ＳＬ鉄道模型転車台電動化(レイアウト設置編)

ＳＬ鉄道模型転車台電動化(レイアウト設置編)

2013年2月9日
2013年2月10,11日,25日,3月7日改訂

　いよいよＳＬ鉄道模型の転車台を電動化してレイアウトに設置します。
　今まで行って来た実験のようにロボゼロのサーボモーター(Futaba RS306MD)で制御します。

　ロボゼロのサーボモーターは、デアゴスティーニの週刊ロボゼロのバックナンバーで購入できます。
　サーボモーターが付いている号は何号かありますがレイアウトに設置するのになるべくリード線の長いものがいいと思います。
　サーボの型番の最後が-DHのものが一番長いのこれを購入してください。
　私はいつも70号を購入しています。

　後日違う方法でサーボを取り付けていますのでこちらも参照してください。

　青い線がサーボの位置、緑の円がサーボの稼働範囲を示します。
　このサーボの稼働範囲は-150°～150°で暗い部分が稼働できない範囲でこの部分に線路がこないように設置する必要があります。
　なお180°反転できるようにするので線路と反対側の車止めの部分にも稼働させる必要があります。
　写真で暗く示したように15°×5ブロック＝75°の空きブロックを非稼働範囲になるようにします。
　従ってサーボが原点に来た時、写真のよう主桁が上側の真ん中の空きブロックの位置になるように調整します。

　サーボモーターの設置はレイアウトに対して水平にするかまたは垂直にするか二通りの方法が考えられます。
　垂直にする場合はスペースの関係でサーボ軸を上にする必要があります。
　またレイアウトに対して斜めに設置しても構いませんがスペースを有効活用する上で水平か垂直の方がいいと思います。

　後で説明しますが垂直にした方がサーボの固定は簡単です。
　水平だとパネルの壁まで7mmしかスペースがありませんので縦方向にサーボの固定バンドを設置できません。
　反面水平の場合、このスペースに板(7mm厚)を置くとパネルの壁に固定する事ができます。
　転車台を正確な位置に止めるためにはサーボ自体の回転を極力押さえる必要があります。
　その点水平設置の場合、壁に固定するためより回転を押さえられると思います。
　またバンドを縦に固定する場合長いネジを使うとレイアウトの表面に突き出てしまいます。
　こういった点を考慮すると私がやったように水平に置く方法をお勧めします。

　また水平の場合レイアウトパネルをつなげるネジと干渉してしまいます。
　これを極力小さくするためにサーボ軸は左側(外に近い方)にしました。

　それでは実際の電動化の手順を説明していきます。
　まず49号で配布された主桁の中心にサーボ軸に固定するための2mmのビス穴を開けます。
　この作業は重要で中心に開けないとサーボがスムーズにを回転できなくなってしまいます。
　私がやった方法を紹介します。

　主桁の中心の突起の内側の内径がちょうど5mmなので5mmのドリルを中心に当て傷を付けます。
　この時突起の壁が削られないようにドリルは刃と逆の方向に回転させてください。

　次にこの傷を目印にピンバイスで2mmの穴を空ける訳ですが、いきなり2mmのドリルを使わずになるべく細いドリルで下穴を開けます。
　開けたらドリルを軸として主桁を回転させて正確に中心になっているかを確かめてください。
　こうやってドリルの太さを徐々に太くして行き最後に2mmのドリルでビス穴を開けます。
　他にもっといい方法があるも知れませんが正確に開けるよう工夫してみてください。
　また多少ずれてしまってもこの穴を少し大きくすればサーボ軸の中心で固定する事ができます。

　ビス穴とは別になるべく細いドリルで上の図の赤い部分に２ヶ所穴を開けておきます。
　後で説明する主桁とサーボを固定するためのピアノ線を通すための目印にするための穴です。
　主桁の中心部の突起内側の壁際の位置に左右(主桁を横に置いた場合)２ヶ所です。
　なお今回主桁のみの状態で行っていますがこの作業は主桁を転車台本体に取り付けた後で行っても構いません。

