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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Härteprüfung von Werkstücken mit einem vertikal beweglichen Eindringkörper mit einer vorbestimmten Masse, der eine Anschlagfläche aufweist, oberhalb der mit einem vorbestimmten Spiel ein erster Gewichtskörper vorgesehen ist, der eine Auflagefläche aufweist, die mit der Anschlagfläche zusammenwirkt, 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. Aus
US 6 247 356 B1 ist ein Mikrohärteprüfungsgerät bekannt, bei dem mehrere Eindringkörper jeweils mit einem zugeordneten Kraftsensor kombiniert auf einer Wechseleinrichtung angeordnet sind, so dass in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Prüflast ein Eindringkörper ausgewählt und zur Durchführung der Prüfung verwendet werden kann. Um bei derartigen Mikrohärteprüfungsgeräten 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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Aus
JP 2004 226360 A ist ein Mikrohärteprüfungsgerät bekannt, bei dem die auf den Prüfling einwirkende Prüflast durch mehrere induktive Krafterzeugungsvorrichtungen erzeugt werden kann. Die mehreren induktiven Krafterzeugungsvorrichtungen sind unterschiedlich dimensioniert und ausgelegt, um einen möglichst großen Bereich von Prüflasten abdecken zu können. Der apparative Aufwand für präzise kontrollierbare induktive Krafterzeugungsvorrichtungen ist erheblich.
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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 oder in der
JP 92 236529 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 zusätzlich zu dem Gewichtskörper mit einem Kraftsensor zur stufenlosen Ein stellung der Prüflast zusammenwirkt dass der Kraftsensor vom ersten Gewichtskörper oder einem weiteren Gewichtskörper beaufschlagt wird.
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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 Sensorauflageabschnitt 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 Vertikalbewegung 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.
