PCB ontwerp middelpuntvliedende kracht

Als een motor draait is er altijd een middelpunt vliegende kracht op de as. Maar dat word pas erg als er veel massa aan de as mee rond draaid en dat uit balans is.
Dus hou het gewicht klein en/ of zorgt dat het goed uitgebalanceerd is

Waarom zou je dat willen?
Gemakkelijkst is om de boel uit te balanceren als je de print gemaakt hebt. De print gebruik je als balansarm, dus ophangen in het draaipunt en bij onbalans gewichtjes (soldeer/koperdraad) op een van de uiteinden aanbrengen om het geheel in balans te brengen. Dan is hij in ieder geval statisch uitgebalanceerd. Als de dikte van de print niet al te groot is, dan hoef je hem niet dynamisch uit te balanceren.

Het PCB materiaal bepaalt de massa, de componenten zijn veel lichter.
Als je een ontwerp in gedachten heb kan je handmatig een gok doen over de massaverdeling. Dan zorg je dat de as iets naast de ideale positie zit zodat de pcb altijd iets uit de bocht vliegt. Aan de andere zijde kan je dan experimenteel wat massa toevoegen om het te balanceren. Of met een stelschroef werken ofzo.

Uiteraard is het 'center of mass' wel uit te rekenen met een mechanisch CAD programma zoals Freecad of Fusion 360. Maar dan nog zal je -vanwege toleranties- moeten tweaken tot het mooi in balans is.

Ik zou het ongeveer op de gok doen, en zorgen dat je een mogelijkheid hebt om het geheel te balanceren, bijvoorbeeld door een breed blank spoor op de achterkant waar je een beetje tin op kunt aanbrengen.

Je kunt tijdens het ontwerpen ook aannemen dat de dichtheid van alle componenten en het PCB materiaal constant is, en het zwaartepunt van je step file bepalen. Het lastige daarbij is natuurlijk dat je op die manier de tin niet meeneemt, en voor kleine SMD componenten zal dat al ongeveer evenveel wegen als het component zelf, denk ik. Tenzij je een hele dunne PCB gebruikt, zal het gewicht daarvan waarschijnlijk toch al dominant zijn.

In plaats van die tin, kun je natuurlijk ook een contragewicht maken door een stuk PCB materiaal te laten uitsteken (een bol of andere mooie vorm, bijvoorbeeld), en daar materiaal vanaf te schuren totdat het geheel in balans is. Als je een gaatje in de PCB maakt voor de as, kun je dat ook gemakkelijk gebruiken voor het balanceren.

Hoe ga je het geheel eigenlijk van energie voorzien?

Ik lees veel terug dat het niet zoveel uitmaakt naar verhouding van het gewicht van de print. Goed punt, niet aan gedacht. Ik was niet van plan een extra dunne print te gebruiken. Maar dan nog wil ik het risico niet nemen dat het geheel iets uit balans is. Een kleine variatie zorgt bij een hoge snelheid toch sneller voor disbalans. De PCB krijgt een lengte van ongeveer 25cm (diameter van het display) en een breedte van zo'n 20mm.

Tevens lees ik veel over het achteraf uitbalanceren door dit proefondervindelijk vast te stellen. Vele goede ideeën, maar mijn vraag betreft eigenlijk hoe dit vooraf te bepalen? Is daar iets over te zeggen?

Zo heb ik ooit deze gadget op een beurs weten te bemachtigen, welke ook keurig in balans is en waar toch veel (zware) componenten op zitten. Hier is ook duidelijk in het ontwerp rekening gehouden met de balans van het geheel.

@SparkyGSX:
De elektronica heb ik voor het grootste gedeelte rond. De energie voorziening bestaat uit 2 spoelen die dicht tegenover elkaar geplaatst worden waarvan er één vast in de behuizing zit en één meedraait op de as.

Zo heb ik ooit deze gadget op een beurs weten te bemachtigen, welke ook keurig in balans is en waar toch veel (zware) componenten op zitten. Hier is ook duidelijk in het ontwerp rekening gehouden met de balans van het geheel.

Inderdaad, er is rekening mee gehouden. Dit kan ook heel pragmatisch zijn gebeurd. Meer de engineering benadering versus de wetenschapper.

Maak in het gadget die centrale schroef maar eens los; het gat in de pcb is waarschijnlijk zo ruim gemaakt dat je onbalans kan compenseren door de as te verschuiven in het gat. Inderdaad wel knap dat die componenten al in balans lijken. Maar dit kan je ook bereiken door met de componenten, wat karton en plakband vooraf proefjes te doen.

Of als je een kleine weegschaal hebt de wat grotere componenten eerst te wegen en dan op de plaats daartegen over ook iets met dat zlefde gewicht te plaatsen.

Daar begon ik m'n vraag ook mee: Alle componenten wegen en handmatig uitrekenen om balans te vinden. Zoals @kojazz opperde om te testen op een stukje karton, is ook geen slecht idee.

