり、システムの柔軟性が高い。
専用制御ユニット:
特定のアクチュエータに最適化されており、高効率・高精度の制御が可能。
シンプルなシステムであれば専用ユニットの方が設計が容易。


結論

メカトロニクス機器の設計における制御ユニットの選定は、システム全体の要件に基づいて慎重に行う必要があります。専用の制御ユニットが提供されている場合は、その使用を検討し、全体のシステム構成との整合性を確認することが重要です。汎用制御ユニットと専用制御ユニットを適切に組み合わせることで、最適なシステムを構築することが可能です。

ぶっちゃけ、結局どう選べばよいかよくわかりませんでした…
実はメカ設計でも、制御ユニットのスペースを確保して筐体や外装などを設計する必要があったりしそうだったので聞いてみたのでした。
やはり選定は電気かソフトの人に任せた方がよさそうですね。