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Auswuchtmaschine

Im Zuge meiner Bem√ľhungen in Sachen Auswuchten der Micro Brushless Motoren f√ľr den sNQ bin ich gleich zu Anfang √ľber diese Seite (die Seite technik-tuefteler.de ist leider offline, Stand 07/2018) gestolpert, auf der eine recht einfach gestrickte Hardware zum Auswuchten von Selbstbau Modellturbinen beschrieben ist, die man nat√ľrlich auch zum Auswuchten von Propellern oder anderen rotierenden Gebilden nutzen kann, solange sie gewisse Mindestabmessungen haben. Diese Einschr√§nkung schlie√üt die Verwendung f√ľr mein damals akutes Problem der unwuchtigen Micro-BLs aus, aber im Zuge meiner fortgesetzten Recherche im Netz bin ich auf weitere Seiten zum Thema gesto√üen, die zusammen genommen zumindest interessant erscheinen.

So habe ich z.B. im RCgroups Forum etwas √ľber die so genannte “Vier-Messungen-Methode” zum Auswuchten von Rotoren in einer Ebene gelernt, die in erster N√§herung eine Wechselspannung als Messgr√∂√üe verwendet, die √ľber einen beliebigen, geeigneten Aufnehmer am Lager des auszuwuchtenden Rotors abgenommen wird. Als geeigneter Aufnehmer geht z.B. ein kleiner dynamischer Lautsprecher oder auch ein Piezosummer durch.

Im deutschsprachigen Raum findet man leider kaum Unterlagen mit dem oben genannten Suchfilter, deutlich umfangreicher sind die Suchergebnisse, verwendet man die englischen Begriffe f√ľr dieses Verfahren, “four run balancing” oder auch “no phase balancing” oder “balancing without phase”. Letztere beziehen sich auf die Tatsache, dass zur Bestimmung der Korrekturmasse und deren Position am Rotor die Lage der Unwucht auf dem Rotor nicht bekannt sein muss. Die Lage der Korrekturmasse ergibt sich rein mathematisch aus den vier analogen Messwerten, die entweder grafisch oder √ľber entsprechende Formeln ausgewertet werden.

Die grafische Methode ist sehr anschaulich bei VibroNurse (die Seite VibroNurse.com ist leider offline, Stand 07/2018) dargestellt. Hier kann man die vier Messwerte in eine Flash-Applikation eingeben und bekommt Winkel und relative Masse der Korrekturmasse angezeigt. Interessanter Weise scheint der Seitenbetreiber von VibroNurse aus verschiedenen Gr√ľnden gezwungen zu sein, ausdr√ľcklich darauf hinzuweisen, dass seine Seite keine anst√∂√üigen Inhalte zeigt... :-)

In dem oben bereits erw√§hnten Forum findet man eine Herleitung der “FourPointBalance_woPhase” Methode, die die in diesem Post umrissenen Angaben und die bei VibroNurse dargestellte Applikation mathematisch belegt.

Andern Orts findet sich eine Excel-Tabelle von Conrad R. Hoffman, die ebenfalls die vier Messwerte als Eingangsparameter verwendet und die Ergebnisse als Zahlenwerte ausgibt.

Mit diesem R√ľstzeug an der Hand habe ich begonnen, die Turbinen-Auswucht-Hardware mit der Vier-Messungen-Methode zu verheiraten und eine eigenst√§ndige Auswuchtmaschine zu konstruieren, die den Anwender schrittweise durch die vier Messungen f√ľhrt und als Ergebnis Winkel und Masse ausgibt, die notwendig ist, um den vermessenen Rotor auszuwuchten.

Ausl√∂ser f√ľr diesen Ansatz war der Aufruf von Manfred (aka “Mendocinomanni”), ihm doch bitte M√∂glichkeiten an die Hand zu geben, die Rotoren seiner Mendocino-Motoren auszuwuchten.
Der lustige Aspekt hierbei: Die Seite von Manfred habe ich auf der Suche nach Wissen √ľber Auswuchten gefunden :-)

Da ich zu diesem Zeitpunkt schon eine Menge Informationen √ľber das Thema angesammelt hatte und ich mich diesbez√ľglich nicht mehr f√ľr vollkommen unbeschlagen hielt, habe ich Manfred spontan Hilfe zugesagt, nicht zuletzt auch, weil mich diese Mendocino-Motoren im Allgemeinen und die auf Manfreds Seite als Bausatz angebotenen im Besonderen, total fasziniert haben.

Der urspr√ľngliche Beweggrund f√ľr die Odyssee durch die Tiefen des Internet, der sNQ mit seinen j√§mmerlich unwuchtigen Brushless-Motoren, wurde dadurch etwas in den Hintergrund gedr√§ngt und harrt dort des Kommenden...

