Ｎゲージ鉄道模型工作 － 踏切遮断機の工作はうまくいきました ー

２０２４年１０月２８日（月曜日）　雨のち曇り

　７月の始め頃、Ｎゲージ鉄道模型マニアの友人との会話から「模型機関車を
プログラムで制御して自動運転する」というテーマを与えられその工作に取り
組んできました。
　私はマイコンのプログラムを組んでその結果を試すことが好きでした。
　例えば気象センサーを動作させて気圧や気温、湿度などをグラフ表示させ
たり、マイコンをサーバーに仕立ててパソコンからアクセスしたりして遊んで
いました。
　やがて画面上に表示する実験だけでは物足りなくなり、サーボモーターを
工作したり、動くものに興味が写ってきました。
　そんなモーターの実験をしていた時なので「鉄道模型をプログラムで走らせる」
というテーマはもってこいでした。

　しかし「鉄道模型」に関する知識はほとんどなく、機材もありません。
　鉄道模型ですから「レールを敷いて機関車や電車を走らせる」は必須でしょう。
　出来上がった機関車や電車は「本物そっくり」のいわゆる「カッコいい」もので
すが高価ですし、私にはそういうものを買い集めるとか飾って喜ぶとかいう気は
全くありません。
　自分で工作できないものは市販品を買うしかありませんが、「出来るものは
自分で工作する」「形や色などきれいでカッコ好いなどは気にしない」をモットーに
して工作を始めました。

　あれこれ試行錯誤、失敗を繰り返しながらなんとかここまできました。
　実験で使用したレイアウト（レール敷設盤）は段ボール製で縦横約４８ｃｍの
狭いものでカーブが急でいろいろ支障がでてきました。

 

　踏切遮断機、警報機も作りました。

 

　踏切センサーはレールの脇に設置しました。
　カーブのところには設置できません。　
　急カーブで列車の車体に接触してしまいます。（配置できる場所が限定されてしまう）

　

　列車位置確認用のセンサーはレール間に取り付けました。
　これはカーブには関係なくなりますが、取り付けが面倒で簡単には移動できません。

　

　遮断機（サーボモーター）と警報機。
　配置する場所も限定されてしまうのでリアル感がありません。
（こんなレイアウトで「リアル感」なんていうこと自体が無意味です（笑い））

　

　列車が通過すると遮断機が降りて、警報機が点滅します。

 

　列車の走行制御と、踏切遮断機を制御する２つのマイコン。

 

 

 鉄道模型工作を始めてから４カ月になります。
動くものの工作は面白いです。
サイトを閲覧するといろいろな記事や動画がいっぱい！
どれも素晴らしい内容で大変勉強になります。
私はここまで来るのが精いっぱい・・・　
でも頑張って一歩でも先に進みたい。　

頑張りますので応援をよろしくお願いいたします。

Ｎゲージ鉄道模型工作 － 踏切遮断機工作完了 ー

２０２４年１０月１８日（金曜日）　晴れ後曇り

　ｎゲージ鉄道模型工作を始めて約四ケ月が経ちます。
　自分で作れるものは「手作りする」をモットーに工作を続けてきました。
　手作りですから碌なものはできません。
　でも、苦労して作ったものが動いたり、走ってくれたきの喜びは格別です。
　今日も「踏切遮断機」の工作で頑張っています。

   

   踏切の遮断機はサーボモーターの動きで上がったり下がったりします。
　機関車（列車）の接近、離脱は２カ所に設置した反射センサーで検知し、
マイコンがサーボモーターを駆動して遮断機を上下させます。

　　設置したセンサーは２個だけです。
　　機関車が右方向から來るときと、左方向から來るときではセンサーの出力の
「意味付け？」が異なります。

　　例えば機関車が右方向から接近した場合はセンサー①の出力は「遮断機を降ろせ」
　の意味になりますが、左方向から接近した場合は「遮断機を上げろ」の意味になり
　ます。
　　センサー②についても同じことで、左方向から接近するときと右方向から接近する
　ときとで意味が異なりますので注意が必要です。

