DE102015008326A1

DE102015008326A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Härtemessung

Info

Publication number: DE102015008326A1
Application number: DE102015008326.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Ludwig; Marvin Ludwig; Dennis Ludwig
Original assignee: Ludwig Nano Prazision GmbH
Current assignee: Ludwig Nano Prazision GmbH
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: DE102015008326B4

Abstract

Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Härtemessung von Werkstoffen, insbesondere Elastomeren und Kunststoffen, bei welchem Verfahren ein Eindringkörper unter einer Prüfkraft in ein Werkstück aus dem Werkstoff eingedrückt wird und die von dem Eindringkörper in dem Werkstück erreichbare Eindringtiefe des Eindringkörpers in Abhängigkeit von der Prüfkraft gemessen wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Prüfkraft FP in Abhängigkeit von der Eindringtiefe (s) durch ein Polynom n-ten Grades wie FP(s) = an·sn + an-1·sn-1 + an-2·sn-2 ... + a1·s1 + a0·s0 mit n ∊ Nbeschreibbar ist. Ebenso wird eine Vorrichtung zur Härtemessung, insbesondere IRHD- und Shore-Härtemessung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtemessung von Werkstoffen, insbesondere Elastomeren und Kunststoffen gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Härtemessung von Materialien wie Elastomeren gemäß Anspruch 6.
Zur Bestimmung der Härte von synthetischem Kautschuk oder gummiähnlichem Kunststoff, den sogenannten Elastomeren, und auch natürlichem Gummi sind unterschiedliche Messverfahren bekannt. So ist durch die Deutsche Industrienorm DIN 53505 eine Shore-Härteprüfung von Kunststoffen und durch die Normen DIN 53519 und DIN 53456 eine Kugeldruckhärteprüfung bekannt, bei denen eine durch eine Einwirkung einer Kraft ermittelte Eindringtiefe eines Messkörpers in dem Material bestimmt wird. Bei der Härtebestimmung nach Shore wird ein federbelasteter Stift aus einem gehärteten Material in das zu untersuchende Material eingedrückt, sodass die Eindringtiefe des Stiftes ein Maß für die Härte des Materials darstellt, das auf einer Skala von 0 Shore (2,5 mm Eindringtiefe) bis 100 Shore (keine Eindringtiefe) gemessen wird.
Bei dem Shore-A-Verfahren werden Weich-Elastomere mit einer kegelstumpfförmigen Nadel mit einer Anpresskraft von 12,5 N auf ein Werkstück des zu untersuchenden Materials angedrückt. Für Zäh-Elastomere wird nach dem Shore-D-Verfahren eine kegelförmige Nadel mit kugelförmiger Spitze unter einer Andruckkraft von 50 N ebenfalls stoßfrei auf das Material, das in Härte bestimmt werden soll, gedrückt. Bei einer vorgegebenen Haltezeit stellt die Eindringtiefe ein Maß für die Härte dar.
Daneben kommt bei Werkstücken mit geringen Materialdicken die Messung der Kugeldruckhärte nach der Norm DIN ISO 48, in welcher das Messverfahren nach internationalen Gummihärtegraden (International Rubber Hardness Degree – IRHD) spezifiziert ist. Bei der Mikro-IRHD-Härtemessung wird ein Prüfkörper mit einer kugelförmigen Spitze mit einer Vorkraft von 8,3 mN für fünf Sekunden auf das zu messende Werkstück aufgelegt und danach mit der Hauptkraft von 145 mN für 30 Sekunden belastet. Unter Einwirken der Hauptkraft wird der Prüfkörper je nach Härte des Werkstückmaterials in das Werkstück eingedrückt und aus der Größe der Eindringtiefe ein Härtewert ermittelt. Zur Schaffung vergleichbarer Messbedingungen sind der Durchmesser der Kugel auf 0,4 mm vorgegeben und eine auf das Werkstück in Umgebung der kugelförmigen Prüfspitze einwirkende Kraft einer mit einem Innendurchmesser von 1 mm versehenen Ringauflage zu 235 mN vorgegeben. Durch Einwirken der von der Ringauflage auf das Werkstück ausgeübten Ringkraft soll erreicht werden, dass ein vorgespanntes Material hinsichtlich seiner Härte untersucht wird.
Zur Messung der genannten Härtemess-Verfahren sind bereits zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden. So ist aus dem Deutschen Patent 196 14 906 C2 ein insbesondere zum Prüfen von O-Ringen unterschiedlicher Größen einsetzbares Werkstoff-Prüfgerät bekannt.
Das Werkstoff-Prüfgerät weist einen Messkopf und eine Zentriereinrichtung zur Aufnahme und Lagerung von Prüflingen während der Messung auf. Die Zentriereinrichtung umfasst einen Tisch mit einer ebenen Auflagefläche für den Prüfling und ein die Auflagefläche durchragendes Anlageelement und eine Verstelleinrichtung, mit der die Position des Anlageelementes rechtwinklig zu der Auflagefläche verstellbar ist, sowie eine weitere Verstelleinheit, mit der die Auflagefläche und das Anlagemittel seitlich verschiebbar sind. Das Werkstoff-Prüfgerät zeichnet sich dadurch aus, dass lediglich ein einziger die Auflagefläche durchragender Stift als Anlageelement vorgesehen ist, der die Öffnung mit lediglich geringem Spiel durchgreift.
