Symptom: Nullpunkt um einige Zählschritte versetzt nach Tausch gegen baugleichen Abtastkopf – Lagetoleranz des Referenzfensters

Ein Nullpunktversatz um einige Zählschritte nach Einbau eines baugleichen Abtastkopfs stammt aus Montagelage, Verdrehung um den Passstift und interner Abtastfeldtoleranz sowie aus Periodensprüngen, wenn das Referenzfenster die Torungsreserve überschreitet. Dieser Artikel rechnet alle Anteile in Verschiebung und Zählschritte am Abtastradius um (r = 15 mm, 2500 Striche: 1 Zählschritt ≈ 9,4 μm) und gibt ein Austauschbarkeitsbudget und einen Kreuztauschversuch an.

Im Service wird ein Abtastkopf ersetzt, oder in der Fertigung wird mit einem anderen baugleichen Abtastkopf nachgemessen – und die Referenzposition ändert sich: mal um ein, zwei Zählschritte, mal um drei, vier, vereinzelt um genau 4 Zählschritte, oder Z wird schmal bzw. erscheint zweimal pro Umdrehung. Teilscheibe und Welle wurden nicht bewegt, geändert hat sich nur der Abtastkopf. Um die Frage „wie viel Versatz ist normal“ zu beantworten, muss die Nullpunktlage zuerst in Anteile zerlegt werden, die jeweils in Verschiebung und Zählschritte am Abtastradius umgerechnet werden; erst dann lässt sich entscheiden, welcher Anteil enger toleriert und welcher durch Justage oder elektronisches Nullsetzen gelöst werden muss. Die vollständige Fehlerkette zwischen elektrischem und mechanischem Nullpunkt behandelt der Begriffsartikel dieser Bibliothek; hier geht es nur um das Glied Abtastkopftausch.

Abtastkopf 2 ist gegenüber Abtastkopf 1 tangential um 28 μm versetzt (Montage +15 μm, internes Abtastfeld +13 μm); das Referenzfenster ist zusätzlich um 3 μm versetzt, bleibt aber innerhalb der Torungsreserve: Das getorte Z beider Köpfe unterscheidet sich auf derselben Teilscheibe um etwa 3 Zähls… — Abb. 1 – Abtastkopf 2 ist gegenüber Abtastkopf 1 tangential um 28 μm versetzt (Montage +15 μm, internes Abtastfeld +13 μm); das Referenzfenster ist zusätzlich um 3 μm versetzt, bleibt aber innerhalb der Torungsreserve: Das getorte Z beider Köpfe unterscheidet sich auf derselben Teilscheibe um etwa 3 Zählschritte (Beispielparameter).

Welche Anteile die Nullpunktlage bestimmen

Das getorte Z ist das rohe Referenzsignal UND-verknüpft mit dem Quadranten A = B = 1; seine Flanken sind also die Flanken von A und B. Die Lage des Nullpunkts relativ zur Teilscheibe besteht daher aus zwei Teilen:

Z-Lage = s_m + s_i + k·p

s_m: tangentiale Montagelage der Abtastkopfbezugsfläche relativ zur Drehachse, bestimmt durch Anlagefläche, Passung von Passstift und Bohrung sowie Spiel der Schraubenbohrungen;
s_i: tangentiale Lage des Inkremental-Abtastfelds relativ zur Abtastkopfbezugsfläche – eine interne Toleranz des Abtastkopfs;
k·p: in welche Signalperiode das rohe Z fällt, bestimmt durch die Lage z des Referenzfensters relativ zum Inkremental-Abtastfeld; p ist die Teilungsperiode.

Die ersten beiden Anteile ändern sich stetig und lassen sich direkt in Zählschritte umrechnen; der dritte ist ein Sprung um ganze Perioden, und k bleibt unverändert, solange z die Torungsreserve nicht überschreitet.

