CH646255A5

CH646255A5 - Verfahren zur automatischen auswertung von eindruecken bei der haertepruefung von werkstoffen und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH646255A5
Application number: CH276680A
Authority: CH
Inventors: Hans-Dieter Dr Dipl-Ing Jacoby
Original assignee: Leitz Ernst Gmbh
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1980-04-10
Publication date: 1984-11-15
Also published as: GB2048467A; US4354761A; GB2048467B; DE2917971A1; JPS55154435A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Härteprüfung von Werkstoffen nach Vickers, bei welchem zur Erfassung der Grösse der Diagonalen eines im Werkstoff erzeugten Eindrucks die sich ändernde Flächenhelligkeit im Bild des Eindruckes fotoelektrisch abgetastet und ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Mit einem Verfahren bzw. Einrichtung dieser Art wird die Härte eines Werkstoffes dadurch ermittelt, dass die Abmasse eines von einer Prüfspitze im Werkstoff erzeugten Eindruckes zur Feststellung von deren Eindringtiefe festgestellt werden.

Zur Messung solcher Eindrücke ist es aus der US-PS 3 822 946 bekannt, den von einem Eindruckkörper im Werkstoff erzeugten Eindruck mittels eines optischen Strahls abzutasten und aus der Mehrfachreflexion dieses Strahles am Eindruck über ein Fotoelement elektrische Signale zu erzeugen, deren Amplitude nach logischer Verarbeitung proportional der Abmessung des Eindruckes ist.

Ausgehend von densitometrischen Verfahren ist es durch die DE-PS 721 918 bekannt, zur Ausmessung solcher Eindrücke in metallischen Werkstoffen unter Anwendung einer Dunkelfeldbeleuchtung den Spalt eines Selenzellenfotome-ters über den Eindruck zu führen und die Änderung der Flächenhelligkeit als Marke für Anfang und Ende der Mess-strecke zu benutzen.

Beide Einrichtungen benötigen zur Durchführung der Messung Beleuchtungseinrichtungen mit - wie im Falle des in der DE-PS 721 918 beschriebenen - besonderen Vorkehrungen. Dadurch wird der technische Aufwand für die Hilfsmittel sehr gross.

In der DE-OS 27 37 554 wird eine Vorrichtung zur Härteprüfung mit einer Einrichtung zum Messen der Diagonallänge des Eindrucks beschrieben, wobei ein Bildwandler vorgesehen ist, der mehrere lichtelektrische Wandlerelemente enthält, die in einer Bildebene angeordnet sind, auf welche über eine optische Einrichtung eine helle und dunkle Abbildung des Eindrucks abgebildet wird, und dass eine Einheit zur Feststellung der Diagonallänge des Eindruckes abhängig vom Ausgangssignal des Bildwandlers vorgesehen ist.

Voraussetzung für den Erhalt exakter Messergebnisse aus dieser Einrichtung ist aber eine Homogenität der lichtelektrischen Wandlerelemente des Bildwandlers, die herstellungs-mässig kaum erreichbar ist. Dies bedeutet aber entweder unter Umständen verfälschte Messwerte oder teures und aufwendiges Auswählen der Wandlerelemente.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen Auswertung von Eindrücken bei der Härteprüfung von Werkstoffen anzugeben, mit denen die Nachteile der zum Stand der Technik beschriebenen Einrichtungen vermieden wird und mit denen eine objektivierte Messung der Grösse des Härteeindrucks ohne genaue Justierung des Werkstückes zum Messgerät durchführbar ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe für ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass a) eine in zwei Koordinatenrichtungen wirkende Blende parallel zu einer Diagonalen des zu vermessenden Eindrucks über das Bild des Eindruckes bewegt wird,

b) aus den während der Abtastbewegung durch die Blende hindurchtretenden, sich infolge unterschiedlicher Flächenhelligkeit ändernden Lichtflüsse entsprechende elektrische Signale erzeugt werden,

c) aus diesen Signale die Lage der angetasteten, die Eindrucksdiagonale bestimmenden Kanten sowie das Mass der Abtastbewegung der Blende von Kante zu Kante ermittelt werden und d) anschliessend aus diesen Grössen der Härtegrad des Werkstoffes rechnerisch bestimmt wird.