Das zur Überprüfung von O-Ringen angepasste Werkstoff-Prüfgerät erfordert eine vertikale Verstellung eines das zu messende Werkstück bzw. den Prüfling aufnehmenden Tisches bis der vorzugsweise als O-Ring ausgeführte Prüfling an einer Druckfläche eines Gewichtskörpers zur Anlage kommt. Der eigentliche Mess- bzw. Prüfvorgang erfolgt dadurch, dass ein mit einer Kugel versehener Prüfkörper in der zur Höhenverstellung entgegengesetzten Richtung auf den Prüfling bzw. O-Ring bewegt wird. Somit sind zwei Bewegungen zur Messung der Härte notwendig.
Weiterhin ist aus der Deutschen Patentschrift 197 51 377 C2 eine Prüfvorrichtung zur Material-Härteprüfung von Elastomeren bekannt, die einen mittels eines Bedienelementes gegenüber einem Messkopf vertikal verstellbaren Probentisch und einen in dem Messkopf vertikal verschiebbaren Prüfstempel zur Prüfung eines auf dem Probentisch angeordneten Prüflings aufweist. Eine Messeinrichtung weist einen Einstellbereich für eine Position des Prüfstempels als Ausgangsposition für einen Prüfvorgang auf. Mittels der Höhenverstellung des Probentisches ist eine definierte Ausgangsposition für einen Prüfvorgang erreichbar und ein Anschlagelement wird mit der Höhenverstellung derart gekoppelt, dass die Höhenverstellung durch einen Anschlag des Anschlagselementes an einem Begrenzungselement begrenzt wird.
Wenn die Einstellung des Probentisches bezüglich des Prüfstempels zu einer Messung erreicht worden ist, wird der Prüfvorgang durch Auflegen einer Prüfkraft in Form einer Belastungshülse mit definiertem Gewicht über eine Betätigung eines Betätigungshebels an der Messeinrichtung vollzogen. Insofern sind auch bei dieser Prüfvorrichtung zwei Betätigungsvorgänge notwendig. Wenn diese manuell ausgeführt werden, kann es zu Beeinträchtigungen hinsichtlich der Messgenauigkeit führen. Neben der zweifachen nachteiligen Betätigungsweise der genannten Prüfvorrichtungen bedeutet das Bewegen eines Probentisches relativ zu einem Prüfkörper auch eine Beschränkung in der Größe bzw. Form des hinsichtlich seiner Form zu vermessenden Prüfkörpers.
Da bei der Härtemessung nach Shore ein Prüfkörper zur Bereitstellung der normgerechten Messbedingungen in einem Messträger entgegen einer Federkraft verschiebbar gelagert sein muss, bei einer IRHD-Härtemessung demgegenüber der Prüfkörper auf dem zu vermessenden Werkstück mit einer Gewichtskraft aufgelet werden muss, sind im Stand der Technik Härtemessvorrichtungen vorgeschlagen worden, die entweder zur Shore-Härtemessung oder aber zur Messung der IRHD-Härte eingesetzt werden können. Denn bekannte Härtemessvorrichtungen sind gewöhnlich ausgewogene Systeme, bei denen nicht wechselweise eine Messkraft als Gewichtskraft oder als Federkraft erzeugt werden kann.
So ist aus der DE 198 18 884 A1 ein Härtetestgerät zur Bestimmung von IRHD- und Shore-Härtewerten bekannt, das ein Auswechseln der Messköpfe zur Durchführung von IRHD- und Shore-Härtemessungen ermöglicht. An einem Grundrahmen eines Gerätekopfes ist ein mit einem Eindringkörper versehener Messkopf beweglich gelagert. In dem Grundrahmen ist ein Belastungsgewicht vertikal verfahrbar mit einer Linearführung gelagert. Zur Durchführung einer IRHD-Härtemessung wird von dem Belastungsgewicht eine erforderliche Kraft auf den Eindringkörper ausgeübt. Zur Realisierung von Shore-Härtemessungen wird das Belastungsgewicht von einem Stellantrieb in eine inaktive Position verfahren, sodass eine in einem speziellen Messkopf vorhandene Feder den Eindringkörper federbelastet auf das zu vermessende Werkstück gemäß der Norm zur Shore-Härtemessung drückt.
Dadurch, dass das Belastungsgewicht in eine inaktive Position überführt werden muss, um eine Shore-Härtemessung zu ermöglichen, ist der konstruktive Aufwand zur Schaffung des Härtemessgerätes nicht unbeachtlich. So müssen beispielsweise die Messköpfe eine Kodierung aufweisen, die von einer wechselwirkenden Codiereinrichtung des Härtemessgerätes erkannt werden muss, um die Messergebnisse entsprechend des gewählten Härte-Messverfahrens (Shore oder IRHD) auslesen oder anzeigen zu können.
