Mit der zunehmenden Verbreitung von CNC-Werkzeugmaschinen im Werkzeugmaschinenbau haben moderne Werkzeugmaschinen dank des Einsatzes optischer Gittermesselemente deutliche Verbesserungen in Bearbeitungsgeschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfahren. Einzelfeld-Scantechnologie und Absolutmesstechnik sind die beiden Hauptrichtungen in der aktuellen Entwicklung der Winkel- und Längenmesstechnik, die sich auch kombinieren lassen. Einzelfeld-Absolutmessgeräte, die beide Technologien nutzen, sind herkömmlichen Messgeräten hinsichtlich Signalqualität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen, Messgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit deutlich überlegen, was sich in der schnellen Marktakzeptanz solcher Produkte widerspiegelt. Beim Vierfeld-Bildabtastverfahren, das in herkömmlichen Winkel- und Längenmessgeräten verwendet wird, bewegt sich die optische Gitterskala relativ zu einer Abtastmaske mit ähnlicher oder identischer Gitterstruktur. Die Helligkeit des Lichts, das Skala und Maske durchdringt, variiert regelmäßig in Abhängigkeit von deren relativer Position: Licht tritt durch, wenn der Spalt zwischen Skala und Maske übereinstimmt, und kein Licht, wenn die Gitterlinien mit dem Spalt übereinstimmen. Das lichtempfindliche Element wandelt die Änderungen der Lichtintensität in elektronische Signale um. Die Scanmaske verfügt über vier Scanbereiche, deren Gitter jeweils um 1/4 Gitterteilung versetzt sind. Die den vier Scanbereichen zugeordneten lichtempfindlichen Elemente erzeugen vier sinusförmige Signale mit einer Phasenverschiebung von 90°. Da diese vier Signale keine Nulllinie als Mittellinie aufweisen, müssen sie paarweise subtrahiert werden, um zwei Ausgangssignale l1 und l2 mit einer Phasenverschiebung von 90° und der Nulllinie als Mittellinie zu erhalten. Bei der neuartigen Einzelfeld-Scantechnologie ist in der Scanmaske ein großflächiges Gitter mit einer Gitterteilung integriert, die geringfügig von der Gittergröße abweicht. Dies führt zu abwechselnd hellen und dunklen Bereichen entlang der Gitterlänge der Scanmaske: An manchen Stellen überlappen sich die Gitterlinien und lassen Licht durch; an anderen Stellen überlappen sie sich mit Lücken und verhindern so den Lichtdurchgang; dazwischen sind die Lücken blockiert und wirken als optische Filter. Dadurch lassen sich gleichmäßige, hochgradig sinusförmige Signale erzeugen. Speziell entwickelte, gitterförmige Fotosensoren ersetzen unabhängige Fotosensoren und erzeugen vier Abtastsignale mit einer Phasenverschiebung von 90°. Das optische Einfeld-Abtastsystem trägt entscheidend zur Verbesserung der Leistung von Winkel- und Längenmessgeräten bei. Seine große Abtastfläche und die spezielle optische Filterung ermöglichen ein stabiles Abtastsignal über den gesamten Messweg. Dies ist Voraussetzung für: geringe Positionsfehler innerhalb der Signalperiode, hohe Gitterlaufgeschwindigkeit und hohe Regelgüte bei Direktantrieb. Dieser Vorteil des Einfeld-Abtastverfahrens wird im XY-Darstellungsmodus eines Oszilloskops deutlich sichtbar: Das Ausgangssignal eines Einfeld-Abtastgitters weist eine bessere Rundheit und ein geringeres Rauschen auf, was eine höhere Positioniergenauigkeit und bessere Regelgüte bedeutet. Bei Linearmotoren ist die Drehzahlregelung mit einem Einfeld-Abtastgitter gleichmäßiger. Die große Abtastfläche, die die gesamte Breite des Gitters abdeckt, und der alternierende Streifenabtastbereich machen Messgeräte, die nach dem Einfeld-Abtastprinzip arbeiten, besonders unempfindlich gegenüber Störungen durch Verschmutzungen. Dies lässt sich durch Antikontaminationstests bestätigen: Selbst bei großflächigen Verunreinigungen liefert das Messgerät ein hochwertiges Messsignal mit Positionsfehlern weit unterhalb des Fehlerwerts der kalibrierten Genauigkeit. Im Vergleich zur Vierfeldabtastung vermeidet die Einzelfeldabtastung somit, dass das Gerät bei bestimmten Verunreinigungen überhaupt kein Signal ausgibt. Absolute Messtechnik: Der Begriff „absolute Messung“ bezieht sich auf die inkrementelle Messung. Inkrementelle Messgeräte erfassen relative Bewegungsdaten durch Zählen der vom Messfühler abgetasteten Gitterlinien. Um die absolute Position zu bestimmen, müssen inkrementelle Messgeräte nach dem Einschalten einen Referenzpunkt anfahren. Absolute Messgeräte hingegen kodieren die absoluten Positionsdaten direkt im Gerät mithilfe von Gitterlinien unterschiedlicher Breite und Abstände und liefern so unmittelbar nach dem Einschalten absolute Positionsinformationen. Typischerweise sind absolute Messgeräte zusätzlich zu den Absolutmessschienen mit Inkrementalmessschienen ausgestattet, um die Genauigkeit und Auflösung weiter zu verbessern. Absolute Messgitter haben sich in den letzten Jahren aufgrund ihrer unersetzlichen