Ik ben alleen niet zo van de try and error methode.

Uiteraard is het 'center of mass' wel uit te rekenen met een mechanisch CAD programma zoals Freecad of Fusion 360. Maar dan nog zal je -vanwege toleranties- moeten tweaken tot het mooi in balans is.

Ik zal hier eens naar kijken. Klinkt overigens ook als monnikenwerk, maar misschien komen we daar wel niet omheen.

Misschien heeft nog iemand een tip (binnen PCB-ontwerp-software?). Dat moet er toch haast wel zijn?

Zo veel mogelijk SMD, zware onderdelen het dichtst bij het centrum

Uiteraard alles waar dat kan SMD. Dat is bij mij sowieso al jaren de standaard.

Mijn propeller display heeft alleen een iets andere opzet dan gebruikelijk. De printen worden 'opgestapeld' over een as. Het betreft een oud project waar ik de haalbaarheid van wil onderzoeken. Iedere PCB bevat slechts 1 (RGB)LED, een sensor (bijvoorbeeld een Hall- of capacitieve touchsensor - daar ben in nog niet over uit - voor het 'tekenen' van tekst en afbeeldingen) en wat stuurelektronica. Iedere PCB is verantwoordelijk voor 1 beeldlijn. Ik begin met 7 beeldlijnen, dus 7 PCB's. De UI (userinterface) draait ook mee evenals de voedings PCB. Goed voor nog eens 2 (1 kleur) of 4 (RGB) PCB's. Iets onbalans per PCB telt dan op. Ik zou een even aantal PCB's kunnen nemen en de helft een halve slag draaien zodat er automatisch een zeer goede balans gevormd wordt. Een extra PCB toevoegen met een sleuf waar contragewichten in geplaatst kunnen worden in de vorm van M3 boutjes is ook een optie.
Maar gezien het andere ontwerpers ook lukt de balans te vinden in hun PCB zonder zichtbare 'try and error' methodes, ben ik benieuwd hoe zij dat doen en jullie ervaringen hoe dit te berekenen. Anders moet ik het de betreffende ontwerpers gewoon eens vragen.

Van de PCB zelf kan je in CAD het zwaartepunt van bepalen. (uitgaande van een homogeen materiaal).

Van de componenten zou je een script kunnen maken (of een excel sheet) die de XY coordinaten én de gewichten van de componenten neemt, en daar het zwaartepunt uit bepaald.

De PCB is symmetrisch met de as in het midden.

Om een script/sheet te gebruiken met het gewicht en de XY coördinatie is een goed idee! Het component krijgt dan een extra waarde 'moment' (kracht x arm) en middels schuiven van de verschillende componenten kunnen we dan de kracht berekenen door ze allen op te tellen. Dit moet dan resulteren in 0. Ik vind het wel goed bedacht en is redelijk eenvoudig.

Als je iets zou produceren, zou je ook een relatief zwaar component zodanig kunnen plaatsen dat je deze kunt verplaatsen richting de as of juist daar vandaan, en daarmee het geheel in balans brengen. Als je eenmaal weet wat de juiste positie is, kun je het pcb ontwerp daarop aanpassen.

Voor één exemplaar zou ik het proefondervindelijk doen, er zijn zoveel onbekende factoren (waaronder de tin) dat het moeilijk is om alles goed te voorspellen.

Of je freest een T-vormige sleuf in je print waar je een moertje en boutje in kan zetten, en kan verschuiven, om de boel te balanceren.

Dat lijkt me een vrij lompe manier van corrigeren, en je zult het echt goed vast moeten zetten om ervoor te zorgen dat het op termijn niet verschuift. Het is best lastig om een boutje en moertje in een sleuf aan de draaien zonder dat deze gaat wandelen.

Er staat alweer een heel verhaal hierboven met allerlei info waar je snel overheen leest. Snap ik. Die sleuf is een optie, maar verre van ideaal:

Op 2 oktober 2023 13:57:02 schreef OPTOdesign:
Een extra PCB toevoegen met een sleuf waar contragewichten in geplaatst kunnen worden in de vorm van M3 boutjes is ook een optie.
Maar gezien het andere ontwerpers ook lukt de balans te vinden in hun PCB zonder zichtbare 'try and error' methodes, ben ik benieuwd hoe zij dat doen en jullie ervaringen hoe dit te berekenen.

@SparkyGSX
Het zijn minimaal 10 exemplaren die allemaal op 1 as komen. Er is niet écht één zwaar component - het gaat echt over de verdeling van meerdere componenten. Misschien komt een rijtje elko's er voor in aanmerking.

En wat betreft die sleuf; met borgmoertjes is dat waarschijnlijk wel haalbaar. Maar je hebt wel een punt, een alternatief zou een rij gaatjes kunnen zijn. Dat is minstens bedrijfszekerder.