Der Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Härtemessung bzw. eine Vorrichtung zur Härtemessung zu schaffen, die durch unterschiedliche Normen gegebene Härtemessungen, insbesondere IRHD- und Shore-Härtemessungen ohne aufwendige apparative Umbauten zu ermöglichen.
Zur Lösung dienen die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6.
Demgemäß sieht die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Härtemessung von Werkstoffen, insbesondere Elastomeren und Kunststoffen, bei welchem Verfahren ein Eindringkörper unter einer Prüfkraft in ein Werkstück aus dem Werkstoff eingedrückt wird und die von dem Eindringkörper in dem Werkstück erreichbare Eindringtiefe des Eindringkörpers in Abhängigkeit von der Prüfkraft gemessen wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Prüfkraft F_P in Abhängigkeit von der Eindringtiefe (s) durch ein Polynom n-ten Grades wie F_P(s) = a_n·sⁿ + a_n-1·s^n-1 + a_n-2·s^n-2 ... + a₁·s¹ + a₀·s⁰ mit n ∊ N vorgebbar bzw. beschreibbar ist. Dabei sind a₁ bis a_n reelle Zahlen.
In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung dazu eine Vorrichtung zur Härtemessung, insbesondere zur Messung der Mikro-IRHD (International Rubber Hardness Degree) und/oder zur Messung der Shore-Härte von u. a. Elastomere wie Gummi- und Kunststoff umfassenden Materialien mit einem Gehäuse, mit wenigstens einem gegenüber dem Gehäuse in wenigstens einer Antast- bzw. Auslenkungsrichtung bewegbaren, an einem Tastkörper vorgesehenen Eindringkörper, mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung einer Auslenkung des Tastkörpers relativ zum Gehäuse, mit einer Führungseinrichtung zur linearen Führung des Tastkörpers in dem Gehäuse und mit einem elektrodynamischen Linearantrieb zur Erzeugung der Messkraft des Tastkörpers vor, welcher Linearantrieb von einer elektronischen Steuerungs- und Auswerteeinrichtung steuerbar ist. Die Sensoreinheit ist als photoelektrisches System ausgeführt, dessen zumindest eine zur Bestimmung der Auslenkung des Tastkörpers erforderliche Komponente an dem Tastkörper in Richtung von dessen Auslenkung (z-Richtung) angebracht ist. Die Führungseinrichtung ist dabei als Wälzführungseinrichtung ausgebildet oder umfasst eine Luftführung oder ist so ausgebildet, dass der Tastkörper durch zwei parallel zueinander angeordnete Federelemente unter Bildung eines Federparallelogramms bezüglich der Auslenkungsrichtung linear im Gehäuse der Vorrichtung geführt wird. Der elektrodynamische Linearantrieb ist erfindungsgemäß als Linearmotor in Gleichpolausführung mit bewegtem Spulenkörper ausgeführt, der auf wenigstens einer Seite von Magneten entgegengesetzter Polung umgeben ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zur Beaufschlagung des Tastkörpers mit einer auslenkungsunabhängigen oder auslenkungsabhängigen Prüfkraft ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird der Eindringkörper mithilfe eines elektrodynamischen Linearantriebs auf ein Werkstück aus einem hinsichtlich seiner Härte zu vermessenden Werkstoffmaterial gefahren. Die Einstellung der jeweils zur Erfüllung der Mikro-IRHD-(IRHD N, L, H, M, VLRH) oder Shore-Norm (ShoreA, A0 bzw. E, AM, M, B, C, D, D0, 0, 000, 000-S) erforderlichen Kräfte, d. h. also entweder proportional zur Eindringtiefe und damit zur Auslenkung des Eindringkörpers oder konstant und deren Aufschlagdauer wird erfindungsgemäß durch eine elektronische bzw. über einen Rechner bedienbare Steuerung eingestellt.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, Werkstoffe wie insbesondere Elastomere und Kunststoffe in einem großen Bereich der Materialhärten vermessen zu können.
Mithilfe des elektrodynamischen Antriebs ist eine Kompensation der Gewichtskraft des Tastund Eindringkörpers möglich, sodass mit Vorteil in einer beliebigen Richtung des dreidimensionalen Raumes ohne störende Beeinträchtigungen der Gravitation von benutzten Komponenten eine Härtemessung durchgeführt werden kann. Hieraus ergibt sich mit weiterem, großen Vorteil eine Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härtemessung an von einer waagerechten Fläche abweichenden Bereichen, wie insbesondere senkrecht verlaufenden Flächen oder nur schwer zugänglichen bzw. über Kopf zugänglichen Innenflächen wie Karosserieausschnitten an Automobilen. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Härtemessung an einer Produktionsstraße etwa im Bereich der Automobilindustrie mit einem Roboter kombiniert werden und eine Härtemessung an durch die Roboterarme erreichbaren beliebigen dreidimensionalen Richtung bzw. Positionen erreicht werden.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Prüfkraft unabhängig von der Eindringtiefe durch die folgende Gleichung F_P(s) = a₀·s⁰ vorgebbar bzw. beschreibbar, d. h. es wirkt eine konstante Kraft entsprechend einer Gewichtskraft auf das zu messende Werkstück ein. In diesem Fall wird das IRHD-Härtemessverfahren durchgeführt, bei dem nach einer kurzen Einwirkdauer von 5 Sekunden unter einer Kontaktkraft zum Erreichen der zur Härteprüfung eingesetzten Prüfgesamtkraft die Eindringkraft je nach Spezifizierung der IRHD-Messnormen von 5,4 N (IRHD-N, H, L oder IRHD-M 145 mN oder VLRH 91,7 mN für Einwirkdauern von etwa 30 Sekundenzusätzlich aufgebracht wird.
