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Glockenspiel in Zellerfeld  September 2022:

Reparatur des Fahrkunstmodells

Neue Hard- und Software für das Glockenspiel


Weitere Informationen zu Maschinen und Anlagen des Oberharzer Bergbaus:

Friedrich BALCK, Wasserkraftmaschinen für den Bergbau im Harz, Frühneuzeitliche Spuren und deren Bedeutung am Beispiel der Grube Thurm Rosenhof und ausgewählter Anlagen, 277 S., 147 Abb., Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger, 1999, ISBN 3-89720-341-3         balhabil-lowdens.pdf

Friedrich BALCK, Bilder, Fotos und Modelle, wichtige Schlüssel für die Technikgeschichte im Oberharz, Verlag Fingerhut, Clausthal-Zellerfeld, 2003, ISBN 3-935833-06-7, 348 Seiten, 300 SW-Abbildungen, 500 Farbfotos
2. Auflage Papierflieger Verlag,Clausthal-Zellerfeld 2014, ISBN 978-3-86948-414-3
   
 DOI: 10.21268/20140612-234107 (
http://doi.org/10.21268/20140612-234107)



1. Fahrkunst
2. Modell der Fahrkunst
3. Glockenspiel
4. Vorschläge für die neue/alte Mechanik der Fahrkunst








1. Fahrkunst

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Abb. 01: Ein Wasserrad treibt über einen Kurbelzapfen an der Welle das Feldgestänge (links) an.
Eine lange Pleuelstange verbindet den Zapfen mit dem Gestänge.
Nachbau im verkleinerten Maßstab, Zellerfeld Carler Teich (FB)
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Abb. 01-02: vom Feldgestänge (rechts) wird die Kraft über ein Kunstkreuz auf das Pumpengestänge im Schacht übertragen. An den Stangen hängen die Kolben der Pumpen.
Modell im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-02a:  Zapfen mit zwei Kurbeln (Doppelkurbelzapfen), Original im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-03:  Ein Kunstkreuz in abgewandelter Bauweise. Es setzt die Bewegung der horizontalen Stange (angetrieben vom einem Wasserrad) um in die paarweise entgegengesetzte Bewegung der beiden Pumpenstangen, Modell im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB).
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Abb. 01-04: Bergmeister G.L.W. Dörell   (auf dem Alten Friedhof in Clausthal)
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Abb. 01-05: GEB.. DEN 17.DECBR. 1795, GEST. Den 30. OCTOBR. 1854
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Abb. 01-06:  Archiv für Mineralogie, Geognosie, Bergbau und Hüttenkunde,
   1837, Band 10, Seite 204/205
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Abb. 01-07  einige Seiten aus dem Text von Dörell
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Abb. 01-08: Illustration zum Text
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Abb. 01-09: Illustration zum Text



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Abb. 01-10: Modell im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-11: Modell im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-12: Originale Teile  im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-13: Originale Teile im Oberharzer Bergwerksmuseum (FB)
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Abb. 01-14: Das Pumpengestänge folgte der Neigung der Erzgänge.
Für die Fahrkunst bedeutete dies, daß die Bergleute auch mal auf der Unterseite des Gestänges gefahren sind.
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Abb. 01-15: Original Fundstücke aus der Runden Radstube Grube Thurm Rosenhof (FB)
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Abb. 01-16: Modell der Fahrkunst in der Ausstellung am Kaiser-Wilhelm-Schacht in Clausthal (FB)
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Abb. 01-17: Modell der Fahrkunst in der Ausstellung am Kaiser-Wilhelm-Schacht in Clausthal (FB)
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Abb. 01-18: Trittstufen in der Grube Samson, St. Andreasberg (FB)




