AT390514B

AT390514B - Mikrohaertepruefeinrichtung

Info

Publication number: AT390514B
Application number: AT0089484A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Ing Raffer; Manfred Krenn; Herwig Dr Bangert; Alfred Dr Wagendristel
Original assignee: Paar Anton Kg; Alfred Dr Wagendristel; Bangert Herwig
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1990-05-25
Also published as: JPS6122231A; ATA89484A; DE3506437A1; US4611487A

Description

Nr. 390 514

Die Erfindung betrifft eine Mikrohärteprüfeinrichtung mit einem Eindringkörper, der über eine zumindest einen, vorzugsweise zwei oder vier, gegebenenfalls gegenüberliegende Dehnungsmeßstreifen tragende Federanordnung belastbar ist, die von einer Tauchspule eines Permanentmagnetsystems getragen ist, wobei die Signale der Dehnungsmeßstreifen bei Durchbiegung der Federanordnnng als Meßsignal für die auf den 5 Eindringkörper aufgebrachte Kraft in elektrische Signale umgesetzt und einer Regel- bzw. Auswerteeinheit zugeführt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine präzise, möglichst automatisch arbeitende Mikrohärtepriifeinrichtung als Zusatzgerät für Lichtmikroskope zu erstellen.

Dies wird bei einer Mikrohärtepriifeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die 10 Tauchspule, das Permanentmagnetsystem und die Federanordnung sowie gegebenenfalls der Eindringkörper in seiner Ruhelage, von einem in den Objektivrevolver eines Mikroskopes einsetz- bzw. einschraubbaren bzw. der Form und den Abmessungen eines Objektiveinsatzes angenäherten Gehäuse umschlossen sind, daß der Eindringkörper in der optischen Achse, die gegebenenfalls die Symmetrieachse des Gehäuses bildet, einjustierbar ist, und daß der Auswerteeinheit eine Steuereinheit zugeordnet ist, die gegebenenfalls einen Komparator auf weist, 15 dem zum Vergleich die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen als gegebener bzw. aufgebrachter Kraftistwert und ein eingespeicherter bzw. vorgegebener Kraftsollwert zugeführt sind, und der gegebenenfalls eine Vorwähleinrichtung zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit des Eindringkörpers an eine Probe bzw. zur Regelung der Stromversorgung der Tauchspule aufweist. Mit einer derartig ausgebildeten Mikrohärtepriifeinrichtung können im Verein mit lichtmikroskopischen Untersuchungen in einfacher Weise und 20 ohne Beeinflussungen der Genauigkeit durch aufwendige Umbauarbeiten Härteprüfungen vorgenommen werden.

Aus Platzgründen ist es vorteilhaft, wenn die zwischen der Tauchspule und dem Eindringkörper gelegene Federanordnung im wesentlichen quer zur optischen Achse verläuft und von zumindest einer Blattfeder gebildet ist Bevorzugt ist es, wenn das eine Ende der Federanordnung an der Tauchspule befestigt bzw. mit dieser über ein Zwischenstück verbunden ist und das andere Ende der Federanordnung den Eindringkörper direkt oder über ein 25 Zwischenstück trägt. Hiebei ist es günstig, wenn die Enden der parallelen Blattfedern die Tauchspule seitlich überragen, das an der Tauchspule befestigte Zwischenstück seitlich auskragt und das den Eindringkörper tragende Zwischenstück radial ins Innere des Gehäuses gerichtet ist. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Federanordnung in an sich bekannter Weise nach Art eines Parallellenkers zwei parallel angeordnete Blattfedern besitzt und wenn die jeweiligen Enden in den biegesteifen Zwischenstücken befestigt sind, wobei das eine Zwischenstück an der 30 Tauchspule befestigt ist und das andere Zwischenstück den Eindringkörper trägt Eine Federanordnung nach Art eines Parallellenkers aus zwei parallel angeordneten Blattfedern ist für Mikrohärteprüfeinrichtungen an sich bekannt (DE-OS 3000984).