Alternativ kann erfindungsgemäß die Prüfkraft F_P gemäß nachfolgender Gleichung F_P(s) = a₁·s¹ + a₀·s⁰ linear mit der Eindringtiefe veränderbar sein. Bevorzugt kann die Prüfkraft F_P linear mit der Eindringtiefe abnehmen. Zur Einstellung der Shore-Härtemessverfahren ist die Größe a₁ kleiner als Null, sodass ein linear-degressiver Kraftverlauf in Abhängigkeit mit der Eindringtiefe erreicht wird. Dies entspricht einer ausgedehnten Feder, deren Kraft mit steigender Ausdehnung, entsprechend der ansteigenden Eindringtiefe, linear abnimmt.
Durch die Vorgabe der Kraft in Abhängigkeit von der Auslenkung durch ein Polynom n-ten Grades können erfindungsgemäß andere als bisher durch die bekannten Normen beschriebene Kraftverläufe eingestellt werden. Durch eine Variation des Polynomgrades und der entsprechenden Vorgabe der Faktoren können nahezu beliebig viele Kraftverläufe vorgegeben und unterschiedlichste Werkstoffe entsprechend hinsichtlich ihrer Härte gemessen werden.
Die in den Normen geforderten Federkraft- bzw. Gewichtskraftverläufe werden erfindungsgemäß durch Vorgabe einer entsprechenden Kennlinie an den elektrodynamischen Linearantrieb erzeugt. Erfindungsgemäß wird die Prüfkraft elektronisch oder softwaremäßig an einer Vorrichtung zur Härtemessung gemäß dem vorgenannten Polynom in Abhängigkeit von der Eindringtiefe s eingestellt.
Die unterschiedlichen Shore-Härteprüfverfahren unterscheiden sich hinsichtlich der spitzen Form der Eindringkörper und der von diesen auf das jeweilige zu untersuchende Werkstoffmaterial ausgeübten Kräfte. Das Shore-Aben-Verfahren wird beispielsweise angewandt für Weichgummi, Elasthomeren, Naturkautschuk-Produkte sowie Weich-PVC. Gummis im Bereich niedriger Härte werden nach dem Shore-A0-Verfahren gemessen. Das Shore-B-Härtemessverfahren wird eingesetzt um mittelharte Gummis, Schreibmaschinenrollen oder Plattenware zu untersuchen. Shore-C findet seinen Einsatz bei Kunststoffen und mittelharten Gummiwerkstoffen. Weichelastische Werkstoffe, Druckrollen, mittelfeste textile Gewebe, Nylon, Perlon nach Shore-0 und textile Wicklungen geringer Dichte, Schaumgummi und Schaumkunststoff nach Shore-00 sowie Moos- und Zellgummi, Schaumgummi und Silikon nach Shore-000 Bedingungen härtevermessen. Bei den IRHD-Messnormen unterscheidet man für weiche und mittelharte Gummis ab 30 IRHD das IRHD-N-Verfahren, bei weichem Gummi und Hartschaum das IRHD-L sowie bei Hartgummi und Kunststoffen mit Maßzahlen von 85 bis 100 IRHD-H-Verfahren. Schließlich werden Silikone mit der Norm VLRH gemessen.
Die in den Normen geforderten Federkraft- bzw. Gewichtskraftverläufe werden erfindungsgemäß durch Vorgabe einer entsprechenden Kennlinie an den elektrodynamischen Linearantrieb erzeugt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härtemessung sind eine an dem Tastkörper befindliche Eindringkbrper und die zumindest eine Komponente des photoelektrischen Systems koaxial vorgesehen. Der Vorteil liegt hierbei darin, einer idealen Realisierung des Abbéschen Komparatorprinzips möglichst nahe zu kommen. In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zur Bestimmung der Auslenkung des Tastkörpers erforderliche Komponente des photoelektrischen Systems an dem Tastkörper entlang dessen der Messachse entsprechenden Längsachse vorgesehen.
