#42 Masselaufwerk

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

30.05.2018

Als ich im Dezember 2012 das Glück hatte meinen Freund Jürgen kennen zu lernen, arbeitete ich schon einige Zeit an der Motorsteuerung eines Plattenspielers. Zu der Zeit benutzte ich ein DIY Laufwerk mit Scheu Komponenten und einem ebmPapst Motor. Den Scheu Teller hatte ich modifiziert, so daß ich die Drehzahl messen konnte. Alles lief ganz zufriedenstellend und nun sollte eigentlich der nächste logische Schritt – die Entwicklung eines eigenen Laufwerkes – folgen. Einen eigene Ansatz gab es von meiner Seite zu dem Zeitpunkt schon, aber es fehlte mir am nötigen professionellen Wissen um das Projekt meinen Ansprüchen entsprechend umzusetzen. Mit Jürgen als Partner hatten wir beide dann aber alle benötigten theoretischen und praktischen Voraussetzungen beisammen.

Das es dann allerdings doch fast 5 Jahre Entwicklungszeit brauchte und wir beide viel über ein vermeintlich simples Thema lernen mußten, hatten wir so nicht erwartet.

Mit den folgenden Randbedingungen sind wir in die Entwicklung für mein Laufwerk gestartet:

  • Masselaufwerk mit einem Tellergewicht >25kg
  • 42cm Tellerdurchmesser mit möglichst großer Masseträgheit
  • vertikales Luftlager
  • externe Motordose mit 3 Motoren und einem Tape-Antrieb
  • Drehzahlregelung
  • Montagemöglichkeit für mindestens zwei Tonarme
  • On the Fly Höhenverstellung der Tonarmbasen ohne Arretierung
  • Einstellschablonen pro verwendeten Tonarm (Tellermitte ↔ Drehpunkt Arm)

Der große Tellerdurchmesser beschränkt natürlich den Einsatz von Tonarmen und es sind nur noch 12″ Typen verwendbar. Dies mag sicherlich für viele ein Nachteil sein, für mich ist es nur die logische Umsetzung meiner Präferenz für lange Tonarme.

Wer sich zudem fragt wieso ich gerade einen Durchmesser von 42cm gewählt habe, ist offensichtlich nicht in meinem Alter und hat auch nicht Elektrotechnik, Maschinenbau oder Informatik studiert ☺. 42 ist die Antwort auf die Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest – näheres dazu findet sich unter anderem hier.

Am 16.08.2017 hat das Laufwerk meine alte DIY Scheu Konstruktion endgültig ersetzt.

Das Laufwerk

22.07.2017

Der Aufbau des Laufwerkes besteht aus einer Reihe von Materialien die wir durch Versuche ausgewählt haben, darunter befindet sich C45 Stahl, Multiplex-Holz, Schiefer, Aluminium, Grauguss und verschiedene Kunststoffe. Die Herstellungsverfahren der Teile gehen von Wasserstrahlschneiden über CNC fräsen bis hin zu 3D-Lasersintern. Aber vor allen Dingen steckt jede Menge perfekter Handarbeit in dem Laufwerk. Die Oberflächen der Werkstoffe wurden nicht verändert – also z.B. kein Eloxal oder Chrom – um die spezifischen Eigenschaften der Werkstoffe nicht zu beeinflussen und so die Funktion der Werkstoffe zu garantieren. Wo Oberflächen geschützt werden mußten ist ein spezieller Wachs verwendet worden.

Die horizontale Lagerung des Tellers übernimmt ein Präzisionslagern mit Lebensdauerschmierung durch Feststoffschmierelemente und einer extra dicken präzisionsgeschliffene Welle. Für die vertikale Lagerung sind 3 dem Tellergewicht angepasste Luftlager mit einem Lagerspalt von 5μm verantwortlich. Bei dieser Lagerung stellt sich kein Lagerrumpeln oder Slip-Stick Effekt ein.

Der Teller selbst ist annähernd 40kg schwer und besteht aus Aluminium. An seiner Unterseite sind Markierungen angebracht die zur Messung der Drehzahl genutzt werden. Wie oben schon geschrieben beträgt der Durchmesser 420mm. Der Großteil der Masse des Tellers ist am Außenrand angeordnet, was eine möglichst hohe Masseträgheit begünstigt. Die Schallplatte selbst kommt auf einer 10mm dicken auswechselbaren Auflage zum liegen. Somit kann an dieser Stelle mit unterschiedlichen Materialien experimentiert werden. Ich habe mich erst einmal für Vinyl (Polyvinylchlorid – PVC) entschieden. Der Mitteldorn wird lediglich auf den Teller aufgesetzt und hat keinen direkten Kontakt zur Lagerung.

Das Laufwerk ruht auf 4 in der Höhe verstellbarer Füße. Jeder Fuß besteht aus 2 Teilen die nur über eine Kugel miteinander verbunden sind, das gesamte Laufwerk steht also letztendlich auf diesen vier Kugeln. Im jeweils unteren Teil der Füße sind Dämpfungselemente verbaut.

