円柱の落下スピードの測定

質問

先に「物体の移動速度を計測したい」という標題で質問しましtが、内容があいまいでしたので質問しなおします。
添付図のような円柱（直径・長さ　約200ｍｍ）が自由落下します。
落下開始から400ｍｍくらいの地点での落下スピードを測定したいのです。理論計算では約3m/secです。
図のように円筒の上部に2本のマーク線を描き、それをセンサーで感知してその時間差を精密に計測してスピードを算出したいと考えました。（円筒は回転しながら落下するので）
あまり費用を掛けられません。数万円の費用でできないでしょうか。

回答No.9

lumiheart · ベストアンサー

回答５です

＞幅5ｍｍくらいの線を円筒の上部にぐるりと描き、
やった事の無い方々は気楽に簡単に出来るであろうと思ってるんでしょうけれど
実はこの簡単な事が一番困難であり一番のミソでもある
普通の安いセンサではこれが検出できない
たとえ検出出来たとしても安定しない
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/409/lineup.html

カラーマーク光電センサ
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/3531/lineup.html
44,000円
これくらいのが必須となる

カラーマークセンサって何？ですが、印刷機のトンボを検出するセンサ
https://kamisommelier.jp/4668/
印刷ズレはセンサ性能で決まる

本件のワーク長は200mm
センサ性能が悪くて199mmと検出してしまったら
1/200=０．５％
よーするに誤差０．５％
繰り返し精度さえ確保できればまぁマイナス0.5%補正するだけなのですが
毎回マイナス0.5%と限らず、プラマイ0.5%の間で変動したりする

なので、前回の回答で透過型レーザーセンサをお勧めした
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/1747/

回答No.10

kaba__san

安い光電スイッチで時速100km/hの物体を0.1％精度で普通に計測している私はただの通りすがり。

回答No.8

kaba__san

フォトマイクロセンサを一つ使うだけで済みますね。
50ｍｍの範囲全部真っ黒にマジックで塗りつぶせばいいんです。
時間計測ははマイコン使うなり、シーケンサ使うなりご自由に。

回答No.7

ohkawa3

前のご質問で、次のように記載なさっています。
「毎秒約3ｍで移動している物体があります。
その速度がばらつくので精密に測りたいのです。」
「ばらつく」とのことですが、どのような方法で測定なさっていて、どの程度のばらつきがあるのでしょうか？

自由落下とのことですが、落下開始の際の初速度にばらつきがあると想定されるのでしょうか？ 円柱を落下させる機構をご提示頂ければ、機構の影響をある程度推測できるかもしれません。

自由落下において落下距離（400mm）が一定であれば、位置エネルギーが運動エネルギーに変換される量は、理論的には一定です。
直線的に落下するのではなく、回転運動を伴えば、運動エネルギーの一部が回転運動に変換さることで、直線運動の速度が若干低下する可能性があるかもしれません。

補足

円筒は上部にシャフトがあり、そのシャフトはガイドブッシュに挿入されていて摺動します。そのシャフトとブッシュの滑り抵抗により速度がばらつくと考えています。
図を添付するのを忘れていましたが、円筒は若干回転しながら落下しますのでマークは鉢巻状にするのが良いかと思います。幅5ｍｍくらいの線を円筒の上部にぐるりと描き、同じ線を50ｍｍ下に描くという考えです。
最大スピードが3m/secですからそれよりも10％以上遅い場合には異常であると考え、対処をお客様にお勧めすると考えています。

回答No.6

ohkawa3

回答(5)さんのご指摘の一部を図示してみました。
2点のマークが通過する時間から速度を求める場合、落下中に物体の姿勢が変化することを考慮すると、仮に重心点の速度が一定としても、下図に示すように姿勢によって大きな誤差が生じることが分ると思います。
また、前のご質問に対する回答で、マークを1個にしてセンサーを2個にしたほうがよいとの指摘もご理解頂けると思います。

姿勢の変化なしに直線運動する場合と、姿勢の変化を考慮する必要がある場合とでは、測定の難易度が大きく変わります。
小煩いはなしになりますが、剛体の運動には6個の自由度がありますから、厳密に速度を測定するためには、6個のパラメーターに分離して速度を測定できるシステムを組む必要があります。
そのようなシステム構成にも複数の方法があると思いますが、例えば高速度カメラでマーク位置を含む物体を撮影して、ソフトウェアを利用して姿勢を数値的に算出するような方法があると思います。残念ながら、そのようなシステムは数万円の出費では作ることは困難と思います。
モーションキャプチャーに対応できる工業試験所や大学の研究室などに測定を依頼することを検討した方がいいかもしれません。