Zur präzisen Führung der Tauchspule ist vorgesehen, daß die gegenüber dem Permanentmagnetsystem verschiebbare Tauchspule jeweils im Zentrum von zwei übereinander im Gehäuse angeordneten, durchbrochenen 35 und an ihrem Umfang gehaltenen Federplatten bzw. -membranen befestigt und damit in axialer Richtung geführt ist. Zur Justierung ist es zweckmäßig, daß das Gehäuse von einem Gewindestück zum Einschrauben in einen Objektivrevolver getragen ist und an diesem Gewindestück z. B. mittels Stellschrauben justierbar bzw. seitlich verschiebbar gelagert ist

Die Bedienung ist einfach, wenn die Steuereinheit eine Tauchspulenstromsteuereinrichtung, z. B. einen 40 digitalen Regler, umfaßt, mit der der Strom durch die Tauchspule in einem geschlossenen Regelkreis durch Verwendung des Meßsignales der Dehnungsmeßstreifen, insbesondere zur Anpassung des Kraftistwertes an den Kraftsollwert, regelbar ist

Die Meßgenauigkeit wird erhöht, wenn im Inneren des Gehäuses, insbesondere im Bereich des Doppelfederarmes, eine Temperaturmeßeinrichtung, z. B. ein Thermistor, zur Messung der Temperatur der 45 Federanordnung vorgesehen ist, die an eine Kompensationsschaltung bzw. einen Vorverstärker angeschlossen ist, in der bzw. dem die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des E-Moduls der Fiederanordnung änderbar sind.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Mikrohärteprüfkopf, 50 Fig. la eine Draufsicht auf Tragfedem,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Mikrohärtepriifeinrichtung und

Fig. 3 ein schematisches Schaltschema.

Bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Mikrohärte- bzw. Ultramikrohärteprüfeinrichtung für ein Lichtmikroskop werden im wesentlichen folgende Gesichtspunkte berücksichtigt: Die Mikrohärtepriifeinrichtung 55 bzw. die Eindrückvorrichtung soll die äußeren Abmessungen eines Standardobjektives haben und soll von der Einbaulage unabhängig sein. Ferner soll die Mikrohärtepriifeinrichtung mittels eines Rechners bzw. über eine Auswerte- und Steuereinheit über eine serielle Schnittstelle bedienbar sein, so daß sie in einen automatischen Meßplatz eingefügt werden kann.

Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Mikrohärtepriifeinrichtung besitzt die Form eines Objektives und besitzt 60 ein Gewindestück (1) (zum Einschrauben in einen Objektivrevolver) und ein Gehäuse (2). Im Gehäuse befindet sich ein Tauchspulenmagnetsystem (3) zur Krafterzeugung sowie eine Kraftmeßeinheit (8), die einen Eindringkörper (11) trägt. -2-

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Das Gehäuse (2) ist gegenüber dem Gewindestück (1) justierbar, um die Zentrierung des Eindringkörpers (11) zur optischen Achse (27) des Lichtmikroskopes zu ermöglichen.

Das Tauchspulenmagnetsystem (3) besteht aus einem ringförmigen Permanentmagnet (4) enthaltend Seltene Erden-Metalle, einem Polkem (12) aus Weicheisen und einer Polplatte (13) aus Weicheisen. Im homogenen 5 Magnetfeld zwischen dem Polkem (12) und Polplatte (13) befindet sich eine zylinderringförmige Tauchspule (5). Die exakte Führung der Tauchspule (5) in axialer Richtung bzw. ihre Ausrichtung in der optischen Achse und damit die Führung der Kraftmeßeinheit (8) mit dem Eindringkörper (11) wird durch je eine oberhalb und unterhalb der Tauchspule (5) liegende Federmembran (6, 7) gewährleistet, die eine seitliche Bewegung unterbinden. 10 Die Federmembranen (6,7) sind in Fig. la dargestellt. Jeweils in ihrer Mitte wird die Tauchspule (5) bzw. ein sie verlängernder Tragteil (5’) an den Federmembranen befestigt bzw. angeschraubt. Der äußere Ring der Federmembrane (7) ist am Polkem (12), derjenige der Federmembrane (6) an der Polplatte (13) befestigt.

Die Kraftmeßeinheit (8) besteht aus einem Doppelfederarm (9) mit aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen (10) zur Messung der Federbiegung und damit der Eindringkraft. Kraftaufbringung, Kiaftmessung und Eindringköiper 15 (11) befinden sich in einer Achse (Bewegungsachse). Die Konstruktion der Kraftmeßeinheit (8) als

Doppelfederarm (9) verhindert ein Verkippen bzw. Verschieben des Eindringkörpers (11) während des Eindringvorganges.

