#42 Masselaufwerk

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

06.08.2017

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.

Einige der Randbedingungen für die Entwicklung meines Laufwerkes standen für mich wie selbstverständlich schon von Anfang an fest:

  • 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 längere Tonarme. Der Hauptanteil des Gewichtes, des letztendlich annähernd 40kg schweren Tellers, liegt am Außenrand und begünstigt somit eine möglichst hohe Masseträgheit.

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. Die vertikale Lagerung übernehmen 3 dem Tellergewicht angepasste Luftlager mit einem Lagerspalt von 5μm. 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 benötigt 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 auswechselbaren Auflage zum liegen und somit kann man an dieser Stelle mit unterschiedlichen Materialien experimentieren. Ich habe mich bei der ersten produzierten Auflage für Vinyl (Polyvinylchlorid – PVC) entschieden. Der Mitteldorn wird 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 zusätzlich 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. Dieser Ausleger ist so universell konstruiert das man nur eine Platte entsprechend dem gewählten Arm anpassen muß. 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.
(VTA: Vertical Tracking Angle / vertikaler Spurwinkel – Eintauchwinkel der Nadel in die Rille, wenn das Tonabnehmersystem von der Seite betrachtet wird, mehr dazu hier)

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 seitlichen Knopf 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. Optional läßt sich eine Meßuhr integrieren.

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 ein Luftlager einzusetzen. Ein magnetisches Feld in der Nähe des Tonabnehmers wollte ich 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

19.07.2017

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 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 es 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 von mir anstelle eines Riemens verwendeten Tapes 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.

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

Die Antriebselektronik

18.08.2017

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.

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 erzeugen wir mit Hilfe eines DDS-Chips dessen Referenz durch einen Quarz vorgegeben wird. Die Ausgangsfrequenz wird in dem Chip durch ein 28 Bit großes Register eingestellt, was einer sehr feinen Frequenzauflösung entspricht.

Unter dem Teller sind optische Markierungen angebracht die per Reflexionsgeber abgetastet werden. Mit dem sich ergebenden Rechtecksignal 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.

Tools rund um das Laufwerk

17.07.2017

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 her.

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