振り出しにもどりますが、もっともシンプルに正確に速度を測定することが最優先であれば、姿勢の変化が起こらないように軌道をガイドして直線運動をさせることです。

ここまで書いてみましたが、速度を測定することが最終目標とは考えにくいと思います。どのような事柄を実現するために速度を測定する必要があるかをご提示になれば、安価な解決策のヒントが得られるかもしれません。

補足

ご回答ありがとうございます。
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回答No.5

lumiheart

前回にも書いたけれど要求精度はどれくらいでしょうか？
１０％、？１％、０．１％？

反射式で計測するとデカイ誤差が発生する
https://radiolife.com/security/police/45849/
ワークの傾き＝巨大な誤差
楽勝に３０％超える

高精度を要求するなら透過型
https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/43/2/index.html

普通のLED透過型センサせは回折現象が大きい
https://www.olympus-lifescience.com/ja/microscope-resource/primer/lightandcolor/diffraction/
なのでそれも誤差要因

できればレーザー
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/1747/
https://www.keyence.co.jp/products/sensor/laser/lv-s/
センサだけで3万越えなんでアレですが
0.1%を目指すならこれくらいは必要

そもそもですが
自由落下？って　落下姿勢も自由？
シュートみたいなので落下姿勢を規制してないとそれも誤差要因

補足

ご回答ありがとうございます。
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回答No.4

ohkawa3

前のご質問（https://okwave.jp/qa/q10229451.html）にも回答しましたが、単発の速度測定をできればよいのか、連続的に測定を行って制御系に対する信号としてフィードバックしたいのか・・・などによって、費用は大幅に異なります。

キーエンスのような会社に丸投げするのが一番楽で確実と思いますが、それよりも出費を抑えたいということと思います。

前の回答では、光学センサ部分を内製するようなことを提案しましたが、どの程度まで貴社内で対応することを想定なさっているのでしょうか？
ハード、ソフトともに内製すれば、社外に支払う費用は少なくできますが、社内で発生する労務費などを考慮すると、外注するより安価になるとは限りません。
ご質問は、ハード、ソフトともに内製することなしで、所望の機能がある速度測定できる製品があったら紹介して欲しいということでしょうか？
冒頭に書いたように、単発の測定ができればいいのか、制御系にフィードバックできるような連続的なデータを出力する測定が必要なのかによって答えば大幅に異なるように思います。

水平方向の移動なのか、鉛直落下なのかのような状況よりも、インターフェース条件を含めて、どのような出力が欲しいかが重要な情報と思います。

単発測定であって、ある程度ハードウェア・ソフトウェアを内製（自作）できる条件ならば、相当に安価に構成できる可能性はあると思います。

補足

ご回答ありがとうございます。
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回答No.3

kaba__san

添付図は一体どこにあるんだろう？
まあいいや。
回帰反射シールを棒の両端に貼っておいて、光電スイッチで見りゃいいんですよね。
理屈知っている者ならか～んたんな内容。
部品代は数万円もあれば十分過ぎるけど、道具なり知識なりが無いのはどうすりゃいいでしょうね？

補足

ご回答ありがとうございます。
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回答No.2

kon555

回転方向にもよりますが、ワイヤ式変位計をセットし、落下させるのが1番精密ですね。
https://www.hiro-tec.com/new/henni.html

　あとはハイスピードカメラで撮影する、などでしょうか。
　レンタルしてもいいですが、メーカーに「テストしたいが実地デモは可能か」と聞くと無料で済んだりします。

補足

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回答No.1

MT765

測定は一度きりなのかわかりませんが、ハイスピードカメラをレンタルするというのはダメでしょうか。
実際に借りたことはないので費用まではわかりませんが…。

参考
【ハイスピードカメラの使い方・活用テクニック】
https://www.nobby-tech.co.jp/support/hispeed_technique.html

簡易な測定ならiPhoneなどの240fpsスローモーション撮影を利用してもできると思います。
（背景に移動距離のわかる目盛を用意する必要はあります）

補足

ご回答ありがとうございます。
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