Umrechnungsbasis: Bei r = 15 mm und 2500 Strichen ist p = 2πr/N ≈ 37,7 μm; bei Vierfachauswertung ist ein Zählschritt p/4 ≈ 9,42 μm, entsprechend 129,6″. Der Nullpunktunterschied zwischen zwei Montagen ist

ΔC = (Δs_m + Δs_i)/(p/4) + 4·Δk

Austauschbarkeitsbudget

Position	Toleranz (Beispiel)	Umgerechnet
Lage des Abtastkopfs (tangential)	±15 μm	±1,6 Zählschritte
Verdrehung um den Passstift: Stift bis Abtastfenster 10 mm, Verdrehung 1 mrad	±10 μm	±1,1 Zählschritte
Inkremental-Abtastfeld relativ zur Abtastkopfbezugsfläche	±10 μm	±1,1 Zählschritte
Referenzfenster relativ zum Inkremental-Abtastfeld	±10 μm (etwa ±95° elektrisch)	0 oder ±4 Zählschritte

Der Größtwert des stetigen Anteils ist ±35 μm, etwa ±3,7 Zählschritte; die quadratische Summe etwa ±2,2 Zählschritte (Abb. 2 links). „Nach dem Kopftausch zwei, drei Zählschritte Versatz“ ist bei dieser Art der Lagefixierung also normale Streuung. Soll der Nullpunkt nach dem Tausch innerhalb ±1 Zählschritt bleiben, muss die Summe der drei Anteile auf ±9,4 μm gedrückt werden – mit Schrauben und gewöhnlichen Passstiften allein kaum erreichbar.

Die Winkeltoleranz wird oft unterschätzt: Wird der Abtastkopf mit einem Stift positioniert und durch eine zweite Schraubenbohrung gegen Verdrehen begrenzt, erzeugt eine Verdrehung Δβ am Abtastfenster eine tangentiale Verschiebung L·Δβ, wobei L der Abstand vom Stift zum Abtastfenster ist. L = 10 mm und Δβ = 1 mrad ergeben 10 μm, etwa einen Zählschritt.

Schwellenstreuung wirkt sich weniger aus: Die Flanken des getorten Z werden von A und B bestimmt; eine Änderung der Schwelle des rohen Z verändert nur Breite und Mitte des rohen Z und verbraucht Torungsreserve. Nur bei ungetortem Ausgang verschiebt sie die Flanke direkt; eine Flanke des rohen Z über 90° elektrisch verschiebt sich bei 10 % Schwellenänderung um etwa 9° – nur 0,1 Zählschritt.

Periodensprung: Referenzfenster außerhalb der Torungsreserve

Bei einer Breite W_r des rohen Z beträgt die Torungsreserve ±(W_r − 90°)/2:

W_r = 180°: ±45°, also ±4,7 μm. Eine interne Referenzfenstertoleranz von ±10 μm überschreitet das bereits; bei einem Teil der Abtastköpfe wird Z schmaler, bei einem Versatz zwischen 135° und 225° geht Z verloren, darüber springt es in die Nachbarperiode – der Nullpunkt versetzt sich um genau 4 Zählschritte.
W_r = 360°: ±135°, also ±14,1 μm, deckt eine Toleranz von ±10 μm ab; darüber schneiden beide Enden des rohen Z in je einen Quadranten, pro Umdrehung erscheinen zwei schmale Z-Impulse, noch weiter springt es ebenfalls um 4 Zählschritte (Abb. 2 rechts).

Ist der Nullpunktunterschied also genau ein ganzzahliges Vielfaches von 4 oder geht er mit schmalerem, fehlendem oder doppeltem Z einher, ist die Lage des Referenzfensters relativ zum Inkremental-Abtastfeld zu prüfen, nicht die Montagelage. Je größer der Radiusunterschied zwischen Referenzmarkenspur und Inkrementalspur auf der Teilscheibe, desto größer ist die durch Exzentrizität und Moiré-Winkel verursachte relative Phasenverschiebung, die diese Reserve ebenfalls verbraucht (siehe den Artikel zur Auslegung der Referenzmarkenausrichtung in dieser Bibliothek).

Links: Budget des stetigen Versatzes beim Kopftausch (Beispieltoleranzen). Rechts: Mitte des getorten Z über dem Referenzfenster-Versatz; Reserve ±4,7 μm bei 180° Breite des rohen Z, ±14,1 μm bei 360°; danach wird Z schmaler, fällt aus oder erscheint doppelt und springt schließlich um 4 Zählschri… — Abb. 2 – Links: Budget des stetigen Versatzes beim Kopftausch (Beispieltoleranzen). Rechts: Mitte des getorten Z über dem Referenzfenster-Versatz; Reserve ±4,7 μm bei 180° Breite des rohen Z, ±14,1 μm bei 360°; danach wird Z schmaler, fällt aus oder erscheint doppelt und springt schließlich um 4 Zählschritte.