Bevorzugt ist die Sensoreinheit als inkrementales Abtastsystem ausgebildet, dessen Maßverkörperung an dem Tastkörper angebracht ist. Besonders bevorzugt ist die Maßverkörperung der Sensoreinheit als Gittermaßstab ausgeführt, der relativ zu einem von einer Lichtquelle bestrahlten Abtastgitter bewegbar ist und das von der Lichtquelle emittierte Licht auf ein Detektorelement reflektiert. Das Detektorelement, die Lichtquelle und das Abtastgitter sind erfindungsgemäß dem Gittermaßstab gegenüberliegend am Gehäuse befestigt. Wird die Maßverkörperung in der Ausnehmung aufgenommen, so wird die zu messende Strecke als geradlinige Fortsetzung der als Maßstab dienenden Teilung gebildet.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härtemessung weist der elektrodynamische Linearantrieb einen Spulenkörper aus einem elektrisch nicht-leitenden Material auf, der von wenigstens einem Magneten umgeben ist. Erfindungsgemäß ist der Spulenkörper bevorzugt folglich aus Materialien gebildet, in denen keine Wirbelströme induziert werden. Ebenso sind die Halterungselemente bevorzugt auch aus einem elektrisch nicht-leitenden Material zumindest aber durch einen lamellierten Aufbau unter Verwendung von elektrischen Isolatoren so beschaffen, dass darin durch Magnetfelder keine Wirbelströme induziert werden. Hier liegt der Vorteil darin, dass auf die Halterungselemente keine die Messgenauigkeit störenden, der Mess-Auslenkung entgegenwirkenden Dämpfungskräfte ausgeübt werden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich durch ein erstes Auflageelement zur Auflage auf einem Werkstück aus einem zu messenden Material, einen bezüglich des ersten Auflageelementes drehbar gelagerten Trägerarm aus, an dem ein zweites Auflageelement mittels eines Drehlagers so festgelegt ist, dass es auf dem Werkstück in eine Auflage bringbar ist und dass eine das zweite Auflageelement durchsetzende Bohrung von dem Prüfelement durchsetzt wird.
In einer weiter bevorzugten Ausführung ist der elektrodynamische Linearantrieb als Linearmotor in Gleichpolausführung mit einem Spulenkörper ausgeführt, der vorzugsweise als Flachspule ausgebildet ist und auf mindestens einer Seite von Magneten entgegengesetzter Polung umgeben ist. Mit Vorteil kann erfindungsgemäß hierdurch auf eine Kommutierung des Stroms verzichtet werden. Ferner begünstigt die Ausführung des Spulenkörpers als Flachspule eine Aneinanderreihung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung von Mehrstellenmessplätzen.
Bevorzugt sind die Magnete zumindest auf einer Seite der Spule parallel zum Tastkörper an Gehäusewandungen vorgesehen. Die Gehäusewandungen sind dabei bevorzugt in der Umgebung der Magnete aus magnetischem Material gebildet. Mit Vorteil schirmt das teilweise magnetische Gehäuse den Spulenkörper nach außen ab und unterstützt einen Magnetfeldfluss des Linearmotors. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Auslenkung des Spulenkörpers nicht durch von außen auf die Vorrichtung einwirkende Magnetfelder gestört wird und das Messergebnis verfälscht.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit wenigstens 0 bis 2,5 mm eine große Auslenkung bzw. Eindringtiefe des Eindringkörpers bereitgestellt werden. Die Eindringtiefe kann dabei mit einer hohen Auflösung von kleiner gleich 50 nm gemessen bzw. aufgenommen werden. Die elektrodynamisch eingestellten Messkräfte können ohne zusätzliche Federbeaufschlagung im Bereich von etwa 0,7 bis wenigstens 300 mN eingestellt werden. Hierzu trägt u. a. die feinfühlige Einstellung des Linearmotors durch die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung bei.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf zum Teil stark vereinfacht und in unterschiedlichen Maßstäben gehaltene Zeichnungen erläutert, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur IRHD-Härtemessung,
2 perspektivische Ansicht einer einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildenden Abtasteinrichtung,
3 eine Seitenansicht der Abtasteinrichtung ohne Gehäusedeckel,
4 eine die Positionierung des Spulenkörpers in dem Gehäuse veranschaulichende Darstellung
5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung und
6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Härtemessung in perspektivischer Ansicht.
Nach 1 weist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 101 versehene Vorrichtung zur Härtemessung gemäß der IRHD-Norm eine von einem Gehäuse 10 umgebene Abtasteinrichtung 1 auf, an deren Unterseite 1a ein zur Auflage auf einem Werkstück eines hinsichtlich seiner Härte zu messenden Materials bestimmtes erstes Auflageelement 102 vorgesehen ist. Aus einer Unterseite 102a des ersten Auflageelementes 102 tritt eine zur Messung der Härte des Materials in das Werkstück 103 mit einer der anzuwendenden Messnorm vorgegebenen Kraft einbringbare Prüfnadel bzw. Eindringkörper 105 mit einer kugelförmigen Spitze 4 durch eine Bohrung 104 an einem zweiten während einer Messung auf dem Werkstück 103 aufliegenden zweiten Auflageelement 120 hervor.
An seiner Oberseite im Wesentlichen geschlossene erste Auflageelement 102 zwei an seiner Unterseite 102a zwei parallel und beabstandet zueinander vorgesehene Auflagekufen 106 auf. Die Auflagekufen 106 dienen einer Auflage auf dem Werkstück 103. Zwischen den sich über die gesamte Länge des Trägerarms 102 erstreckenden Auflagekufen 106 ist ein Trägerarm bzgl. einer Drehachse drehbar gelagert. Der Trägerarm ist mithilfe einer seine Querausdehnung beidseitig durchsetzenden etwa stabförmigen Drehachse zwischen den Auflagekufen so festgelegt, dass eine ausgewogene, d. h. im Gleichgewicht befindliche Wippe gebildet wird.
