Лазерный проигрыватель для виниловых пластинок

Спасибо дорогой Optics за слова поддержки, я очень тронут. Все будет хорошо. Обязательно буду писать здесь как только у меня будет появляться какая-то новая информация.

 

Всем привет!
Сегодня в программе: хорошие новости и немного растянутые размышления на тему нашего проекта.
В начале мая сделали наконец первый контрольный снимок ноги - спустя три месяца место перелома срослось, врач даже разрешил немного приступать на больную ногу. Но до полноценной ходьбы еще минимум 3 месяца – костный мозоль должен как следует затвердеть, поэтому пока все еще на костылях. Боли в ноге беспокоят все меньше, поэтому уже могу нормально сидеть за столом и понемногу делать что-то полезное.
Несколько месяцев назад начал общаться с известным автором статей по радиоэлектронной тематике и разработчиком электронных устройств Леонидом Ивановичем Ридико на тему лазерного проигрывателя винила. Я ему предложил поучаствовать в проекте, глядя с какой любовью и умением он на своей страничке в ЖЖ проводит различные доработки своей вертушки Арктур-006 – http://leoniv.livejournal.com/248214.html. Леонид по разным причинам отказался, но в свою очередь согласился помогать советами и опытом. Он предложил мне некоторые идеи по реализации конструкции подвижного тонарма и я, увидев в этих идеях какую-то перспективу, надолго завис размышляя на эту тему, благо в больнице времени было достаточно .
Главным недостатком моей конструкции привода тонарма является идея использовать для перемещения головки механическую пару - ходовой винт/ходовая безлюфтовая гайка. Предполагалось что этот механизм должен обеспечить достаточную точность позиционирования (единицы микрон). Я делал прикидочный расчет с учетом использования шагового двигателя с шагом 1,8 градуса, драйвера управления с дроблением шага 1/16 и ходового винта с шагом резьбы 1 мм. При этом можно было бы достичь теоретической точности где-то в 0,4 микрона. В реальности конечно добиться такой точности в механике очень сложно (все рабочие поверхности должны быть идеально шлифованными, с высокими значениями чистоты поверхности и высокими значениями квалитета точности, что в домашних условиях не реализуемо), и в какой-то момент я это осознал. При всей кажущейся в этом случае простоте реализации управления от микроконтроллера (давай себе только "тики" шагов на перемещение головки с нужной скоростью да меняй при необходимости направление вращения двигателя) вылезает одна большая проблема - неизбежный износ механики, в том числе и пары - ходовой винт/гайка, и появление здесь со временем люфтов, несмотря на использование безлюфтовой гайки (износ по любому будет сказываться), и как результат – проблемы с точностью слежения за канавкой. Меня это давно смущало, но не видя в первом приближении какой-то достойной альтернативы я пока оставался на старых позициях. Точнее говоря альтернатива то была - сделать какой-то аналог конструкции пикапа, как в приводах CD, но только больше по размерам, где головка с линзой фокусировки управляется двойной эл.магнитной системой с двумя степенями свободы и "плавает" на листовых проволочных пружинах - грубые шаги позиционирования делаем шаговым двигателем а точное отслеживание канавки делаем при помощи САР (Системой Автоматического Регулирования) и электромагнитной системы. Но изначально довольно большой вес моей головки не позволял это сделать - мне с трудом хватало усилия выбранных неодимовых магнитов и моей эл. магнитной системы для того чтобы точно удерживать головку над поверхностью пластинки и при этом не перегревать обмотку отклоняющей системы (при токе около 0,5-0,7 А).