Die Tonarmbasen

27.06.2017

Auf meinem Masselaufwerk werden die Tonarme auf Auslegern montiert die seitlich in den Ecken auf dem eigentlichen Laufwerk angebracht sind – so wie man es auch auf vielen anderen Laufwerken sehen kann. Auf einem festen Aufbau ist ein Ausleger montiert in dem der Arm verschraubt wird. Letztendlich muß nur dieser Ausleger an den verwendeten Tonarm angepasst werden (Länge & Tonarmbohrung). Der richtige Abstand des Tonarmdrehpunktes zum Mittelpunkt des Tellers wird durch ein verdrehen des Auslegers in die richtige Position eingestellt.

Mein bevorzugter Tonabnehmer reagiert sehr empfindlich auf die VTA Einstellung und so machen sich klangliche Unterschiede zwischen normalen Schallplatten und solchen mit audiophilem Gewicht – also dickeren Platten – deutlich bemerkbar.

Wie stellt man nun den Arm korrekt ein? Auf den Großteil der normalen oder denen der audiophilen Platten um diese optimal zu hören. Oder doch vielleicht ein Kompromiss zwischen beiden? Letztendlich aber hat man viel Geld in einen Arm und einen Tonabnehmer gesteckt und möchte auch die optimale Einstellung pro Schallplatte haben.

Die Lösung ist eine fein einstellbare Höhenverstellung der Basis die zudem on the fly funktionieren sollte, weshalb eine Arretierung vermieden werden muß. Exakt eine solche Höhenverstellung ist auf meinem Laufwerk realisiert. Die Mechanik ist so konstruiert das die Einstellung mit dem Drehknopf spielfrei funktioniert (anti-backslash Getriebe) und die Höhe sich pro Umdrehung reproduzierbar ändert. Der Nullpunkt der Basis läßt sich um ±12mm in der Höhe verstellen, was mehr als ausreichend für jede Situation ist. Zudem läßt sich eine Meßuhr integrieren.

(VTA: Vertical Tracking Angle / vertikaler Spurwinkel – Eintauchwinkel der Nadel in die Rille, wenn das Tonabnehmersystem von der Seite betrachtet wird, mehr dazu hier)

Das Druckluftsystem

11.09.2017

Ich habe an einem namhaften magnetisch gelagerten Laufwerk mit einem simplem Kompass den Restmagnetismus auf der Telleroberseite gemessen. Dabei sind deutliche Ausschläge der Nadel zu sehen gewesen. Das war der Grund warum ich mich vor Jahren entschlossen hatte anstatt einer magnetischen Lagerung ein Luftlager einzusetzen. Ein magnetisches Feld in der Nähe meiner empfindlichen Tonabnehmer wollte ich definitiv nicht haben.

Bekanntermaßen ist Druckluft eine sehr teure Energieform und wenn man es so perfekt wie möglich bauen will wird der Aufwand auch entsprechend groß. Das von mir verwendete System besteht aus einem Kompressor, einem Lufttrockner, einem 14l großen Speicher mit integriertem Druckminderer, einem Proportionalventil zur elektronischen Einstellung des Volumenstromes und einem 0,2l großem Beruhigungsgefäß direkt im Laufwerk. Nach diesem Gefäß wird die Druckluft über eine Ringleitung an die 3 Luftlager verteilt.

Besonders der Lufttrockner ist sehr clever von meinem Freund Jürgen gelöst worden. Entsprechend geeignete Systeme lagen alle in einer Preisklasse über 1500€. Die Lösung kommt aus der Automobilindustrie und wird normalerweise in LKW’s eingesetzt. Es ist sogar eine Regeneration der Trocknerpatrone integriert – wie gesagt, sehr sehr clever.

Die Motordose

04.06.2018

Als ich zum ersten Mal die 3 Motoren Motordose des Raven Black Night von TW Acustic aus Herne gesehen hatte, wußte ich das ich das genau so an meinem Laufwerk machen wollte. Für mich ist diese Anordnung von 3 Motoren einfach die richtig.

Man liest immer über den Umschlingungswinkel des Riemens um den Teller, dabei dürfte der bei dem überwiegenden Teil der Laufwerke auf dem Markt völlig ok sein. Viel wichtiger ist es wie groß denn der Umschlingungswinkel am Pulley ist, hier entsteht der ungewollte Schlupf. Mit einer Motorenanordnung wie beim oben genannten Laufwerk und der daraus resultierenden Führung des Riemens wird sichergestellt das man einen sehr großen Umschlingungswinkel und damit auch einen sehr ordentlichen Anpressdruck um die 3 Pulley’s erhält. Der Schlupf an dieser Stelle dürfte damit weitestgehend minimiert sein.
Bei einem Uher Tonbandgerät, in dem die Bandführung ähnlich konstruiert war, nannte man diese Führung Ω-Loop.

