Symptom: Amplitude bricht ein, wenn der Abtastkopf einige Zehntelmillimeter radial verschoben wird – Spurbreitenreserve

Bleibt die Amplitude bei 0,1 mm radialer Verschiebung des Abtastkopfs gleich und fällt bei weiteren 0,1 mm um ein Zehntel, hat das Abtastfenster die Spur verlassen. Der Beitrag leitet die Kurve aus Plateau und linearem Abfall über dem Radialversatz sowie den Plateauverbrauch durch Exzentrizität her, erklärt, warum die Referenzmarkenspur zuerst ausfällt, und gibt Methode und Kriterien, um aus einem Radialscan Spurbreite, Exzentrizität und Restreserve zu bestimmen.

Ein häufiges Bild bei Montage und Justage: Der Abtastkopf wird radial um 0,1 mm verschoben, die Amplitude ändert sich kaum; weitere 0,1 mm, und die Amplitude fällt plötzlich um mehr als ein Zehntel, der Referenzimpuls wird schmaler oder geht sogar gelegentlich verloren. Bei Gebern desselben Typs sind manche Anlagen unauffällig, bei anderen ist die Referenzmarke instabil. Das ist keine allmähliche Änderung der optischen Empfindlichkeit, sondern der radiale Rand des Abtastfensters hat die Spur verlassen, und die Amplitude sinkt proportional zur Überdeckung. Der Beitrag leitet die Form der Kurve Amplitude über Radialversatz her, zeigt, wie Exzentrizität das Plateau aufzehrt und warum schmale Spuren wie die Referenzmarkenspur zuerst ausfallen, und gibt dann eine Methode, die Reserve per Radialscan zu messen. Die Auslegungsformel für die Spurbreite steht im Bibliotheksbeitrag zur radialen Spurbreite; hier geht es nur um die Rückrechnung der Reserve aus dem Symptom.

Merkmal des Symptoms: Plateau plus linearer Abfall

Den Abtastkopf auf einen radialen Feinverstelltisch setzen, die Scheibe mit konstanter Drehzahl laufen lassen und bei jedem Schritt die Amplitude aufzeichnen – so entsteht die Kurve Amplitude über Radialversatz. Bei unzureichender Spurbreitenreserve hat sie drei Merkmale:

• Der mittlere Abschnitt ist flach, Verschieben des Abtastkopfs ändert die Amplitude nicht;
• beiderseits des Plateaus fällt die Amplitude annähernd linear, mit einer Steigung umgekehrt proportional zur radialen Fensterhöhe;
• innerhalb jeder Umdrehung schwankt die Amplitude, umso stärker, je näher am Plateaurand; in der Plateaumitte nicht.

Ist die Kurve eine glatte Parabel ohne erkennbares Plateau, ist die Hauptursache eher eine Teilungsfehlanpassung durch einen Fehler des Abtastradius (siehe Bibliotheksbeitrag zum Abtastradius). Beides tritt oft gemeinsam auf: Die Teilungsfehlanpassung lässt das Plateau oben leicht durchhängen, das Verlassen der Spur bestimmt den steilen Abfall an beiden Seiten.

Modell: Überdeckungsgrad und Exzentrizität

Die Spur habe die radiale Breite W, das Abtastfenster die radiale Höhe H (W > H), die Fenstermitte sei um d gegen die Spurmittellinie versetzt. Ist der Bereich außerhalb der Spur verchromt (Dunkelfeld), liefert der überstehende Teil weder Wechsel- noch Gleichanteil, und die Amplitude ist proportional zum Überdeckungsgrad:

O(d) = [min(W/2, d + H/2) − max(−W/2, d − H/2)] / H

Daraus folgt:

• Plateauhalbbreite m0 = (W − H)/2; für |d| ≤ m0 gilt O = 1;
• jenseits des Plateaus O = 1 − (|d| − m0)/H; bei H = 0,5 mm gehen je 10 μm 2 % verloren;
• der 50-%-Punkt liegt bei d = ±W/2, unabhängig von H; für |d| ≥ (W + H)/2 verschwindet das Signal.

Ist der Bereich außerhalb der Spur klares Glas (Hellfeld), erhöht der überstehende Teil nur den Gleichanteil; der Modulationsgrad fällt mit O/(2 − O), bei O = 0,9 bleiben nur 0,82 – schneller als im Dunkelfeld –, außerdem ändert sich der Offset.

Die Exzentrizität e lässt die Spurmittellinie am Abtastpunkt radial pendeln: d(θ) = d0 + e·cos(θ − φ), d0 ist der statische Versatz des Abtastkopfs. Innerhalb einer Umdrehung schrumpft die Plateauhalbbreite der minimalen Amplitude auf m0 − e, die der maximalen Amplitude wächst auf m0 + e. Die Exzentrizität zehrt an beiden Seiten je e auf; für Montage des Abtastkopfs, Temperaturdrift und Serienstreuung bleibt nur m0 − e.