Предложение Леонида полностью уйти от механического управления головкой и использовать для этого линейный эл.магнитный двигатель перевернула мое представление о возможностях реализации нашей задачи. Как вариант решения проблемы перемещения тяжелой головки он подсказал пример первых приводов CD, где головка перемещалась в горизонтальной плоскости по дуге, закрепленная на специальном рычаге который качался на центральном подшипнике. Для управления использовался специальный моментный двигатель:http://www.audio-extasa.eu/imagemagic.php?img=images/Philips CDM-1 1c.jpg&w=900&h=600&page=popup (лазер с оптикой виден на дальнем плане с зеленой платкой сверху, рычаг идущий от центрального подшипника уже в нашу сторону заканчивающийся подобием бочонка с желтой крышечкой это всего лишь противовес для балансировки всего узла головки, улучшающий динамические характеристики привода - такой себе механический демпфер) и второе фото сверху http://www.audio-extasa.eu/imagemagic.php?img=images/Philips CDM-1 0c.jpg&w=900&h=600&page=popup . Головки в первых проигрывателях CD имели только одну отклоняющую систему по вертикали - для фокусировки линзы (как сейчас у нас), а все перемещения головки по горизонтали, включая точное слежение за дорожкой, были при помощи вот этого загадочного моментного двигателя.
Ремонтируя на днях механизм микролифта в моем виниловом проигрывателе-доноре я обратил там внимание на похожий моментный двигатель привода перемещения тонарма с иглой - http://forum.vegalab.ru/attachment.php?attachmentid=50371&d=1239443512 Под обмотками двигателя виден большой кольцевой магнит. Из двух плоских катушек с проводом сверху над магнитом одна силовая а вторая это катушка обратной связи для электромагнитного демпфирования. Это подтолкнуло меня к мысли о реализации привода моей головки по такому же принципу. Прелесть идеи заключается в том, что мы практически полностью уходим от нестабильных изнашиваемых механических узлов, не считая подшипника на котором крепиться и перемещается по сектору радиуса "тонарм" с головкой и остальной оптической системой. Но ресурс хорошего подшипника при тех малых нагрузках и небольших перемещениях тонарма в проигрывателе может быть очень большим и думаю что составить все время жизни аппарата (а в случае необходимости его всегда можно и поменять). Конструкция головки с листовыми пружинами и оптическая система у нас остаются пока прежними. Т.е. фактически у нас в первом приближении должно получиться что-то вроде классического тонарма со звукоснимателем и иглой, только объемные габариты этого тонарма будут побольше, чтобы разместить на нем старую головку на гибком подвесе, оптическую систему в старом варианте и первичную электронику управления.
Кроме этого варианта привода есть еще один вариант, где используется уже линейный эл.магнитный двигатель - https://drive.google.com/file/d/0B8GHrrR9q2UPRWtwTGFyeU1TX3c/view?usp=sharing. здесь тонарм закрепленный на каретке с магнитами перемещается на роликах по направляющим под воздействием управляющего тока в отклоняющей катушке намотанной на длинном плоском стержне из магнитомягкой стали. Катушка располагается между магнитами каретки. Конструкция такого привода описана в 9 номере журнала Радио за 1983 г. (стр. 46-48), (за основу этой конструкции взяли схему от японского проигрывателя с тангенциальным тонармом Pl-L1000 фирмы “Pioneer”). В этом варианте мы также полностью уходим от изнашиваемых механических узлов (если не считать направляющие ролики каретки).
Ну а теперь осталось только реализовать какой-то из этих вариантов привода головки в металле и электронике. Но опыта работы с такими моментными двигателями или линейными электромагнитными двигателями, и их расчета, у меня нет, поэтому я сейчас попытаюсь максимально полно собрать всю информацию по этой теме. Надеюсь в этом вопросе и на помощь от нашего уважаемого Optics-a.
Я пока остановился на варианте с тонармом в виде качающегося рычага (вспоминаем привод головок в HDD). Присматриваюсь к новым неодимовым магнитам, прикидываю примерную конструкцию и расположение отклоняющей катушки а также еще конструкцию дополнительной катушки ЭМОС (Электро Механической Обратной Связи) для демпфирования работы узла тонарма (здесь хочу тоже попросить совета у Optics-а). Есть еще вопросы по реализации управления с помощью микроконтроллера. Леонид пишет, что 16-ти разрядного ЦАП должно хватить для нужной точности позиционирования головки при слежении за канавкой. Готов выслушать все мнения и пожелания по этой теме.