Auch wenn die Anordnung der Motoren so gestaltet ist wie beim Raven Black Night, so ist der Rest der Motordose doch komplexer ausgeführt. Der mittlere Motor läßt sich per Drehknopf verschieben um so die Vorspannung des Tapes – das ich an Stelle eines Riemens verwendet – zu optimieren. Dies ist wesentlich feiner zu justieren als nur einfach die schwere Motordose zu verschieben.

Zudem lassen sich die 3 Füße der Motordose in der Höhe verstellen. So kann man die Motordose nicht nur exakt horizontal ausrichten, man kann sie auch in der Höhe auf den Masseschwerpunkt des Tellers justieren.

Die Pulley’s sind präzisionsgedreht und haben in der Mitte eine Spannzange zur Motorwelle hin. Dies garantiert das sie exakt mittig sitzen und rund laufen. Der Durchmesser der Pulley’s ist so gewählt das sich die Motoren bei 33,3UpM im optimalen Arbeitsbereich befinden (Drehzahl und Drehmoment).

Die verwendeten Motoren werden vor ihrem Einsatz von uns demontiert und ihre originalen Lager werden durch Präzisionslager ersetzt. Damit erhalten sie eine wesentlich bessere Laufruhe.

Die Antriebselektronik

24.10.2017

Basis der Antriebselektronik ist einmal wieder der Mikrocontroller AT89C51ED2 von Atmel, hier allerdings in der Version mit 6 Ports. Bedient wird mit einem Drehwinkelgeber und einem LC-Display (2 Zeilen, 20 Spalten). Die Software ist über die Jahre sehr gewachsen und hat jede Menge Features rund um den Betrieb eines Laufwerks erhalten.

Die von uns verwendeten Motoren haben eine eigene integrierte Elektronik und benötigen zur Ansteuerung einige Status-Signale und ein Rechtecksignal dessen Frequenz die Drehzahl vorgibt. Diese Frequenz wird mit Hilfe eines DDS-Chips mit einer Quarz-Referenz erzeugt. Die Ausgangsfrequenz wird in dem Chip durch ein 28 Bit großes Register eingestellt, was einer extrem feinen Frequenzauflösung unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle der Motorelektronik entspricht.

Unter dem Teller sind optische Markierungen angebracht die per Reflexionsgeber abgetastet werden. Mit dem sich ergebenden Meßsignal und einer Referenzfrequenz läßt sich die aktuelle Drehzahl mit hoher Auflösung messen. Die Software ist so geschrieben das sich das Laufwerk wahlweise im Open oder Closed Loop betreiben läßt. Beide Betriebsmodi mit Messung der Rotationsfrequenz des Tellers.

Bei meinen Experimenten mit dem ebmPapst Motor hat sich herausgestellt das er eine wesentlich höhere Laufruhe hat wenn er aus einer Batterie versorgt wird. Da die nominale Betriebsspannung bei 24V liegt habe ich zwei 12V/7Ah Blei-Gel Batterien in Reihe geschaltet. Diese Batterien werden bei ausgeschalteter Laufwerkselektronik geladen. Bei jedem Start des Motors wird zuerst die Batteriespannung gemessen. Liegt sie unter einem vorgegebenen Wert kann das Laufwerk nicht eingeschaltet werden. Dies verhindert ein Tiefentladen der Batterien, allerdings ist das in all den Jahren nie vorgekommen und ich benutze immer noch den ersten Satz Batterien.

Tools rund um das Laufwerk

24.10.2017

Baut man sich sein eigenes Laufwerk hat man den Vorteile das man alle Abmaße kennt oder sich aus dem verwendeten CAD System besorgen kann.

Einstellschablonen Tellermitte ↔ Drehpunkt Arm

Was mich immer gestört hat sind die teuren Tools zur Abstandsmessung Tellermitte und Drehpunkt Tonarm, die man auf dem Markt kaufen kann und mit denen man letztendlich den Abstand auch nicht so genau bestimmen kann, wie es vielen Hersteller von Tonarmen vorgeben.

Bei meinem Mørch DP-8 mit einem 12″ Tonarmrohr soll dieser Abstand exakt 294,1mm betragen. Nur leider läßt sich der Drehpunkt des Armes nicht exakt bestimmen und die Skala meines Abstandstools gibt die Einstellung in 1/10mm auch nicht wirklich her.

Die Lösung bei meinem Laufwerk ist ein festes Abstandstool pro verwendeten Tonarm. In jedem Ausleger für einen Tonarm befindet sich eine Passung und im hier beschriebenen Abstandstool der entsprechende Stift. Man setzt das Tool auf der einen Seite über den Mitteldorn und auf der anderen Seite in die Passung. Damit ist der Ausleger exakt auf den vom Tonarm benötigten Abstand eingestellt – sehr simpel und effektiv. Letztendlich allerdings auch hier mit ein wenig Toleranz – die Bohrungen müssen ja etwas Übermaß haben.