Worin besteht der Unterschied zwischen der Einzelfeldabtastung und der Vierfeldabtastung optischer Skalen?

Optisch Lineare Encoder Geschlossene Linear-Encoder werden in Werkzeugmaschinen, Automatisierungstechnik sowie Mess- und Prüfgeräten eingesetzt. Sie schützen vor Staub, Schmutz und Spritzwasser und eignen sich daher ideal für Maschinen und Systeme, die in rauen, umweltbelastenden Umgebungen arbeiten. Dank ihrer kompakten Bauweise sind sie auch in Direktantrieben und der Montageautomatisierung sehr effektiv. Optische offene Linear-Encoder werden für schnelle und präzise Maschinen und Systeme verwendet, beispielsweise für Produktions- und Messgeräte in der Halbleiterindustrie, Hochpräzisionsmaschinen, lineare Messgeräte, Direktantriebe und Präzisionsgeräte.

Die wichtigste Anforderung an diese Anwendungen ist:

- Hohe Positioniergenauigkeit 

- Hohe Mobilfunkgeschwindigkeit

- Hohe Maschinenverfügbarkeit 

- Feinabstimmung der Geschwindigkeitsregelung

Die Einzelfeldabtastung zeichnet sich durch eine deutlich reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Störungen und eine höhere Qualität der Ausgangssignale aus.

Optoelektronische Abtastung

Messnormale werden regelmäßig mithilfe von Linear-Encodern nach dem Prinzip der fotoelektrischen Abtastung hergestellt. Bei diesem Abtastprinzip bewegen sich strukturierte Messlatten relativ zu indizierten Gittern mit gleicher oder ähnlicher Struktur. Das eingestrahlte Licht wird moduliert: Bei Übereinstimmung der Gitterlücken kann das Licht hindurchtreten. Bei Übereinstimmung der Gitterlücken wird der Durchgang unterbrochen. Photovoltaische Zellen wandeln diese Änderungen der Lichtintensität in elektrische Signale um.

Die fotoelektrische Abtastung erfolgte nach dem Abbildungsprinzip.

Das optische System reagiert grundsätzlich empfindlich auf alle Arten von Verschmutzungen. Mit dem neuen Einzelfeld-Abtastprinzip lässt es sich entscheidend verbessern.

Die Vierfeldabtastung erzeugt das Signal

Die fotoelektrische Abtastung erfolgte nach dem Abbildungsprinzip mit Vierfeldabtastung.

Die Abtastlinie besitzt ein Abtastfeld, dessen Gitter um ein Viertel der Gitterperiode versetzt sind. Die zugehörige Photovoltaikzelle erzeugt ein sinusförmiges Signal mit einer elektrischen Phasenverschiebung von 90°. Diese Abtastsignale weisen zunächst keine Symmetrie bezüglich der Nulllinie auf. Daher ist die Photovoltaikzelle in einer Gegentaktschaltung angeschlossen, in der die beiden Ausgangssignale I₁ und I₂ symmetrisch zur Nulllinie liegen und eine elektrische Phasenverschiebung von 90° aufweisen.

Ein Einzelfeld-Scan erzeugt ein Signal

Die Abtastlinie weist ein großflächiges Gitter mit einer leicht vom Lineal abweichenden Periode auf. Dadurch entsteht entlang des Abtastfeldes eine optische Schwebung: An manchen Stellen verschmelzen Linien und lassen Licht durch. An anderen Stellen überlappen sich Linien und Lücken, wodurch Schatten entstehen. In den Zwischenräumen ist die Lücke nur teilweise abgedeckt. Dies führt zu einem optischen Filter, der eine Form ermöglicht, die dem gleichmäßigen Signal einer Sinuswelle sehr nahe kommt. Ein großflächiger, speziell strukturierter fotoelektrischer Sensor ersetzt eine einzelne Photovoltaikzelle und erzeugt vier elektrische Abtastsignale mit einer Phasenverschiebung von 90°.

Die fotoelektrische Abtastung erfolgte gemäß den bildgebenden Prinzipien mit Einzelfeldabtastung.