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Zur Durchführung eines solchen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die durch nachstehende Merkmale gekennzeichnet ist:

a) eine mit wenigstens einem in zwei Koordinatenrichtungen wirkenden Schlitz ausgestattete, in der Ebene des Eindruckbildes angeordnete Blende,

b) eine Vorrichtung,, mit der zwecks Antastung der die Eindrucksdiagonale bestimmenden Kanten die Blende über das Eindrückbild führbar ist,

c) eine Messeinrichtung mit Zähler, welche die Bewegung der Vorrichtung misst und die Werte im Zähler abspeichert,

d) wenigstens ein der Blende zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem, welches den durch die Blende hindurchtretenden, variierenden Lichtflüssen entsprechende elektrische Signale erzeugt,

e) eine Filterstufe zur Differenzierung der vom fotoelektrischen Empfängersystem erzeugten Signale,

f) Schaltstufen zur Steuerung des Zählers in Abhängigkeit von den differenzierten Signalen und g) einen Rechner, in welchem unter Berücksichtigung der Abmessungen der Schlitze aus den aus dem Zähler abgerufenen Werten die Lage der Kanten des Eindrucks und die Grösse der Eindrucksdiagonalen ermittelt werden.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die die Blende führende Vorrichtung der Schlitten eines Messiisches ist und dass als Messeinrichtungen ein Längenschrittgeber bekannter Art vorgesehen ist.

Es wird ferner vorgeschlagen, dass als elektronische Schaltstufen zur Erzeugung von Koinzidenzsignalen Trigger verwendet sind.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Blende mit zwei Schlitzen versehen ist, die einen Winkel einschliessen, der dem von benachbarten Kanten des Eindrucks gebildeten Winkel angepasst ist.

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Blende zwei winklig geformte Schlitze aufweist, welche sich diametral gegenüberliegen und deren benachbarte Schenkel je einen Winkel einschliessen, der dem von benachbarten Eindruckskanten eingeschlossen angepasst ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt und im Nachstehenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemessen Einrichtung,

Fig. 2,2a und 3 Ausführungsbeispiele für eine Blende,

Fig. 4 Antaststellungen der Blende,

Fig. 5 Lichtflussdiagramm bei Blendenverschiebung und

Fig. 6 ein aus der Antastung entstehende Signaldiagramm.

In Fig. 1 wird zur Ermittlung der Härte eines Werkstoffes 1 ein in diesem erzeugter Eindruck 2 über ein abbildendes System 3 in eine Bildebene 4 abgebildet. In dieser Bildebene 4 befindet sich eine Blende 5, die mit dem Schlitten 6 eines nicht weiter mitdargestellten Messtisches gekoppelt ist und von diesem über das in der Bildebene 4 entworfene Bild des Eindruckes 2 geführt wird.

Zur Vermessung dieser Bewegung ist dem Schlitten 6 ein an sich bekannter Längenschrittgeber 7 mit einem Zähler 8 zugeordnet. Der Antrieb des Schlittens 6 erfolgt durch einen Motor 9 über ein zwischen diesem und den Schlitten 6 geschaltetes Getriebe 10.

Die Blende 5 ist gemäss den Fig. 2,2a und 3 ausgebildet. In Fig. 2 bzw. 2a besteht sie aus einem 5g bzw. zwei Schlitzen 5a und 5b. Diese bilden einen Winkel, der dem angepasst ist, der durch benachbarte Kanten des Eindrucks 2 eingeschlossen wird.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Blende 5. Hier wird diese aus achssymmetrisch angeordneten Schlitzen 5c-5f gebildet, von denen die sich gegenüberliegenden Schlitze 5c und 5e bzw. 5d und 5f parallel verlaufen und die benachbarten Schlitze 5c und 5d bzw. 5a und 5f einen Winkel einschliessen, der dem angepasst, der durch die entsprechenden benachbarten Kanten im Eindruck 2 gebildet wird.

Die den Fig. 2, 2a, und 3 gemäss Blende 5 ist zum Eindruck 2 so orientiert, dass die in diesen Figuren mit Doppel-, pfeilen A bezeichnete Richtung mit der Diagonalen des Eindrucks 2 zusammenfällt. Eine exakte Ausrichtung von Blende 5 und Eindruck 2 ist nicht zwingend erforderlich, wäre jedoch ohnehin mit dem Okular des nicht mit dargestellten Härteprüfers möglich.

Wird mit der Bewegung des Schlittens 6 die Blende 5 über das Bild des Eindruckes 2 geführt, werden die durch die Blende 3 hindurchtretenden Lichtflüsse über ein Kondensorsystem 11 zu einem fotoelektrischen Empfängersystem 12 geleitet.

Bei Betrachtung des Eindruckes 2 bzw. seines Bildes erscheint dieser dunkler als das Umfeld, da das von den Ein-drucksflächen reflektierte Licht nur zum geringen Teil in das abbildende System 3 gelangt.

