DE102008034134A1

DE102008034134A1 - Device for producing impression in investigation material for hardness test, has driving motor that is functionally formed as direct actuating element

Info

Publication number: DE102008034134A1
Application number: DE200810034134
Authority: DE
Inventors: Fritz Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-01-28

Abstract

The device (1) has a driving motor (4) that is functionally formed as direct actuating element. The driving motor has a retaining moment between rotor and stator in different positions. A servo loop is formed by a controlling and evaluation device (15), a power sensor and the driving motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial für eine Härteprüfung. Hierbei weist die Vorrichtung einen Eindringkörper und einen Antriebskörper zum Erzeugen einer Kraft auf, um den Eindringkörper in die Oberfläche des Untersuchungsmaterials zu drücken. Der Antriebsmotor ist mit einem Rotor und einem Stator ausgeführt. Ferner ist ein Kraftsensor vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist, um Informationen über die Kraft zu ermitteln, mit der der Eindringkörper in, beziehungsweise auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials gedrückt wird. Zum Steuern und/oder Regeln des Antriebsmotors mittels der von dem Kraftsensor ermittelten Informationen ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen.The The invention relates to a device for producing an impression in a study material for a hardness test. in this connection the device has an indenter and a drive body for Generating a force on the indenter into the surface of the To push investigation material. The drive motor is designed with a rotor and a stator. Further a force sensor is provided which is adapted to information about determine the force with which the indenter in, or on the surface of the examination material becomes. For controlling and / or regulating the drive motor by means of Information determined by the force sensor is a control and Evaluation provided.

Härteprüfungen werden beispielsweise zur Qualitätssicherung durchgeführt, um festzustellen, ob zu untersuchende Materialien die erforderlichen Qualitätsstandards erfüllen. Grundsätzlich wird bei einer Härteprüfung die mechanische Festigkeit von dem zu untersuchenden Material ermittelt. Es gibt verschiedene Härteprüfverfahren. Bei den meisten wird ein Eindringkörper in das zu untersuchende Material eingedrückt. Dies geschieht insbesondere mit einer definierten konstanten Kraft. Anschließend wird je nach verwendetem Prüfverfahren der erzeugte Eindruck ausgewertet. Beispielsweise wird gemessen, wie tief der Eindringkörper eingedrungen ist oder wie groß die Eindruckoberfläche auf dem Untersuchungsmaterial ist.Hardness tests are for example, for quality assurance carried out, to determine if the materials to be tested meet the required quality standards fulfill. in principle is used in a hardness test the determined mechanical strength of the material to be examined. There are different hardness test methods. For most, an indenter is in the examined Material pressed in. This happens in particular with a defined constant force. Subsequently depends on the test method used evaluated the impression generated. For example, it is measured how deep the indenter has penetrated or how big the impression surface is on the examination material.

Es sind entsprechende Normen erlassen worden, um den genauen Ablauf unterschiedlicher Härteprüfverfahren zu definieren. Hierbei ist meist festgelegt, dass der Eindringkörper mit einer bestimmten Kraft über eine bestimmte Zeit auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials gedrückt werden muss. Die aufzubringende Kraft, wie auch die Länge der Einwirkzeit, hängt vom verwendeten Prüfverfahren wie auch vom zu untersu chenden Material ab. So wird beispielsweise bei einer Härteprüfung von Oberflächenbeschichtungen mit geringeren Eindruckkräften gearbeitet, als dies bei einer Untersuchung von Materialien ohne Oberflächenbeschichtungen der Fall ist.It Appropriate standards have been adopted to the exact procedure different hardness test methods define. Here it is usually determined that the indenter with a certain force over a certain time on the surface of the examination material be pressed got to. The applied force, as well as the length of the exposure time depends on used test methods as well as the material to be investigated. For example at a hardness test of surface coatings with less impressions worked than this when investigating materials without surface coatings the case is.

In der Idealvorstellung wird eine Härteprüfung derart durchgeführt, dass auf einen Eindringkörper Gewichte, die der aufzubringenden Kraft entsprechen, angebracht werden. Über den Eindringkörper wirken dann die Gewichtskraft der Gewichte auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials, so dass der Eindringkörper in das Untersuchungsmaterial eindringt. Mit diesem Verfahrensablauf ist es allerdings nicht möglich, eine große Anzahl von Härteprüfungen durchzuführen, da die Schritte der Prüfung nicht automatisiert beziehungsweise nur sehr schwer automatisierbar sind.In The ideal is a hardness test such carried out, that on an indenter Weights appropriate to the applied force attached become. about act on the indenter then the weight of the weights on the surface of the Examination material, allowing the indenter into the specimen penetrates. However, with this procedure, it is not possible, a size Number of hardness tests to perform since the steps of the exam not automated or very difficult to automate are.

Daher werden im Stand der Technik Vorrichtungen verwendet, welche als Härteprüfer bezeichnet werden. Hierbei wird über einen Motor eine Kraft auf einen Eindringkörper ausgeübt, so dass der Eindringkörper auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials gedrückt wird. Zusätzlich ist ein Kraftsensor vorgesehen, mit dem die Kraft beziehungsweise Informationen zu der Kraft ermittelt werden, die durch den Antriebsmotor ausgeübt wird. Über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung wird der Antriebsmotor angesteuert, wobei bei dieser Ansteuerung die Informationen des Kraftsensors zur momentan aufgebrachten Kraft berücksichtigt werden.Therefore In the prior art devices are used which as Hardness tester called become. This is about a motor exerted a force on an indenter, so that the indenter on the surface of the examination material becomes. additionally a force sensor is provided with which the force or Information about the force can be determined by the drive motor exercised becomes. about a control and evaluation device, the drive motor is driven, wherein in this control, the information of the force sensor be taken into account for the momentarily applied force.

Ein Erzeugen eines Eindruckes kann demnach wie folgt zusammengefasst werden. Das Untersuchungsmaterial wird unterhalb des Eindringkörpers, beispielsweise auf einem Probenträger, platziert. Anschließend wird der Motor durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung gesteuert, so dass er den Eindringkörper in Richtung des Untermaterials absenkt. Sobald der Eindringkörper die Oberfläche des Untersuchungsmaterials berührt, steigt die im Kraftsensor gemessene Kraft an, welche im Wesentlichen der Kraft entspricht, mit der der Eindringkörper auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials gedrückt wird. Nun regelt die Steuer- und Auswerteeinheit, basierend auf der durch den Kraftsensor ermittelten Kraft, den Antriebsmotor derart, dass eine definierte konstante Kraft vom Kraftsensor ermittelt wird.One Creating an impression can therefore be summarized as follows become. The examination material is below the indenter, for example on a sample carrier, placed. Subsequently the motor is controlled by the control and evaluation device, so that he has the indenter lowers in the direction of the lower material. As soon as the indenter the surface touched on the examination material, increases the force measured in the force sensor, which is essentially the Force corresponds to that of the indenter to the surface of the Test material pressed becomes. Now controls the control and evaluation, based on the force determined by the force sensor, the drive motor in such a way, that a defined constant force is determined by the force sensor.

