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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Härteprüfung
von Werkstücken mit einem vertikal beweglichen Eindringkörper
mit einer vorbestimmten Masse, der mit einem Kraftsensor in Verbindung steht,
und mit einer optischen Erfassungseinrichtung zur Erfassung und
Auswertung des durch den Eindringkörper bewirkten Eindrucks
im Werkstück.
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Es
sind Mikrohärteprüfungsgeräte bekannt, bei
denen die Kraft, mit der ein Eindringkörper auf das Werkstück
gedrückt wird, über einen Kraftsensor gemessen
wird. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der
EP 1 434 045 A offenbart.
Problematisch ist dabei die beschränkte Genauigkeit, wobei
diese Frage umso kritischer wird, je kleiner die aufzubringenden
Kräfte sind. Um die Nachteile in Hinblick auf die Genauigkeit
in Grenzen zu halten, müssen die Verfahrgeschwindigkeiten
klein gehalten werden, was den Nachteil einer geringen Arbeitsgeschwindigkeit
mit sich bringt.
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Um
diese Nachteile zu vermeiden, sind Vorrichtungen bekannt geworden,
bei denen die Kraft, mit der der Eindringkörper auf das
Werkstück gedrückt wird, als Gewichtskraft dargestellt
wird. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der
JP 63 252 232 A offenbart.
Der Einsatzbereich solcher Geräte ist jedoch beschränkt,
da nur wenige vorgegebene Gewichtsstufen angefahren werden können.
Außerdem sind höhere Prüflasten von 2
kg oder mehr platzbedingt nur schwer darstellbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden
und eine Vorrichtung der oben genannten Art so weiterzubilden, dass
in verschiedenen Messbereichen hohe Genauigkeiten erzielt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst
hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erzielen, so dass Messungen, bei
denen eine Vielzahl von Messpunkten untersucht werden müssen,
in vergleichsweise kurzer Zeit durchgeführt werden können.
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Erfindungsgemäß werden
diese Aufgaben dadurch gelöst, dass der Eindringkörper
eine Anschlagfläche aufweist, oberhalb der mit einem vorbestimmten
Spiel ein erster Gewichtskörper vorgesehen ist, der eine
Auflagefläche aufweist, die mit der Anschlagfläche
zusammenwirkt.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht,
dass in einem ersten Messbereich mit sehr geringen Auflagekräften
die Gewichtskraft aufgrund der Masse des Eindringkörpers
selbst maßgeblich für die Beaufschlagung des Werkstückes
ist. Es wird dabei der Eindringkörper nur so weit zum Werkstück hinbewegt,
dass er auf diesem aufliegt und gegebenenfalls in dieses eindringt,
das Spiel an der Anschlagfläche zum ersten Gewichtskörper
jedoch nicht aufgebraucht wird. Ein weiterer Messbereich mit einer
größeren Kraft wird durch eine weitere Bewegung
der Halterung des Eindringkörpers realisiert, die bewirkt,
dass nun auch der erste Gewichtskörper zu der Auflagekraft
beiträgt. Höhere Kräfte können über
weitere Gewichtskörper generiert werden bzw. werden über
den Kraftsensor geregelt.
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Wesentlich
an der Erfindung ist die Tatsache, dass relativ große Vorschubgeschwindigkeiten
realisiert werden können, da eine extrem feine Regelung des
Kraftsensors nicht erforderlich ist. Die geringen Auflagekräfte
im unteren Messbereich werden durch die Gewichtskörper
realisiert, was bedeutet, dass zur Durchführung der Messung
nur ein Punkt angefahren werden muss, bei dem der betreffende Gewichtskörper
vollständig auf dem Eindringkörper, bzw. auf dem vorgelagerten
Gewichtskörpern aufliegt, der nächste Gewichtskörper
jedoch noch keinen Einfluss auf die Messung ausübt. Der
Kraftsensor kommt erst bei höheren Gewichtsstufen ins Spiel,
bei denen die Feinheit der Regelung nicht mehr kritisch ist.