Zahlenbeispiel: Warum die Referenzmarkenspur zuerst ausfällt

Beispiel (angenommen): Inkrementalspur W = 0,8 mm, Referenzmarkenspur W = 0,6 mm, beide Abtastfenster H = 0,5 mm, Exzentrizität e = 30 μm. Die Inkrementalspur hat m0 = 0,15 mm, die Referenzmarkenspur nur 0,05 mm; nach Abzug der Exzentrizität bleiben 0,12 mm bzw. 0,02 mm. Relative Amplitude innerhalb einer Umdrehung bei statischem Versatz d0:

Bei d0 = 0,1 mm liegt die Inkrementalspur noch im Plateau, A und B sind völlig normal, die Referenzmarkenspur hat aber bereits 4 %–16 % verloren. Ist das Roh-Referenzsignal näherungsweise dreieckförmig und liegt die Schwelle bei 50 % des Nennspitzenwerts, wird die Z-Breite beim A-fachen Spitzenwert zu 2·(1 − 0,5/A) des Nennwerts: bei A = 0,84 etwa 81 %, bei A = 0,64 nur noch 44 %, für A ≤ 0,5 verschwindet Z (siehe Abb. 2 rechts). Die Referenzmarke tritt nur bei einem Drehwinkel auf, und in welche Phase des Exzentrizitätspendelns sie fällt, ist von Gerät zu Gerät verschieden – daher zeigen Produkte desselben Typs das Bild „manche verlieren die Referenz, manche nicht“. Für Feinspuren und Kommutierungsspuren von Absolutgebern gilt dasselbe: Je schmaler die Spur, desto weniger Reserve bleibt ihr meist.

Sind die vier Abtastfenster des Abtastkopfs radial nebeneinander angeordnet (wie in manchen Abtastgitter-Konstruktionen), zehrt das Verlassen der Spur zuerst die äußerste Phase auf – es zeigt sich als ungleiche Amplituden und Offset, nicht als gleichmäßiger Amplitudenverlust.

Radialscan: Reserve aus der Kurve zurückrechnen

1. Abtastkopf auf einen radialen Feinverstelltisch mit Messschraube setzen oder mit Distanzscheiben bekannter Dicke verschieben; Scheibe langsam mit konstanter Drehzahl drehen, in Schritten von 10–20 μm über ±(W + H)/2 hinaus scannen.
2. Bei jedem Schritt anhand von Z nach Umdrehungen trennen und je Umdrehung maximale und minimale Amplitude von Inkrementalspur, Referenzmarkenspur und allen Absolutspuren aufzeichnen.
3. Kurven auswerten (siehe Abb. 2 links): Die 50-%-Gesamtbreite der Maximumkurve ist W + 2e, die der Minimumkurve W − 2e; ihr Mittel ergibt W, ein Viertel ihrer Differenz ergibt e; der horizontale Abstand des 20-%–80-%-Abschnitts der Mittelkurve geteilt durch 0,6 ergibt H; die Differenz zwischen Plateaumitte und tatsächlicher Einbaulage ist der Einbauversatz d_op.
4. Restreserve berechnen: m_rem = (W − H)/2 − e − |d_op|. Im Beispiel ergeben W = 0,80 mm, H = 0,50 mm, e = 30 μm und d_op = 0,05 mm m_rem = 70 μm.

Ausgewertet wird an den 50-%-Punkten statt am „Plateaubeginn“, weil Übergangszonen an den Strichenden und Teilungsfehlanpassung die Plateauecken verrunden und der Knick schwer abzulesen ist, während der 50-%-Punkt bei symmetrischer Unschärfe praktisch ortsfest bleibt.

Kriterium: m_rem muss die temperaturbedingte radiale Relativverschiebung und die Montagestreuung der Serie abdecken, plus Reserve. Verlassen der Inkrementalspur kostet nur wenige Prozent Amplitude und darf statistisch bewertet werden; Verlassen der Referenzmarkenspur oder einer Absolutspur führt zu Impulsverlust und Fehllesungen und ist im ungünstigsten Fall zu bewerten. Im Beispiel bleiben der Referenzmarkenspur nach Abzug der Exzentrizität nur 20 μm – praktisch kein Spielraum.

Praxishinweise

• Plateau plus linearer Abfall in der Kurve Amplitude über Radialversatz ist das Kennzeichen eines Abtastfensters, das die Spur verlässt; die Steigung beträgt etwa 1/H, bei H = 0,5 mm 2 % je 10 μm.
• Von der Plateauhalbbreite (W − H)/2 zuerst die Exzentrizität e abziehen; erst der Rest ist nutzbare Reserve für Montage und Temperaturdrift.
• Referenzmarkenspur und Absolutspuren sind meist am schmalsten – jede Spur einzeln scannen, nicht nur die Inkrementalamplitude betrachten.
• Auswertung an den 50-%-Punkten: Das Mittel der 50-%-Gesamtbreiten beider Hüllkurven ergibt die Spurbreite, ein Viertel der Differenz die Exzentrizität.
• Im Dunkelfeld senkt das Verlassen der Spur nur die Amplitude, im Hellfeld ändert es auch den Gleichanteil, der Modulationsgrad fällt mit O/(2 − O).
• Beim Erstmuster sowie bei Wechsel des Abtastkopftyps oder des Halters einen Radialscan durchführen und m_rem im Erstmusterprüfbericht festhalten.

Fazit

Bricht die Amplitude ein, wenn der Abtastkopf einige Zehntelmillimeter radial verschoben wird, hat das Abtastfenster die Spur verlassen: Die Amplitude sinkt mit dem Überdeckungsgrad, die Plateaubreite ist W − H, und die Exzentrizität zehrt an beiden Seiten je e auf. Schmale Spuren wie die Referenzmarkenspur haben die geringste Reserve und zeigen zuerst schmaleres oder fehlendes Z. Ein Radialscan, aus dem die 50-%-Gesamtbreiten und Flanken beider Hüllkurven abgelesen werden, liefert Spurbreite, Fensterhöhe, Exzentrizität und Restreserve und zeigt, ob Halterposition, Zentrierung oder Spurbreite zu ändern sind.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0231). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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