Bei Bewegung der Blende 5 über das Bild des Eindruckes 2 hinweg wird sich daher der zum fotoelektrischen Empfängersystem 12 gelangende Lichtfluss verändern. Und zwar ist er geringer, wenn sich die Blende 5 über dem Eindruck 2 bzw. über dessen Bild befindet, als wenn die Blende 5 vor oder hinter dem Eindruck 2 bzw. dessen Bild ist. Demgemäss ändern sich auch die vom fotoelektrischen Empfängersystem 12 aufgrund der Lichtbeaufschlagung erzeugten elektrischen Signale.

Eine besonders ausgeprägte Änderung im Signal tritt bei der Antastung einer Kante des Eindrucks 2 durch die Blende 5 ein. Die Orte der Signaländerungen müssen lokalisiert werden.

Dazu ist, wie bereits weiter oben beschrieben, dem Schlitten 6 des nicht näher bezeichneten Messtisches der Längenschrittgeber 7 zugeordnet, der die Bewegung der vom Schlitten 6 über den Eindruck 2 bzw. dessen Bild geführte Blende 5 misst. Die vom Längenschrittgeber 7 ermittelten Werte werden seinem angeschlossenen Zähler 8 zugeführt.

Bei Anschneiden einer Eindruckkante, d.h. bei Auftretên eines ausgeprägten Abfalles im Lichtfluss und damit einer Änderung im Ausgangssignal des fotoelektrischen Empfängersystems 12 muss der im Zähler 8 anstehende Wert abgerufen werden. Das geschieht dadurch, dass das Ausgangssignal des fotoelektrischen Empfängersystems 12 über einen Signalverstärker 13 einer Filterstufe 14 zugeführt wird, welche die grösste Änderung im Signal nach der positiven wie nach der negativen Seite feststellt. Diese Änderungen im Signal werden benutzt, um die im Zähler 8 anstehenden Werte abzurufen. Abgerufen werden die Werte durch Trigger 15 und 16, von denen Trigger 15 die negative Position und Tripper 16 die positive Position dadurch schaltet, dass sobald die Spannung am Ausgang der Filterstufe 14 den Schwellwert der Trigger 15 und 16 übersteigt, diese ebenfalls ihr Ausgangssignal ändern. Diese Signaländerung wird als Koinzidenzsignal zum Abruf des Zählers 8 benutzt. Die Werte werden in einem Rechner 17 abgespeichert. Unter Berücksichtigung der Strecke «a» des Abtastspaltes 5 wird die Länge «1» der Eindruckdiagonalen errechnet.

Eine bessere und eindeutigere Lokalisierung der Kanten des Eindrucks 2 lässt sich damit erreichen, dass, wie in Fig. 4 gezeigt, zwischen Eindruck 2 und Blende 5 ein beabsichtigter Versatz «V» herbeigeführt wird. Dabei tritt bei Antasten der Eindruckskanten 2a-2d durch die Schlitze 5c-5f der Blende 5 die Änderung der Lichtflüsse immer mit einem zeitlichen Abstand auf (Fig. 5).

Die Signalgewinnung erfolgt damit folgendermassen:

Die Bewegung der Blende 5 mittels des Schlittens 6 über

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das Bild des Eindruckes 2 in der Bildebene 4 wird durch den Längenschrittgeber 7 gemessen und die dabei erzeugten Zählimpulse dem Zähler 8 zugeführt.

Nun muss zum Zeitpunkt der Antastung der Eindruckskante 2a, d.h. bei Auftreten des markanten Lichtflussabfalles, der vom Längenschrittgeber 7 in den Zähler 8 gegebene Wert abgerufen werden.

Dies wird durch das vom fotoelektrischen Empfängersystem 12 aufgrund der Lichtbeaufschlagung aus dem Bild des Eindruckes 2 erzeugte elektrische Signal bewirkt, welches durch den Signalverstärker 13 vorverstärkt der Filterstufe 14 zugeführt wird.

Der gleiche Vorgang wiederholt sich beim Antasten der Eindruckskanten 2b-2d. Wie die Fig. 5 zeigt, hat das Signal seine höchsten Spitzen, wo der durch vom Eindruck 2 ausgehende Lichtfluss seine grössten Änderungen aufweist. Das heisst bei der Antastung der Kanten 2a-2d. Und zwar ist das Signal bei 2a und 2b negativ, d.h. die Stärke des Lichtflusses nimmt ab, und bei 2c und 2d positiv, d.h. die Stärke des Lichtflusses nimmt zu.

