Symptom: Amplitudeneinbruch bei einem festen Winkel – Lokalisierung lokaler Defekte und Verschmutzungen

Bricht die Signalamplitude bei jeder Umdrehung am selben Winkel ein, liegt meist ein lokaler Defekt oder Fleck auf der Teilscheibe vor. Die Einbruchtiefe entspricht etwa der abgedeckten Fläche geteilt durch die Fläche des Abtastfensters, die Dauer als Bogenlänge etwa der Defektlänge plus Fensterbreite. Dieser Artikel zeigt, wie man aus den Oszilloskopwerten Größe und Winkellage des Defekts zurückrechnet, beschreibt die Signalmerkmale dreier Defektarten und gibt Kriterien für zulässige Amplitudeneinbrüche.

Die Teilscheibe dreht sich gleichmäßig, die Amplitude ist über den größten Teil des Umfangs normal, bricht aber jedes Mal an einer bestimmten Stelle für einige Grad ein; die Lage des Einbruchs stimmt beim Abgleich mit dem Z-Impuls jedes Mal überein. Das zeigt, dass das Problem an einer lokalen Stelle der Scheibe fixiert ist: Kratzer, Chromrückstand, Partikel oder Fingerabdruck. Statt mit dem Mikroskop die ganze Scheibe abzusuchen, berechnet man besser zuerst aus dem Einbruch auf dem Oszilloskop Größe, Art und Lage des Defekts und prüft dann gezielt nach.

Tiefe und Breite des Einbruchs

Betrachtet wird die Einfeldabtastung (alle Phasen verschachtelt in einem gemeinsamen Abtastfenster). Ist der Defekt größer als die Teilungsperiode, erzeugt der von ihm abgedeckte Teil des Fensters keine Modulation mehr; alle vier Phasen sind im gleichen Verhältnis betroffen, die Amplituden von A und B sinken gleichermaßen:

d = A_overlap / (W·H)

Dabei ist A_overlap die Überlappungsfläche von Defekt und Abtastfenster, W und H sind tangentiale Breite und radiale Höhe des Fensters. Hat der Defekt die tangentiale Länge L und die radiale Breite h, so beträgt die Bogenlänge, über die er das Fenster überstreicht, L + W, und der Dauerwinkel:

Δθ ≈ (L + W) / r

Der Einbruch ist in der Regel trapezförmig: Die beiden Flanken nehmen je min(L, W) ein, der flache Boden |L − W|, die maximale Tiefe ist min(L, W)·min(h, H)/(W·H); bei elliptischen Defekten wird zusätzlich mit etwa π/4 multipliziert. Ist der Defekt kleiner als die Teilungsperiode, hängt das Ergebnis davon ab, ob er auf einem Chromstrich oder einer lichtdurchlässigen Lücke liegt; bei einem einzelnen Defekt kann es zwischen 0 und etwa dem 2-Fachen schwanken.

Rechenbeispiel: r = 20 mm, 5000 Striche (p ≈ 25,1 μm), Abtastfenster 1,0 × 0,5 mm (Annahme):

Defektgröße aus dem Oszilloskopbild zurückrechnen

Zeitmessungen werden durch Drehzahlschwankungen verfälscht; zuverlässiger ist es, Signalperioden zu zählen. Dauert der Einbruch insgesamt N_tot Perioden, der flache Boden N_f Perioden und eine Flanke N_r Perioden, und ist die Teilungsperiode p, dann gilt:

L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p, min(L, W) = N_r·p

Liegt N_r·p nahe der Fensterbreite W, ist L ≥ W und die Defektlänge L = (N_tot − N_r)·p; andernfalls ist L = N_r·p. Aus der Tiefe folgt dann die radiale Abmessung h ≈ d·W·H/min(L, W). Bei ungleichmäßiger Ausleuchtung des Fensters werden die Ränder des Einbruchs verrundet; als Flankenlänge nimmt man dann am besten die Periodenzahl zwischen 10 % und 90 % der Tiefe und extrapoliert angemessen.

Winkellage: Man zählt die Perioden n_c vom Z-Impuls bis zur Mitte des Einbruchs; der Drehwinkel ist Δφ = n_c·360°/N. Die Lage des Defekts auf der Scheibe findet man, indem man vom Referenzstrich Z aus entgegen der Drehrichtung um Δφ weiterzählt und den in der Zeichnung des Abtastkopfs angegebenen tangentialen Versatz zwischen Z-Detektor und Mitte des Inkrementalfensters abzieht. Unter dem Mikroskop dreht man, ausgehend vom Referenzstrich Z, auf diesen Winkel und sucht im Band r ± H/2 um den Abtastradius; meist ist der Defekt bereits in einem Sichtfeld zu sehen.