　　機関車の前進、後進は線路の加えた電圧の極性で決まります。
　　機関車の前進方向の右側レールが＋（プラス）になるという約束があるんだそうです。
　　その決まりを利用すればセンサーの出力意味を切替できそうです。

　

 

　踏切制御用のマイコンは左右の線路の電圧をチェックして機関車の進行方向を
確認してセンサーからの出力の意味を判定するようにしました。

　これで、機関車を往復させても遮断機は間違いなく開閉するようになりました。

   そのテストの様子を動画でご覧ください。

 

    テスト中、遮断機の上げ下げ中に機関車が走ってくるのが気になりました。
　（そんな些細なことは気にしなくていいのに・・・）
　そこでサーボモーターの回転数を速くするように調整しました。

 

　踏切遮断機は何とか完成しました。
　あとは円形線路のボードに取り付けるわけですがボードが狭くてうまくいきません。
　何とか頑張って取り付けたいです。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　踏切遮断機工作完

　　　　　　　　　　　　　　　　　
　長い間お付き合いくださった皆様、誠にありがとうございました。
　これからも応援のほどよろしくお願いいたします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　何でも工作実習生

Ｎゲージ鉄道模型工作 － 踏切の遮断機を工作してみたい（２） ー

２０２４年１０月１６日（水曜日）　曇り

　フォトリフレクタを使った近接センサーを工作しました。
　これでレールを走る機関車の接近を感知して踏切遮断機（もどき）を
上げ下げしてみました。
　遮断機（サーボモーター）を駆動するプログラムはまだ右方向から
左方向に進行する機関車に対応するだけですが、機関車の進行方向を
判定して左右両方の進行に対しても遮断機を正確に動作させるものに
してみたいです。

 

　フォトリフレクターを使った近接感知センサー　

 

　近接感知センサーの出力信号で遮断機（サーボモーター）を駆動するマイコン

 

　テストの様子です。
　机上に直線レールを敷いて機関車を左右に走らせました。

 

　機関車がセンサーを通過すると出力される信号でマイコンはサーボモータを
駆動して遮断機（棒）を上下させます。

 

 

 

  遮断機（サーボモータ）を動作させるプログラムは基本的な動作をするだけです。
  次は 機関車の進行方向を判定して正確に遮断機を上げ下げさせるようにしたいです。
 うまくいくかどうか？？？　頑張りますので応援をよろしくお願いします。
                                                         （　続く　）　

Ｎゲージ鉄道模型工作 － 反射型光センサーの実験 ー

２０２４年１０月１４日（月曜日）　晴れ

　Ｎゲージ鉄道模型工作で円形の小さな小さなレイアウトを工作しました。
　ベースは段ボール、１辺が約４８ｃｍの四角形。
　楕円形のレールを敷いてポイントを２カ所設けてあります。
　ペーパーで車体を工作した小さな機関車（２軸台車）を２輛をマイコンの
プログラムで自動運転(もどき）して遊んでいます。
　今度は「踏切遮断機」を設置？しようと頑張っています。
　遮断機の棒を上下させるには機関車が接近したことを検出しなくては
なりません。
　レールにセンサーを取り付けるのは結構面倒です。
　そこで今度は線路際に「反射型センサー」を置いて、そこを機関車が通過
するのを検出しようと思います。

　　ネットで検索して小さなセンサーを購入しました。

 

　このセンサーは自身から赤外光を発射して物体からの反射光線を検出して
出力するというものです。

 

　センサーを取り付けました。
　台座は段ボール工作（お得意？？？）です。
　これをレール際に置いて機関車からの反射光を検出します。

 

　　デジカメ写真には赤っぽく光ってるのが写っています。
　　肉眼では見えないのでやっぱり「赤外線」なのかな？？？？？

 