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Es
ist bevorzugt, wenn der Kraftsensor über einen Gewichtskörper
beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Kraftsensor
erst anschließend an den Messbereich aktiviert wird, der durch
die gemeinsame Gewichtskraft des Eindringkörpers und des
ersten bzw. der weiteren Gewichtskörper bedingt ist. Dazu
ist es besonders günstig, wenn der Kraftsensor eine Sensor-Auflagefläche
aufweist, die im unbelasteten Zustand in einem Abstand von einer
Betätigungsfläche des ersten oder gegebenenfalls
eines weiteren Gewichtskörpers angeordnet ist. Insbesondere
ist dabei die Anordnung der Gewichtskörper und das Spiel
zwischen ihnen so bemessen, dass der Kraftsensor erst dann beaufschlagt
wird, wenn alle Gewichtskörper auf dem Eindringkörper
aufliegen. Dadurch wird verhindert, dass der Kraftsensor die Messung
in den unteren Messbereichen die Messung unzulässigerweise
beeinflusst.
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Besonders
günstig ist es, wenn der Sensorauflageabschnitt durch mindestens
eine Abrollfläche ausgebildet ist, die auf der Betätigungsfläche
des Gewichtskörpers abrollt. Insbesondere bei kleinen Eindringkräften
ist es wichtig, ein Verkanten des Eindringkörpers weitestgehend
auszuschließen, um entsprechend wohlgeformte Eindrücke
zu erreichen. Durch eine möglichst reibungsfreie Relativbewegung,
die vorzugsweise durch Wälzlager erreicht wird, können
die aus der Kinematik resultierenden minimalen Verschiebungen in
horizontaler Richtung ausgeglichen werden.
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Kippbewegungen
um eine Achse die im Wesentlich parallel zur Längsachse
des Kraftsensors liegt, können wirksam dadurch vermieden
werden, dass der Sen sorauflageabschnitt des Kraftsensors um eine
im Wesentlichen horizontale Achse gelenkig gelagert ist.
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Eine
besonders begünstigte Ausführungsvariante der
Erfindung sieht einen ersten Haltekörper vor, auf dem der
Eindringkörper im Ausgangszustand aufliegt, wobei der erste
Haltekörper mit einem zweiten Haltekörper in Verbindung
steht, der dazu bestimmt ist, den ersten Gewichtskörper
zu tragen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung besonders leicht umgerüstet
werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang günstig,
wenn eine Wechseleinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet
ist, den ersten Eindringkörper durch mindestens einen alternativen
ersten Eindringkörper zu ersetzen. Damit ist es auch möglich,
unterschiedliche Objektive in Stellung zu bringen. Bevorzugt ist
die Wechseleinrichtung dabei als Revolversystem mit einem Drehteller ausgebildet.
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Konstruktiv
besonders günstig ist es, wenn der erste Gewichtskörper
und gegebenenfalls weitere Gewichtskörper koaxial zum Eindringkörper
ausgebildet sind. Von besonderem Vorteil hat es sich dabei herausgestellt,
wenn erste Gewichtskörper und gegebenenfalls weitere Gewichtskörper
ringförmig ausgebildet sind und eine zentrale Öffnung
aufweisen, durch die Sichtverbindung zwischen der optischen Erfassungseinrichtung
und dem Eindringkörper besteht.
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Eine
weitere besonders begünstigte Ausführungsvariante
der Erfindung sieht vor, dass der Eindringkörper samt Gewichtskörper,
Kraftsensor und optischer Erfassungseinrichtung in einem Messkopf aufgenommen
sind, der durch einen Vertikalverstellantrieb in Bezug auf das Werkstück
vertikal bewegbar ist, und dass die Relativbewegung des Eindringkörpers
in Bezug auf das Werkstück in vertikaler Richtung ausschließlich
durch den Vertikalverstellantrieb erfolgt. Auf diese Weise kann
eine besonders einfache und kostengünstige Lösung
realisiert werden, da nur ein einziger Antrieb für eine
Bewegung in vertikaler Richtung erforderlich ist. Darüber
hinaus ist eine solche Lösung positiv in Hinblick auf die
Erzielung der entsprechenden Genauigkeit.
