重りの落下の制御

質問

5kgの重りを50cmの高さから地面に落下させ、地面との衝突加速度を測定する実験をもくろんでいます。
　連続測定を行いたいので、重りをワイヤーに吊るして自由落下させ、モーターで巻き上げる装置，落下のガイドとなる筒などはすでに用意してあるのですが、着地の直後にワイヤーリールにブレーキをかけてワイヤーをたるませる事なく、着地後2～3秒で50cm引き上げる制御をどうするかでつまづいています。PC制御なども考えてはいるのですが・・・。

　何か参考になるHPや、そういう事向けの機構とかはないでしょうか？（漠然としてますが）。イメージ図を添付します。

回答No.3

hahaha8635 · ベストアンサー

エレベータの
https://www.n-elekyo.or.jp/encyclopedia/mechanism/elevator.html
トラクション式［機械室ありタイプ］
釣瓶型にして

着地衝撃１G以下の場合
反対側にワイヤー分の重りをつければ緩みません

1Gを超える場合(1Gも含む場合)
ロープ分のイナーシャーが殺せないので　ロープを挟むなどの
ブレーキをつける必要があります

動力切断は
マグネットクラッチ
https://www.monotaro.com/g/00355088/

お礼

回答ありがとうございます。

　エレベーターのトラクション方式は、合理的な方法だと思いました。ただ対抗バラストをつけると機構が倍くらい重くなるので、トルクが負荷の影響を受けないモーターで代用できないかな？と思案しています。サーボモーターの類いは、高出力で軽いので(^^)。

回答No.6

hahaha8635

>>ただ対抗バラストをつけると機構が倍くらい重くなるので

ワイヤの長さだけの重りです　つまり50cm分の重りだけです

もっと早い段階で構想段階なら
IAI
https://www.iai-robot.co.jp/product/lsa/lsa_lsas.html
リニアロボットで挟み上に持ち上げ落下　
落下とともにハンドも下降(加速度3Gまで出せるので先に到着)
また上げる　のを　推奨します

この場合　ロープも何も影響しない

値段は張るけど

この間もタクト/秒厳しい質問がったが
だけど普通の産業機械で出せる加速度は0.2G程度で(エアー場度使った場合)

１G　を出したり
マシン/タクト2-3秒は　結構きつい世界です

お礼

回答ありがとうございます。

＞ワイヤの長さだけの重り
　あっ、なるほど。なんですが、テンションバーじゃ駄目でしょうかね？。現在はそういう方向で考えてます。エレベータのトラクション方式が良いと思ったのは、常に対抗バラストが重りと釣り合うので、モーターの出力は小さくて済みますし、微妙な速度制御も出来そうな気がしたからです。何よりも良いのは、素早い引き上げができそう、という点です。

＞IAI
　リニアアクチュエータですか。はっきり言って考えてませんでした(^^;)。次期バージョンで検討してみます。

回答No.5

lumiheart

本件の最大の問題は
ロープのたるみとか、巻き上げタイミングとか
そんなどーでもえー事でなくて

衝撃検出センサをどーするか？でしょうね
定石的にはロードセル
https://www.aandd.co.jp/products/weighing/loadcell/cell-general/
https://www.kyowa-ei.com/jpn/product/category/sensors/index.html
或いは加速度センサ
https://www.kyowa-ei.com/jpn/technical/sensors/acceleration.html
https://ednjapan.com/edn/articles/1205/16/news110.html
https://www.marubun.co.jp/product/component/a7ijkd000000gvt6.html
https://smartdrivemagazine.jp/technology/accelerometer_gyroscope/
問題はそのセンサをどこにどーやって取り付けるか？
ロードセルなら床面に設置してロードセルに落下物をぶっつける
ロードセル自体は一種のバネ、よーするに緩衝体なので衝撃力はその分弱まるけど？
それでいーの？

加速度センサなら落下体に取り付ける　＜　ケーブルはどーする？
ケーブルの存在自体が加速度に影響するけど？
それとも落下体にバッテリ付けて無線でデータ飛ばす？

そもそもご予算は如何ほど？
測定精度は御予算次第！

エーカゲンな精度で良ければ安価！
それなりな精度を要求すると莫大なご予算が必須となる

お礼

回答ありがとうございます。参考になりました。

補足

回答ありがとうございます。

　「地面」と書きましたが、実際には野外の地盤なのでロードセルは考えておりません。

　加速度センサについては、実際は添付図を低速車両に載せた走りながらの測定になりまして、加速度には車両走行の揺れの影響も入ります。
　一番の問題は、50cm程度の落下でも土と重錘5kg（鋼製）の衝突加速度はやってみると50Gを越えます。また衝突過程の測定になるので、1kHz程度のサンプリングは行いたい訳です。耐久性と応答性を考えると、容量100G程度の加速度センサになります。