Somit kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass der Eindringkörper mit der definierten konstanten Kraft in die Oberfläche des Untersuchungsmaterials eingedrückt wird. Beim weiteren Eindringen des Eindringkörpers in die Oberfläche des Untersuchungsmaterials muss der Antriebsmotor über die Steuer- und Auswerteeinrichtung nachgeregelt werden, so dass die Kraft im Wesentlichen konstant bleibt. Nach Ablauf einer definierten Einwirkzeit, welche auch als Prüfzeit bezeichnet wird, wird der Motor über die Steuer- und Auswerteeinrichtung angesteuert, den Eindringkörper wieder aus dem Untersuchungsmaterials herauszuziehen beziehungsweise zurückzufahren. Nachfolgend wird der Eindruck ausgewertet, um die Härte des Materials zu bestimmen. Anschließend kann das Erzeugen eines Eindrucks mit einem neuen Untersuchungsmaterial erneut begonnen werden.Consequently The conclusion can be drawn that the indenter with the defined constant force in the surface of the examination material pressed becomes. Upon further penetration of the indenter in the surface of the The drive motor must be readjusted via the control and evaluation device so that the force remains essentially constant. To Expiration of a defined exposure time, which is also referred to as test time is, the engine is over the control and evaluation device controlled, the indenter again withdraw from the examination material or drive back. Subsequently, the impression is evaluated to the hardness of the Determine material. Subsequently, the generation of an impression be started again with a new study material.

Herkömmlicherweise werden als Antriebsmotoren Gleichstrommotoren verwendet, welche eine komplexe Ansteuerung über die Steuer- und Auswerteeinrichtung benötigen. Bei der bekannten Ansteuerung ergibt sich eine relativ langsame Regelzeit, so dass der Motor nur relativ langsam betrieben werden kann. Hierdurch dauert es relativ lange, bis der Eindringkörper derart weit abgesenkt wurde, bis der Eindringkörper die Oberfläche des Untersuchungsmaterials berührt. Zusätzlich wird auch die Regelung, welche benötigt wird, um die konstante definierte Kraft zu erreichen, relativ langsam ausgeführt, wodurch sich die Gesamtzeit zum Durchführen einer Härteprüfung ebenfalls erhöht.Conventionally, DC motors are used as drive motors, which require complex control via the control and evaluation. In the known control results in a relatively slow control time, so that the engine can be operated only relatively slowly. This takes a relatively long time until the indenter has been lowered so far until the indenter touches the surface of the specimen. In addition, the control required to achieve the constant defined force is also made relatively slow, which also increases the overall time to perform a hardness test.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das Erzeugen eines Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial für eine Härteprüfung beschleunigt werden kann.Of the Invention has the object to provide a device, with the making of an impression in a specimen for one Hardness test speeds up can be.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial für eine Härteprüfung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a device for producing an impression in a study material for a hardness test with the features of claim 1 solved.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren und deren Erläuterung angegeben.Further advantageous embodiments are in the dependent claims, the description and the figures and their explanation.

Gemäß dem Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der Antriebsmotor funktionsmäßig als direktes Stellglied ausgebildet ist. Ferner weist der Antriebsmotor einen Haltemoment zwischen Rotor und Stator auf. Dieses Haltemoment liegt zwischen dem Rotor und dem Stator bei unterschiedlichen Stellungen zueinander an. Außerdem ist eine Regelschleife über die Steuer- und Auswerteeinrichtung, den Kraftsensor und den Antriebsmotor ausgebildet. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist derart weitergebildet, dass sie die Informationen des Kraftsensors als Regelgröße und die Stellung des Rotors zum Stator des Antriebsmotors als Stellgröße im Rahmen der Regelschleife verarbeitet.According to the claim 1 it is provided that the drive motor functionally as direct actuator is formed. Furthermore, the drive motor a holding torque between the rotor and stator. This holding moment lies between the rotor and the stator at different positions to each other. Furthermore is a control loop over the Control and evaluation device, the force sensor and the drive motor educated. The control and evaluation device is developed such that They the information of the force sensor as a controlled variable and the Position of the rotor to the stator of the drive motor as manipulated variable in the frame processed the control loop.

Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines Eindrucks in einem Untersuchungsmaterial für eine Härteprüfung derart weiterzubilden, dass die Zeitspanne vom Beginn des Ansteuern beziehungsweise Antreibens des Motors bis zum Ende der Eindringzeit verringert wird. Dies wird ermöglicht, indem der Antriebsmotor zur Funktion als direktes Stellglied ausgebildet ist. Hierbei ermittelt die Steuer- und Auswerteeinrichtung aus den Informationen des Kraftsensors Daten, die zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Antriebmotors verwendet werden. Als Informationen des Kraftsensors, der auch als Kraftmesser bezeichnet wird, kann beispielsweise die aufgewandte Kraft zu einem bestimmten Zeitpunkt, eine Durchschnittskraft oder der Verlauf der Kraft angesehen werden. Als aufgewandte Kraft kann die Kraft verstanden werden, mit der der Eindringkörper in die Oberfläche des Untersuchungsmaterials gedrückt wird.One The basic idea of the invention can be seen therein, a generic device for Producing an impression in a test material for a hardness test in such a way educate that the time from the beginning of the driving or Driving the motor is reduced until the end of the penetration time. This is made possible in that the drive motor is designed to function as a direct actuator is. In this case, the control and evaluation determined from the Information of the force sensor data that is used to control or Control of the drive motor can be used. As information of the Force sensor, which is also referred to as a dynamometer, for example the applied force at a given time, an average power or the course of the force. As an expended force can be understood the force with which the indenter in the surface of the examination material becomes.