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Eine
besonders kompakte Lösung kann dadurch erreicht werden,
dass der Eindringkörper samt Gewichtskörper, Kraftsensor
und optischer Erfassungseinrichtung in einem Messkopf aufgenommen sind,
der in einer ersten horizontalen Richtung beweglich gelagert ist
und dass das Werkstück auf einem Haltetisch in der Form
eines Positionierschlittens aufspannbar ist, der in einer zweiten
horizontalen Richtung beweglich gelagert ist. Üblicherweise
ist der Haltetisch für das Werkstück in x- und
y-Richtung beweglich, d. h., dass der Haltetisch innerhalb konstruktiv
gegebener Grenzen beliebige Koordinaten der Horizontalebene anfahren
kann. Bei einer solchen Lösung muss stets ein Kompromiss
zwischen ausreichenden Verfahrwegen einerseits und der Gesamtgröße
der Vorrichtung andererseits getroffen werden. Dies bedeutet, dass
in Fällen, bei denen der Haltetisch einen größeren
Verfahrweg aufweisen muss, auch eine entsprechend große
Ausladung des Messkopfes und damit eine entsprechende Baugröße
der gesamten Vorrichtung erforderlich ist. Durch Verlegung einer
Verstellachse in den Messkopf ist es möglich, eine wesentlich
kompaktere Ausführung auch dann zu erzielen, wenn vergleichsweise
große Verfahrwege benötigt werden. Insbesondere
ist es in diesem Zusammenhang von besonderem Vorteil, wenn der Messkopf
an einer Säule befestigt ist und wenn die Bewegungsbahn
des Haltetisches seitlich an dieser Säule vorbeigeht.
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In
der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer axonometrischen Darstellung;
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2 eine
Vorderansicht eines Details von 1;
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3 einen
Schnitt nach Linie III-III in 2; und
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4 ein
Detail von 3.
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Die
Vorrichtung von 1 besteht aus einer Grundplatte 1,
von der eine Haltesäule 2 nach oben ragt. Die
Haltesäule 2 besitzt eine Vertikalführung 3, auf
der ein Schlitten 4 in vertikaler Richtung beweglich angeordnet
ist. Diese vertikale Richtung wird üblicherweise als z-Richtung
bezeichnet und ist durch den Doppelpfeil 5 gekennzeichnet.
Am Schlitten 4 ist eine Horizontalführung 6 vorgesehen,
auf der ein Messkopf 7 in einer ersten Horizontalrichtung
beweglich angeordnet ist, die hier als y-Richtung bezeichnet wird
und durch den weiteren Doppelpfeil 8 gekennzeichnet ist.
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An
der Grundplatte 1 ist weiters ein Haltetisch 9 angeordnet,
der auf seiner Schlittenplatte 29 eine Werkstück-Haltevorrichtung 10 für
das hier nicht dargestellte Werkstück trägt. Der
Haltetisch 9 ist in einer zweiten Horizontalrichtung gegenüber
der Grundplatte 1 beweglich, die als x-Achse bezeichnet wird
und durch den Doppelpfeil 11 gekennzeichnet ist. Die Bewegungsbahn
des Haltetisches 9 führt dabei seitlich, d. h.
in y-Richtung, neben der Säule 2 vorbei, so dass
die Säule 2 die Bewegung des Haltetisches 9 in
x-Richtung (Doppelpfeil 11) nicht einschränkt.
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2 zeigt
den Messkopf 7 in größerem Detail. Eine
Wechseleinrichtung 12 in Form eines Drehtellers 13 ist
dazu vorgesehen, verschiedene Eindringkörper und/oder Objektive
zu halten. In den 2 und 3 ist ein
erster Haltekörper 14 ersichtlich, in dem ein
Eindringkörper 15 vertikal beweglich gehalten
ist. An seiner Oberseite besitzt der Eindringkörper 15 eine
Anschlagfläche 16, die mit einer Auflagefläche 18 eines
ersten Gewichtskörpers 17 zusammenwirkt. In unbelastetem
Zustand ist zwischen der Anschlagfläche 16 und
der Auflagefläche 18 ein erstes Spiel s1 vorgesehen. Der erste Gewichtskörper 17 ist
im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und besitzt eine
zentrale Öffnung 19. Außerhalb des ersten
Gewichtskörpers 17 und koaxial zu diesem ist ein
weiterer Gewichtskörper 20 vorgesehen, der mit einem
zweiten Spiel s2 von diesem entfernt angeordnet
ist. Sowohl der erste Gewichtskörper 17 als auch der
weitere Gewichtskörper 20 werden in unbelastetem
Zustand von einem zweiten Haltekörper 21 gehalten.
An der Oberseite des ersten Gewichtskörpers 17 ist
eine Betätigungsfläche 22a ausgebildet,
auf der der Außenring zweier Wälzlager, von denen
eines mit 22 hier nur angedeutet ist, über eine
Abrollfläche 22b reibungsarm abrollt. Das Wälzlager 22 ist an
einem Biegearm 23 befestigt, der einen Kraftsensor 24 trägt,
um die Kraft zu bestimmen, die vom Eindringkörper 15 über
den ersten und/oder den zweiten Gewichtskörper 17, 20 auf
das Wälzlager 22 ausgeübt wird. Über
ein hier nicht dargestelltes Gelenk ist dabei der vordere Teil des
Biegearmes 23 mit dem Wälzlager 22 um
die Achse 25 verdrehbar, um ein Verkanten des Eindringkörpers 15 um
die Achse 25 zu vermeiden.