2.  Modell der Fahrkunst


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Abb. 02-01: Fahrkunst und Glockenspiel an der Fassade der Zellerfelder Post (um 1990) (FB)
Das Modell der Fahrkunst stammt von Helmut Riesen, einem technischen Mitarbeiter an der TU Claustahl  (FB)
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Abb. 02-02: Pumpenstangen aus Aluminium U-Profil, Bergleute aus Eichenholz geschnitzt (FB)
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Abb. 02-03: Die Halter mit den Bergleuten gleiten an der Vierkantstange entlang. Dadurch lassen sie sich von einer Pumpenstange zur anderen herüberschwenken. (FB)
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Abb. 02-04: Die komplizierte Ablaufsteuerung :
Pumpenstange auf/ab und anschließend Bergleute rechts/links
übernimmt ein einziger Wechselstrommotor, dessen Drehrichtung umgekehrt wird, wenn die Bergleute oben bzw. unten angekommen sind.
Foto: Thomas Müller  (langjähriger Betreuer der Mechanik, als Nachfolger von Helmut Riesen)
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Abb. 02-05:  zwei senkrechte Bewegungen bedienen die Anlage an der Hausfassade über Seile:
links:  auf/ab, recht:  links/rechts.
Die Kräfte werden über ein Zahnrad, Hebel und Umlenkrollen übertragen.
 Foto: Thomas Müller
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Abb. 02-06: Beim Original der Fahrkunst bewegen sich die Stangen zeitlich gesehen sinusförmig.
Ein oder zwei Kurbelarme (Pleuel) am Wasserrad treiben die Pumpenstangen an. Die Bewegung der Bergleute muß genau in das Zeitfenster passen, in dem die Pumpenstangen sich nicht oder nur ganz langsam bewegen.
Bei der Konstruktion des Modells wechseln sich zwei Hubbewegungen zeitlich nacheinander ab.
Deren zeitlicher Verlauf ist nahezu rechteckig. Die beiden Kurbeln sind um 90° gegeneinander versetzt. Bei jeder Bewegung ändert sich die Länge der Kurbelarme entsprechend der Winkelstellung.
Vorteil dieser mechanischen Konstruktion:   Auf/Ab und rechts/links sind starr miteinander gekoppelt. Ein Übertreten eines Bergmannes zum falschen Zeitpunkt ist ausgeschlossen. (Foto: Thomas Müller)



3. Glockenspiel


siehe auch     zwei Glockenspiele in Claustahl-Zellerfeld       welcome.htm


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Abb. 03-01a: Papierwalze mit Löchern für jeden einzelnen Anschlag,
 Abtastung mit elektrischen Kontakten (FB)
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Abb. 03-01b: Leitungen zu den 16 Magneten (FB)
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Abb. 03-01c: Mit diesem Stelltransformator läßt sich die Höhe der Wechselspannung für die Anschlagmagnete einstellen.  130V  (FB)
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Abb. 03-01d: Überstromschalter für die Glockenmagnete, falls ein Relais hängt, würde Dauerstrom fließen und die Magnete schädigen. (FB)




Digitale Version  seit 1990

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Abb. 03-01: Glück auf ihr Bergleut jung und alt
Notenschrift als Textdatei für die Eingabe der Lieder in einen Computer.  
(Satz von Robert Bürger, langjähriger Kantor an der Clausthaler Marktkirche.)

und Es leben die Studenten
Notenname, Notenname; Länge der Note.
CDEFGAHcdef   Halbtöne mit +    C+ und D+  gibt es nicht als Glocke.
Das !  soll einen Taktstrich andeuten, erleichtert die Fehlerkorrektur.
Die Anweisung /A/ gibt an, aus welcher Tonart das Lied nach C transponiert werden soll.
Die Zahl dahinter die Spielzeit in Sekunden

Die absolute Notenlänge ergibt sich aus der Taktanweisung  T110 (Metronomzahl)
Erst viele Jahre später war es dem Autor möglich, die Töne im MIDI-Format einzugeben und sie anschließend auf einem Keyboard probezuhören. Zur Zeit um 1990 geschah das Probehören durch Aufnahme mit einem Kassettenrekorder im Freien und Abhören im Wohnzimmer.   Schreibfehler   wie c statt C   waren an der Tagesordnung.

Heute nutzt man ein Keyboard für die Eingabe, der Computer schreibt beim Spielen mit und erzeugt die MIDI-Datei.
Diese läßt sich bequem mit einem MIDI-Editor bearbeiten.

Seit etwa 30 Jahren stehen über 400 Lieder zur Verfügung. Fast alle wurden mit dieser Notenschrift eingegeben und anschließen per Software in spielfähige Versionen umgewandelt. Zunächst war es ein eigenes Format. Die Konvertierung in das MIDI-Format war ab ungefähr 2000 möglich.  (GNMIDI von G. Nagler )
Zum Einsatz kam das MIDI-format im Glockenspiel der TU am Feldgraben. Die entsprechende Soft- und Hardware hat Helmut Nietzel (technischer Mitarbeiter an der TU-Clausthal) geschrieben und erstellt.