Als Stellgröße, welche durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung beeinflusst wird, ist erfindungsgemäß die Stellung des Rotors des Antriebsmotors zum Stator vorgesehen.When Manipulated variable, which is influenced by the control and evaluation is according to the invention the position provided the rotor of the drive motor to the stator.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, eine Regelschleife über den Kraftsensor, die Steuer- und Auswerteeinrichtung und den Antriebsmotor auszubilden. In dieser Regelschleife werden Informationen zu der über den Eindringkörper auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials ausgeübten Kraft ermittelt und in der Steuer- und Auswerteeinrichtung bewertet. In der Steuer- und Auswerteeinrichtung wird untersucht, ob die anliegende Kraft ausreichend ist, oder ob der Eindringkörper mit einer höheren Kraft eingedrückt werden muss. Entsprechend der Schlussfolgerung weist die Steuer- und Auswerteeinrichtung den Motor an, sich weiter zu drehen oder stehen zu bleiben. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Anweisung, die sich auf die Stellung des Rotors des Motors zu seinem Stator bezieht, ausgeführt.For this It is inventively provided, a Control loop over form the force sensor, the control and evaluation device and the drive motor. In this control loop, information about the over the indenter on the surface of the examination material Determined force and evaluated in the control and evaluation. In the control and evaluation is examined whether the adjacent Power is sufficient, or whether the indenter with a higher force pressed must become. According to the conclusion, the tax and evaluation the engine to continue to turn or stand to stay. This is inventively by an instruction that refers to the position of the rotor of the motor to its stator, executed.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass es in jeder beliebigen Stellung zwischen dem Rotor und dem Stator Haltemomente gibt. Bei einem Antriebsmotor, der dieses Merkmal aufweist, ergibt sich der Vorteil, dass eine Kraft, die durch den Antriebsmotor aufgebracht wird, ohne weitere zusätzliche Regelungen und Steuerungen aufrechterhalten werden kann. Hierbei ist bei der Dimensionierung der Haltemomente darauf zu achten, dass diese größer als die maximal aufzubringende Kraft sein sollten.One Another basic idea of the invention can be seen in that it holds in any position between the rotor and the stator holding moments gives. In a drive motor having this feature results the advantage that a force that is applied by the drive motor, without further additional Regulations and controls can be maintained. in this connection When dimensioning the holding moments, make sure that this larger than should be the maximum applied force.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den Antriebsmotor selbst regelschleifenlos auszuführen. Hierdurch liegt eine direkte Steuerung des Antriebsmotors durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung vor, so dass keine weitere motorinterne Regelung notwendig beziehungsweise vorhanden ist. So ergibt sich ein schnelleres Durchführen der durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung angewiesenen Änderungen. Außerdem muss nicht auf ein etwaiges Steuerverhalten einer motorinternen Steuerung beziehungsweise Regelung geachtet werden.In an advantageous embodiment The invention is provided, the drive motor itself without loops perform. As a result, there is a direct control of the drive motor the control and evaluation before, so no further engine internal Regulation is necessary or available. That's how it turns out a faster execution the changes instructed by the control and evaluation device. In addition, must not on a possible control behavior of an engine-internal control or regulation are respected.

Bevorzugt ist der Antriebsmotor als Schrittmotor ausgeführt, welcher beispielsweise eine Skalierung von mindestens 3.000 Schritten pro Umdrehung des Rotors aufweist. Bevorzugt ist hierbei eine Skalierung im Bereich von 3.200 Schritten pro Umdrehung. Mit einem derartigen Schrittmotor ist es möglich, die aufzubringende Kraft exakt zu dosieren. Auch benötigt ein Schrittmotor keine interne Regelung mit Rückkopplung, um die angewiesene Position zu erreichen. Es ist ausreichend, wenn der Schrittmotor angewiesen wird, eine bestimmte Anzahl von Schritten in eine bestimmte Drehrichtung zu drehen. Hierdurch ist es für die Steuer- und Auswerteeinrichtung möglich, anhand der vorgegebenen Schritte pro Umdrehung sowie der weiteren Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Folgen eines Drehens um einen Schritt zu prognostizieren, so dass ein schnelles und zügiges Erreichen der maximal geforderten Kraft relativ einfach möglich ist. Zusätzlich weisen die meisten Schrittmotoren ein Haltemoment zwischen Rotor und Stator bei jedem Schritt auf.Preferably, the drive motor is designed as a stepper motor, which has, for example, a scaling of at least 3,000 steps per revolution of the rotor. In this case, a scaling in the range of 3,200 steps per revolution is preferred. With such a stepper motor, it is possible to meter the force to be applied exactly. Also, a stepper motor does not need an internal feedback control to reach the commanded position. It is sufficient if the stepper motor is instructed to turn a certain number of steps in a certain direction of rotation. This makes it possible for the control and evaluation, based on the given steps per Rotation and the other components of the device according to the invention to predict the consequences of turning by one step, so that a quick and rapid achievement of the maximum required force is relatively easy. In addition, most stepper motors have a rotor-stator retention torque at each step.

Grundsätzlich kann es sich um einen analog ansteuerbaren Antriebsmotor handeln. Da es jedoch vorteilhaft ist, die Steuer- und Auswerteeinrichtung beispielsweise durch eine Recheneinheit wie einen PC auszuführen, ist es bevorzugt, wenn der Antriebsmotor digital ansteuerbar ist. Hierdurch entfallen zusätzliche Analog- und Digitalwandler, welche ebenfalls eine Berechnungs- beziehungsweise Umwandlungszeit für die Digital-Analog-Umrechnung benötigen. Außerdem ergibt sich hierdurch insbesondere bei einer Verwendung mit einem Schrittmotor der Vorteil, dass die Schritte digital angesteuert werden können und auch im Schrittmotor digital verarbeitet werden können, so dass eine Anweisung zum Drehen einer bestimmten Anzahl von Schritten definiert übertragen werden kann.Basically it can be an analog controllable drive motor. There However, it is advantageous, the control and evaluation, for example by an arithmetic unit such as a PC, it is preferable if the drive motor is digitally controllable. This eliminates additional Analog and digital converter, which also a calculation or Conversion time for the digital-to-analogue conversion need. Furthermore This results in particular when used with a Stepper motor has the advantage that the steps are digitally controlled can be and also in the stepper motor can be digitally processed, so that an instruction to rotate a certain number of steps defined transfer can be.

Es ist bevorzugt, wenn die Steuer- und Auswerteeinrichtung für eine asymptotische Annäherung der Regelgröße an eine Sollgröße ausgelegt ist. Hierbei kann es sich bei der Sollgröße um die gewünschte aufzubringende Kraft handeln, wobei die Regelgröße die am Kraftsensor momentan anliegende Kraft ist. Je nach Auslegung des Härteprüfers ist es eventuell notwendig, die vom Kraftsensor ermittelte Information zu der Kraft mit einer Korrekturkennlinie oder entsprechenden Faktoren zu gewichten.It is preferred if the control and evaluation device for an asymptotic Approaching the Controlled variable to one Target size designed is. This may be the desired size to be applied to the desired size Act force, the controlled variable is the am Force sensor is currently applied force. Depending on the design of the Hardness tester is it may be necessary, the information determined by the force sensor to the force with a correction characteristic or corresponding factors to weight.

Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann dann zum Ausführen einer PID-Regelung ausgelegt sein. Hierbei kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung speziell für diesen Zweck aufgebaut sein und im Wesentlichen hardwarebasiert realisiert werden. Es ist aber ebenso möglich, die Funktion der Steuer- und Auswerteeinrichtung durch einen angeschlossenen Rechner, beispielsweise einen PC, zu verwirklichen, auf dem eine entsprechende Software installiert ist.The Control and evaluation can then perform a Be designed PID control. Here, the control and evaluation especially for be constructed this purpose and essentially based on hardware will be realized. But it is also possible to change the function of the tax and evaluation by a connected computer, for example a PC, on which the appropriate software is installed.

Beim Aufbringen der Kraft auf die Oberfläche des Untersuchungsmaterials über den Eindringkörper ist es wichtig, dass die aufzubringende Prüfkraft zu keinem Zeitpunkt beim Erstellen des Eindrucks überschritten wird. Daher ist es bevorzugt, wenn die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum überschwingungsfreien Regeln der Regelgrößen ausgelegt ist. Hierdurch wird erreicht, dass eine gültige Messung durchgeführt wird. Anderenfalls müsste, wenn die Prüfkraft überschritten würde, die Messung abgebrochen werden und erneut ausgeführt werden, da der erzeugte Eindruck nicht mehr für eine Härtebestimmung verwendet werden könnte. Außerdem müsste zumindest eine andere Stelle des zu untersuchenden Materials für das Erzeugen des Eindrucks gewählt werden.At the Applying the force to the surface of the specimen over the indenter It is important that the test load to be applied at no time exceeded when creating the impression becomes. Therefore, it is preferred if the control and evaluation to the overshoot-free Rules of the control variables designed is. This ensures that a valid measurement is performed. Otherwise, would have, if the test load exceeded would, the measurement will be aborted and run again because the generated Impression no longer for a hardness determination could be used. Furthermore would at least have to another location of the material to be examined for generating of the impression to be chosen.