Aus diesem Grunde sind, wie bereits weiter oben beschrieben, die beiden Trigger 15 bzw. 16 als Plus- bzw. Minustrigger ausgelegt. Sobald die Spannung am Ausgang der Filterstufe 14 den Schwellwert der Trigger 15 bzw. 16 5 überschreitet, ändern diese ebenfalls ihr Ausgangssignal. Diese Signaländerung wird als Koinzidenzsignal zum Abruf des Zählers 8 benutzt.

Die vier ermittelten Werte werden in einem Rechner 17 gespeichert. In diesem wird zunächst ein Mittelwert xo aus 10 den Werten der Antastung der Eindruckskanten 2a und 2b gebildet. Dieser repräsentiert die Lage der oberen Hälfte des Eindruckes 2. Aus den Werten aus der Antastung der Kanten 2c und 2d wird ein Mittelwert xu für den unteren Teil des Eindruckes 2 ermittelt.

's Zur Bestimmung der tatsächlichen Grösse des Eindruckes 2 muss noch berücksichtigt werden, dass die in den Fig. 2,2a und 3 dargestellte Blende 5 selbst eine Diagonale der Grösse «a» besitzt. Das bedeutet, die Länge «1» der Eindrucksdiagonale berechnet sich aus der Formel

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1 = a — (xo —xu).

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur automatischen Auswertung eines Eindruckes bei der Härteprüfung eines Werkstoffes nach Vickers, bei welchem zur Erfassung der Grösse als Diagonalen des im Werkstoff erzeugten Eindruckes ein Bild desselben erzeugt und die sich ändernde Flächenhelligkeit im Bild des Eindruk-kes fotoelektrisch abgetastet und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine in zwei Koordinatenrichtungen wirkende Blende parallel zu einer Diagonalen des zu vermessenden Eindruckes über das Bild des Eindruckes bewegt wird;

b) aus den während der Abtastbewegung durch die Blende hindurchtretenden, sich infolge unterschiedlicher Flächenhelligkeit ändernden Lichtflüssen entsprechende elektrische Signale erzeugt werden;

c) aus diesen Signalen die Lage der angetasteten, die Eindrucksdiagonale bestimmenden Kanten sowie das Mass der Abtastbewegung der Blende von Kante zu Kante ermittelt werden und d) anschliessend aus diesen Grössen der Härtegrad des Werkstoffes rechnerisch bestimmt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) eine mit wenigstens einem in zwei Koordinatenrichtungen wirkenden Schlitz (5g; 5a, 5b, 5c-5t) ausgestattete, in der Ebene (4) des Eindrucksbildes angeordnete Blende (5);

b) eine Vorrichtung (6), mit der zwecks Antastung der die Eindrucksdiagonale (1) bestimmenden Kanten (2a-2d) die Blende über das Eindrucksbild führbar ist;

c) eine Messeinrichtung (7) mit Zähler (8), welche die Bewegung der Vorrichtung (6) misst und die Werte im Zähler (8) abspeichert;

d) wenigstens ein der Blende (5) zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem (12), welches den durch die Blende (5) hindurchtretenden variierenden Lichtflüssen entsprechende elektrische Signale erzeugt;

e) eine Filterstufe (14) zur Differenzierung der vom fotoelektrischen Empfängersystem (12) erzeugten Signale;

f) Schaltstufen (15,16) zur Steuerung des Zählers (8) in Abhängigkeit von den differenzierten Signalen und g) einen Rechner (17), in welchem unter Berücksichtigung der Abmessungen der Schlitze (5a, 5b, 5c, 5f, 5d, 5e) der Blende (5) aus den aus dem Zähler (8) abgerufenen Werten die Lagen der Kanten (2a-2d) des Eindrucks (2) und die Grösse der Eindrucksignalen ermittelt werden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Blende (5) führende Vorrichtung der Schlitten (6) eines Messtisches ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung (7) ein Längenschrittgeber vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltstufen zur Erzeugung von Koinzidenzsignalen Trigger (15,16) verwendet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Antastung der die Eindrucksdiagonale bestimmenden Kanten (2a, 2d) die Blende (5) mit zwei voneinander getrennten, einen Winkel einschliessenden Schlitzen (5a, 5b) versehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Antastung der die Eindrucksdiagonale bestimmenden Kanten (2a-2d) die Blende (5) zwei winklig geformte Schlitze (5c, 5f ; 5d, 5e) aufweist, welche sich diametral gegenüberliegen und deren benachbarte Schenkel je einen Winkel einschliessen.