　机の上に直線レールを敷いて機関車を往復させてセンサーの出力を確認しました。

　オシロスコープの画面。
　５Ｖ以上ある出力が機関車通過時には０Ｖ近くに低下します。

 

　テスターでの測定結果。
　ＬＥＤに流す電流は１６ｍＡにしています。
　この電流値の大小は検出感度に大きく影響します。（大きい方が感度は高くなる）
　最大電流値は５０ｍＡかな？？？
　

 

     テストの様子を動画でご覧ください。

 

　　反射型センサーの使い方がわかりました。
　　次は遮断機の工作です。　
　　これにはサーボモーターを使います。　
　　難しそうですが頑張ります。　応援をよろしくお願いします。

　　　　　　　　　　　　　　　　(　続く　）

 

Ｎゲージ鉄道模型工作 － レールと車輪を清掃しました ー

２０２４年１０月９日　雨

　今まで正常にスタートして正常に走行していた機関車が電源を
ＯＮにしてもスタートせず、指で押してやらないとスタートしない
ような状況になってしまいました。
　マイコン制御による自動運転（もどき・・・）ではこれでは
お話になりません。
　他の機関車（ＴＭ－ＴＲ０７）ではこんな事象はしょっちゅうで、
使い物にならず、この台車（ＫＡＴＯ　１１－１０９）に変更して
今まで順調にやってきたのに、ついにこの１１－１０９も異常に
なってしまいました。
　車輪を点検してみると踏面に沢山の傷がありました。
　ひどく損傷しているものやちょっとだけの傷のものなど４輪とも
傷がついていました。

　ひどく傷んでいた車輪。

 

　傷ついた車輪をサンドペーパーで研磨しました。

　

　

　　全車輪を研磨しました。

 

　これでまた正常に走るようになりましたが・・・・・・

 

　何回か周回させた後、車輪の様子を見てみました。

　踏面に黒い筋が見えます。　レールの汚れが転写されたのかもしれません。

　

 

　レールが相当汚れているんでしょう。
　先日、ご親切な先輩が「クリーニング液」を使って清掃することを教えて
くださいました。
　早速、通販でクリーニング液を購入しました。

　　　

　　踏面の黒い筋をきれいに拭き取りました。

 

　レールもきれいにしました。

 

　　こんなに汚れていました。

　

　これで機関車は軽快に走るようになりました。
　さぁ、自動運転（もどき）システムの工作を続けましょう。
　　　（途中で投げ出さないように頑張ります。　応援をよろしくお願いします。）

Ｎゲージ鉄道模型工作 － ２軸動力台車の車輪を研磨した ー

２０２４年１０月７日（月曜日）　曇り午後一時晴れ

　今まで正常にスタートしてくれてた機関車（ＫＡＴＯ　１１－１０９）が
指で押さないと走り出さなくなってしまいました。
　プログラム制御で走行させようとしているのに「指で押さないと走り出さない」
なんてお話になりません。

　「どうしてだろう？」と通電ルートを調べてみました。
　左右の車輪にテスターリード棒をあてて導通を確認しようとしたところ、車輪が
回転し始め、手にしたリード棒が何かゴツゴツと出っ張りにぶつかるような振動を
伝えてきました。　「おや？　何でこんなゴツゴツした感じがするんだろう？」
接触させていたテスターリード棒を外して車輪を点検してみました。
　すると車輪の線路に接する面（踏面（とうめん）という）が傷だらけになって
いました。（以上は昨日のことでした。）

　今日はその傷んだ車輪を修理してみました。

　機関車を裏返しに固定し、ブラシで車輪に通電してモーターを起動、車輪を回転
させます。　

　

　回転している車輪の踏面にサンドペーパーを押し付けて研磨します。

 

　踏面についた傷やメッキの残りを削り落としました。

 

研磨前の状況です。（上の写真とは車輪が異なります。）

 

　四輪とも研磨しました。

 

