LabVIEW を用いた鋼板厚さの非接触測定システムの構築
情報処理部門 藤田義人
1. 業務依頼と目的不可動であるレーザー変位計装置を使用できる状態に戻し、新たに LabVIEW を用いて制御プログラムを作成する。
2. 要求仕様
測定範囲 25mm×75mm

ピッチ幅 1mm

自動測定機能3 次元座標の CSV 出力

3. ハードウェアについて
レーザー変位計装置はレーザー変位センサ、ステッピングモーター、XY ステージ、フォトセンサー、PC98、PLC から構成されている（図 1）。この内、PC98 と PLC は動作不良のため廃棄し、新たに National Instruments AD デバイス USB-6009 と自作ハードウェアを追加した。
4. ソフトウェアについて今回作成したプログラムは常時信号監視とステートマシンの２つから構成されている。常時監視しているものはフォトセンサーからの信号で、これは XY ステージが移動範囲外にならないようリミッターとして機能している。
ステートマシンは待機状態・測定中・CSV 書き込み・エラー等のステートからなり、ステート内の条件によって次のステートに移行するようプログラムされている。
5. まとめ作成したプログラムの操作画面を図 2 に示す。プログラムは依頼者の要求通りの仕様を実現することができた。

図 1 レーザー変位計装置

図 2 制御プログラムの操作画面

1. 業務依頼の内容
都市システム工学科（土木学科）所属の研究室からの依頼
こうはん

不可動であるレーザー変位計装置を使用できる状態に戻してほしい

LabVIEWを用いた鋼板厚さの非接触 測定システムの構築

この装置は10年前に300万円で購入したもので，レーザー変位センサとXYステージで構成されている。
装置の状態・制御部(PLC)が解析不能。

茨城大学工学部 技術部 情報処理部門
藤田 義人

レーザー変位センサ

XYステージ・データの取得を行っていた
PC-98が故障。
制御プログラムを作る必要がある
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1.1 依頼者の使用用途

1.2 制御プログラムの仕様

研究室によると…

測定対象（試験片）

依頼者からの要求仕様をまとめると…
こうはん

こうせい かどうせき

鋼製可動堰に使われていた鋼板・格子状に非接触で鋼板厚さの測定

鋼製可動堰とは水をせき止める目的で川に建設され，水門等の可動部分を持つもの

・測定範囲 25mm×75mm

格子状に測定・ピッチ幅 1mm

鋼板の厚さを測定

・自動測定機能引張試験を行い試験片を破断・3次元座標をCSV出力
X, Y, Z（厚さ）

破断後にも鋼板厚さを測定
破断箇所と鋼板厚さの最小値・平均値・分布との関係性を考える

試験片

以上の５つ
CSV出力イメージ

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2. 装置について

2.1 装置構成①装置構成

XYステージ
X軸(左右)方向とY軸(縦)方向に動く位置決めのステージ。
可動範囲 89mm×89mm。
フォトセンサーオムロン製EE-SPY402。
検出物体によって光が変化したのを検知。
XYステージのリミッターとして使用。
レーザー変位センサ
キーエンス製LK-080。
非接触で対象物までの距離を測定。
ステージ面までの距離との差から測定対象の厚みを算出。
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2.2 装置構成②3. ハードウェアの構築

PLC(プログラマブルロジックコントローラー)
キーエンス製KZ-300。
装置の制御・自動化に使用。
専用の開発ソフトによるプログラムが必要。
レーザー変位計
アンプユニット
キーエンス製KZ-2100。
センサからの信号をアナログ出力。
ディップスイッチで機能選択が可能。

PLC

ステッピングモーター

動作確認
正常に動作した物
・レーザー変位センサ
・ステッピングモーター
・XYステージ
・フォトセンサー
動作しない物・PC98
起動しない。
・PLC(ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾏﾌﾞﾙ ﾛｼﾞｯｸ ｺﾝﾄﾛｰﾗｰ)
専用開発ソフト紛失。動作確認不能。

オリエンタルモータ製UPD554-NA。
正確な位置決めに使用。
運動量は入力パルスの数に比例。
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3.1 構成図 Before

3.2 構成図 After
新たにノートPC(WindowsXP)，
National Instruments ADデバイス，自作ハードウェアを追加

PC98とPLC(ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾏﾌﾞﾙ ﾛｼﾞｯｸ ｺﾝﾄﾛｰﾗｰ)を廃棄

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3.3 入出力信号
レーザー変位センサ
・アナログ電圧出力 端子
測定範囲に対して±5Vの範囲で出力。
・オートゼロ入力 端子
アナログ出力を強制的に0Vにする機能。

