Encoder: Abtastprinzip, Signalarten und Auflösung an CNC-Achsen

Thema: CNC-Steuerung & Achsen

Mehr Striche auf der Teilscheibe machen eine Achse nicht automatisch genauer. Ein Encoder liefert nur so viel Information, wie die nachfolgende Elektronik schnell genug zählen kann, und er misst nur dort, wo er sitzt, meist an der Motorwelle. Entscheidend ist die ganze Kette vom Strich auf der Scheibe bis zum Zählerstand in der Steuerung.

Was ein Encoder an der CNC-Maschine misst

Renishaw beschreibt einen Positionsencoder als Gerät, das lineare oder rotatorische Bewegung in ein elektrisches Signal umsetzt. In der Werkstatt ist mit Encoder meist der Drehgeber gemeint, der die Winkellage einer Welle erfasst, etwa am Vorschubmotor, an der Arbeitsspindel oder an einer Rundachse.

Sitzt der Geber am Motor, wird der Tischweg nur indirekt über Übersetzung und Steigung errechnet. Diese Einordnung und den Unterschied zwischen absoluter und inkrementeller Positionsinformation erklärt der Beitrag zu Wegmesssystemen.

In Servoantrieben liefert der Motorgeber die Istwerte für Drehzahl- und Lageregelung; serielle Geber übertragen laut HEIDENHAIN zusätzlich Daten etwa zur Kommutierung. Bei Schrittmotoren mit angebautem Encoder entscheidet die Verschaltung, ob eine Abweichung nur im Treiber ausgeregelt wird oder auch die Steuerung erreicht. An der Arbeitsspindel braucht LinuxCNC laut Dokumentation eine Encoder-Rückmeldung für Gewindeschneiden und konstante Schnittgeschwindigkeit.

Optisch, induktiv, magnetisch: das Abtastprinzip

Die meisten HEIDENHAIN-Drehgeber arbeiten photoelektrisch. Licht durchläuft zwei Gitter, die Teilung auf der Scheibe und ein Abtastgitter, und Fotoelemente erzeugen daraus sinusförmige Signale. Die Abtastung ist berührungslos und deshalb verschleißfrei.

Induktive Geber nutzen laut HEIDENHAIN Teilungsstrukturen, die ein hochfrequentes Signal in Amplitude und Phase verändern; Empfängerspulen am Umfang werten es aus. Magnetische Systeme tasten nach Renishaw einen magnetisierten Maßstab mit abwechselnden Polen ab und werden etwa in der Robotik eingesetzt. Wie genau ein Geber misst, folgt aus dem Datenblatt des einzelnen Geräts, nicht allein aus dem Prinzip. Wo Späne und Kühlschmierstoff anfallen, nennt Renishaw gekapselte Bauformen als Schutz gegen Verschmutzung und Flüssigkeiten.

Signalarten: Sinus, Rechteck oder serielles Protokoll

Inkrementelle Geber liefern zwei um 90° elektrisch versetzte Spuren A und B, meist ergänzt um eine Referenzmarke. Aus der Reihenfolge der Flanken folgt die Drehrichtung; Zählung und Referenz beschreibt der Artikel zum inkrementellen Messsystem. Ob Geber und Steuerung zusammenpassen, entscheidet die elektrische Schnittstelle.

Die Kabellängen sind Grenzwerte eines Herstellers, keine allgemeine Freigabe. Sinussignale werden in der Folgeelektronik interpoliert, für Drehzahlregelungen laut HEIDENHAIN meist mit Faktoren über 1000. Ein serielles Protokoll muss die Steuerung ausdrücklich unterstützen.

Eigenes Rechenbeispiel: Auflösung und Zählfrequenz

Wir nehmen einen inkrementellen Geber mit 1000 Strichen je Umdrehung direkt am Motor an. Der Motor treibt ohne Übersetzung eine Spindel mit 5 mm Steigung. Bei 4-fach-Auswertung entstehen 4000 Zählschritte je Umdrehung; ein Schritt entspricht rechnerisch 5 mm / 4000 = 0,00125 mm, also 1,25 µm Tischweg.