Um eventuelle Schwingungen oder Stöße, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beispielsweise bedingt durch den Antriebsmotor, abfedern zu können, kann ein elastisches Element zwischen dem Antriebsmotor und dem Eindringkörper vorgesehen sein. Hierbei wird bevorzugt ein lineares, elastisches Element verwendet. Außerdem sind die entsprechenden Elastizitätskoeffizienten von der Steuer- und Auswerteeinrichtung zu berücksichtigen, so dass die Koeffizienten in die Regelung beziehungsweise Steuerung des Motors miteinfließen.Around possible vibrations or shocks that in the device according to the invention, For example, due to the drive motor to be able to cushion, can an elastic element may be provided between the drive motor and the indenter. In this case, a linear, elastic element is preferably used. Furthermore are the corresponding coefficients of elasticity of the tax and To consider the evaluation device so that the coefficients in the scheme or control of the engine.

Bevorzugt wird ein Rotationsmotor als Antriebsmotor verwendet, an dem eine Spindel mit einer entsprechenden Spindelmutter angebracht ist, so dass eine weitere Untersetzung der Drehung des Motors erreicht wird. Ebenso ist aber auch ein Antriebsmotor in Form eines Linearmotors denkbar.Prefers a rotary motor is used as a drive motor on which a Spindle is attached with a corresponding spindle nut, so that a further reduction of the rotation of the engine is achieved. Likewise, however, is also a drive motor in the form of a linear motor conceivable.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments and schematic Drawings closer explained. In these drawings show:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic representation of a device according to the invention;

2 eine Aufsicht auf ein Untersuchungsmaterial nach dem Erzeugen eines Eindrucks; 2 a plan view of an examination material after making an impression;

3 eine schematische Darstellung einer Regelung einer gattungsgemäßen Vorrichtung; 3 a schematic representation of a control of a generic device;

4 eine schematische Darstellung einer Regelung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 4 a schematic representation of a control of a device according to the invention; and

5 ein schematisches Diagramm des Verlaufs der aufgewandten Kraft einer erfindungsgemäßen und einer gattungsgemäßen Vorrichtung. 5 a schematic diagram of the course of the expended force of a device according to the invention and a generic device.

In 1 ist der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 vereinfacht dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann auch als Härteprüfer bezeichnet werden. Der Härteprüfer 1 weist einen Grundkörper 13 auf, welcher im Wesentlichen die Form eines U's besitzt. Hierbei ist der untere Schenkel des U's länger ausgebildet als der obere. Auf dem unteren Schenkel des U's des Grundkörpers 13 befindet sich ein Probentisch 12. Dieser ist zur Halterung und zur Auflage der Probe 11 ausgebildet. Die Probe 11 kann auch als Untersuchungsmaterial bezeichnet werden. Sie stellt die zu untersuchende Materialprobe dar. Hierbei kann es sich beispielsweise um Stahl oder ein Metall mit einer Beschichtung handeln. Abhängig von dem zu untersuchenden Material der Probe 11 werden verschiedene Härteprüfverfahren verwendet. Bekannt sind beispielsweise die Härteprüfverfahren nach Vickers oder Brinell.In 1 is the basic structure of a device according to the invention 1 shown in simplified form. The device according to the invention 1 can also be referred to as a hardness tester. The hardness tester 1 has a basic body 13 which has substantially the shape of a U. Here, the lower leg of the U is formed longer than the upper. On the lower leg of the U's of the main body 13 there is a sample table 12 , This is for holding and supporting the sample 11 educated. The sample 11 can also be referred to as examination material. It represents the material sample to be examined. This may be, for example, steel or a metal with a coating. Depending on the material of the sample to be examined 11 Various hardness testing methods are used. Are known For example, the hardness test according to Vickers or Brinell.

In der folgenden Beschreibung wird exemplarisch von einer Härteprüfung nach Vickers ausgegangen. Diese wird zum Beispiel zum Überprüfen von Oberflächenbeschichtungen verwendet. Der exakte Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist insbesondere vom durchzuführenden Härteprüfungsverfahren abhängig.In the following description, an example of a hardness test according to Vickers is assumed. This is used, for example, to check surface coatings. The exact structure of a device according to the invention 1 depends in particular on the hardness test procedure to be carried out.

Im oberen Bereich des Grundkörpers 13 ist ein Motor 4 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist dieser als Schrittmotor ausgeführt, welcher für einen Rotationsantrieb ausgelegt ist. Dieser Schrittmotor 4 weist eine Auflösung von ca. 3.200 Schritten pro kompletter Umdrehung auf. In einer drehfesten Verbindung mit dem Motor 4 ist eine Spindel 5 mit ihrer Spindelmutter 6 vorgesehen. Über die exakte Ausführung der Spindel 5 und der Spindelmutter 6 ist es möglich, die Umdrehung des Motors 4 weiter zu untersetzen.In the upper part of the body 13 is an engine 4 intended. According to the invention this is designed as a stepper motor, which is designed for a rotary drive. This stepper motor 4 has a resolution of about 3,200 steps per complete revolution. In a rotationally fixed connection with the engine 4 is a spindle 5 with her spindle nut 6 intended. About the exact execution of the spindle 5 and the spindle nut 6 is it possible the rotation of the engine 4 continue to set.

An der Spindelmutter 6 befindet sich eine Kraftmesszelle 7, an deren Ende ein Eindringkörper 8 befestigt ist.At the spindle nut 6 there is a load cell 7 , at the end of an indenter 8th is attached.

Mit der exakten Dimensionierung des Motors, insbesondere der Anzahl der Schritte pro Umdrehung sowie des Gewindes der Spindel wie auch der Spindelmutter ist es möglich, die Auflösung des Härteprüfers 1 zu bestimmen. Unter Auflösung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise die minimale Strecke verstanden werden, die der Eindringkörper 8 in Richtung der Probe 11 abgesenkt werden kann. Bevorzugt ist es, wenn der Eindringkörper 8 mit einer sehr feinen Auflösung in Richtung des Probentisches 12 bewegt werden kann, da dies ein hochgenaues Einstellen der anliegenden Kraft ermöglicht.With the exact dimensioning of the motor, in particular the number of steps per revolution and the thread of the spindle as well as the spindle nut, it is possible to dissolve the hardness tester 1 to determine. For the purposes of the invention, resolution can be understood, for example, to be the minimum distance that the indenter has 8th in the direction of the sample 11 can be lowered. It is preferred if the indenter 8th with a very fine resolution in the direction of the sample table 12 can be moved, as this allows a highly accurate adjustment of the applied force.