Kurze Zeit nach der ersten Kontaktaufnahme hielt ich den bei Manfred gekauften Bausatz eines f√ľnfl√§chigen Mendocino-Motors in H√§nden und konnte nach dessen Zusammenbau an die Konstruktion der Auswuchtmaschine gehen.
Passender Weise hat mein Rotor schöne Unwuchten (statisch und dynamisch) und ist somit das ideale Testobjekt ;-)


Das ist bisher aus der Idee geworden:

Hardware der Auswuchtmaschine

Die Seitenteile bestehen aus 8 mm dicken Alustangen die auf eine 6 mm dicke Aluplatte geklebt und geschraubt sind. Wer solche Teile nicht im Keller liegen hat und auch keinen Metallteile-Händler in der Nachbarschaft, kann sich das Material bei Alu-Verkauf.de besorgen. Die Preise sind akzeptabel und alle Teile waren maßhaltig abgelängt wie bestellt.

Frontansicht

Zur Messung bereit liegt der Rotor meines Mendocino-Motors in den Aufnahmen der Auswuchtmaschine. Rechts ist zwischen den Seitenteilen der Motor zu sehen, der sp√§ter den Rotor √ľber einen normalen Haushalts-Gummiring antreiben wird.

Draufsicht

Man erkennt die Befestigung der Aufh√§ngungen f√ľr die Schaukeln, auf denen die Kugellager liegen, die w√§hrend der Messungen den Rotor tragen. Sp√§ter - wenn der Rotor an seinem vorgesehenen Platz zum Augenschmaus geworden ist und lustig in der Sonne rotiert - wird der Rotor in einem Magnetfeld gelagert um so wenig wie m√∂glich Reibung zu haben. Hier, bei der Messung, st√∂rt uns die Reibung der Kugellager nicht, da der Rotor ja von einem Elektromotor angetrieben wird. Dass die Kugellager dennoch negative Auswirkungen auf die Messung haben, wird sich sp√§ter zeigen.

Obere Befestigung der Schaukel

Die Aufh√§ngung der Schaukeln habe ich mit Edelstahlb√§ndern realisiert, die ich aus Metall-Kabelbindern gewonnen habe, die man normalerweise zur wetterfesten Montage von Kabeln an Antennenmasten oder dergleichen verwendet. Andere, federnde Metallstreifen sind ebenfalls geeignet, der Erfinder dieser Auswuchthardware schl√§gt beispielsweise S√§gebl√§tter von B√ľgels√§gen vor.

Schaukel, Federvorspannung und Messaufnehmer

Die Konstruktion der Schaukeln wirkt etwas rustikal, ist aber funktional vollkommen in Ordnung, wie ich aus ersten Testläufen weiß :-)
Die horizontale Bewegung der Schaukel wird √ľber einen gestreckten und damit exakt gerade ausgerichteten Silberdraht auf die Membran des mit doppelseitig klebendem Spiegel -Klebeband befestigten Piezo-Lautsprechers √ľbertragen. Die Feder wird soweit vorgespannt, dass bei der Messdrehzahl der Silberdraht permanent an der Membran anliegt ohne zu springen.
Vertikale Bewegungen sollten keine auftreten. Das kann auf Grund der Stahlblattaufh√§ngung nur dann passieren, wenn die Drehzahl f√ľr die vorhandene Unwucht zu gro√ü gew√§hlt wird, so dass die Kugellager auf den Schaukeln h√ľpfen. Passiert das, muss die Drehzahl entsprechend reduziert werden,

Mit diesem soweit gediehenen Aufbau habe ich erste Messungen des Signals aus dem zum Geber umfunktionierten Piezo-Lautsprecher durchgef√ľhrt.

1. Messung bei ca. 500 U/min

Man erkennt den Kurvenverlauf im linken Bildteil schlecht, weil diese Aufnahme aus einem Video ausgekoppelt ist und der Strahl des Oszi nur sehr selten √ľber den Schirm huscht. Trotzdem sieht man deutlich, dass der langsamen Schwingung mit ca. 8 Hz noch h√∂her frequente St√∂rungen √ľberlagert sind, die eine sinnvolle messtechnische Erfassung des Signals mehr oder weniger unm√∂glich machen. Es sind √ľbrigens zwei Kurvenz√ľge dargestellt, ich habe das linke und rechte Lager jeweils mit einem eigenen Piezo-Geber ausgestattet. Dadurch kann man hier schon erahnen, dass der vermessene Rotor sowohl eine statische als auch eine dynamische Unwucht aufweist. Das erkennt man an Differenzen der beiden Kurven, konkret z.B. sehr sch√∂n an den beiden Zacken links der “20ms”-Anzeige im unteren Kurvenzug, die im oberen Kurvenzug nicht so ausgepr√§gt sind.

Durch Versuche habe ich heraus bekommen, dass diese √ľberlagerten, h√∂her frequenten Schwingungen offenbar durch das Abrollen der Kugeln im Lager entstehen -> Kugellager-Rauschen.

Erst durch zwischenschalten eines Tiefpasses ergibt sich ein messtechnisch nutzbares Ausgangssignal wie im nachfolgenden Bild in der oberen Kurve zu sehen.