 

Вот выложил небольшое видео как работает моментный двигатель привода тонарма - https://drive.google.com/file/d/0B8GHrrR9q2UPS0lUU3JRR2YwRkU/view?usp=sharing Управление кнопками имеющими два усилия нажатия - нажимаем легко и скорость перемещения низкая, нажимаем сильнее и тонарм двигается быстрее. На малой скорости перемещения видно иногда заедание - высохла смазка центрального подшипника (устройству уже слава богу больше 20-ти лет), никак не доберусь смазать (для этого нужно разобрать половину проигрывателя). Третья кнопка управляет опусканием иглы на пластинку, повторное ее нажатие возвращает тонарм на парковку. Также видно как при срабатывании автостопа в конце пластинки тонарм возвращается самостоятельно домой - эту доработку я сделал сам, изначально в конструкции проигрывателя такого не было предусмотрено (грех не сделать такой удобный сервис при наличии замечательного моментного двигателя). В планах также сделать по нажатию одной кнопки автоматический подвод иглы к началу пластинки и воспроизведение.
Для чего это все показал - вот на место этого привода со стандартным тонармом я планирую поставить наш лазерный тонарм. Моментный двигатель с тонармом сделан одним блоком - откручиваем три винта и снимаем все полностью, потом на эти три винта крепим нашу новую конструкцию. Ну вот как то так.

 

Снял блок тонарма с моментным двигателем. Вымерял расстояния трех точек крепления этого блока на основании проигрывателя и нарисовал в CAD специальный переходной фланец на котором будет крепиться новая конструкция с лазером, также в CAD упрощенно без полной деталировки показал как это будет выглядеть в сборе. Теперь осталось в эти размеры вписать какой-то неодимовый магнит с магнитопроводом и катушки.

 

Верно, Однако консоль с оптической головкой весит больше чем звукосниматель проигрывателя, хотя конечно можно уравновесить рычаги , что повлечет за собой утяжеление звукоснимателя , возможны побочные эффекты. Утяжеление на длинном рычаге приведет к увеличению механического момента вокруг оси вращения и соответственно потребуется более мощный привод и более высокие токи- звукосниматель сначала "разогнать" затем поддерживать скорость и тормозить.
Линейный двигатель конечно позволяет прецизионное позиционирование до нанометров с системой ОС. Но такая система требует подвески не механической ,а на воздушной подушке либо электромагнитная левитация. Левитация требует довольно сложной системы постяных магнитов и катушек и кроме того сложная система поддержания равновесия. Воздушная подушка значительно проще, но надо вдувать либо хорошо очищенный воздух, что потребует компрессор и фильтр (так размеры пор в суппорте десятки нанометров). Либо баллон скажем очищенного азота ). Думаю это достаточно хлопотно для пользователя.
В CD приводах пластмассые шестеренки, ДС двигатель и отполированные направляющие. Система поддержания на треке 2-х ступенчатая грубая через ДС мотор точная магнитами-катушками в головке обеспечивающими движение поперек трека.
Вот информация которую я хотел донести до вас чтобы вы могли сделать осознанный выбор как конструктор. Если интересны ситемы бесщеточных линейных двигателей и их расчет , то могу выложить статьи (на английском) с примерами таких двигателей.
Здоровья вам поправляйтесь!!!

 