Signalmerkmale dreier Defektarten

Aus der Wechselamplitude allein lässt sich die Art des Defekts nicht erkennen; der Gleichanteil muss mitbetrachtet werden. Der Differenzausgang hebt den Gleichanteil auf, man benötigt daher die unsymmetrischen Messpunkte des Abtastkopfs oder die Summe der vier Phasen (siehe Abb. 3):

• Chromschicht durchgekratzt: An der Defektstelle wird alles Licht durchgelassen; der Wechselanteil sinkt um f, der Gleichanteil steigt dagegen, bei einem Tastverhältnis der Scheibe von 50 % um etwa f. Steile Flanken; tangentiale Kratzer lang und flach, radiale Kratzer kurz und rechteckig.
• Chromrückstand oder lichtundurchlässiges Partikel: Wechsel- und Gleichanteil sinken im gleichen Verhältnis; die Form des Einbruchs ist durch die Umrisse des Defekts bestimmt, meist ein einzelner Punkt.
• Fingerabdruck oder Ölfilm: Vor allem Streuung. Ist der Streuanteil s und fällt davon ein Anteil η noch auf den Detektor, sinkt der Wechselanteil um s, der Gleichanteil nur um s·(1 − η); der Wechselanteil fällt also stärker als der Gleichanteil. Allmählich auslaufende Ränder, langer Dauerwinkel, unregelmäßige Form, oft flächig auftretend. Ein quantitatives Streumodell enthält der Artikel zur Verschmutzung in dieser Artikelsammlung.

Es gibt außerdem einen ähnlich aussehenden Fall, der nicht winkelgebunden ist: Verschmutzung auf dem Fenster des Abtastkopfs oder auf dem Abtastgitter. Sie verursacht einen über den ganzen Umfang konstanten Amplitudenverlust oder Offset ohne feste Phasenlage zu Z und lässt sich so von einem Defekt auf der Scheibe unterscheiden.

Kriterien für zulässige Amplitudeneinbrüche

Bei Einfeldabtastung ist der Einbruch eine Gleichtaktänderung von A und B; die atan2-Interpolation selbst erzeugt keinen Fehler, entscheidend ist die Reserve: Die minimale Amplitude A·(1 − d − η_other) muss mit Abstand über der Alarmschwelle liegen, bei Rechteckausgang zusätzlich über der Komparatorhysterese; der relative Anteil eines festen Offsets vergrößert sich um 1/(1 − d). Im Allgemeinen ist d bis 10 % unproblematisch, über 20 % sollte gehandelt werden (Beispielkriterium, an die Alarmschwelle des Produkts anpassen).

Bei Abtastung mit getrennten Feldern (je ein eigenes Fenster für A+, B+, A−, B−) gelten wesentlich strengere Maßstäbe: Liegt der Defekt nur in einem Feld, entsteht ein Offset von etwa f/(2M), wobei M der Modulationsgrad ist. Bei M = 0,5 und einem zulässigen Offset von 1 % (bei 2048 Strichen etwa 1″) darf in einem einzelnen Feld nur etwa 1 % der Fläche abgedeckt sein.

Auch der Einfluss der Drehzahl ist zu beachten: Bei niedriger Drehzahl können automatische Verstärkungsregelung oder Selbstkalibrierung dem Einbruch folgen, ihn „glätten“, dafür aber Offsetsprünge erzeugen; bei hoher Drehzahl dauert der Einbruch nur sehr kurz. Gemessen wird daher bei fester niedriger Drehzahl, mit abgeschalteter oder protokollierter automatischer Verstärkungsregelung.

Praxishinweise

• Zuerst prüfen, ob der Einbruch an Z gebunden ist: Ist er an die Scheibe gebunden, handelt es sich um einen Defekt; ist er es nicht, auf der Seite des Abtastkopfs suchen.
• Die Größe über Periodenzahlen statt über die Zeit zurückrechnen: L + W = N_tot·p, |L − W| = N_f·p; die Tiefe liefert die radiale Abmessung.
• Gleichzeitig den unsymmetrischen Gleichanteil betrachten: Steigt er, ist die Chromschicht durchgekratzt; sinkt er im gleichen Verhältnis, liegt lichtundurchlässiges Material vor; fällt der Wechselanteil stärker als der Gleichanteil, ist es streuende Verschmutzung.
• Bei der Nachprüfung unter dem Mikroskop vom Referenzstrich Z ausgehen, entgegen der Drehrichtung um Δφ weiterzählen und den tangentialen Versatz zwischen Z und Inkrementalfenster abziehen.
• Getrennte Abtastfelder tolerieren lokale Defekte weit weniger als ein verschachteltes Einfeld-Array; die Grenzwerte für Defektgrößen in der Wareneingangsprüfung sind daher je nach Abtastkopfarchitektur getrennt festzulegen.
• Nach dem Reinigen die Einbruchtiefe am selben Winkel erneut messen: Wird sie geringer, war es Verschmutzung; bleibt sie gleich, ist es ein Musterdefekt.

Fazit

Ein Amplitudeneinbruch bei festem Winkel lässt sich wie ein Maßstab nutzen: Die Tiefe entspricht dem Anteil der abgedeckten Fläche am Fenster, die Periodenzahl der Summe der tangentialen Abmessungen von Defekt und Fenster, und Z liefert die Winkellage. Zusammen mit Anstieg oder Abfall des unsymmetrischen Gleichanteils zur Bestimmung der Defektart kann man den Defekt direkt an der angegebenen Stelle der Scheibe nachprüfen und je nach Abtastkopfarchitektur zulässige Grenzwerte für Amplitudeneinbrüche festlegen.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0204). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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