Des Weiteren ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 vorgesehen, die zumindest mit dem Motor 4 und der Kraftmesseinrichtung 7 verbunden ist. Diese Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 kann ebenso in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 integriert ausgeführt sein. Es ist auch möglich die Steuer- und Auswrteeinrichtung durch eine Recheneinheit mit einer entsprechenden Software zu realisieren.Furthermore, a control and evaluation device 15 provided, at least with the engine 4 and the force measuring device 7 connected is. This control and evaluation device 15 can also in the device according to the invention 1 be executed integrated. It is also possible to realize the control and Auswrteeinrichtung by a computing unit with appropriate software.

Bei einer Härteprüfung nach Vickers hat der Eindringkörper 8 die Form einer gleichseitigten Diamantpyramide. Diese Pyramide weist einen Öffnungswinkel von ca. 136° auf. Dieser Eindringkörper 8, welcher auch als Prüfkörper bezeichnet werden kann, soll bei der Härteprüfung nach Vickers mit einer definierten Prüfkraft in das Untersuchungsmaterial 11 eingedrückt werden. Dieses Eindrücken kann auch als Pressen bezeichnet werden. Dazu steuert, beziehungsweise regelt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 den Schrittmotor 4 derart, dass über die Spindel 5 und die Spindelmutter 6 sowie die Kraftmesseinrichtung 7 der Eindringkörper 8 in Richtung der Probe 11 bewegt wird.For a Vickers hardness test, the indenter has 8th the shape of an equilateral diamond pyramid. This pyramid has an opening angle of about 136 °. This indenter 8th , which can also be referred to as a test specimen, should be included in the test material during the Vickers hardness test with a defined test force 11 be pressed. This impression can also be referred to as pressing. For this purpose, controls or controls the control and evaluation 15 the stepper motor 4 such that over the spindle 5 and the spindle nut 6 as well as the force measuring device 7 the indenter 8th in the direction of the sample 11 is moved.

Hierbei wird über die Kraftmesseinrichtung 7 von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 kontinuierlich die anliegende Kraft überwacht. Die Kraftmesseinrichtung kann auch als Kraftzelle oder Kraftdose bezeichnet werden. Solange der Eindringkörper 8 lediglich in Richtung der Probe 11 bewegt wird, ist die anliegende Kraft gleich Null.This is done via the force measuring device 7 from the control and evaluation device 15 continuously monitors the applied force. The force measuring device can also be referred to as a force cell or power box. As long as the indenter 8th only in the direction of the sample 11 is moved, the applied force is zero.

Wenn der Eindringkörper 8 die Oberfläche der Probe 11 berührt, steigt die von der Kraftzelle 7, welche auch als Kraftmesseinrichtung bezeichnet werden kann, ermittelte Kraft an. Basierend auf dieser Kraft wird von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 ermittelt, wie der Motor 4 weiter gesteuert werden soll, um die Prüfkraft über den Eindringkörper 8 auf das zu untersuchende Material 11 aufzubringen. Hierbei ist bei einer Härteprüfung nach Vickers vorgesehen, dass die Prüfkraft über ein bestimmtes Zeitintervall konstant gehalten wird.When the indenter 8th the surface of the sample 11 touched, that rises from the force cell 7 , which may also be referred to as a force measuring device, determined force. Based on this force is provided by the control and evaluation 15 determines how the engine 4 should be further controlled to the test load on the indenter 8th on the material to be examined 11 applied. For a hardness test according to Vickers, it is provided that the test force is kept constant over a certain time interval.

Sobald die geforderte Prüfkraft von der Kraftmesszelle ermittelt wurde, muss die Prüfkraft über die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 im Zusammenspiel mit dem Motor konstant gehalten werden. Änderungen der anliegenden Prüfkraft ergeben sich beispielsweise dadurch, dass der Eindringkörper 8 weiter in das Untersuchungsmaterial 11 eindringt. Auch Verformungen im Untersuchungsmaterial 11 können die anliegende Prüfkraft beeinflussen. Wird zum Beispiel von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 festgestellt, dass die konstant zu haltende Prüfkraft sich etwas verringert, so steuert sie den Schrittmotor 4 derart, dass er sich etwas weiter dreht, so dass die gewünschte Prüfkraft wieder anliegt.As soon as the required test load has been determined by the load cell, the test load must be transmitted via the control and evaluation unit 15 be kept constant in interaction with the engine. Changes in the adjacent test force arise, for example, in that the indenter 8th further into the examination material 11 penetrates. Also deformations in the examination material 11 can influence the applied test load. For example, by the control and evaluation 15 If it has been determined that the test load to be kept constant decreases slightly, it controls the stepper motor 4 such that it turns a little further, so that the desired test force is applied again.

In 2 ist eine Aufsicht auf ein Untersuchungsmaterial 11 nach Erzeugen eines Eindrucks 18 dargestellt. Mit dem diamantpyramidenförmigen Eindringkörper 8 wurde ein Eindruck 18 in der Oberfläche 17 eines Untersuchungsmaterials 11 erzeugt. Für eine Härteprüfung nach Vickers werden die beiden Diagonalen 21, 22 bestimmt, über die die Eindruckoberfläche ermittelt werden kann. Anhand dieser Eindruckoberfläche und der aufgebrachten Kraft wird die so genannte Vickers-Härte bestimmt.In 2 is a top view of a research material 11 after making an impression 18 shown. With the diamond pyramidal indentor 8th was an impression 18 in the surface 17 a research material 11 generated. For a hardness test according to Vickers, the two diagonals 21 . 22 determines over which the impression surface can be determined. On the basis of this impression surface and the applied force, the so-called Vickers hardness is determined.

Bei einer Härteprüfung nach Brinell wird in ähnlicher Weise verfahren, wobei der Eindringkörper 8 die Form einer Kugel aufweist.In a hardness test according to Brinell is carried out in a similar manner, wherein the indenter 8th has the shape of a sphere.

Im Folgenden wird anhand der 3 und 4 der Unterschied der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu einem herkömmlichen Härteprüfer 71 erläutert. Außerdem wird anhand dieser Figuren die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Härteprüfers 1 näher erklärt.The following is based on the 3 and 4 the difference of the device according to the invention 1 to a conventional hardness tester 71 explained. In addition, with reference to these figures, the operation of the hardness tester according to the invention 1 explained in more detail.

In 3 ist ein herkömmlicher Härteprüfer 71 dargestellt. Der Aufbau der Härteprüfers 71 ist ähnlich wie der in 1 dargestellte Aufbau, wobei in der Darstellung von 3 die vorhandenen Regelsysteme und -schleifen verdeutlicht sind. Über die Drehung des Motors 75 wird ein Eindringkörper 8' auf die Oberfläche 17' eines Untersuchungsmaterials 11' gedrückt. Hierdurch wird der Eindruck erzeugt. Zwischen dem Motor 75 und dem Eindringkörper 8' ist eine Kraftmesszelle 7' angeordnet. Über die Kraftmesszelle 7' ist es möglich, die durch den Motor 75 erzeugte Kraft, welche über den Eindringkörper 8' auf die Oberfläche 17' des Untersuchungsmaterials 11' einwirkt, zu messen.In 3 is a conventional hardness tester 71 shown. The structure of the hardness tester 71 is similar to the one in 1 shown construction, wherein in the illustration of 3 the existing control systems and loops are clarified. About the rotation of the engine 75 becomes an indenter 8th' on the surface 17 ' a research material 11 ' pressed. This creates the impression. Between the engine 75 and the indenter 8th' is a load cell 7 ' arranged. About the load cell 7 ' is it possible by the engine 75 generated force, which over the indenter 8th' on the surface 17 ' of the examination material 11 ' acts to measure.