Optics, здравствуйте! Наконец то вы здесь, а я уже заждался . Все что вы написали по тяжеловатой консоли с оптической головкой справедливо и я это прекрасно осознаю, но пока что я не вижу другого приемлемого варианта (а конструкция оптической головки как в CD, с двумя степенями свободы, будет просто монструозной, если только не изменить всю ее конструкцию, макcимально ее облегчить, оставив там только одну линзу, и придумать другой способ фокусировки. Но боюсь из-за особенностей поверхности пластинки другую фокусировку тяжело будет сделать. Думаю мы будем пока решать проблему лишней массы выбором более мощного двигателя (если позволит конструктив). Конечно, Optics, давайте пожалуйста все что вы можете по двигателям, я с удовольствием почитаю. Последние несколько дней я искал любую информацию по моментным двигателям в интернете. После изучения разных конструкций двигателей решил пока остановиться на двух вариантах - это или конструкция двигателя привода тонарма как в моем проигрывателе (и он мне больше всего нравится), или второй вариант, это японский патент двигателя который лежит в основе всех двигателей привода головок в HDD - https://www.google.com/patents/US8194358. В первом варианте сразу уперся в проблему кольцевого магнита нужных размеров, а кроме того и редкой намагниченности - диаметральной. Вот нашел пока только такой http://magniton.org.ua/magnit_kolco_65_18x30_mm_dn-info.html но он высоковат, да и по диаметру хотелось бы побольше - чтобы где-то до 80 мм (но цена приемлемая - около 40$) В Китае тоже пока ничего подходящего не нашел, хотя просидел в интернете безвылазно несколько дней - или размер маловат или нет центрального отверстия, как например здесь https://ru.aliexpress.com/store/pro...32640449380.html?spm=2114.12010612.0.0.SshkL9 (у меня есть некоторые идеи как применить цилиндрический магнит вместо кольцевого), но обратите внимание на дикую цену. Второй вариант двигателя, из японского патента, позволяет применить более доступные прямоугольные магниты, хотя и здесь тоже при макетировании обнаружил, что нужный размер тяжело подобрать - то великоват то маловат. Кроме того, в этом варианте пока не понятно - можно ли с его помощью получить стабильный момент двигателя во всем диапазоне хода тонарма в 45 град. (из-за конструкции магнитов). Дело в том, что в HDD головки отклоняются меньше - около 30 град. (там не нужно головкам выходить за край диска). А вообще-то я вчера нашел производителя магнитов в Украине, который может сделать магнит любой формы, размеров и характеристик, но при заказе одной штуки цена может не обрадовать. Я сегодня с ними разговаривал по телефону, дал примерные размеры и попросил обсчитать цену. Жду. Рассматривал еще и просто вариант покупки готового двигателя подходящих размеров. Нашел вот из этой серии - http://zapadpribor.com/dbm/. Или смотреть что-то импортное. Например - http://www.ltn.ch/uploads/tx_ltnproducts/Rotary_Acuators_01.pdf там из всего списка подходит только самый первый - у него макс. угол отклонения 100 град. (остальные гораздо меньше).
Optics, очень хотел еще услышать ваше мнение о конструкции привода которую предложил Леонид Ридико. Я по-быстрому набросал макет этого привода и прикладываю его здесь. Короткое описание: зеленым здесь это условная консоль, светло-желтым это два магнита, и соответственно медный цвет это катушка намотанная на подковообразном магнитопроводе. https://drive.google.com/file/d/0B8GHrrR9q2UPNU9fb1pMUkI4c3c/view?usp=sharing
Так с магнитами проще выбор, но будет ли все работать как нужно?

 

В магните первого варианта, намагниченность по диаметру и кроме того меняет знак в зависимости от угла. ТЕ там минимум два сектора с намагниченностью по диаметру но в разных направлениях. В приводах флопиков, это движение осуществляется по другому, там катушки трапециидальные и снизу магнит с намагниченностью по секторам , но не диаметрально а перпендикулярно плоскости. Такой вариант тоже можно рассмотреть.
Искать магнит нетрадиционной ориентации очень проблематично заказ дорого, поэтому обычно собирают из дискретных магнитов комбинацию намагниченности.

Все определяется конструктивом катушек и магнитов.

Готовый двигатель ДБМ в безпазовом варианте интересен, надо его подробнее изучить , возможно это и есть решение
Но в конструкции с круговыми приводами есть существенный недостаток. Большое плечо головки считавания, а плечо большое из-за системы фокусировки. Можно прикинуть скажем d рассояние минимального смещения головки считывания - ясно меньше 30 микрон ( пазмер канавки попалам, на самом деле еще меньше) R - длина рычага, r радиус двигателя d2 минимальное расстояние по хорде соединяющей две точки на траектории датчика слежени за положением расположен возле двигателя, и если сотношение радиусов 1: 10 сразу влеиаем в микроны точности отслеживания угла поворота ротора. Это очень напряжно. Так что думаю если этот вариант двигателя под серьезным вопросом.
Проще с линейным двигателем. но не сильно, шаговый двигатель с более менее приличной механикой наверно будет компромиссным решением. Ну скажем обычный принтер с 600 dpi обеспечивает 40 микрон, притом шестеренки там пластмасса, есть о чем подумать.

Вариант нарисованный на чертеже это тот же вращающийся привод, у него есть существенный недостаток по сравнению в приводом HDD. В приводе жесткого диска катушка находится между двух магнитов (сверху и снизу) И таким образом магнитный поток через катушку одорожден и используется по максимуму. На рисунке две катушки и один магнит мгнитное поле для нижних и верхних витков катушки будет разным возникнет дополнительный вращающий ( перпендикулярно оси ) момент. Конечно для каких то поделок это не страшно , но когда дело опять упирается в микроны , надо учитывать все. Кроме того может просто эскиз нарисован на скорую руку, но часть витков идущих перпендикулярно направлению рычага ( в плоскоти устройства ) также находится в магнитном поле что вносит еще разбаланс в систему. В катушке HDD эти витки проходят вне магнитного потока.