Maar deze oplossingen zijn nog steeds achteraf ontwerpen. Dat wil ik voorkomen.

Als de printen allemaal "op 12 uur" staan, dan kan je toch de leds niet zien? Als je ze dan een beetje over de omtrek verdeelt dan balanceert het toch redelijk automatisch?

Als de print symmetrisch is, dan zijn de componenten "peanuts". Ik zou van "zware componenten" zorgen dat er een tegenhanger aan de andere kant zit, en de rest "verwaarlozen".

Ik ben alleen niet zo van de try and error methode.

JE kan een hoop van te voren bedenken en uitrekenen en dat dan zo maken. Maar er blijft een kleine onzekerheid en dat corrigeer je dan achteraf. Dat vind ik niet hetzelfde als try en error waarin je maar willekeurig begint.

Op 1 oktober 2023 23:55:16 schreef OPTOdesign:
Tevens lees ik veel over het achteraf uitbalanceren door dit proefondervindelijk vast te stellen. Vele goede ideeën, maar mijn vraag betreft eigenlijk hoe dit vooraf te bepalen? Is daar iets over te zeggen?

De kale print is uit zichzelf al uitgebalanceerd, want die is symmetrisch tov zijn draaipunt. Van elk component dien je zijn gewicht te weten en mbv m.r kan je zijn bijdrage aan de middelpuntvliedende kracht berekenen. "m" is het gewicht van het onderdeel. "r" is de afstand van dat onderdeel tot het draaipunt van de as. De totale m.r aan de ene kant van de print dient gelijk te zijn aan de totale m.r aan de andere kant van de print. Nauwkeuriger kan je het niet berekenen, want je hebt geen flauw idee hoeveel het soldeer bijdraagt aan de onbalans. Er moet altijd getrimd worden.
Je wilt tien printen stapelen. Let op dat iedere print individueel uitgebalanceerd moet worden. Je komt niet weg met "Deze onbalans vangt een andere print wel op".

@rew
De LED's wijzen naar buiten. Aan het uiteinde van iedere print. Het geheel moet in een doorschijnende buis zijn werk doen. Zo ontstaat er een cilindervormig display.

Ik heb geen idee of het peanuts is. Je ontkomt niet aan een propeller-geluid, maar de trillingen en resonantie wil ik tot het minimum beperken.

@benleentje
Eens. Echter vroeg ik me alleen af of het niet makkelijker kon. Ik heb al enkele nieuwe ideeën op gedaan die ik dat kan toepassen!

@ohm pi
Je beschrijft zo'n idee. Ik ga dat maar eens proberen. Eerst op een kartonnetje met wat boutjes, kijken hoe de praktijk zich na de theorie gedraagt
Jij denkt dat een extra 'hefboom' elders op de as (hoger of lager) niet compenseert? Waar heeft dat mee te maken? Door de lichte buiging van de as kan ik me zo voorstellen. Maar minder gewicht zou dat dan weer moeten compenseren.

Het is geen "trial and error" (neem aan dat je dat bedoelt met try) om iets achteraf als onderdeel van het productieproces te moeten trimmen. Niet alleen met het balanceren van autowielen, vliegwielen, videokoppen, etc. de aangewezen methode, maar ook met elektronische afregelingen in veel apparaten (vaak al lang niet meer het ouderwetse trimpotmetertje, maar bijvoorbeeld een semi-automatisch gegenereerde tabel in een eeprom).

Bovendien zou het zomaar kunnen dat anderen hun printje wel degelijk op die manier geoptimaliseerd hebben en daarna aan de hand van de vastgestelde optimale bestukking het definitieve ontwerp gemaakt hebben. Dan neem je door productiespreiding genoegen met een kleine onbalans, maar die kun je alsnog proberen achteraf weg te nemen.

[Bericht gewijzigd door maartenbakker op maandag 2 oktober 2023 22:48:33 (13%)]

Maar ik vindt er niets mis mee om het vooraf met berekenen in ieder geval in de goede richting te krijgen!

Bij berekenen kan je denk ik het beste een cirkel coördinaten stelsel aanhouden, dan heb je een richting en een kracht per onderdeel.

Of alles omrekenen met vectoren.

Absoluut mee eens, je kunt altijd een grove berekening maken zelfs als een exacte berekening zonder metingen in het veld nog best lastig zal zijn.

Op 2 oktober 2023 21:42:03 schreef ohm pi:
[...Nauwkeuriger kan je het niet berekenen, want je hebt geen flauw idee hoeveel het soldeer bijdraagt aan de onbalans.

Je kunt de soldeer redelijk nauwkeurig schatten door de oppervlakte van de pad te vermenivuldigen met 100u (vaak gebruikte pasta dikte) en de soortelijke massa van soldeer. (Moet je opzoeken)

Als je een placement file hebt (met dus de posities van alle componenten) in een csv-achtig format, dan kun je redelijk snel iets in een spreadsheet knutselen.