Abbildung von Hell-/Dunkelfeld-Scanmarkierungen und Skalenstruktur-Lichtsensoren

Vorteile der Einzelfeldabtastung

Unempfindlich gegenüber Umweltverschmutzung

Die große Abtastfläche über die gesamte Breite des Messgitters und die kontinuierliche Anordnung mehrerer Abtastfelder machen die Encoder von Einzelfeld-Scans extrem unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Ergebnisse von Verschmutzungstests der zugehörigen Steuerung zeigen, dass der Encoder auch bei simulierter großflächiger Verschmutzung weiterhin hochwertige Signale liefert. Der Positionsfehler liegt deutlich unter dem für die Encodergenauigkeit spezifizierten Wert.

Je nach Verschmutzungsgrad kann dies in vielen Fällen sogar einen Encoderausfall nach mehr als vier Scans verhindern.

Das folgende Beispiel zeigt die Auswirkungen von Störungen auf das Ausgangssignal. Die XY-Darstellung auf dem Oszilloskop zeigt das Signal in Form einer Lissajous-Kurve. Das ideale Ausgangssignal wird als konzentrischer Innenkreis dargestellt. Abweichungen in Form und Position des Kreises verursachen einen Positionsfehler über einen Signalzyklus (siehe Messgenauigkeit) und wirken sich somit direkt auf die Messergebnisse aus. Die Größe des zugehörigen Kreises kann in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals innerhalb eines bestimmten Bereichs variieren, ohne die Messgenauigkeit zu beeinträchtigen. Bei Encodern mit Einzelfeldabtastung wurde jedoch nur eine geringe Amplitudenänderung beobachtet. In der XY-Darstellung sind nur geringfügige Durchmesseränderungen sichtbar – ein eindeutiges Zeichen für einen extrem niedrigen Positionsfehler. Diese Art von Störung hat einen sehr signifikanten Einfluss auf Vierfeldabtastung: Da die zweite Abtastung mehrere Felder umfasst, zeigt die XY-Darstellung eine stark exzentrische Ellipse. Dies führt zum vollständigen Ausfall des Encoders an dieser Position.

Auswirkungen der Umweltverschmutzung auf die Ausgangssignale

Belektrisches Signal

In der Praxis wird das Encoder-Ausgangssignal durch Fertigungs-, Montage- und optische Abtastfehler sowie durch Umwelteinflüsse verzerrt. Diese Signalverzerrung führt zu einem Signalfehler (SDE), der die Änderungen im Encoder-Raster in jedem Zyklus wiederholt. Änderungen des Signalhintergrundpegels (UA_o, UB_o) werden üblicherweise durch Defekte oder Verunreinigungen im Messbereich des Encoders verursacht. Unterschiedliche Signalabweichungen können auch auf eine fehlerhafte Justierung der elektronischen Bauteile zurückzuführen sein. Diese Verzerrung führt zu einer exzentrischen Lissajous-Kurve, wie in Abbildung (a) dargestellt. Aufgrund ungleichmäßiger oder inkonsistenter Ausleuchtung des Fotodetektors und unterschiedlicher Spitzenamplituden der A- und B-Signale (UA, UB) entsteht eine elliptische Lissajous-Kurve, wie in Abbildung (b) dargestellt. Die Phasenverschiebung bei einem elektrischen Winkel von 90° führt zu einer elliptischen Kurve (siehe Abb. c). Hauptursache dieses Fehlers ist die Neigung zwischen dem Raster der Abtastlinie und dem Hauptmesslineal. Sämtliche durch optische Effekte und elektronische Bauteile hervorgerufenen Oberwellen bewirken, dass das Signal keine perfekten Sinuskurven mehr aufweist. Dieser Fehler führt zu einer nicht-kreisförmigen Lissajous-Kurve (siehe Abb. d).

Die Lissajous-Kurve des optischen Encodersignals mit relativem Segmentierungsfehler (SDE): (a) Einstellfehler der elektronischen Bauteile; (b) Amplitudenfehler; (c) Phasenverschiebungsfehler; (d) Signalform

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