Die von der Kraftmesszelle 7' gemessene Kraft wird von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 15' analysiert und bewertet. In der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15' wird daraus zusätzlich ermittelt, wie der Motor 75 bewegt werden muss, um die Kraft aufrecht zu erhalten, zu vergrößern oder zu verringern, abhängig von den gewünschten Vorgaben.The of the load cell 7 ' measured force is from a control and evaluation 15 ' analyzed and evaluated. In the control and evaluation device 15 ' is determined in addition, as the engine 75 must be moved to maintain, increase or decrease the force, depending on the desired specifications.

Bei dem Motor 75 handelt es sich um einen Gleichstrommotor. Bei Gleichstrommotoren 75 ist es nicht möglich, die Anweisung der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15' direkt an den Motor 75 zu geben, sondern es ist notwendig, hierzu eine weitere Motorsteuerung beziehungsweise Regelung 74 vorzusehen. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15' weist beispielsweise die Motorsteuerung 74 an, dass sich der Motor im Uhrzeigersinn etwas weiter drehen soll. Da es bei einem Gleichstrommotor 75 jedoch konstruktionsbedingt nicht möglich ist, den Motor derart anzusteuern, dass sich der Motor, d. h. der Rotor in Bezug auf den Stator um eine bestimmte Strecke weiterdreht, ist zusätzlich ein Drehgeber 76 vorgesehen. Dieser Drehgeber 76 bestimmt die Lage des Rotors relativ zum Stator und gibt sein Ergebnis erneut an die Steuerung 74 aus. Hierdurch wird eine Regelschleife gebildet. Über diese Regelschleife steuert beziehungsweise regelt die Motorsteuerung 74 den Motor 75 unter Zuhilfenahme des Drehgebers 76 derart, dass die gewünschte Drehung durchgeführt wird.At the engine 75 it is a DC motor. For DC motors 75 it is not possible the instruction of the control and evaluation device 15 ' directly to the engine 75 to give, but it is necessary for this purpose another engine control or regulation 74 provided. The control and evaluation device 15 ' For example, indicates the engine control 74 that the motor should turn a little further clockwise. As it is with a DC motor 75 However, due to the design, it is not possible to control the motor in such a way that the motor, ie the rotor continues to rotate with respect to the stator by a certain distance, is additionally a rotary encoder 76 intended. This encoder 76 determines the position of the rotor relative to the stator and gives its result again to the controller 74 out. As a result, a control loop is formed. This control loop controls or regulates the engine control 74 the engine 75 with the aid of the rotary encoder 76 such that the desired rotation is performed.

Ein zusätzliches Problem bei der Verwendung eines Gleichstrommotors 75 ist, dass dieser nicht in jeder beliebigen Stellung des Rotors zum Stator angehalten werden kann, beziehungsweise dann in der beliebigen Stellung kraftlos ist. Anders ausgedrückt, haben Gleichstrommotoren keine stationäre Position. Dies bedeutet, dass über die Motorsteuerung 74 ständig die Position des Gleichstrommotors 75 mittels Drehgebers 76 kontrolliert werden muss und die Antriebsströme entsprechend geregelt werden müssen, damit der Rotor in Bezug auf den Stator in einer gewünschten Stellung verbleibt. Außerdem muss in dieser Stellung eine genügend große Kraft aufgebracht werden, damit der Eindringkörper 8' weiter auf die Oberfläche 17' des Untersuchungsmaterials 11' gedrückt wird. Auch dies erfordert eine andauernde stetige Regelung.An additional problem with the use of a DC motor 75 is that this can not be stopped in any position of the rotor to the stator, or is then powerless in any position. In other words, DC motors do not have a stationary position. This means that about the engine control 74 constantly the position of the DC motor 75 by means of rotary encoder 76 must be controlled and the drive currents must be controlled accordingly so that the rotor remains in a desired position with respect to the stator. In addition, a sufficiently large force must be applied in this position, so that the indenter 8th' continue on the surface 17 ' of the examination material 11 ' is pressed. This also requires a continuous, continuous regulation.

Dies bedeutet, dass bei einem gattungsgemäßen Härteprüfer 71 nach dem Stand der Technik die Regelung des Härteprüfers 71 zumindest zwei Regelschleifen aufweist. Eine erste Regelschleife, welche über die momentan anliegende Kraft die Veränderung der Motorstellung ermittelt und eine zweite Regelung, die für die Veränderung der Motorstellung beziehungsweise das Aufrechterhalten einer gewünschten Motorstellung zuständig ist. Durch das Zusammenspiel dieser beiden Regelschleifen ist das System relativ träge und kann nicht in schnellen Schritten bewegt werden, da dies zu Abstimmungsproblemen der beiden Regelschleifen führen könnte.This means that in a generic hardness tester 71 according to the prior art, the regulation of the hardness tester 71 has at least two control loops. A first control loop, which determines the change of the engine position via the currently applied force, and a second control, which is responsible for the change in the engine position or the maintenance of a desired engine position. The interaction of these two control loops makes the system relatively sluggish and can not be moved in quick steps as this could lead to tuning problems of the two control loops.

In 4 ist nun die Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Auch hierbei wird über einen Motor 4 ein Eindringkörper 8 in die Oberfläche 17 eines Untersuchungsmaterials 11 gedrückt. Die anliegende, durch den Motor 4 erzeugte Kraft wird über eine Kraftmesszelle 7 ermittelt. Anders als im Stand der Technik wird hier jedoch kein herkömmlicher Gleichstrommotor eingesetzt, sondern ein Schrittmotor 4.In 4 is now the regulation of the device according to the invention 1 shown schematically. Again this is about a motor 4 an indenter 8th in the surface 17 a research material 11 pressed. The adjacent, by the engine 4 generated force is transmitted via a load cell 7 determined. Unlike in the prior art, however, no conventional DC motor is used here, but a stepping motor 4 ,

Die von der Kraftmesszelle 7 ermittelten Informationen über die zurzeit anliegende Kraft werden an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 weitergeleitet. Diese ermittelt ähnlich wie beim Stand der Technik hieraus die notwendige Veränderung der Motorstellung des Motors 4. Da es sich jedoch bei Motor 4 nicht um einen Gleichstrommotor sondern um einen Schrittmotor handelt, ist es möglich, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 den Motor 4 direkt ansteuert. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Schrittmotor 4 für eine digitale Ansteuerung ausgelegt ist. Wenn zum Beispiel die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 ermittelt hat, dass die Kraft etwas weiter erhöht werden muss, sendet sie an den Schrittmotor 4 den Befehl, dass sich dieser um eine bestimmte Anzahl von Schritten im Uhrzeigersinn weiterdrehen muss.The of the load cell 7 Information about the currently applied force is sent to a control and evaluation facility 15 forwarded. This determines similar to the prior art from this, the necessary change in the engine position of the engine 4 , However, since it is at engine 4 It is possible that the control and evaluation device is not a DC motor but a stepping motor 15 the engine 4 directly drives. It is preferred that the stepper motor 4 is designed for digital control. If, for example, the control and evaluation 15 has determined that the force must be increased a little further, sends it to the stepper motor 4 The command that this must continue to turn clockwise by a certain number of steps.