Die Eindruckkraft wird über die stromdurchflossene Tauchspule (5) in einem starken homogenen Magnetfeld des Permanentmagnetsystems (12, 4,13) erzeugt. Zwischen der Tauchspule (5) und der Diamantspitze des 20 Eindringkörpers (11) befindet sich die Kraftmeßeinheit (8), die eine andauernde Kontrolle der Kraft während eines Eindruckvorganges ermöglicht.

Die Kraftmessung erfolgt über die Durchbiegung des Doppelfederarmes (9) mit den Dehnungsmeßstreifen (10). Diese ist abhängig von der gewählten Federarmgeometrie sowie vom Elastizitätsmodul des gewählten Federmaterials. Der Elastizitätsmodul besitzt einen Temperaturkoeffizienten; durch Messung der Federtemperatur 25 kann dieser berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Dazu ist ein Thermistor (26) im Bereich des Doppelfederarmes (9) vorgesehen, dessen Signal einem Vorverstärker (25) für das Ausgangssignal der Dehnungsmeßstreifen (10) bzw. das Differenzsignal von in Brückenschaltung geschalteten Dehnungsmeßstreifen (10) zugeführt ist. In Abhängigkeit von der Temperatur des Doppelfederarmes (9) werden die Ausgangssignale der Dehnungsmeßstreifen (10) verstärkt, so daß eine Temperaturkompensation ermöglicht ist 30 Während der Ruhestellung bleibt der Eindringkörper (11) im geschützten Bereich des Gehäuses (2), eine Verletzung der Spitze ist dadurch nicht möglich.

Die Tauchspule (5) bzw. ihre Tragstange (5') trägt ein Zwischenstück (14), das seitlich auskragt und das Ende der Doppelfederanordnung (9) trägt. Am anderen Ende der Doppelfederanordnung (9) ist ein weiteres Zwischenstück (15) vorgesehen, das zurück ins Zentrum des Gehäuses (2) gerichtet ist und dort den 35 Eindringköiper (11) trägt.

Das Permanentmagnetsystem (12,4,13) kann auch mehrere Permanentmagnete besitzen. Die Tauchspule (5) kann z. B. auch quadratisch oder rechteckig sein, obwohl eine zylindrische bzw. zylinderringförmige Spule, die vorzugsweise keinen Kern besitzt, vorzuziehen ist. Die Kraftmeßeinheit (8) kann auch aus nur einer Feder bzw. Blattfeder bestehen; um ein Verkippen des Eindringköipers (11) zu vermeiden, ist jedoch die Anordnung 40 von zwei parallelen Blattfedern vorzuziehen, deren Enden in den Zwischenstücken (14,15) festgehalten sind.

Die Zwischenstücke (14,15) sind möglichst starr ausgeführt.

Es ist möglich, auf den Blattfedern (9) der Kraftmeßeinheit (8) jeweils einen oder auch zur Erhöhung der Meßgenauigkeit mehrere Dehnungsmeßstreifen (10) anzukleben.

Es ist ferner möglich, anstelle der Tauchspule (5) einen permanentmagnetischen Tauchanker vorzusehen und 45 den Permanentmagneten (4) durch eine auf einen Weicheisenkem(ring) gewickelte Erregerspule zu ersetzen. In diesem Fall erfolgt eine Bewegung des Tauchankers durch eine Stromzufuhr zum Spulensystem.

Bei der Montage und Justierung der Mikrohärteprüfeinrichtung am Mikroskop wird das Gewindestück (1) in den Objektivrevolver (16) (vorzugsweise neben dem Objektiv "lOOx") eingeschraubt. Der nächste und - falls erforderlich - auch der übernächste Platz neben der Mikrohärteprüfeinrichtung wird bzw. werden vorübergehend 50 freigemacht, um für eine Justierung der Diamantspitze bzw. des Eindringkörpers (11) in die optische Achse (27) des Mikroskopes Platz zu gewinnen (Fig. 2). Mit über dem Umfang verteilten Justierschrauben (17) ist das Gehäuse (2) am Gewindeteil (1) verstellbar gelagert und kann damit zentriert weiden.

Mit einem Anschlußkabel (18) werden die Meßsignale an die Auswerteinheit (19) übertragen.