Originalsignal (unten) - Nach Tiefpass (oben)

Die √ľberlagerte niederfrequente Schwingung ist auch im unteren Kurvenzug zu erahnen - man muss im Geiste das h√∂her frequente Gezappel ausblenden. Hat man das geschafft, erkennt man sch√∂n die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal des Tiefpasses.

Da das Ausgangssignal des Piezo-Lautsprechers ohnehin nicht besonders gro√ü ist, habe ich mich entschlossen, einen aktiven Tiefpass zu verwenden, dem ich gleich noch einen Messverst√§rker und einen aktiven Messgleichrichter nachgeschaltet habe, da der verwendete Operationsverst√§rkertyp LM324 aus der Krabbelkiste sowieso vier OpAmps in einem Geh√§use zur Verf√ľgung stellt.

Die an sich sehr einfache Schaltung wird durch die Kondensatoren zur gleichspannungsmäßigen Trennung der einzelnen Stufen und die zugehörigen Klemmwiderstände zur Festlegung des Ruhepegels der nachfolgenden Stufe etwas verkompliziert, passt aber dank SMD-Technik dennoch auf eine relativ kleine, einseitige Platine:

Tiefpass, Verst√§rker und Gleichrichter - Schaltbild (Click f√ľr volle Aufl√∂sung)             (Click auf das Bild f√ľr volle Aufl√∂sung)

Die oberen beiden OpAmps bilden zusammen mit der Beschaltung aus Widerständen und Kondensatoren einen aktiven Tiefpass 4. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 10 Hz. Ich habe diese Grenzfrequenz gewählt, weil ich plane, den Rotor beim Auswuchten mit ca. 600 U/min laufen zu lassen.

Der linke untere OpAmp stellt mit der gegebenen Beschaltung einen Verst√§rker mit ca. 20facher Verst√§rkung dar, der die Ausgangsspannung des Tiefpasses entsprechend verst√§rkt, damit der nachgeschaltete Messgleichrichter, gebildet aus dem vierten OpAmp und zwei Dioden, eine ausreichend hohe Eingangsspannung zur Verf√ľgung hat.

Tiefpass, Verstärker und Gleichrichter - Platine

Die fotorealistische Darstellung der Platine mit Eagle3D und mit Povray gerendert hat schon sehr viel Schönes:

Tiefpass, Verstärker und Gleichrichter - Platine gerendert

Die Eagle Design-Dateien zu der oben dargestellten Schaltung finden sich in diesem ZIP-File.

Der f√ľr die Dimensionierung aufgebaute Prototyp hingegen begeistert durch altert√ľmlichen Aufbau auf Lochraster-Material und durch teilweise Verwendung bedrahteter Bauelemente aus der Krabbelkiste, die auf diese Weise auch mal wieder zu Ehren kommen ;-)

Prototyp

Der OpAmp in SMD-Ausf√ľhrung musste zur Verwendung auf der Lochraster-Platine zuerst noch auf einen DIP-Sockel gel√∂tet werden. Die Kondensatoren sind ebenfalls SMD-Typen, k√∂nnen aber ohne weitere Ma√ünahmen auf der Lochrasterplatine verarbeitet werden.. Die endg√ľltige Schaltung sollte ohne Abgleich auskommen, das auf dem Prototyp vorhandene Poti entf√§llt also.

Mit diesem Prototyp wurde die oben gezeigte Oszi-Aufnahme gemacht.

Hier die fertig umgesetzte Schaltung auf der bei MME gefertigten Platine:

Tiefpass-Messverstärker-Messgleichrichter

Die willk√ľrlich erscheinende Anordnung der Anschlusspads hat sich auf Grund des einseitigen Layouts ohne Drahtbr√ľcken ergeben. Letztlich habe ich Eingang und Ausgang der Schaltung nicht an diesen Pads angeschlossen, sondern Punkte in der Schaltung gesucht, bei denen r√§umlich nebeneinander liegend Signal und Masse vorhanden ist, um St√∂rungen zu vermeiden.

Anschl√ľsse am Messverst√§rker

Die beiden Lila Dr√§hte oben f√ľhren das Eingangssignal vom Piezo-Sensor an die Schaltung, Orange und Blau f√ľhren die Versorgungsspannung, Lila und Grau f√ľhren das gefilterte, verst√§rkte und gleichgerichtete Signal zur Steuerung, wo der ¬ĶC die Spannung √ľber einen Analogeingang misst.


Soweit gediehen kann man man mit den weiter oben erwähnten Hilfsmitteln (Excel-Tabelle, VibroNurse) schon mit dem Auswuchten starten.

Ziel ist aber, wie oben ebenfalls schon erw√§hnt, ein eigenst√§ndiges Ger√§t zu bauen, das die zus√§tzliche Verwendung von Zirkel und Polarkoordinatenpapier, Rechner oder Internet √ľberfl√ľssig macht.
Die weiteren Arbeiten dazu werden auf einer eigenen Seite beschrieben.

 


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