Der Schrittmotor 4 selbst weist eine Einteilung von ca. 3.200 Schritten pro 360°-Umdrehung des Rotors auf. Hierdurch ist eine sehr genaue Auflösung möglich. Im Unterschied zur Vorrichtung 71 aus 3 ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nicht notwendig, eine zweite Regelschleife zur Steuerung des Motors 4 vorzusehen.The stepper motor 4 itself has a division of about 3,200 steps per 360 ° revolution of the rotor. As a result, a very accurate resolution is possible. Unlike the device 71 out 3 it is in the device according to the invention 1 not necessary, a second control loop to control the motor 4 provided.

Auf den Befehl der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 dreht sich der Schrittmotor 4 um die angewiesene Anzahl an Schritten in die entsprechende Richtung. Anschließend wird erneut über die Kraftmesszelle 7 ermittelt, wie sich die Kraft verändert hat und ob weitere Schritte des Motors 4 notwendig sind. Ein weiterer Vorteil eines Schrittmotors 4 im Vergleich zu dem Gleichstrommotor 75 des Standes der Technik ist, dass ein Schrittmotor 4 an den Haltepunkten des Rotors ein Haltemoment aufweist, so dass die anliegende Kraft auch dann erzeugt wird, wenn der Motor 4 nicht angewiesen ist, sich weiter zu drehen. Dies vereinfacht die Steuerung beziehungsweise Regelung, da so im temporären Ruhezustand keinerlei zusätzliche Steuer- und Regelbefehle an den Motor über eine interne Motorsteuerung gegeben werden müssen.At the command of the control and evaluation device 15 rotates the stepper motor 4 by the instructed number of steps in the corresponding direction. Then again via the load cell 7 Determines how the force has changed and whether further steps of the engine 4 necessary. Another advantage of a stepper motor 4 in comparison to the DC motor 75 The prior art is that of a stepper motor 4 at the breakpoints of the rotor has a holding torque, so that the applied force is generated even when the engine 4 is not instructed to continue to turn. This simplifies the control or regulation, since in the temporary idle state no additional control and regulating commands have to be given to the engine via an internal engine control.

Bei dem erfindungsgemäßen Härteprüfer 1 wird demnach im Vergleich zum Stand der Technik lediglich eine Regelschleife zur Steuerung des Motors 4 benötigt. Hierdurch kann der Eindringkörper 8 schneller in Richtung des Untersuchungsmaterials 11 gefahren werden. Ebenfalls wird die anzulegende Kraft schneller erreicht, wodurch das eigentliche Erzeugen des Eindrucks früher begonnen und damit auch früher beendet werden kann.In the hardness tester according to the invention 1 Therefore, compared to the prior art, only a control loop for controlling the engine 4 needed. This allows the indenter 8th faster in the direction of the examination material 11 be driven. Also, the force to be applied is reached faster, whereby the actual generation of the impression can be started earlier and thus ended earlier.

Dies wird im Folgenden in 5 verdeutlicht, in der ein schematisches Diagramm den Verlauf der anliegenden Kraft für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung 71 aus dem Stand der Technik darstellt.This will be explained below 5 illustrates, in a schematic diagram the course of the applied force for the device according to the invention 1 as well as a generic device 71 from the prior art.

In 5 ist die Kraft, welche durch die Kraftmesszelle 7 beziehungsweise 7' über die Zeit gemessen wird, dargestellt. Hierbei stellt die Kurve 51 die gemessene Kraft eines erfindungsgemäßen Härteprüfers 1 und die Kurve 52 die gemessene Kraft eines gattungsgemäßen Härteprüfers 71 dar. Ziel hierbei ist es, jeweils möglichst schnell auf die Maximalkraft F_max zu gelangen, so dass mit dem eigentlichen Erzeugen des Eindrucks für das Härteprüfverfahren begonnen werden kann.In 5 is the force passing through the load cell 7 respectively 7 ' is measured over time. Here's the curve 51 the measured force of a hardness tester according to the invention 1 and the curve 52 the measured force of a generic hardness tester 71 The goal here is to get as fast as possible to the maximum force F _max , so that it can be started with the actual generation of the impression for the hardness test.

Die Kraft F_max ist durch das angewendete Härteprüfverfahren vorgegeben. Sie kann sich im Bereich von mN wie auch bis zu einigen 30 kN bewegen. Zum Zeitpunkt t₀ wird sowohl beim erfindungsgemäßen Härteprüfer 1 wie auch beim herkömmlichen Härteprüfer 71 damit begonnen, den Eindringkörper 8, 8' in Richtung des Untersuchungsmaterials 11, 11' zu fahren. Bevor der Eindringkörper 8, 8' die Oberfläche 17, 17' des Untersuchungsmaterials 11, 11' berührt, wird durch die jeweilige Kraftmesszelle 7, 7' keine Kraft festgestellt.The force F _max is predetermined by the hardness test method used. It can move in the range of mN as well as up to some 30 kN. At the time t ₀ , both the hardness tester according to the invention 1 as well as the conventional hardness tester 71 started the indenter 8th . 8th' in the direction of the examination material 11 . 11 ' to drive. Before the indenter 8th . 8th' the surface 17 . 17 ' of the examination material 11 . 11 ' is touched by the respective load cell 7 . 7 ' no force detected.

Zum Zeitpunkt t₁ berührt der Eindringkörper 8 des erfindungsgemäßen Härteprüfers 1 die Oberfläche 17 des Untersuchungsmaterials 11. Dies ist ersichtlich, da ab diesem Zeitpunkt über die Kraftmesszelle 7 eine Kraft festgestellt werden kann.At time t ₁ , the indenter touches 8th the hardness tester according to the invention 1 the surface 17 of the examination material 11 , This can be seen, as from this point on the load cell 7 a force can be determined.

Demgegenüber berührt der Eindringkörper 8' die Oberfläche 17' des Untersuchungsmaterials 11' bei einem herkömmlichen Härteprüfer 71 erst zum Zeitpunkt t₂, wie durch die Kurve 52 dargestellt ist. Die unterschiedlichen Zeitpunkte t₁ und t₂ ergeben sich, da bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Härteprüfers 1 der Eindringkörper 8 schneller abgesenkt werden kann, als der Eindringkörper 8' bei einem herkömmlichen Härteprüfer 71. Dies ist durch die unterschiedliche Auslegung des Antriebsmotors 4 beziehungsweise 75 bedingt, da beim herkömmlichen Antriebsmotor 75 eine zusätzliche Regelschleife vorgesehen werden muss.In contrast, the indenter touches 8th' the surface 17 ' of the examination material 11 ' in a conventional hardness tester 71 only at time t ₂ , as through the curve 52 is shown. The different times t ₁ and t ₂ arise because in the inventive design of the hardness 1 the indenter 8th can be lowered faster than the indenter 8th' in a conventional hardness tester 71 , This is due to the different design of the drive motor 4 respectively 75 Conditionally, as in the conventional drive motor 75 an additional control loop must be provided.