　研磨の結果はイマイチですがこれ以上きれいにはできません。
　（鏡面仕上げは夢のまた夢）
　これで試しに走らせてみようと思っています。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（　続く　）

 

Ｎゲージ鉄道模型工作 － また指で押さないと走り出さない事象が発生しました ー

２０２４年１０月６日（日曜日）　曇り時々小雨

　ｎゲージ鉄道模型工作を始めてからおおよそ４カ月が過ぎます。
　見よう見まねで作った小さな機関車（車体は切り紙細工で工作）を
プログラム制御で走らせようと悪戦苦闘を続けています。

　何とか苦心してプログラムを組み上げて機関車を走らせることができました。
　しかし、最初に使用した２軸動力台車（ＴＭ－ＴＲ０７）は指でチョコンと
押してやらないと動き出さない、という問題にぶつかりました。
　プログラム制御で走らせようというのに「指で押さないと走り出さない」
とうことではお話になりません。
　そこで別会社（ＫＡＴＯ）の２軸動力台車１１－１０９を使うことに
しました。　この１１－１０９は自力でスムーズにスタートしてくれました。
　これでやれやれと、プログラムの改良を続けてきましたが、こんどはこの
１１－１０９台車も指で押さないと動かないとういうトラブルが発生して
しまいました。

　指で押してスタートさせるとプログラムの進行と時間差が出て、機関車の
走行状態がおかしくなり、変なところで停止してしまったりします。
　今までは正常に自力で走り出したのに・・・何でだろう？

　機関車の電気回路を点検してみました。

 

　テスターをΩ計にして導通を調べて見ました。　

 

　テスターのΩ計レンジではテストリードにテスタ内の電池電圧（３Ｖ）が出てきて
測定対象の抵抗値を計測するようになっています。
　低抵抗レンジではかなりの電流が流せるような状態になりますのでＬＥＤなどの
極性や良否を判断するときには明るく点灯するほどです。

　そんなわけで動力台車の導通テストでもモーターは起動して車輪が回転します。
　しばらく回転させて様子を見ていましたが、手にしたテストリード棒が何だか
ゴロゴロ・・・と振動して震えているのが気になりました。

　「？？？　何でこんなゴロゴロ、ザラザラ、を感じるんだろう　？？？」

　車輪とレールの接触面（踏面（とうめん）というんだそうです）を調べてみました。

 

　車輪はウォームギヤーでモーターに結合されているので回転させられません。
　一方の車軸にレール代わりの電極（バネ）を接触させてモーターを起動し、
車輪を回しました。
　　（電池を細切れに断続して少しずつ回転させて踏面を点検しました。）

 

　踏面が荒れているところがある！

　

　

 

　この荒れた面をテスタリード棒が接触するので「ゴロゴロ、ザラザラ」が指に
伝わってきたのでしょう。
　剥がれたメッキの層が捲れている箇所もあります。
　こういうところで機関車が停止していたら、通電しても自力ではスタートできない
のではないでしょうか？

　何でこうなってしまったのか？　

　それは多分、途中で停車した機関車をスタート位置まで脱線しないように線路に
押し付けて滑らせて（車輪は回らないで）動かしてきたからではないでしょうか？
　（テスト中はこんなことはしょっちゅう発生していました。）

　車輪がこんな状態では機関車はまともには走らないでしょう。
　サンドペーパーでこすってメッキを剥がしてしまいましょうか。
　地金（真鍮か？）では錆びやすくてまた問題が出るかも知れませんがオイらに
できることはそれぐらいです。
　
　一難去ってまた一難・・・なかなか思うようにはいきません、やれやれ・・・