Die Eindringvorrichtung mit der Steuereinheit (20) bildet einen geschlossenen Regelkreis. Der in den 55 Dehnungsmeßstreifen (10) gewonnene Kraftistwert bzw. die Information (Differenzsignal) bezüglich der Prüfkraft bzw. der auf den Eindringkörper (11) ausgeübten Kraft wird in der Steuereinheit (20) mit dem vorwählbaren Kraftsollwert verglichen; die daraus resultierende Regelabweichung eines digitalen Reglers wird der Tauchspule (5) in Form eines Stromes zugeführt, um die gewählte Prüfkraft einzustellen. Das vom Regler erhaltene Spannungssignal wird hiebei in einen proportionalen Konstantstrom in einem Spannungsstromwandler 60 umgewandelt

Die Auswerteinheit (19) ermöglicht die Vorwahl der Meßparameter wie Prüfkraft, Eindringdauer und Kraftanstiegsgeschwindigkeit durch Eingabe an die Steuereinheit (20) über ein Tastenfeld (24) selbst oder über -3-

Claims

Nr. 390 514 eine serielle Schnittstelle (23). Die Auswerteinheit (19) enthält als Steuereinheit (20) einen Mikroprozessor, der über Digital-Analogwandler bzw. Analog-Digitalwandler (21) mit der Tauchspule (5) bzw. den Dehnungsmeßstreifen (10) in Verbindung steht. Die Eingabe von Parametern erfolgt über ein Tastenfeld (24) bzw. über eine serielle 5 Schnittstelle (23). Meßwerte und Funktionen bzw. Ergebnisse werden auf einer alphanumerischen LCD-Anzeige (22) dargestellt (Fig. 3). Durch Stromzufuhr in die Tauchspule (5) wird die Kraftmeßeinheit (8) mit dem Eindringkörper (11) in die Richtung der Oberfläche des Prüflings bewegt. Die Stromzunahme und damit die Annäherungsgeschwindigkeit des Eindringkörpers (11) wird von der Steuereinheit (20) zum Zwecke der Anpassung der Auftreffkraft an die 10 Prüfkraft (kleine Prüfkraft bedingt kleine Annäherungsgeschwindigkeit) entsprechend eingegebener bzw. vorbestimmter Werte bestimmt. Die Berührung des Eindringkörpers (11) am Prüfling erkennt die Steuereinheit durch einen momentanen Kraftanstieg. Bei einer Feststellung eines Kraftanstieges wird eine Verweilzeit eingehalten bzw. eine weitere Annäherung gestoppt (1 - 2 s), um zu überprüfen, ob die einen Kraftanstieg anzeigenden Signale statisch (durch das 15 Auftreffen) oder dynamisch (z. B. durch eine elektrische Störung) bedingt sind. Nach dem Aufsetzen dringt der Eindringkörper (11) mit definierter Kraftanstiegsgeschwindigkeit in die Probe ein. Dabei wird die Prüfkraft dauernd gemessen und ohne Überschwingen an den vorgewählten Wert herangeregelt. Die Prüfkraft wird sodann während der Meßdauer konstantgehalten und nach dem Prüfäblauf wird die Eindringspitze (11) wieder in die gesicherte Ruhestellung zurückgeführt. 20 Die Mikrohärteprüfeinrichtung besitzt die Form eines Objektives und kann daher an jedem üblichen Präzisionsmikroskop verwendet werden, wobei seine Funktion in jeder Einbaulage gegeben ist. Die Konstruktion des Doppelfederarmes (9) verhindert ein Verkippen bzw. Auswandern des Eindringkörpers (11) während des Eindrückvorganges und ermöglicht eine Bestimmung der Prüfkraft mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit. Der Meßbereich beträgt 0,005 p bis 200 p und überstreicht damit den gesamten Mikrohärte- und 25 Ultramikrohärtebereich (2 p - 200 p bzw. 0,005 p - 2 p). Es ist ein Einbau der Mikrohärteprüfeinrichtung in einen automatischen Meßplatz auf Grund der externen Vorwahlmöglichkeiten der Meßparameter (serielle Schnittstelle (23)) möglich; während der Messung liegt ein geschlossener Regelkreis vor und dadurch ein definierter Eindringvorgang (z. B. lineares Hochfahren der Prüfkraft) sowie ein exaktes Konstanthalten der Prüfkraft während der Eindrückdauer. 