MINATAと学ぶオートメーション #40：エンコーダと位置の帰り値 — 動きは測れなければならない

エンコーダと位置の帰り値：動きは測れなければならない

エンコーダは回転や直線の動きを信号に変え、PLCやドライブに、機構がどれだけ進んだか、どれだけ速いか、いまどこにいるかを伝える。これは帰り値であって、魔法ではない。機構が滑っていたり、カップリングにガタがあったり、測る場所を間違えていたりすれば、エンコーダの数値は健全に見えたまま、機械の先端は違うところにいる。

何に使うのか

コンベヤや回転軸の速度を測る。
測長ローラで長さを数える。
サーボの位置の帰り値として、また原点復帰の手順のために。
包装、印字のマーク、送り切断の同期のために。

インクリメンタル形はA相とB相、多くの場合はZ相のパルスを出し、そこから数と向きを得る。アブソリュート形は、適した通信の規約で絶対位置の符号を返す。どちらを選ぶかは、停電をまたいで位置を保つ必要があるかどうか、そして速度、ケーブルの長さ、環境、入力やドライブが実際に読める範囲で決まる。

パルスから工業単位へ

運転者に「123456パルス」と見せてはいけない。エンコーダの分解能と伝達比を使い、数をミリメートル、毎分回転、角度に直す。測長ローラを介する場合は、有効な円周、滑り、材料の当たり方まで数に入れる。図面の上で正しい式でも、ローラが滑れば機械の上では合わない。

原点復帰と基準点

インクリメンタル形は、電源を入れた時点ではどこが零かを知らない。機械には原点復帰の手順が要る。安全な速度で動かし、原点のセンサーかZ相を探し、止めて座標を与える。ソフト上の制限が意味を持つのは、位置が基準づけられたあとである。機械的な限界と、リスクアセスメントが求める安全の手当ては、それとは別に必要である。

インクリメンタルとアブソリュート

種類	停電をまたいで位置を保つか	原点復帰の要否	備考
インクリメンタル（A/B/Z）	保たない	必要	安価で一般的。相対的なパルスの数え上げ
アブソリュート・シングルターン	一回転の中では保つ	ほとんど不要	一回転の中の絶対位置が分かる
アブソリュート・マルチターン	保つ。多回転にわたって	不要	停電後も絶対座標を保持する

分解能と四逓倍、数値の例

インクリメンタル形はA相とB相の縁で数える。四逓倍で読めば、一回転あたり1000パルスのエンコーダは 一回転あたり4000カウント になる。円周200mmの測長ローラを介せば、材料のところでの分解能は200mm ÷ 4000 = 1カウントあたり0.05mm である。もっと細かくしたければ、パルス数を上げるかローラの円周を小さくする。ただしその前に、最高速度のときのパルス周波数を、入力やドライブが読める上限と突き合わせること。

出力の形式とケーブル

ラインドライバの出力、つまり差動のRS-422は、オープンコレクタやプッシュプルより雑音に強く、距離も伸ばせる。長いケーブルと高いパルス周波数が重なると、数え落としが起きる。一回転あたりのパルス数に毎秒の回転数を掛けた値を、入力の上限と比べる。シールド線を使い、保護接地へ正しく落とす。そうして初めて、数えた値が信用できる。

参考になる現場の一場面

すべり台がエンコーダ付きのサーボで動いている。電源を入れると、自動運転に入る前に原点復帰を求める。PLCは原点復帰の完了、位置到達、ドライブの異常を見張り、HMIでは範囲を限った寸動ができる。モーターが回っているのに数が変わらないなら、切り分けはカップリング、エンコーダのケーブル、ドライブ側の帰り値から始める。理屈を書き換えるのは、そのあとだ。

エンコーダのチェックリスト

[ ] 目的が速度か、長さか、絶対位置かを書き残した。
[ ] 分解能を換算し、機械の先端で確かめた。
[ ] ケーブル、シールド、入力やドライブの規格が合っている。
[ ] 原点復帰、範囲の限界、帰り値を失ったときの動きが決まっている。
[ ] 試運転のあと、一度きりではなく繰り返しの精度を測った。

エンコーダは動きをデータに変える。次の #41 ではHMIに移る。そのデータを、運転者が正しく判断できる形で見せる場所である。

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