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Die
optische Erfassungseinrichtung zur Beobachtung und Vermessung des
Eindruckes am Werkstück ist allgemein mit 26 bezeichnet.
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In
der Folge wird die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
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Zunächst
wird das am Haltetisch 9 aufgespannte Werkstück
durch Bewegung der Schlittenplatte 29 in Richtung des Doppelpfeils 11 und
durch Bewegung des Messkopfes 7 über seine Horizontalführung 27 in
Richtung des Doppelpfeils 8, d. h. in x- und y-Richtung
so ausgerichtet, dass der Eindringkörper 15 oberhalb
der gewünschten Messstelle positioniert ist. Dann wird
der Messkopf 7 durch den Vertikalverstellantrieb 28 so
weit abgesenkt, dass der Eindringkörper 15 mit
seiner Spitze das Werkstück berührt. Nun sind
unterschiedliche Fälle zu unterscheiden:
- a)
Die aufzubringende Prüfkraft entspricht dem Gewicht des
Eindringkörpers 15 – In diesem Fall wird
der Vertikalverstellantrieb gestoppt, sobald der Eindringkörper 15 am
Werkstück sicher aufliegt, jedoch jedenfalls bevor die
Anschlagfläche 16 die Auflagefläche 18 berührt.
Danach schaltet der Vertikalverstellantrieb um und bewegt den Messkopf 7 nach
oben. Durch Drehung des Drehtellers 13 wird ein passendes
Objektiv an die Stelle des ersten Haltekörpers 14 gebracht
und es wird durch entsprechende Vertikalbe wegung das Bild an der
optischen Erfassungseinrichtung 26 fokussiert. Der Eindruck
am Werkstück kann somit beobachtet und vermessen werden.
- b) Die aufzubringende Prüfkraft entspricht der Summe
der Gewichte des Eindringkörpers 15 und des ersten
Gewichtskörpers 17 – In diesem Fall wird – wie
oben – die Vertikalbewegung nach unten durchgeführt,
wobei jedoch die Bewegung so weit erfolgt, bis der erste Gewichtskörper 17 mit seiner
Auflagefläche 18 sicher und vollständig
auf der Anschlagfläche des Eindringkörpers 15 aufliegt,
jedoch nicht so weit, dass das zweite Spiel s2 vollständig
aufgebraucht ist. Der weitere Messvorgang verläuft wie
oben dargestellt.
- c) Die Prüfkraft entspricht der Summe der Gewichte
des Eindringkörpers 15 und der beiden Gewichtskörpers 17, 20 – In
diesem Fall erfolgt die Bewegung in z-Richtung so weit, bis beide
Gewichtskörper 17, 20 auf dem Eindringkörper 15 aufliegen.
Ansonsten verläuft der Messvorgang wie oben ausgeführt.
- d) Für größere Prüfkräfte
erfolgt die Bewegung in z-Richtung so weit, bis ein Signal am Kraftsensor 24 anliegt – Dieses
Signal wird als Regelungsgröße für den
Vertikalverstellantrieb verwendet, der so geregelt wird, dass die
gewünschte Prüfkraft am Werkstück vorliegt.
Die am Kraftsensor 24 gemessene Kraft muss dabei die Differenz
zwischen der gewünschten Prüfkraft und der Summe
der Gewichtskräfte vom Eindringkörper und den
Gewichtskörpern 17, 20 betragen.
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Typischerweise
können die verschiedenen Bauteile folgende Gewichte aufweisen:
Eindringkörper
... 10 g
Erster Gewichtskörper 17 ... 15
g
Zweiter Gewichtskörper 20 ... 25 g
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Auf
diese Weise ist es möglich, durch die entsprechenden Gewichtskörper
Prüfkräfte von 10 g, 25 g und 50 g darzustellen.
Für größere Prüfkräfte wie
etwa 100 g, 500 g oder 1.000 g wird die am Kraftsensor 24 anliegende
Kraft auf 50 g, 450 g bzw. 950 g geregelt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich,
mit lediglich einem Vertikalverstellantrieb das Auslangen zu finden.
Darüber hinaus können die entsprechenden Prüfkräfte
sicher und genau angefahren werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1434045
A [0002]
- - JP 63252232 A [0003]