 

попробую узнать возможность заказа и цену, но меня смущает что там, судя по всему, три обмотки - как ими управлять?

Я тоже осознавал с самого начала эту проблему и высказывал свои опасения Леониду Ридико - его мнение, что обратная связь и применение 16-ти разрядного ЦАП должны проблему решить.

Извините, но все-таки это тоже не наш вариант - вспомните об неизбежном эксцентриситете любой пластинки. Пусть это будет даже 50 микрон, но это уже где-то половина ширины одной канавки - вы будете шестеренками туда-сюда дергать чтобы отследить канавку? И на сколько этих шестеренок хватит? Однозначно одна только механика здесь не подходит и Леонид Ридико в этом абсолютно прав. Что касается решения с шаговым двигателем и ходовым винтом с гайкой то для максимально плавного перемещения головки вслед за канавкой нам нужно обеспечить дискретность позиционирования не хуже 153 нанометра. Поясню. Вспомните - дорожка записи у нас на пластинке идет по ПЛАВНОЙ спирали. А теперь рассмотрим самый сложный вариант позиционирования для ШД и вспомним, что крайний наружный диаметр записи на большой пластинке у нас где-то 250 мм, значит длина этой окружности около 785 мм. Разделим ширину канавки (около 120 мкм) на длину этой окружности, 120/785 = 0,153 мкм, т.е. с каждым миллиметром дорожки записи мы должны смещать головку на 0,153 микрона для того чтобы продолжать оставаться точно над канавкой! (на крайней внутренней дорожке немного полегче - около 0,3 мкм, но тоже напряжно). Легко ли обеспечить с помощью ШД шаг позиционирования в 153 нанометра? В моей первой механике с ШД по моим расчетам миним. шаг должен был получаться около 300 нанометров (и это при идеально отполированных ходового винта с гайкой, и если не учетывать какие-то неизбежные люфты в узлах, а если пойдет потом неизбежный износ?). Думаю ответ очевиден.
У меня давно была (и остается) идея сделать такой своеобразный гибрид - классический тангенциальный тонарм грубо перемещается с помощью ШД а плавное отслеживание за канавкой выполняем с помощью небольшого качающегося горизонтального коромысла закрепленного уже на конце тонарма (наверное можно взять за основу тот же готовый привод головок от HDD с магнитной системой). Оптическая головка закреплена соответственно на конце этого коромысла. Я нашел на днях одно интересное исследование с похожим решением - https://www.researchgate.net/public...Seesaw_Swivel_Actuator_Design_and_Fabrication и меня это подтолкнуло к мыслям в этом направлении. Тут есть только одно "но" - у нас довольно длинная оптическая система для получения нужного коэфф. усиления изображения и линейный фотодатчик трекинга расположен на большом расстоянии от головки (вспоминаем мою оптическую систему). Это значит, что при качании коромысла ось луча из головки неизбежно будет уходить в стороны от закрепленного неподвижно на удалении фотодатчика. Значит нам похоже нужно делать вторую часть коромысла длинной (и желательно к тому же легкой) и там на конце крепить этот фотодатчик трекинга вместе с датчиками PSD звука (или c помощью какого-то небольшого гальванометра каким-то образом направлять качающийся луч, точно удерживая его на центра датчика трекинга). Примерно так. Какие будут мысли на этот счет?

 

Расположите систему трекинга не перпендикулярно оси дорожки, а под углом 45 градусов.

 

Снизятся требования к точности перемещения.

 

Ну очевидно же - при ширине дорожки Х, при проходе её под углом 45 градусов она становится почти в полтора раза шире. Кроме того, на виниле были и будут присутствовать искривления поверхности, пыль и царапины. Небольшие артефакты на дорожке так будет проще отфильтровать ещё до оцифровки.