Kreuztauschversuch

Referenz schaffen: Auf derselben Teilscheibe einen Referenz-Abtastkopf belassen, der nie demontiert wird, oder einen Referenzdrehgeber an die Welle koppeln; die Z-Lage des Prüflings wird in Zählschritten der Referenz angegeben.
Kreuzkombinationen: 2–3 Abtastköpfe und 2 Einbaupositionen (oder 2 Maschinenkörper) nehmen, jede Kombination 3-mal montieren und demontieren und die Z-Lage aufzeichnen.
Quellen trennen: Zeigt derselbe Abtastkopf auf verschiedenen Körpern denselben Versatz, liegt die Ursache im Abtastkopf (s_i oder z); folgt der Versatz dem Körper, sind es Anlagefläche und Passbohrungen; große Streuung zwischen Montagen derselben Kombination bedeutet mangelnde Wiederholgenauigkeit der Lagefixierung.
Zahlenbild ansehen: Stetig verteilte Versätze mit 9,42 μm/Zählschritt in Verschiebung zurückrechnen und mit Montage- und internen Toleranzen vergleichen; konzentrieren sich die Versätze auf 0 und ±4, Referenzfenster und Torungsreserve prüfen und bei Bedarf am Messpunkt des rohen Z dessen Lage relativ zum Quadranten A = B = 1 ansehen.
Maßnahme festlegen: Stetiger Versatz – engere Passstifte oder Ausrichtung anhand des Signals bei der Montage; Periodensprünge – breiteres rohes Z und engere Referenzfenstertoleranz; wo das System es erlaubt, nach dem Abtastkopftausch den Nullpunktoffset in der Steuerung neu kalibrieren.

Praxishinweise

Zuerst umrechnen: Bei 15 mm Abtastradius und 2500 Strichen ist 1 Zählschritt ≈ 9,4 μm, 28 μm tangential sind also 3 Zählschritte.
Tangentiale Lage des Abtastkopfs und Verdrehung um den Stift sind oft größer als die internen Toleranzen des Abtastkopfs; wird ein austauschbarer Nullpunkt gefordert, zuerst die Lagefixierung verschärfen.
Damit der Nullpunkt nach dem Tausch innerhalb ±1 Zählschritt bleibt, muss die Summe der drei stetigen Toleranzen kleiner als p/4 sein; bei Teilscheiben mit feiner Teilung geht das praktisch nur durch Ausrichtung am Signal oder elektronisches Nullsetzen.
Ist der Nullpunktunterschied ein ganzzahliges Vielfaches von 4 oder geht er mit schmalerem, fehlendem oder doppeltem Z einher, Lage des Referenzfensters relativ zum Inkremental-Abtastfeld und Breite des rohen Z prüfen.
Ist das rohe Z etwa eine Periode breit, beträgt die Torungsreserve ±135° – viel mehr als ±45° bei 180° Breite – und begünstigt die Austauschbarkeit.
Ein Kreuztauschversuch, gezählt gegen einen Referenz-Abtastkopf, trennt drei Quellenarten: Abtastkopfinneres, Anlagefläche und Wiederholgenauigkeit der Montage.

Fazit

Ein Nullpunktversatz um einige Zählschritte nach Einbau eines baugleichen Abtastkopfs hat einen stetigen Anteil aus Montagelage, Verdrehung um den Stift und interner Abtastfeldtoleranz, der über p/4 in Zählschritte umgerechnet wird; Sprünge um genau 4 Zählschritte entstehen, wenn das Referenzfenster die Torungsreserve überschreitet. Alle Anteile am Abtastradius in Mikrometer und Zählschritte umrechnen, ein Austauschbarkeitsbudget aufstellen und die Quellen mit einem Kreuztauschversuch trennen – dann ist klar, ob die Lagefixierung verschärft, das rohe Z verbreitert oder der Nullpunkt nach dem Kopftausch neu kalibriert werden muss.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0235). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com