Bei 3000 min⁻¹ fährt die Achse 3000 × 5 mm = 15.000 mm/min. Der Geber liefert dabei 1000 × 3000 / 60 = 50.000 Signalperioden pro Sekunde, also 50 kHz, und der Zähler muss 200.000 Flanken pro Sekunde erfassen. Die Softwarezählung von LinuxCNC, einer offenen CNC-Steuerung, schafft laut Dokumentation je nach Rechner etwa 10 bis 50 kHz. Selbst am oberen Ende wären das nur 50.000 / 4000 × 60 = 750 min⁻¹ oder 3.750 mm/min. Für diesen Motorgeber braucht es also einen Hardwarezähler, wie ihn die Dokumentation für höhere Raten empfiehlt, oder die Auswertung im Antriebsregler.

Die 1,25 µm beschreiben nur die Auflösung am Motor. Wie genau der Tisch steht, hängt von Spindel, Spiel, Wärme und Steifigkeit ab. Zum Vergleich: HEIDENHAIN gibt für separate Wellenkupplungen Übertragungsfehler zwischen ±6″ und ±40″ an; ±40″ entsprechen hier nur 40 / 1.296.000 × 5 mm ≈ 0,15 µm. Am Motorgeber begrenzt also meist die Mechanik, die er nicht erfasst.

Ein absoluter Multiturn-Geber unterscheidet zusätzlich ganze Umdrehungen, im HEIDENHAIN-Beispiel 4096; mit derselben Spindel wären das rechnerisch 4096 × 5 mm = 20.480 mm. Ein Singleturn-Geber wiederholt seinen Wert mit jeder Umdrehung, an einer Linearachse bleibt dann die Referenzfahrt nötig.

Einbau, Leitungen und typische Fehler

HEIDENHAIN unterscheidet Geber mit Hohlwelle und Statorkupplung von Gebern mit Vollwelle und separater Wellenkupplung. Die Statorkupplung gleicht Rundlauf- und Fluchtungsfehler aus, ohne die Genauigkeit wesentlich zu verringern; die separate Kupplung hält Kräfte vom Geberlager fern, bringt aber ihren eigenen Übertragungsfehler mit. Rutscht eine Kupplung, ist jede Messung verfälscht; Bauarten erläutert der Beitrag zur elastischen Kupplung.

Elektrisch sind Störimpulse heikel, weil sich bei inkrementellen Gebern jeder zusätzliche oder verlorene Zählschritt aufsummiert. HEIDENHAIN überträgt TTL-Signale deshalb mit invertierten Gegensignalen, verwendet abgeschirmte Leitungen und verlangt eine Versorgung aus PELV-Systemen. Die Versorgungsspannung muss am Geber eingehalten werden; auf langen Leitungen kann der Spannungsabfall dafür schon zu groß sein.

Vertauschte Spuren oder ein falsches Vorzeichen kehren die Zählrichtung um. Im geschlossenen Regelkreis läuft die Achse dann weg, bis eine Überwachung abschaltet. Ein schnell wachsender Schleppabstand ist dafür oft das erste Signal, ebenso bei überschrittener Zählfrequenz. Mechanisch und elektrisch zulässige Drehzahl des Gebers stehen im Datenblatt.

Prüfliste für Auswahl und Inbetriebnahme

• Messaufgabe klären: Motor, Spindel oder Rundachse; inkrementell oder absolut, Singleturn oder Multiturn.
• Schnittstelle abgleichen: Signalart, Versorgungsspannung und Belegung laut Datenblatt von Geber und Steuerung.
• Zählfrequenz nachrechnen: Striche × Höchstdrehzahl / 60, bei 4-fach-Auswertung mal 4, mit der Eingangsgrenze des Zählers vergleichen.
• Mechanik prüfen: zulässige Drehzahl, Kupplung oder Statorbefestigung, Rundlauf und Klemmung.
• Leitung planen: abgeschirmt, getrennt von Motorleitungen, innerhalb der Herstellergrenze; Spannung am Geber messen.
• Richtung und Skalierung langsam testen, bevor der Regelkreis geschlossen wird.
• Referenzmarke prüfen: Der Index wird wiederholt an derselben Stelle gemeldet.

Erst wenn Richtung, Skalierung und Referenz ohne Last stimmen, lohnt die Optimierung der Regelung. Maßgeblich bleiben die Angaben der Geber-, Antriebs- und Steuerungshersteller.