　次にサーボの設置位置をレイアウトに書いておきます。
　サーボを転車台に取り付けた後だとこの作業がやりにくくなるためこの段階でやっておきます。

　転車台をレイアウトに設置して先ほど開けたビス穴を使ってレイアウトに2mmの穴を開けます。
　この穴をサーボ軸が通る大きさ(約6mm)まで広げます。

　実際にサーボをこの穴に差し込んでサーボを型にシャープペンシル等で位置を描きます。

　次にレイアウトにサーボ穴を開けます。
　先程シャープペンシルで描いた線に沿ってカッターでボードに穴を開けていきます。

　まず表面のスチレンボードの部分だけ切り抜きます。
　くりぬいた部分にサーボを入れてみて位置が正しいか確認します。

　なるべく隙間がないように開けるため最初は小さめに開けておいてサーボを差し込みながら穴をカッターで広げていきます。
　穴が大きくなっらヤリスを使って穴を広げていきます。
　サーボが差し込めるようになったら穴あけは完了です。

　次にサーボの転車台への取り付け方法を説明します。

　上の図の茶色の部分が主桁、緑が転車台本体を示します。
　その他のパーツが取り付けに必要となるものです。
　サーボとの接続はサーボホーン(図の黒い部分)を使います。
　サーボホーンはこのサーボ専用のものが市販されていますからそれを購入してください。
　灰色で示したパーツは2mmのビスとそのワッシャーです。
　サーボ専用のネジも市販されていますがそれだと長さが足りないので10mmのものを使いました。
　黄色で示したので主桁とサーボを固定するためのピアノ線(鋼鉄針金)で先ほど主桁に開けた2ヶ所の穴の位置に通します。

　青い部分が主桁とサーボのジョイント用のパーツで自作する必要があります。
　今回は模型用の5mmの透明プラパイプを使いましたが5mmのプラ棒を使った方がいいと思います。

　主桁に差し込んだ時の転車台の裏面までの長さが2mmですが2mm丁度で作成するとサーボホーンが裏面とぴったりになって動きにくくなるので少し遊びを作ってやります。
　2mm厚の板にボール紙を重ねてボール紙の分を遊びにします。
　重ねたものに5mmの穴を開けてそれにプラ材を差し込んで2mm+αの位置をカッターで切断します。
　厚板に差し込んだまま切断面をヤリスで削ります。　なるべく板と平らになるように削ってください。
　サーボホーンとの接触面はなるべく平らな面を使いたいのでプラ棒の端の面(最初からカットされている面)を合わせてください。
　通常のプラ棒を使った場合は中心に2mmのビス穴を開けておいてください。

　ジョイントパーツが出来上がったらパーツを組み立てていきます。
　まずサーボ軸にサーボホーンを取り付けます。

　ここで気をつけなければいけないのはサーボホーンのビス穴に切られている部分(写真緑)が固定用のピアノ線の位置に来ないようにする事です。
　サーボをレイアウトに対して水平に設置する場合はサーボ軸の原点の印(写真緑)に対して90°の位置になるように取り付けます。
　垂直に設置する場合はサーボ軸の原点に合わせて取り付けます。

　主桁の中心に先程作成したジョイントパーツの切断した面をを差し込みます。
　反対の面にサーボホーンを合わせてビスでサーボ軸に仮止めします。
　この時点ではまだ固定用のピアノ線は差し込みません。
　またこの時はワッシャーも入れません。
　レイアウトに設置してから位置を調整しますので主桁を手で動かせる程度にビスを締めておいてください。

　次に先程開けたレイアウトのサーボ穴にサーボを差し込んみます。
　差し込む前に転車台本体にレイアウトの線路(ポイントから分岐した転車台への引き込み線)を２本接続しておきます。

