Grundlagen Teilscheiben
Was ist eine Teilscheibe? Das wichtigste Bauteil im Drehgeber
Öffnet man einen optischen Drehgeber, findet man Lichtquelle, Teilscheibe, Abtastkopf und Leiterplatte. Die Teilscheibe ist das Teil, das sich mit der Welle dreht und eine Präzisionsstruktur trägt. Dieser Artikel erklärt, wo sie sitzt, was sie leistet, warum sie die Obergrenze des Drehgebers festlegt, und stellt die gängigen Formen vor: Scheibe, Codestreifen und Maßstab.
Wer zum ersten Mal einen optischen Drehgeber öffnet, ist oft etwas überrascht: Innen gibt es keine komplizierte Mechanik – eine Welle, eine Leiterplatte, ein Gehäuse und dazwischen eine dünne runde Scheibe. Diese Scheibe ist die Teilscheibe. Sie ist unscheinbar, aber das einzige Teil im ganzen Drehgeber, das tatsächlich eine „Skala“ trägt.
Wo die Teilscheibe sitzt
Am Beispiel eines gängigen optischen Drehgebers mit Durchlichtabtastung ist die Reihenfolge von unten nach oben etwa: Welle und Lagergehäuse, Lichtquelle, Teilscheibe, Abtastkopf, Leiterplatte, Gehäuse, siehe Abb. 1.
- Die Teilscheibe ist über eine Nabe auf der Welle befestigt und dreht sich mit ihr;
- die Lichtquelle liegt auf der einen Seite der Scheibe, der Abtastkopf auf der anderen, beide stehen fest;
- die Leiterplatte verarbeitet die Signale des Abtastkopfs, das Gehäuse schützt vor Staub und hält Fremdlicht ab.
Bei Auflichtabtastung liegen Lichtquelle und Empfänger auf derselben Seite der Scheibe, die Rolle der Teilscheibe bleibt aber dieselbe.
Was die Teilscheibe leistet
In einem Satz: Sie macht aus „um wie viel Winkel wurde gedreht“ die Information „wie oft hat das Licht zwischen hell und dunkel gewechselt“.
Die Teilscheibe trägt einen oder mehrere Ringe mit Präzisionsstruktur. Die Inkrementalspur besteht aus gleichabständigen Teilungsstrichen, die Referenzmarkenspur hat pro Umdrehung nur ein einziges Fenster, und eine Absolut-Teilscheibe trägt zusätzlich codierte Spuren. Die Striche sind lichtundurchlässig, die Lücken lassen Licht durch. Dreht sich die Scheibe um eine Teilungsperiode weiter, durchläuft das Licht am Abtastkopf einen Hell-Dunkel-Zyklus. Abtastgitter und Fotodetektoren im Abtastkopf wandeln diese Änderung in ein elektrisches Signal, das die Schaltung zu Impulsen formt oder zur Interpolation weitergibt.
Mit anderen Worten: Alle Positionsinformationen im Drehgeber stammen ursprünglich aus der Struktur auf der Teilscheibe. Die übrigen Teile sorgen für Beleuchtung, Empfang, Verarbeitung und Schutz.
Warum die Teilscheibe die Obergrenze festlegt
Die Schaltung kann verstärken, filtern und interpolieren, aber nur mit dem Signal arbeiten, das die Teilscheibe liefert. Mehrere Eigenschaften der Teilscheibe entsprechen direkt den Kenndaten des Drehgebers:
| Eigenschaft der Teilscheibe | Entsprechende Kenngröße des Drehgebers |
|---|---|
| Strichzahl | Grundauflösung: welcher Winkel einer Signalperiode entspricht |
| Lagegenauigkeit der Striche | Genauigkeit: Lagefehler der Striche gehen direkt in den Messwert ein |
| Konzentrizität von Spur und Welle | Exzentrizitätsfehler: sinusförmiger Fehler mit einer Periode pro Umdrehung |
| Strichbreite, Kanten, Deckung | Signalamplitude, Kontrast und wie fein interpoliert werden kann |
| Substrat | Stoßfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Wärmeausdehnung |
Zwei Rechenbeispiele. Eine Teilscheibe mit 2500 Strichen liefert nach Vierfachauswertung der Rechtecksignale 10000 Zählschritte pro Umdrehung, jeder Zählschritt etwa 129,6″; die Schaltung zählt keine Striche, die nicht auf der Scheibe sind. Die Sinus-/Kosinus-Interpolation kann eine Periode in tausend und mehr Teile unterteilen, aber nur, wenn das Signal sauber genug ist; liegen die Striche selbst um einige Winkelsekunden falsch, bleiben diese Winkelsekunden im Messwert, so fein man auch unterteilt.
Nun zur Montage: Ist eine Teilscheibe mit 20 mm Abtastradius um 5 μm exzentrisch montiert, entsteht mit einem einzelnen Abtastkopf ein Fehler von etwa 52″ (Δθ ≈ e ÷ r). Deshalb tragen Teilscheiben einen Zentrierring.
Gängige Formen: Scheibe, Codestreifen und Maßstab
Dasselbe Prinzip lässt sich in verschiedenen Formen ausführen, siehe Abb. 2:
- Runde Teilscheibe: misst den Drehwinkel; eingesetzt in Servomotoren, Drehtischen, Robotergelenken usw.
- Codestreifen: flexibler Streifen, misst lineare Wege; Druckerschlitten verwenden häufig Codestreifen.
- Längenmaßstab: Die Striche sind auf einem geraden Maßstab aufgebracht; für die vollständig geschlossene Regelung an CNC-Werkzeugmaschinen kommt zusätzlich zum Motor-Drehgeber ein Längenmaßstab hinzu.
Auch beim Substrat gibt es mehrere Varianten. Bei Glas-Teilscheiben sind die Striche meist eine auf das Glas aufgebrachte Chromschicht, strukturiert durch Fotolithografie und Ätzen, sodass sehr feine und sehr viele Striche möglich sind; Metall-Teilscheiben bestehen meist aus Edelstahl, arbeiten in Auflicht und sind stoß- und vibrationsfest; PC-Teilscheiben sind leicht und bruchunempfindlich und eignen sich für große Stückzahlen bei niedrigen Kosten.
Fazit
Die Teilscheibe ist das Bauteil im Drehgeber, das die „Skala“ trägt; alle Positionsinformationen stammen von ihr. Die Strichzahl bestimmt die Grundauflösung, Strichgenauigkeit und Konzentrizität bilden die Basis der Genauigkeit, die Strichqualität entscheidet über die Signalgüte. Wer einen Drehgeber bewertet, kommt am Ende an dieser einen Scheibe nicht vorbei.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0011). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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