In dem ersten Auflageelement 102 ist eine Zugfeder vorgesehen, die hinsichtlich Material bzw. Federkonstante derart bemessen ist, dass der Trägerarm an der Unterseite 102a des ersten Auflageelementes 102 entgegen der z-Richtung in 1 hervortritt und dabei eine durch die Norm ISO 85 vorgegebene Kraft F von 235 mN aufbringt. Diese Kraft dient der Einstellung der zur Härtemessung notwendigen Bedingungen an dem vorzugsweise aus einem elastischen Material bestehenden Werkstück 103.
An seiner Unterseite weist ein zweites Auflageelement 120 wie schematisch in 1 gezeigt eine Ringauflage 125 auf, welche eine Bohrung umgibt, durch welche die Prüfnadel bzw. der Eindringkörper 105 die Unterseite der Ringauflage 120 durchsetzend zum Werkstück 103 hin (1) vorsteht.
Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung 101 mit dem ersten Auflageelement auf eine Oberfläche 103b des zu messenden Werkstücks so aufgelegt, dass die Auflagekufen 106 eine stabile Auflage sicherstellen. Durch die Wirkung der Zugfeder wird der Trägerarm so auf die Werkstückoberfläche 103b bewegt, dass die Ringauflage 125 mit der durch die Norm ISO 85 vorgegebenen Kraft F auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Für die durch die Norm gegebene Zeit verweilt das zweite Auflageelement 120 mit seiner Ringauflage 125 nun während der Messung auf der Werkstückoberfläche 103b. Über die nachfolgend hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer Wirkung detailliert beschriebene Abtasteinrichtung 1 wird die Prüfnadel bzw. der Eindringkörper 105 nun mit ihrer gerundeten kugelförmigen Spitze 4 auf das Werkstück aufgebracht, wobei die Kraft und Zeitdauer je nach der Norm aufgebracht bzw. gehalten werden. Die durch ein Eindringen der kraftbeaufschlagten Prüfnadel bzw. des Eindringkörpers 105 in das Material des Werkstücks 103 kann nun die Mikro-IRHD-Härte anhand der von der Abtasteinrichtung 1 ausgewiesenen Auslenkung der Prüfnadel bzw. der Eindringkörper 105 bestimmt werden. Dabei ist der Referenzpunkt zur Bestimmung der Auslenkung der Prüfnadel bzw. der Eindringkörper 105 die Auflage der Prüfnadel bzw. der Eindringkörper in kraftfreiem Antastzustand, der wie nachfolgend erläutert mithilfe der Abtasteinrichtung 1 eingestellt werden kann.
Dadurch, dass die Abtasteinrichtung 1 eine gewichtskomponentenfreie Auflage ermöglicht, kann die Vorrichtung in jeder beliebigen Richtung des dreidimensionalen Raumes ohne Beeinträchtigung der Erd-Gravitation eingesetzt werden.
Nach 1 weist das Gehäuse 10 einer Abtasteinrichtung 1 eine Gehäuseschale 3 auf, aus deren eine Unterseite bildenden Seitenwandung 3a in Richtung der z-Richtung eine mit der Prüfspitze 4 versehene und in der 2, 4 stark vereinfachte Prüfnadel bzw. der Eindringkörper 105 hervorsteht. Aus einer zwischen den Seitenwandungen 3a, 3b liegenden Längsseitenwandung 3c wird ein elektrisches Verbindungskabel 11, das eine Verbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 mit einer Auswerte- und Steuerungseinheit 57 für eine Sensoreinheit 50 ermöglicht, aus der Gehäuseschale 3 herausgeführt.
Der bevorzugt aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildete Tastkörper 100 weist nach 3, 4 eine im Wesentlichen quaderförmige Form auf. Der Tastkörper 100 ist in der Abtasteinrichtung 1 derart vorgesehen, dass er die Längsstirnseite 1d der Abtasteinrichtung 1 bildet. Der die Spuleneinheit 22 tragende Tastkörper 100 ist an der Gehäuseschale 3 mithilfe von Federelementen 36, 37 festgelegt. Die Federelemente 36, 37 sind wie in 4 an dem Federelement 37 näher gezeigt sandwichartig aus einer versteift zwischen Versteifungselementen 38 und 39 aufgenommen Blattfeder 41 aus Federstahl, bevorzugt aus CrMoV₄ gebildet. Die Blattfeder 41 steht in Längsrichtung der Federelemente 36, 37 an Stirnseiten der quaderförmigen Versteifungselemente 38, 39 aus Aluminium(Al)- oder CFK unter Bildung von Festlegungsabschnitten 42, 43 vor. An den Festlegungsabschnitten 42, 43 sind Bohrungspaare 44, 45 zur Festlegung der Federelemente 36, 37 an der Gehäuseschale 3 bzw. dem Tastkörper 100 vorgesehen. Die Federelemente 36, 37 sind mithilfe von Bohrungen 47 durchsetzende und in Gewindebohrungen 48 aufgenommenen Schrauben 46 zusammengesetzt.