Ab dem Zeitpunkt t₁ steigt die Kurve 51 relativ schnell an und flacht erst in ihrem letzten Bereich ab.From time t ₁ , the curve increases 51 Relatively quickly and flatten only in their last area.

In diesem Bereich wird von der Steuerung 15 begonnen, eine asymptotische Annäherung an die Maximalkraft auszuführen. Wichtig ist es hierbei, dass die Maximalkraft F_max nicht überschritten wird, da ansonsten kein gültiger für die Härteprüfung verwendbarer Eindruck erzeugt werden würde. Zum Zeitpunkt t₃ hat die durch den erfindungsgemäßen Härteprüfer 1 aufgewendete Kraft die Prüfkraft F_max erreicht, so dass zu diesem Zeitpunkt die durch das Prüfverfahren definierte Eindringzeit zu laufen beginnt. Sobald diese abgelaufen ist, wird der Eindringkörper 8 wieder aus dem Untersuchungsmaterial 11 zurückgezogen. Dies ist in der 5 nicht mehr dargestellt.In this area is controlled by the controller 15 begun to perform an asymptotic approach to the maximum force. It is important here that the maximum force F _{max is} not exceeded, since otherwise no valid impression usable for the hardness test would be produced. At time t ₃ has the hardness tester according to the invention 1 applied force reaches the test load F _max , so that at this time the penetration time defined by the test method begins to run. Once this has expired, the indenter will 8th again from the examination material 11 withdrawn. This is in the 5 not shown anymore.

Bei der Kurve 52 steigt die anliegende Kraft F langsamer an. Dies ist durch die beiden Regelschleifen bedingt, da durch das Zusammenspiel dieser beiden Regelschleifen das System der Härteprüfer 71 langsamer bewegt werden muss, da es sonst eventuell nicht mehr möglich ist, den Motor 75 rechtzeitig abzubremsen. Im oberen Bereich der Kurve 52 ist eine Welligkeit dargestellt. Diese Welligkeit kann durch das Zusammenwirken der beiden Regelschleifen entstehen. Hierbei besteht wiederum die Gefahr des Überschwingens. Dies bedeutet, dass zeitweise eine Kraft anliegen könnte, die größer als die maximal zulässige und vorgeschriebene Kraft F_max ist. Um dies zu verhindern, wird ab einem gewissen Zeitpunkt, hier etwa nach zwei Drittel der aufzubringenden Kraft, mit dem Abbremsvorgang des Motors begonnen. Das weitere Vorfahren des Eindringkörpers 8' in Richtung des Untersuchungsmaterials 11' muss sehr langsam durchgeführt werden, da es durch die Welligkeit der Kurve leicht zu dem so genannten Überschwingen kommen kann.At the bend 52 increases the applied force F slower. This is due to the two control loops, because by the interaction of these two control loops, the system of hardness testers 71 must be moved slower, otherwise it may no longer be possible, the engine 75 slow down in time. In the upper part of the curve 52 a ripple is shown. This ripple can be caused by the interaction of the two control loops. Again, there is a risk of overshoot. This means that at times a force could be present which is greater than the maximum permissible and prescribed force F _max . To prevent this, starting at a certain time, here about after two-thirds of the applied force, with the deceleration of the engine started. The further ancestor of the indenter 8th' in the direction of the examination material 11 ' must be carried out very slowly, since it can easily come to the so-called overshoot due to the waviness of the curve.

Zum Zeitpunkt t₄ ist dann auch bei dem gattungsgemäßen Härteprüfer 71 die Prüfkraft F_max erreicht, so dass ab hier die Einwirkzeit beginnen kann.At time t ₄ is then also in the generic hardness tester 71 the test force reaches F _max , so that from here the exposure time can begin.

Wie in der 5 gezeigt, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 demnach möglich, die geforderte Kraft F_max schneller zu erreichen. Hierdurch kann schneller mit dem eigentlichen Erzeugen des Eindrucks begonnen werden. Je nach durchgeführtem Härteprüfverfahren kann die Zeitspanne zwischen Beginn der Motordrehung, welche zu dem ersten Absenken des Eindringkörpers 8 führt, und dem Zeitpunkt t₃, zu dem die Kraft F_max anliegt, ca. 250 ms betragen.Like in the 5 it is shown with the device according to the invention 1 thus possible to achieve the required force F _max faster. This can be faster with the actual generating of the impression to be started. Depending on the performed hardness test method, the time between the beginning of the motor rotation, which leads to the first lowering of the indenter 8th leads, and the time t ₃ , to which the force F _max is applied, be about 250 ms.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, die Zeit, welche zum Erzeugen eines Eindrucks im Untersuchungsmaterial benötigt wird, zu verringern, indem der Zeitpunkt, an dem die Prüfkraft durch den Eindringkörper auf das Untersuchungsmaterial einwirkt, schneller erreicht wird.With the device according to the invention is it thus possible the time it takes to make an impression in the study material is needed reduce by the time at which the test load through the indenter acting on the examination material is achieved faster.

Claims

Device for producing an impression ( 18 ) in a study material ( 11 ) for a hardness test, with an indenter ( 8th ), with a drive motor ( 4 ) for generating a force around the indenter ( 8th ) into the surface ( 17 ) of the examination material ( 11 ), the drive motor ( 4 ) has a rotor and a stator, with a force sensor ( 7 ), which is adapted to determine information about the force with which the indenter ( 8th ) into the surface ( 17 ) of the examination material ( 11 ) and with a control and evaluation device ( 15 ) for controlling and / or regulating the drive motor ( 4 ) by means of the force sensor ( 8th ) determined information, characterized in that the drive motor ( 4 ) is functionally designed as a direct actuator that the drive motor ( 4 ) has a holding torque between the rotor and stator in different positions to each other, that a control loop via the control and evaluation ( 15 ), the force sensor ( 7 ) and the drive motor ( 4 ) is formed, and that the control and evaluation device ( 15 ) is adapted to the information of the force sensor ( 7 ) as a controlled variable and the position of the rotor to the stator of the drive motor ( 4 ) as manipulated variable within the control loop.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the drive motor ( 4 ) is even loop-less executed.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the drive motor ( 4 ) is designed as a stepper motor.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the drive motor ( 4 ) has a scaling of at least 3000 steps per revolution of the rotor.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drive motor ( 4 ) is digitally controllable.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control and evaluation device ( 15 ) is designed for asymptotic approximation of the controlled variable to a desired size.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the control and evaluation device ( 15 ) is designed to perform a PID control.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the control and evaluation device ( 15 ) is designed for overshoot-free control of the controlled variable.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that between the drive motor ( 4 ) and indenter ( 8th ) An elastic element is provided.