Vorteile zunehmend verbreitet. Diese Vorteile zeigen sich vor allem in folgenden Aspekten: 1. Reduzierung von Maschinenstillstandszeiten. Werkzeugmaschinen müssen während des Betriebs aufgrund von Störungen oder anderen Gründen häufig angehalten und neu gestartet werden. Bei Werkzeugmaschinen, die nur mit Inkrementalmessgittern ausgestattet sind, muss nach dem Einschalten für jede Achse ein Referenzpunkt-Durchlauf durchgeführt werden. Anders als beim Durchfahren eines Referenzpunkts nach dem normalen Anlauf befindet sich das Schneidwerkzeug der Werkzeugmaschine üblicherweise noch in Bearbeitungsposition, in direktem Kontakt mit dem Werkstück und manchmal sogar im Werkstück (z. B. beim Bohren oder Gewindeschneiden). Um den Referenzpunkt sicher zu passieren, muss das Schneidwerkzeug zunächst manuell aus der Bearbeitungsposition bewegt werden. Dies ist bei Mehrachsen-Werkzeugmaschinen mit Schwenkwerkzeugen noch schwieriger und erfordert oft einen erheblichen Zeit- und Personalaufwand, da die manuelle Bewegung des Schneidwerkzeugs (nach einer Störung) erschwert wird, wenn es nicht parallel zur X-, Y- und Z-Achse verläuft. Bei automatisierten Fertigungslinien mit mehreren Bearbeitungsgeräten kann es im Falle einer Störung und des damit verbundenen Neustarts eines Geräts erforderlich sein, den Referenzpunkt für alle Geräte der Fertigungslinie zu durchlaufen. Zudem kann eine Sonderbehandlung unvollständig bearbeiteter Werkstücke notwendig sein. Werkzeugmaschinen oder Fertigungslinien, die mit absoluten optischen Encodern ausgestattet sind, ermitteln nach dem Neustart umgehend die absolute Position jeder Achse und die räumliche Ausrichtung des Schneidwerkzeugs. Dadurch kann das ursprüngliche Bearbeitungsprogramm direkt an der Unterbrechungsstelle fortgesetzt werden, was die effektive Bearbeitungszeit der Werkzeugmaschine erheblich verlängert. 2. Verbesserung der Werkzeugmaschinenzuverlässigkeit Die Zuverlässigkeit einer Werkzeugmaschine bestimmt direkt die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Teilefertigung. Jede Minute Maschinenstillstand bedeutet erhöhte Kosten für den Anwender. Daher ist die Echtzeitüberwachung kritischer Komponenten ein Trend im Werkzeugmaschinenbau. Die absoluten optischen Encoder von Heidenhain unterstützen diese Echtzeitüberwachungsfunktion über ihre bidirektionale EnDat-Datenschnittstelle. Zusätzlich zu den absoluten Positionswerten übermittelt die EnDat-Schnittstelle den Betriebszustand des Encoders an das CNC-System. Dazu gehören beispielsweise Informationen darüber, ob der Einstellbereich der Lichtquelle des Lesekopfes an seine Grenzen stößt, ob die maximal zulässige Bewegungsgeschwindigkeit des Lesekopfes überschritten wird oder ob die Betriebstemperatur den zulässigen Bereich überschreitet. In diesen Fällen sendet EnDat ein Warnsignal an das CNC-System. Der Encoder kann unter diesen Bedingungen weiterhin normal funktionieren, der Anwender kann jedoch anhand des Warnsignals präventive Maßnahmen ergreifen. Bei einer schwerwiegenden Encoderstörung sendet EnDat zudem ein Alarmsignal an das CNC-System, das dann entscheiden kann, ob die Bearbeitung zum Schutz der Werkzeugmaschine und des Werkstücks gestoppt werden soll. Bei der Fehlersuche kann das Wartungspersonal mithilfe der von EnDat bereitgestellten Informationen die Fehlerursache schnell lokalisieren, beispielsweise eine geringe Encoder-Leistung, einen defekten Lesekopf oder eine zu geringe Ausgangssignalamplitude. Durch die Übermittlung von Fehlersignalen auf zwei Ebenen – Frühwarnung und Alarm – können optische Absolutwertgeber die Effizienz der Wartung deutlich verbessern, die Wahrscheinlichkeit von Ausfallzeiten aufgrund von Encoderfehlern reduzieren und somit die Zuverlässigkeit der Werkzeugmaschine erhöhen. 3. Verbesserung der Maschinensicherheit: Zum Schutz der beweglichen mechanischen Teile einer Werkzeugmaschine werden üblicherweise Endschalter eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Bewegung jeder Komponente den zulässigen Bereich nicht überschreitet. Endschalter sind rauen Umgebungsbedingungen (Kühlmittel, Metallspäne usw.) ausgesetzt und können leicht beschädigt werden. Darüber hinaus werden Endschalter im normalen Maschinenbetrieb selten verwendet, wodurch eine ständige Funktionsprüfung unmöglich ist. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, müssen Anwender den Status der Endschalter regelmäßig überprüfen. Werkzeugmaschinen mit optischen Absolutwertgebern können die Position beweglicher Teile jederzeit bestimmen. Durch entsprechende Einstellungen im CNC-System können Endschalter überflüssig werden. Dies spart Anwendern Wartungszeit und vermeidet potenzielle Sicherheitsrisiken durch Endschalterausfälle, wodurch die Betriebssicherheit der Werkzeugmaschine erhöht wird.