Wie in 3 gezeigt sind Federelemente 36, 37 mithilfe von Befestigungsschrauben 49 an der Gehäuseschale 3 festgelegt. An dem Tastkörper 100 sind Festlegungsabschnitte 42, 43 der Federelemente 36, 37 mit Hilfe von Klemmstücken 33 festgeklemmt. Dabei werden den Tastkörper 100 in Längsrichtung (z-Achse) abschließende Klemmstücke 33 von Schrauben 35 durchsetzt, die auch die Bohrungen 44 der Blattfedern 41 durchsetzen. Dadurch, dass die Federelemente 36, 37 zu den Enden 33 des Tastkörpers 100 hin befestigt sind, nehmen sie den Tastkörper 100 im Grunde in der z-Richtung zwischen sich auf und bilden ein Federparallelogramm 40.
Die Permanentmagnete 24, 26 sind in z-Richtung (4) von Stegabschnitten und einer Auflageplatte des Gehäuses 10 umgeben. Dadurch wird bei geeigneter Wahl aus einem magnetischen Material, wie etwa einem ferromagnetischen Stahl, eine Abschirmung der nach 4 oberhalb bzw. unterhalb liegenden Federelemente 31 bzw. 33 von einer Beeinflussung durch die zur Erzeugung der Messkraft erforderlichen Permanentmagnete 24, 26 ermöglicht. Eine solche Beeinflussung würde insbesondere in dem erfindungsgemäß angestrebten Messgenauigkeitsbereich zu einer nicht-akzeptablen Messverfälschung führen.
Die Spuleneinheit 22 ist mit Befestigungsschenkeln 30 der Spuleneinheit 22 in den Ausnehmungen 31 am Tastkörper 100 mithilfe von Schrauben befestigt. Zwischen den Befestigungsschenkeln 30 ist am Bodenteil 14 des Gehäuses 10 ein Sensorelement 51 festgelegt, das mit dem Verbindungskabel 11 verbunden ist und eine Lichtquelle und ein Abtastgitter sowie ein Detektorelement (nicht gezeigt) enthält. Das Sensorelement 51 ist nach 3 einem an dem Tastkörper 100 zwischen den Ansatzbereichen der Befestigungsschenkel 30 angebrachten Gittermaßstab 52 gegenüberliegend vorgesehen. Das Sensorelement 51 und der Gittermaßstab 52 bilden die erfindungsgemäße Sensoreinheit 50.
Der Tastkörper 100 weist an einer die Längsstirnseite 1d der Abtasteinrichtung 1 bildenden Seite 100d erfindungsgemäß zwei in einer Richtung von 90° (y-Achse) zu der Messrichtung (z-Achse) ausgedehnte, nutartig ausgebildete Anlageabschnitte 32 auf, siehe 4. Die an dem Tastkörper 100 in dessen Längsausdehnung zwischen den Ausnehmungen 31 vorgesehenen Anlageabschnitte 32 weisen einen Freiheitsgrad in y-Richtung (3) auf.
Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Längenmessung geschieht wie folgt. Wird durch die Spuleneinheit 22 ein Strom I geschickt, so erfährt der Spulenkörper 21 bzw. die Spuleneinheit 22 eine schematisch in 4 angedeutete Lorentzkraft (F _L). Aufgrund der in 4 gezeigten entgegengesetzten Anordnung der Magnete 24, 26 (Nord-Süd – Süd-Nord) erfahren die senkrecht zur durch den in 4 dargestellten Pfeil z gegebenen Richtung verlaufenden Wicklungen der Spule eine gleichgerichtete, zur Erzeugung der Messkraft dienende Lorentzkraft F_L. Da sich die Lorentzkräfte auf die parallel zur z-Richtung oder antiparallel dazu verlaufenden Wicklungen aufheben, sind diese Wicklungen erfindungsgemäß außerhalb der Magnete vorgesehen, siehe 4. Hierzu ist eine Flachspulenform ausgewählt worden, um die nutzbare Wicklungslänge zu erhöhen und die nicht nutzbare Wicklungslänge parallel oder antiparallel zur z-Richtung als Mess- bzw. Tastrichtung zu minimieren. Durch die größere nutzbare Leiterlänge werden weniger Wicklungen zur Erzeugung der gleichen Kraft bzw. wird ein geringerer Strom zur Erbringung einer Kraft benötigt.