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

Ｎゲージ鉄道模型工作 － 踏切の遮断機を工作してみたい ー

２０２４年９月２６日（木曜日）　曇り時々雨

　Ｎゲージ鉄道模型工作を始めてから３カ月になります。
　Ｎゲージ鉄道模型工作を始めたきっかけはユーチューブで見た
模型列車をマイコンで制御して自動運転させる動画でした。
　鉄道模型マニアの友人にこのことを話したところ、
「それは面白そうだ。　自分が持っている模型機関車を自動運転
させてみたいからそのシステムを作って欲しい」と頼まれました。
　私も「Ｎゲージ」に興味を持っていたので、レールやポイント
など「自動運転」に最低限必要な部品を購入して工作を始めました。
　機関車は「動力台車」など、自作が無理な部分はメーカー製を
購入しましたが、自分でできるものは「自分で作る」をモットーに
自作して工作を続けました。
　しかし、時間が経ち、いろいろな条件があって、その友人は
「自動運転」の実現は無理だということで計画は立ち消えになって
しまいました。

　私は、元々マイコンのプログラミングが好きなこともあって
自動運転開発用に購入した最低限のレールセットで自動運転もどきを
工作してきました。
　どうして動かないの？　あーでもない、こーでもない、おーそうかぁ
　やっと動いた・・・　あー、疲れた・・・　これでおしまいにしよう
というわけでしばらく工作を中断していました。

　久しぶりに部品箱をみてみたら「踏切遮断機」の開閉用に購入して
おいた「サーボモーター」がありました。
　小型の安物のサーボモータは放っておいても惜しくはありませんが、
これを使ってみようかな？　という気持ちになりました。

　小型サーボモーター　１個　５５０円　２つ買ってありました。

 

　サーボモーターに送り込むパルス幅の長短でサーボ軸は左右に
ある角度まで回転して停止します。

 

　可変抵抗器（２ＫΩボリューム）の操作でパルス幅が変化するマイコン出力を
サーボモーターに入力しました。

 

 　パルス幅の変化に追従して左右に振れるサーボホーンの動きをご覧ください。
　
　

　

　さぁ、次は機関車の位置を検出して遮断機を下げたり上げたりする
プログラムの工作を始めます。
　うまくいくかな？　頑張ります。　応援をよろしくお願いします。　

Ｎゲージ鉄道模型工作 － ２つの列車をプログラム制御で走らせてみた ー

２０２４年９月１７日（火曜日）　晴れ

　Ｎゲージ鉄道模型工作に手を出してから２ヶ月半になります。
　目標は機関車の走行をプログラムで制御することです。
　ウェブサイトには機関車（電車）をプログラムで制御して楽しんでいる
記事が沢山アップされています。
　それを見て自分も真似をしてみました。
　ところがなかなかうまくいきません。
　先ず機関車の性能がイマイチでした。
　使用した動力台車は２軸の小型機関車用でしたがスタート時に

　　「手で押してやらないと動かない」という事態が発生しました。

　プログラム制御で走らせようというのに「手で押さないと走り出さない」のでは
お話になりません。

　どうもこの動力台車は起動トルクが弱いみたいです。
　同じような他社の小型２軸動力台車を購入して試してみました。
　この台車はスムースに走り出します。
　そこでこの台車を２台分用意して機関車を自作しました。
　
　次はプログラムの問題がありました。
　レール上の機関車の速さを調節するのには「ＰＷＭ（パルス幅変調）」方式に
しましたが、速度変化がスムーズにいかないのです。
　走行中にセンサー検出と速度調整をしたりすると、突然高速度で走り出したり
します。

　そこでＰＷＭの周期が変化しないように工夫してみました。
　（効果があったかどうかはわかりませんが・・・）

 

　そんなこんなで時間を喰ってしまいましたが、やっと今日、プログラムで制御して
列車を走らせることができました。

　　レールはこんなものです。
　　段ボールのベース（約４８ｃｍ　Ｘ　４８ｃｍの四角）にポイント２カ所を
　取り付けてあります。　レールには走行位置をチェックするためのＣｄＳセンサが
　８カ所に取り付けてあります。

 