Nach der Neuprogrammierung der Software durch den Autor 2022 spielt nun auch das Zellerfelder Glockenspiel nach MIDI-Dateien.

Damit können auch externe Personen Liedwünsche in Form einer ComputerDatei mitbringen und den Betreuern übermitteln.






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Abb. 03-02:  Blechschrank mit IBM-PC  (ähnlich 286) , Bildschirm ( Röhre)
Die roten Batterien unten auf dem Blech über dem Bildschirm haben das Gedächtnis vom BIOS über viele Jahre mit Spannung versorgt. Erst jetzt im Jahr 2022 waren sie so leer, daß der Computer beim Einschalten nicht wußte, welche Eigenschaften seine Festplatte  (ein Speicherchip) hatte.
Das war der Anlaß für einen Wechsel der Hardware. Da der Autor schon seit einigen Jahren nicht mehr im Harz wohnt, war auch niemand mehr da, der sich um die alte Technik hätte kümmern können.

Insgesamt hat die Technik über 30 Jahre nahezu störungsfrei gearbeitet!  (FB)

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Abb. 03-03: Bildschirm vom 21.8.2000 9:14
gespielt wurde Grün, grün, grün sind alle meine Kleider mit Wiederholungen ,
sowie             Hab mein Wage voll gelade
Die Übertragung von möglichen Liedwünschen vom Museum aus war aktiviert und bereit.
Um 10:10 hätte man Wünsche spielen lassen können. (FB)
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Abb. 03-04: über eine Parallel-Schnittstelle mit 8255 Bausteinen gingen die Anweisungen nach oben zu einem Interface, das die Pegel invertiert hat. https://de.wikipedia.org/wiki/Intel_8255   (FB)
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Abb. 03-05: am Interface zeigten Leuchtdioden an, wenn eine Glocke erklingen sollte. (FB)
IMG_0448_g.jpg
Abb. 03-06: 16 HalbleiterRelais, die im Nulldurchgang der Wechselspannung schalten, steuern die 16 Magnete für die Hämmer an.  Über kleine Glimmlampen läßt sich die Ansteuerung beobachten.
Die Relais arbeiten bei einer Gleichspannung von rund 4 V bis 30 V.
Das Programm steuerte die Ralais per Interrupt an, der aus den Halbwellen der Netzspannung generiert wurde. 100 Hz
Für jede Glocke gab es per Tabelle einstellbare Haltezeiten des Magneten. Damit ließ sich die Härte des Anschlags verändern. 
Die Anzahl der Halbwellen gingen von 5 bis 10 entsprechend  0.05 bis 0.1 s
Nummer Anzahl:
1 10;  2 6;  3 5;  4 8;  5 8;  6 7;  7 8;  8 6;  9 5;  10 6;  11 6;  12 6;  13 5;  14 5;  15 5;  16 6
 (FB)
glockenspiel-2022-001_g.jpg
Abb- 03-07: Die neue Programmversion ist für WINDOWS geschrieben und erlaubt eine komfortable Bedienung (FB)
20220813_174411_g.jpg
Abb. 03-08:  Das MIDI to Gate -Interface MTC64 (rechts) gibt die MIDI-Befehle (fünfpoliges Kabel) weiter als digitale Pegel an die Glockenmagnete  (25 pol. blaues Kabel).
https://doepfer.de/mtc.htm
Die MIDI-Signale kommen über einen USB-MIDI-Wandler von der USB-Schnittstelle im Computer.
http://logilink.info/showproduct/UA0037.htm   (FB)
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Abb. 03-09: Die Struktur der Spielpläne ist hierarchisch angeordnet.
Für jeden Wochentag gibt es die gleichen Lieder.
Jeder Wochentag kann mehrere Spielzeiten haben.
Jeder Spieltermin kann mehrere Liedwünsche enthalten.

Es gibt Sondertage, bei denen ein Extra-Ablauf vorgegeben werden kann.
   z.B. HeiligAbend  oder Festtag

Über einen Briefkasten lassen sich bei laufendem Programm Wünsche einschleusen, die sofort ausgeführt werden.
Dies geschieht über eine Datei mit dem Namen spezial.dat - im gleichen Format wie die anderen Auftragsdateien  z.B. AUFTR17.DAT
hierarchisch-002.jpg
Abb. 03-11:
Es gibt "Schalttage", an denen hinterlegte Wochenpläne  automatisch in das aktuelle Verzeichnis übernommen werden.  z.B. 03jun   für die Umstellung auf das "Sommerprogramm"
Zur besseren Wartung der Software wird ein Log-Buch geführt.