　一方、衝突強度の指標としては、衝突過程の最大加速度を用いるよりも、衝突過程で発生する運動量を指標とした方が良い事が、経験的にわかっています。加速度から運動量を算出するには衝突速度の推定が重要になりますが、それは落下過程の加速度で決まります。ところが落下過程の加速度は機械抵抗を除いても最大で1Gとなり、容量の1％以下の測定値となって、決してそのまま信じるわけには行きません。

　加速度データの基本処理からも（零点シフト，ドリフトは必ず起こるから）、上述した誤差要因の影響からも加速度，速度時系列の基線補正は欠かせないものです。それらを行うバックデータの測定はすでに行いました。
　以上よりケーブルの影響はゴミだと思うのですが、間違いでしょうか？。

　何か良い案はありませんか？(^^;)。

回答No.4

TIGANS

別にプーリー円周の１/10とかならワイヤ弛んでもよいのでは？
調整すれば数mmくらいまではたるみを追い込めると思います。

そしてたるんだらリールをそのまま回転させて巻き取れば良いだけですね。勢いが付いているから速く巻き取れるはず。
先ほどと巻取り方向が逆になるだけで何の問題も無いと思いますが。
制御は途中にフォトインタラプタでも入れて加減すれば良いと思います。

お礼

回答ありがとうございます。

　実際には添付図の機構を低速車両に積んで走りながらの測定になりまして、ワイヤーを弛ませたくないのは実機試験をやった時に、着地した重錘が車両走行で引きずられ、引きずり抵抗により重錘が上がらなくなったりしたからです。

　少々説明不足だったと思いました。いずれにしろありがとうございます。

回答No.2

nowane4649

電磁クラッチまでは、購入済みで、クラッチの作動トリガーをどうすべきか悩んでいるということでよいでしょうか？

方法としては以下の2種類考えられます。
　おもりが衝突する床部分の荷重を検知する方法
　おもりが所定地点通過を検知する方法

荷重検知方法としては、ロードセルや感圧センサーを床に仕込んでおき、おもりによる荷重をセンサー部の抵抗変化として読み出します。
メリットとして確実に着地を検出できますが、センサーが衝突衝撃で痛み、消耗するデメリットもあります。
また、センサーの剛性が低めなことが多く、衝撃を吸収してしまい、測定に影響を及ぼす可能性もあります。

通過検知方法としては、光電センサーやファイバーセンサとして売られている部品を使い、所定の地点のおもり通過を検知します。
その後、適切な遅延時間を経てからクラッチを動作させ、ワイヤーリールの原則を行います。
LEDとフォトトランジスタで回路を自作すると安く済ませることもできます。
部材の消耗もなく、衝突への影響もありませんが、遅延時間設定などの調整が面倒かもしれません。

あと、ワイヤーを弛ませないというのは結構難しいので、「弛んでも問題が無い」形にする方が良いかもしれません。
具体的には、着地状態でワイヤーの余りがリール1周分以下(できれば半周以下)となっていれば、完全に弛み切ったとしても、巻き上げ時の噛み込み等のトラブルはほぼ起きません。

お礼

回答ありがとうございます。

　「地面」と書きましたが、実際には野外の地盤を対象にしているので、床へのロードセルは現実的には無理です。
　そういう訳で所定地点の通過検知についても考えましたが、実際には添付図の機構を低速車両に積んで走りながらの測定になりまして、不陸や車両の揺れなども考慮すると、所定地点の決め打ちでは、衝突加速度を完全に拾えない可能性があります。それで現在は、落下高が決まっているので、少し余裕を見た時間の決め打ちで引き上げタイミングとする事を考えています。

　ワイヤーを弛ませたくないのは実機試験をやった時に、着地した重錘が車両走行で引きずられ、引きずり抵抗により重錘が上がらなくなったりしたからです。もっと大出力のモーターも考えましたが、機材が重くなるので・・・(^^;)。

　少々説明不足と思いました。いずれにしろありがとうございます。

回答No.1

agehage

「ししおどし」がそのものな気がしました
参考になれば

お礼

回答ありがとうございます。

　「ししおどし」のような優美でスマートな機構になれば良いんですけれど、現実にはどうも武骨なものになりそうです(^^;)。