30 Nach der Beendigung des Prüfvorganges wird der Eindruck in der Probe vermessen, und die Meßdaten werden in die Auswerteinrichtung (19) eingegeben, in der die Berechnung der Härte in gewünschten Einheiten erfolgt 35 PATENTANSPRÜCHE 40 1. Mikrohärteprüfeinrichtung mit einem Eindringkörper, der über eine zumindest einen, vorzugsweise zwei oder vier, gegebenenfalls gegenüberliegende Dehnungsmeßstreifen tragende Federanordnung belastbar ist die von einer 45 Tauchspule eines Permanentmagnetsystems getragen ist, wobei die Signale der Dehnungsmeßstreifen bei Durchbiegung der Federanordnung als Meßsignal für die auf den Eindringkörper aufgebrachte Kraft in elektrische Signale umgesetzt und einer Regel- bzw. Auswerteeinheit zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5), das Permanentmagnetsystem (12,4,13) und die Federanordnung (8) sowie gegebenenfalls der Eindringkörper (11) in seiner Ruhelage von einem in den Objektivrevolver (16) eines Mikroskopes einsetz-50 bzw. einschraubbaren bzw. der Form und den Abmessungen eines Objektiveinsatzes angenäherten Gehäuse (2) umschlossen sind, daß der Eindringkörper (11) in der optischen Achse (27), die gegebenenfalls die Symmetrieachse des Gehäuses (2) bildet einjustierbar ist und daß der Auswerteeinheit (19) eine Steuereinheit (20) zugeordnet ist die gegebenenfalls einen Komparator aufweist, dem zum Vergleich die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen (10) als gegebener bzw. aufgebrachter Kraftistwert und ein eingespeicherter bzw. 55 vorgegebener Kraftsollwert zugeführt sind, und der gegebenenfalls eine Vorwähleinrichtung zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit des Eindringkörpers (11) an eine Probe bzw. zur Regelung der Stromversorgung der Tauchspule (5) aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Tauchspule (5) und dem 60 Eindringkörper (11) gelegene Federanordnung (8) im wesentlichen quer zur optischen Achse (27) verläuft und von zumindest einer Blattfeder (9) gebildet ist. -4- Nr. 390 514
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Federanordnung (8) an der Tauchspule (5) befestigt bzw. mit dieser über ein Zwischenstück (14) verbunden ist und das andere Ende der Federanordnung (8) den Eindringkörper (11) direkt oder über ein Zwischenstück (15) trägt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (8) in an sich bekannter Weise nach Art eines Parallellenkers zwei parallel angeordnete Blattfedern (9) besitzt und daß die jeweiligen Enden in den biegesteifen Zwischenstücken (14, 15) befestigt sind, wobei das eine Zwischenstück (14) an der Tauchspule (5) befestigt ist und das andere Zwischenstück (15) den Eindringkörper (11) trägt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der parallelen Blattfedern (9) die Tauchspule (5) seitlich überragen, das an der Tauchspule (5) befestigte Zwischenstück (14) seitlich auskragt und das den Eindringköiper (11) tragende Zwischenstück (15) radial ins Innere des Gehäuses (2) gerichtet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5) symmetrisch zur optischen Achse (27) angeordnet ist
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber dem Permanentmagnetsystem (12,4,13) verschiebbare Tauchspule (5) jeweils im Zentrum, von zwei übereinander im Gehäuse (2) angeordneten, durchbrochenen und an ihrem Umfang gehaltenen Federplatten bzw. -membranen (6,7) befestigt und damit in axialer Richtung geführt ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) von einem Gewindestück (1) zum Einschrauben in einen Objektivrevolver (16) getragen ist und an diesem Gewindestück (1) z. B. mittels Stellschrauben (17) justierbar bzw. seitlich verschiebbar gelagert ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5) ringförmig ausgebildet ist, wobei die innere und äußere Mantelfläche der ringförmigen Tauchspule (5) von dem Permanentmagnetsystem (12, 4,13) umgeben ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) eine Tauchspulenstromsteuereinrichtung, z. B. einen digitalen Regler, umfaßt, mit der der Strom durch die Tauchspule (5) in einem geschlossenen Regelkreis durch Verwendung des Meßsignales der Dehnungsmeßstreifen (10), insbesondere zur Anpassung des Kraftistwertes an den Kraftsollwert, regelbar ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gehäuses (2) , insbesondere im Bereich des Doppelfederaimes (9), eine Temperaturmeßeinrichtung (26), z. B. ein Thermistor, zur Messung der Temperatur der Federanordnung (8) vorgesehen ist, die an eine Kompensationsschaltung bzw. einen Vorverstärker (25) angeschlossen ist, in der bzw. dem die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des E-Moduls der Federanordnung (8) änderbar sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-