4. Vorschläge für die neue/alte Mechanik der Fahrkunst.



4.1 Entscheidung:  Restaurierung oder Neukonstruktion?




Abb. 04-01: (aus Abb.02-06)

Bisheriger Antrieb:
  • Die beiden Hubstangen werden von einem einzigen Motor bedient.
  • Damit gibt es eine starre Kopplung zwischen der Bewegung der Hubstangen (auf/ab) und der der Bergleute (links/rechts).
  • Die Drehrichtung des (einzigen) Antriebsmotors bestimmt, ob die Bergleute sich nach oben oder unten bewegen.
  • Der Motor hat eine hohe Drehzahl und braucht mehrere Stufen mit Keilriemen, um die Drehzahl herabzusetzen.
  • Die abgeplatteten Kurvenscheiben bedeuten einen erheblichen mechanischen Aufwand für die nahezu sinusförmige Bewegungen. Es gibt hohe mechanische Kräfte beim Übergang von der runden zur flachen Seite der Kurvenscheiben.
  • Über eine Gewindespindel - gekoppelt an die Motorbewegung - wird die Position der Bergleute bestimmt.
    Daraus ergeben sich die Umschaltsignale (Lichtschranke) für die Drehrichtung  ( Bergleute ganz oben / Bergleute ganz unten)
  • Bei Ablauf der Fahrzeit dreht sich der Antrieb solange weiter, bis die Bergleute in der Parkstellung ( Lichtschranke) angekommen sind.
  • Bei Stromausfall bleiben die Bergleute stehen, nach Netzwiederkehr wird deren Bewegung fortgesetzt.

Neuer Antrieb:
  • Es gibt für jede Bewegung einen eigenen Motor.
  • Die Drehzahl bzw. das Geschwindigkeitsprofil läßt sich individuell einstellen.
  • Bei der Hubbewegung (Hub ca. 20 cm)  sind jeweils die beiden hölzernen Bergleute zu bewegen (ca. 10 kg), am halben Hebelarm der Zahnstange sind daher ca.  2 x 100 N aufzubringen - plus Reibungskräfte über die Seile und Umlenkungen)
  • Für die Schwenkbewegung sind die Kräfte sehr viel kleiner.
  • Beide Bewegungen müssen wie bei einer Ampelsteuerung (Fußgänger und Autos) gegeneinander verriegelt werden.
  • Man könnte die verschiedenen Wechsel auf/ab und rechts/links über ein Schrittschaltwerk (wie bei einer Waschmaschine) steuern. 3 mal (auf*, links, ab, rechts*)  Pause,  3 mal  (ab*, links, auf*, rechts)   * rechte Stange
  • Die Grenzpositionen der Bergleute ( ganz oben / ganz unten) muß bei einer Ampelsteuerung z.B. über eine mitlaufende Hilfskonstruktion ermittelt werden. Beim Verwendung eines Schrittschaltwerkes bzw. einer CNC-Steuerung würde dies entfallen.
  • Für jede Bewegung werden an beiden Enden Endschalter benötigt.
  • Die Bewegungen sind so zu verriegeln, daß nur dann eine Bewegung erlaubt ist, wenn die andere in der Endstellung ist.
  • Bei Ablauf der Fahrzeit sollen die Bergleute solange weiterfahren bis sie in Parkstellung sind.
  • Bei Stromausfall ist nach Netzwiederkehr zu prüfen, welche Weiterfahrt sinnvoll ist.
  • Beide Antriebe müssen selbsthemmend sein, d.h. ohne Stromversorgung müssen sie in der aktuellen Position halten.
  • Die beiden Antriebe können direkt als Linearantriebe konzipiert werden und müssen nicht aus einer Kurbelbewegung kommen.
  • Zum Schutz der Anlage bei Überlast sind Kraftbegrenzer (Rutschkupplung) bei den Hubantrieben vorzusehen.



 
 Der Autor empfiehlt die Neukonstruktion in der Version Schrittmotor mit CNC-Steuerung (4.2.3)





4.2 Neukonstruktion