　サーボとレイアウトパネルの枠の間に差し込むサーボベースを作成します。
　7mm厚のボードを100mm×25mmに切断します。
　今回は100円ショップで市販されているもの(200mm×100mmMD材として)を使いました。

　レイアウトに開いている連結穴の位置に同じ大きさの穴を開けておきます。
　レイアウト面側に両面テープを貼っておきます。
　レイアウトを連結していたボルトでは長さが足りないので長いもの(40mm)に置き換えます。

　ボルトでこのボードを連結するレイアウトベースと一緒に固定します。
　なおサーボを設置する面は蝶ネジですが干渉するので蝶ネジは反対側にします。
　また座金とサーボバンドが干渉するためサーボ側の座金も外しておきます。

　次にアルミ板でサーボの固定バンドを作製します。
　今回は0.5mm厚のものを使いました。
　この厚さだとハサミでカットができ加工が楽です。
　縦100mmの部分を20mm幅にカットします。

　サーボの形に合わせて折り曲げます。　またボート面にビス穴を開けておきます。
　なおサーボをがっちり固定するために内側に両面テープを貼ったのですメンテナンスがしにくくなるので動作チェックを終えた後にした方がいいと思います。
　サーボがガタつくようなら必要ですが水平に設置する場合は要らないかも知れません。

　ビスで留めたらサーボの設置は完了です。

　今回はコンピュータ制御ではなくリモートのスイッチ操作によりコントロールしてみます。
　サーボの制御はarduinoというマイコンボードを使用します。　今回はこちらの機種を使用しました。
　もう少し安い機種もありますがUSBが装備されているのでプログラムを入れるのにUSBケーブル1本でそのままPCに接続できます。
　なおarduinoは日本語の開発環境が整っているのでプログラムを入れるのは簡単に行えます。
　まず配線作業を行います。

　タクトスイッチの端子をarduinoのデジタルピン8～13に接続します。(回路図緑線と青線)
　タクトスイッチのもう片方の端子を全部接続してまとめて13ピンのとなりのGNDに接続します。(黒線)
　ひとつのタクトスイッチは転車台の反転用に使います。(青線)
　残りの5個のタクトスイッチ転車台に接続している5本の線路に対応します。(緑線)
　タクトスイッチを押すと転車台が回転して対応する線路に接続します。
　反転用のタクトスイッチを押すと反転モードになって転車台の反対側が接続するようになります。
　もう一時タクトスイッチを押すと反転モードが解除されます。
　タクトスイッチの代わりにトグルスイッチを使うとトグルスイッチの倒れている側に接続するようにできます。
　なお反転用にタクトスイッチを使う場合はプログラムを変更する必要があります

　サーボモーターはグランド(黒線)をarduinoの下側のGNDに接続します。
　サーボモーターの電源(真ん中赤線)をarduinoのGND隣の5Vに接続します。
　サーボモーターの信号線(端赤線)をarduinoのデジタルピン1に接続します。

　以下の材料を使って実装しました。

　　超小型タクトスイッチ(1.5mmタイプ)×6個
　　ミニICB基板
　　連結ヘッダーソケット 8P
　　QIケーブル8P-8P
　　QIケーブル3S-3P
　　QIケーブルシングルピンプラグ

　これらの部品を実装します。

　スイッチの並びは上が反転モード切替用で下が左から1番～5番線接続スイッチです。
　番号と実際の線路の対応はこちらをご覧ください。

　スイッチ基板とarduinoは8PのQIケーブルで接続するようにしました。
　スイッチ基板に8Pの連結ヘッダーソケットをハンダ付けをしてそれに各ボタンを配線します。
　実際にレイアウトで使う場合はもっと長いリード線(LANケーブル等)で接続する必要があります。