3.4 レーザー変位センサの信号
・オートゼロ入力 端子

デジタルで制御GN
D

ステッピングモーター
・パルス信号入力 端子(時計回りと反時計回り)
1パルス当りモーターが0.72°回転。
・励磁タイミング信号出力 端子
電源投入時と同じ相が励磁されると出力。

ADデバイスZ
ERO

オートゼロ入力端子とGND端子が短絡すると, アナログ出力が0Vになる。
短絡・開放をPCから制御したい…

デジタルで制御
フォトカプラを使用

デジタルで取得
5V
・フォトカプラ
入力された電気信号を発光素子によって光に変換し，その光を受光素子に送る事により信号を伝達する。
構造上，入力端と出力端は電気的に絶縁されている。

フォトセンサー・出力端子
通常は24V，物体を検出すると0V。

自作ハード（フォトカプラ）

アナログで取得

デジタルで取得
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24V
ZERO
GND
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3.5 ステッピングモータの信号①3.6 ステッピングモータの信号②

ADデバイス・パルス信号入力端子

・励磁タイミング信号出力 端子

自作ハード

ADデバイス（プルアップ抵抗）

パルスはデジタル出力の切替で生成。

励磁タイミング信号とフォトセンサーの出力が両方ともオンになるところを原点とする機能に使用。

移動量に応じてパルスの数を調整。
例.1mmの移動には250パルスの入力

スリットなしLabviewでは待機時間の最小単位が1ミリ秒のためパルス速度は0.5kpps。
左の図によると0.5kppsは自起動領域内なので，問題なく制御できる。
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3.7 フォトセンサーの信号
自作ハード・出力 端子

原点復帰機能

毎回同じ位置を(X,Y)=(0,0)とできる

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3.8 自作ハードウェア
ADデバイス（プルアップ抵抗）（フォトカプラ）

フォトセンサーをXYステージの端に設置することで…
XYステージを検出すると移動を強制的に停止。
無理に範囲外に移動させると故障の原因となる。

リミッター機能

そこで…
可動範囲内をHigh, 可動範囲外をLow とした。
出力端子-ADデバイス間で断線した場合（信号なし=Low)，可動範囲外と認識し，停止。

故障時に安全側に倒れる設定
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4. ソフトウェアの構築
ADデバイスの選定

4.1 LabVIEW

National Instruments USB-6009

仕様

レーザー変位センサ 仕様
分解能 1mV (3μm)
アナログ出力範囲 ±5V

0.6mV(±5V範囲)

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USB-6009はセンサより分解能が高いセンサの出力範囲より広い

5V → High
0V → Low 16/22

計測・制御システムの開発に使用されているグラフィカルプログラミング言語。
アイコンとワイヤーを使用するフローチャートに似た直感的なインターフェースが特徴。
今回はADデバイスとUSBで通信を行う。

テキスト言語のソースと同等のもの

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4.1 LabVIEWプログラム

4.2 ステートマシン
ソフト起動
初期化(1回のみ)

今回作成したプログラムは大きく分けて常時監視とステートマシンの2つから構成されている。

待機状態
ユーザーが押すボタンによって次の状態へ

常時監視 (常にループ）
・フォトセンサー×4 ( X軸ストッパ両端
・座標の表示ステートマシン・初期化 ・待機状態
・測定・停止・原点復帰
etc...

[測定開始ボタン]
測定が終わるまでステージの移動とデータの書き込みを繰り返す。

Y軸ストッパ両端)

測定が終わると停止処理をしてから待機状態へ戻る

ステートマシンとは…
複数の状態(ステート)があり，ユーザの入力やステート内の計算によって，次にどのステートに移動するか決定。

[原点復帰ボタン]
原点位置までXYステージが移動し，座標をリセットする。

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4.3 操作画面

4.4 実装した機能
要求仕様
格子状に非接触で鋼板厚さの測定

原点復帰ボタン

測定範囲 25mm×75mm

Zの値を0にする

格子状に測定ピッチ幅 1mm

X,Y,Zの値を保存ファイル名でCSV出力する

自動測定機能3次元座標をCSV出力
X, Y, Z（厚さ）測定開始ボタン
自動測定用の設定
・測定範囲
・ピッチ幅

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5. まとめ・10年前に購入し, 不可動であったレーザー変位計装置(価格300万円)を使用できる状態に戻した。
・動作しないPC98とPLCの代わりにADデバイスと自作ハードウェアを追加した。
・LabVIEWを用いて制御プログラムを作成した。
・依頼者の要求通りの仕様を実現した。
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以上５つの要求仕様をすべて満たした。

CSV出力

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