 

Отозвались производители магнитов - кольцо нужных размеров 80 х 24 х 15 мм под заказ 72$ шт. в партии от 10 штук. Отпадает. Теперь дал запрос по двигателям ДБМ и дальше будем уже решать. Пока параллельно продумываю гибридный вариант - грубое тангенциальное перемещение тонарма делаем ШД, а точное слежение за канавкой с помощью закрепленного на тонарме качающегося коромысла с оптической головкой на конце. Управляем коромыслом готовым моментным двигателем от 3,5 дюймового HDD, главное чтобы хватило усилия двигателя для нормальной работы системы (ну будем максимально облегчать всю конструкцию коромысла с головкой а дальше посмотрим что будет получаться, к сожалению другие варианты в этом случае просматриваются слабо). Вчера набросал эскизы конструкции тонарма и коромысла на основе прямоугольного алюминиевого профиля 40 х 20 мм и 20 х 10 мм - пока все нормально вписывается. Магнитопровод моментного двигателя или обрежу выступающие края или сделаю полностью новый. Цилиндрик на фото это как раз поворотный узел привода головок HDD с высокоточными подшипниками - вписывается почти идеально. Оптическую головку кстати переделаю - она будет меньше по размерам (по высоте) и значит меньше по весу - проще будет ею управлять. Здесь можно посмотреть несколько снимков с эскизами https://drive.google.com/drive/folders/0B8GHrrR9q2UPTzltTWhWSXF3Mk0?usp=sharing.

 

Предложение оvkirillоv не подходит по другой причине, при 45 градусах прямая пресекающая дорожку, будет пересекать края канавки в разных места с "опрежением" и "запаздыванием" относительно центра канавки, что приведет к рассогласованию системы считывания и позиционирования. Для воспроизведения считывается край дорожки а позиционирование если осуществлять по центру канавки который расположен между точками считывания, что приводит к рпассинхронизации левого и правого каналов!

 

Что касается приводов, то что-то слишком прецизионное устройство намечается, его тяжело реализовать будет, понадобится DSP с соответствующим ПО. Но я думаю, что если мы проектируем участок пластинки скажем размером 100х10 микрон на матрицу CCD, с необходимым увеличением то обработкой изображения можно выделить центр и края канавки, что существенно ослабит требования к механике?

 

Зная угол, отрегулировать фазосдвигающую цепочку на одном из каналов не проблема.

Другой вопрос, как вы будете эмулировать колебания иглы в вертикальной плоскости? Они закладываются резцом изначально - чем громче суммарный сигнал по каналам, тем глубже дорожка.

Но я тут прочитал первые два десятка страниц темы и понял, что это мне не интересно. Техническое решение задачи не имеет смысла.

 

Совершенно верно, две катушки под 45 градусов: при одновременном сигнале равной амплитуды в обоих каналах куда направлен результирующий вектор движения резца?
https://www.wired.com/wp-content/uploads/2014/07/summer_14_sketches_key2.jpg

Посмотрите видео, тут всё наглядно.


Так что срез верхней кромки хранит не всю информацию о сигнале: глубина дорожки - это сумма сигналов.
http://www.optics.rochester.edu/workgroups/cml/opt307/spr05/chris/R2_4.jpg

 

То-есть приведённые мной ссылки смотреть принципиально не хотите?

Для восстановления межканальной амплитудной модуляции вам необходимо выдавать в сигнал либо суммарную ширину дорожки (глубина ей прямо пропорциональна), либо обоих каналов, также в сумме. Форма поверхности канала её сохраняет лишь частично, под "любимым вами углом 45 градусов". Угол заточки резца, кстати, 90 градусов, а не 45.

Вы, похоже, до сих пор считаете, что каналы дорожки прямо соответствуют левому и правому стереоканалам, то-есть их можно воспроизвести независимо и это будет эквивалент исходного сигнала.

 

Ок угол 45 градусов при 60 микронах ширины дорожки расстояние между точками вдоль трека тоже 60 микрон, на скорости в 33 об мин -задержка 1.5 миллисекунды. Ну и как ее реализовать такую задержку? не пергоняя сигнал в цифру?

 

Так вот и вопрос - не зная заранее ширины дорожки, каким образом вы определяете её центр и ширину? Если я правильно помню, каналы вы читаете разными фотоэлементами, получая их раздельно, у вас есть механизм замера ширины дорожки?