Auswuchtmaschine

Im Zuge meiner Bemühungen in Sachen Auswuchten der Micro Brushless Motoren für den sNQ bin ich gleich zu Anfang über 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 natürlich auch zum Auswuchten von Propellern oder anderen rotierenden Gebilden nutzen kann, solange sie gewisse Mindestabmessungen haben. Diese Einschränkung schließt die Verwendung für mein damals akutes Problem der unwuchtigen Micro-BLs aus, aber im Zuge meiner fortgesetzten Recherche im Netz bin ich auf weitere Seiten zum Thema gestoßen, die zusammen genommen zumindest interessant erscheinen.

So habe ich z.B. im RCgroups Forum etwas über die so genannte “Vier-Messungen-Methode” zum Auswuchten von Rotoren in einer Ebene gelernt, die in erster Näherung eine Wechselspannung als Messgröße verwendet, die über 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 für 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 über entsprechende Formeln ausgewertet werden.

Die grafische Methode ist sehr anschaulich bei VibroNurse dargestellt (die Seite VibroNurse.com ist leider offline, über die WayBackMachine ist der letzte Stand noch abrufbar, aber ohne Inhalt. Fast alle Links auf der Seite sind tot). 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 Gründen gezwungen zu sein, ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass seine Seite keine anstößigen Inhalte zeigt... :-)

In dem oben bereits erwähnten 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 Rüstzeug an der Hand habe ich begonnen, die Turbinen-Auswucht-Hardware mit der Vier-Messungen-Methode zu verheiraten und eine eigenständige Auswuchtmaschine zu konstruieren, die den Anwender schrittweise durch die vier Messungen führt und als Ergebnis Winkel und Masse ausgibt, die notwendig ist, um den vermessenen Rotor auszuwuchten.

Auslöser für diesen Ansatz war der Aufruf von Manfred (aka “Mendocinomanni”), ihm doch bitte Möglichkeiten 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 über Auswuchten gefunden :-)

Da ich zu diesem Zeitpunkt schon eine Menge Informationen über das Thema angesammelt hatte und ich mich diesbezüglich nicht mehr für 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 ursprüngliche Beweggrund für die Odyssee durch die Tiefen des Internet, der sNQ mit seinen jämmerlich unwuchtigen Brushless-Motoren, wurde dadurch etwas in den Hintergrund gedrängt und harrt dort des Kommenden...

Kurze Zeit nach der ersten Kontaktaufnahme hielt ich den bei Manfred gekauften Bausatz eines fünflächigen Mendocino-Motors in Händen 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 ;-)

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Das ist bisher aus der Idee geworden:

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.

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

Man erkennt die Befestigung der Aufhängungen für die Schaukeln, auf denen die Kugellager liegen, die während der Messungen den Rotor tragen. Später - 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 möglich Reibung zu haben. Hier, bei der Messung, stört 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 später zeigen.

Die Aufhängung der Schaukeln habe ich mit Edelstahlbändern 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 schlägt beispielsweise Sägeblätter von Bügelsägen vor.

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 über einen gestreckten und damit exakt gerade ausgerichteten Silberdraht auf die Membran des mit doppelseitig klebendem Spiegel-Klebeband befestigten Piezo-Lautsprechers übertragen. 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 Stahlblattaufhängung nur dann passieren, wenn die Drehzahl für die vorhandene Unwucht zu groß gewählt wird, so dass die Kugellager auf den Schaukeln hüpfen. 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 durchgeführt.

Man erkennt den Kurvenverlauf im linken Bildteil schlecht, weil diese Aufnahme aus einem Video ausgekoppelt ist und der Strahl des Oszi nur sehr selten über den Schirm huscht. Trotzdem sieht man deutlich, dass der langsamen Schwingung mit ca. 8 Hz noch höher frequente Störungen überlagert sind, die eine sinnvolle messtechnische Erfassung des Signals mehr oder weniger unmöglich machen. Es sind übrigens zwei Kurvenzüge 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 schön an den beiden Zacken links der “20ms”-Anzeige im unteren Kurvenzug, die im oberen Kurvenzug nicht so ausgeprägt sind.

Durch Versuche habe ich heraus bekommen, dass diese überlagerten, höher 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.

Die überlagerte niederfrequente Schwingung ist auch im unteren Kurvenzug zu erahnen - man muss im Geiste das höher frequente Gezappel ausblenden. Hat man das geschafft, erkennt man schön die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal des Tiefpasses.

Da das Ausgangssignal des Piezo-Lautsprechers ohnehin nicht besonders groß ist, habe ich mich entschlossen, einen aktiven Tiefpass zu verwenden, dem ich gleich noch einen Messverstärker und einen aktiven Messgleichrichter nachgeschaltet habe, da der verwendete Operationsverstärkertyp LM324 aus der Krabbelkiste sowieso vier OpAmps in einem Gehäuse zur Verfügung 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:

             (Click auf das Bild für volle Auflösung)

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 Verstärker mit ca. 20facher Verstärkung dar, der die Ausgangsspannung des Tiefpasses entsprechend verstärkt, damit der nachgeschaltete Messgleichrichter, gebildet aus dem vierten OpAmp und zwei Dioden, eine ausreichend hohe Eingangsspannung zur Verfügung hat.

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

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

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

Der OpAmp in SMD-Ausführung musste zur Verwendung auf der Lochraster-Platine zuerst noch auf einen DIP-Sockel gelötet werden. Die Kondensatoren sind ebenfalls SMD -Typen, können aber ohne weitere Maßnahmen auf der Lochrasterplatine verarbeitet werden.. Die endgültige Schaltung sollte ohne Abgleich auskommen, das auf dem Prototyp vorhandene Poti entfällt also.

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

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

Die willkürlich erscheinende Anordnung der Anschlusspads hat sich auf Grund des einseitigen Layouts ohne Drahtbrücken ergeben. Letztlich habe ich Eingang und Ausgang der Schaltung nicht an diesen Pads angeschlossen, sondern Punkte in der Schaltung gesucht, bei denen räumlich nebeneinander liegend Signal und Masse vorhanden ist, um Störungen zu vermeiden.

Die beiden Lila Drähte oben führen das Eingangssignal vom Piezo-Sensor an die Schaltung, Orange und Blau führen die Versorgungsspannung, Lila und Grau führen das gefilterte, verstärkte und gleichgerichtete Signal zur Steuerung, wo der µC die Spannung über einen Analogeingang misst.

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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 erwähnt, ein eigenständiges Gerät zu bauen, das die zusätzliche Verwendung von Zirkel und Polarkoordinatenpapier, Rechner oder Internet überflüssig macht.
Die weiteren Arbeiten dazu werden auf einer eigenen Seite beschrieben.