　サーボとarduinoの接続は3S-3PのQIケーブルで行います。
　サーボはこのケーブルのソケット側に接続します。
　ケーブルのプラグ側の信号線にあたる線(橙色)をプラグに近い所で切断してシングルピンプラグに結線しておきます。
　このシングルピンプラグをarduinoのデジタルピン1に接続します。
　プラグ側で残った2本(電源線とGRD線)のプラグをarduinoの左下のコネクタの5Vと隣のGRDピン接続します。(カットした線のプラグは3Vに差し込みます)

　arduinoにプログラムを転送します。
　これらの作業はWindows PCを使って行います。
　プログラムの転送に先だってarduino関連のソフトウェアのインストール作業が必要です。
　またarduinoとWindows PCを接続するためにUSBケーブルが必要です。
　今回使うUSBケーブルはType-Bといってプリンタなどで良く使われる先が正方形のような形をしたケーブルです。

　Windows PCのソフトウェアのインストールはこちらのサイトに分かりやすく書かれています。
　本転車台用のarduinoスケッチ(プログラム)を開いてください。
　開いたら全体を選択(マウス操作または編集メニュの全てを選択コマンド)してください。
　続いてコピー(マウス右ボタンまたは編集メニュのコピーコマンド)してください。
　次にWindows PCにインストールしたarduinoを立ち上げておいて空白の画面がある場合は編集メニューの貼付けコマンドを実行してください。

　空白の画面がない場合はファイルメニューの新規作成ファイルコマンドで空白の画面を開いてそこで貼付けコマンドを実行してください。
　後は画面の転送アイコン(上の画面の白くなっている右矢印)をクリックしてプログラムを転送してください。
　転送に先立ってUSBケーブルが接続されている事を確認してください。
　転送が終わってしばらく経つとプログラムが自動的に実行されサーボモータが原点位置に回転します。

　なお転送の前に左隣のチェックアイコンをクリックする事によってプログラムの書き間違いがないかチェックする事ができます。
　転車台の停止位置の角度を実機に合わせて変更する必要があります。
　変更は通常のキーボード操作で行えます。
　変更した時はファイルメニューの保存コマンドで保存しておくと次回から変更したものが使えます。

　一度転送したプログラムはarduinoからUSBケーブルを抜いても消えません。
　次にarduinoに電源を入れた時に自動的にプログラムは動き出します。

　プログラム転送後はUSBケーブルでパソコンにつなぐ必要がなく5VのACアダプタを使って電源が供給できます。

　中が+のコネクターでarduinoの電源に接続します。
　また電源としてはPCとUSBケーブルで接続したりUSB出力型のACアダプタとUSBケーブルで接続して電源を供給する事もできます。

　arduinoの準備ができたら主桁とサーボモーターを固定します。
　取り付けビスだけだとサーボの回転により主桁とサーボがずれていくため指定した位置で止まらなくなってしまいます。
　そのため主桁とサーボモーターにピアノ線を通してずのないように固定します。
　サーボをつないでarduinoが起動される(USBケーブルでPCに接続する)とサーボが原点に移動しますので主桁手で動かしてレイアウト上方の真ん中の空きブロックに合わせます。
　この時サーボモーターが動かないようにしてください。
　動く場合はビスをゆるめてもう一度原点を合せ直してから行ってください。

　転車台用のスケッチは回転が終わるとトルクオフをして常時電力を使わないようにしています。
　このためビスを締める時、サーボが回ってしまいますのでこちらのスケッチを使ってください。
　サーボをつないだ状態でスケッチを転送すると原点に移動してトルクオンの状態を保持します。

　主桁に開けた穴に固定用のピアノ線(鋼鉄の針金を使用)と同じ太さのドリル(0.6mmのものを使用)で穴を開けます。
　この時ドリルは貫通させずにサーボホーンの途中までの深さにします。
　ピアノ線をこの穴に差し込んで穴の深さを測定します。
　ピアノ線を引き抜いて穴の深さと同じ長さに切断します。
　ピアノ線はを差し込みにくい場合は先端をヤスリでとがらせてピンバイスを使って差し込んでください。

　２本とも差し込んだらサーボ軸に仮止めしたビスを外します。