　電源は安定化電源（入力はＡＣ１００Ｖ）の１２Ｖを使用しています。

　　マイコンはＥＳＰ３２Ｗｒｏｖｅｒ、ＰＷＭはＴＢ６６４３Ｋを制御して
　発生させています。　ポイント切替装置は自作です。

　列車は小型２軸動力台車（ＫＡＴＯ製）に自作のペーパー製車体をかぶせた
ものです。　赤、青の２列車です。

 

　　停車（発車）位置を一定にするためにちょっと苦心しました。
　　でも何とかクリアーできました。
　　そんな苦労をしてやっとここまで来ました。
　　どうぞその走行を動画でご覧ください。

　　さぁ、次はなにをしようかなぁ・・・
　　ジオラマもやってみたいけどこれは「美的感覚」が・・・
　　オイらに一番欠けているのが「美的感覚」かもしれません。
　　あぁー疲れた・・・　そうだ、ちょっと休憩しよう。
　　それでは失礼いたします。
　　長らく応援くださった皆様、誠にありがとうございました。
　　これからもよろしくお願いいたします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　工作実習生

ｎゲージ鉄道模型工作 ― 列車の走行状態がおかしくなる ー

２０２４年９月９日（月曜日）　晴れ

　ｎゲージ鉄道模型工作を始めてから２カ月以上が経ちました。
　当初の目的だった「紙細工で機関車ボディを作って小型の動力台車に
かぶせて小型の機関車を作って走らせる」は何とかクリアーしました。
　その機関車も赤色、青色の２台を作りました。
　それぞれに客車を牽かせて走らせています。
　
　次の目標はその列車をマイコンによるプログラムで制御して走行させ
るというものです。
　定位置から出発して徐々に速度を上げて高速で走行後徐々に速度を落と
してやがて定位置で停止する、というものや、２組の列車をポイントを
切替て交互に走らせるなどが目標ですが何とかクリアーできました。
　
　列車の速度コントロールはＰＷＭ（パルス幅変調）による電圧変化で
行っています。（列車の進行方向も変更できます。）
　定位置での停車はレールのところどころに取り付けた「光センサー
（ＣｄＳ）」の上を機関車が通過することを検出して制御しています。

　ポイント切替は光センサーで列車位置を把握してからマイコンの
指示で切替しています。

　こんなことで２つの列車を交互に走らせたりしています。

 

 　ところがセンサー検出をしながらの走行、させなかったときの走行、速度が変化
しながらの走行や一定速度での走行など、走行条件が変化すると列車の速度が変化　
してしまうのです。

 　列車の速度はレールに加えられる電圧に比例して増減します。
　電圧が高くなれば速くなり、電圧が低くなれば遅くなります。
　この電圧はマイコン(プログラム）で駆動されるＰＷＭ（パルス幅変調）で制御されます。
　電圧はパルスのＯＮ時間、ＯＦＦ時間の比率で決定されますが、このとき、

　　　　　　ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間

は一定である必要があります。

　１ ／ ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間　＝　パルス周波数

　ＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率が狂ってパルス周波数が変化してしまうと電圧も変化して
しまいます。

　マイコンは列車の速度を変化させながら走行して停止位置を決定するために停止位置に
設置されたセンサーを探します。
　そしてセンサーを見つけると、電圧を下げて減速させますがここが問題です。

　列車を走らせながら（ＰＷＭを制御しながら）「センサーを探す」という処理のために
ＰＷＭの処理に影響が出て電圧が乱れて列車の走行が乱されてしまうのでしょう。

 　列車が速度を上げたり下げたりして走行している中で、センサーを検出したりの
処理を行うと、その処理時間（ｔ’）のためにＰＷＭの周期が伸びて周波数が低くなり
ＯＮ対ＯＦＦの比率が大きくなって電圧が低くなってしまうのでしょう。

　機関車走行中に何か処理を行ってもＰＷＭが変化しないように工夫しなくては
なりません。

　何だか難しそうですが頑張ってみます。　応援をよろしくお願いします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）