Erfindungsgemäß wird die Spuleneinheit 22 mit Spannung über eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 58 versorgt, die Analog-Digital-Wandler enthält. Der Ausgang der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 58 ermöglicht eine Ansteuerung der Spuleneinheit 22 mit einer kleinstmöglichen Krafteinheit. Durch eine Digitalisierung wird eine minimale Spannungs- bzw. Stromänderung und damit eine minimale Kraftänderung erreicht. Erfindungsgemäß ist der A/D-Wandler 61 als 16-Bit-Wandler ausgelegt. Da die Stromstärke ein Maß für die aufgebrachte Messkraft des Tastkörpers ist, ist eine minimale Stromstärke zur Erzielung einer kleinen Messkraft notwendig. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn durch die mechanischen Elemente, wie die Federelemente 36, 37 des Federparallelogramms 40, bedingte Rückstellkräfte, ausgeglichen werden sollen. Mit dem Schritt des Digitalisierens des über eine nicht gezeigte extern zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung und über das Versorgungskabel 11 mit dieser verbundenen elektronischen Spannungsquelle bzw. deren Regelung wird eine ausreichende Einstellbarkeit der Spannung bzw. Stromstärke und damit der Messkraft sichergestellt. Dabei ist eine maximal aufzubringende Kraft durch die Masse des Tastkörpers 100 bzw. aller daran befestigten Teile gegeben.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Abtasteinrichtung 1 ist ein minimaler Strom von etwa 0,5 μA und ein maximaler Strom von etwa 30 mA für einen ausreichenden Arbeitsbereich gegeben, wobei diese Werte in Abhängigkeit von der Wicklungszahl der Spuleneinheit 22 beeinflussbar sind. Hinsichtlich der Krafterzeugung bei gleichzeitig geringer Temperaturentwicklung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der Abtasteinrichtung 1 ist eine Wahl einer geringen Stromstärke und die Wahl einer hohen Wicklungszahl vorteilhaft. Allerdings geht eine Erhöhung der Wicklungszahl zu Lasten einer Dynamik bei der Messung, bedingt durch die dadurch erhöhte Masse der Spuleneinheit 22. Daneben ist für die Wahl der Spulenbeschaffenheit auch eine erreichbare Messgeschwindigkeit bzw. Messfrequenz beachtlich.
Wird durch Verbindung der Spuleneinheit 22 mit einer nicht dargestellten geregelten Spannungsquelle die Spule mit einem Strom beaufschlagt, so bewirkt die durch die Permanentmagnete 24, 26 induzierte Lorentzkraft F _L in Abhängigkeit von der gewählten Stromrichtung eine Auslenkung des Tastkörpers 100 in der z-Richtung. Die auf die Spule 21 ausgeübte Lorentzkraft wird dabei über die Halterungselemente 19 und insbesondere über die Befestigungsschenkel 30 auf den Tastkörper 100 übertragen und dieser durch die gelenkige Aufhängung mittels der Federelemente 36, 37 in z-Richtung, wie in 4 angedeutet, gegenüber dem Gehäuse 10 bewegt. Dabei lassen die Festlegungsabschnitte 42, 43 der Blattfedern 41 eine Bewegung des Tastkörpers 100 gegenüber dem Gehäuse 10 zu. Erfindungsgemäß führt eine Verlängerung der Längen der Blattfedern 41 zu einer geringen, akzeptablen Querabweichung (entlang der x-Richtung). Ebenso kann über eine Versteifung der Blattfedern 41 durch die Versteifungselemente 38, 39 eine bei einer unversteiften Feder bewegungsbedingt auftretende Verkürzung der Parallelogrammarme weitestgehend vermieden werden, wenn nicht sogar ausgeschlossen werden. Auch der bei der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung 1 gewählte Abstand der Federelemente 36, 37 in der Messrichtung (z-Richtung) wird erfindungsgemäß ausreichend gewählt, um die Gefahr einer Verdrehung der gekoppelten Elemente zueinander zu vermeiden zumindest aber deutlich zu reduzieren.
Bei einer erfindungsgemäßen Auslenkung des Tastkörpers 100 gegenüber dem Gehäuse 10 wird auch der auf dem Tastkörper 100 mit definierten Anlageflächen ausgerichtete und befestigte Gittermaßstab 52 gegenüber dem Sensorelement 51 bewegt, wodurch mit Hilfe des Sensorelementes 51 und einer über das Versorgungskabel 11 angeschlossenen Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 58 eine Auslenkung des Tastkörpers 100 und damit die zu messende Länge in an sich bekannter Weise bestimmt werden kann.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härtemessung wird die Vorrichtung zunächst in eine Lage gebracht, in welcher in der Messrichtung keine Gewichtskraftkomponente des Tastkörpers 100 und der von diesem getragenen Spuleneinheit 22 wirkt. Eine solche Positionierung ist etwa eine waagerechte Positionierung der Vorrichtung bzw. des Tastkörpers 100. Dann wird eine Spannungs- bzw. Strom-Auslenkungskennlinie der Vorrichtung 1, 1' aufgenommen, wobei der Tastkörper 100 durch eine Umkehr der Stromrichtung auch in einer der ursprünglichen Messrichtung entgegengesetzten Richtung ausgelenkt wird. Dabei wird der zur Messung erforderliche Arbeitsbereich in den beiden Richtungen durchlaufen. An der Vorrichtung bzw. der Abtasteinrichtung 1 wird dann der Strom eingestellt, bei dem der Tastkörper 100 noch nicht ausgelenkt wird – sogenannter Nullstrom bzw. Nullspannung bei Nullauslenkung. Wird nun die Vorrichtung in die Richtung gedreht oder positioniert, in welcher sich die zu messende Länge (Eindringtiefe) eines zu messenden Gegenstandes befindet, so muss die in dieser Richtung herrschende Gewichtskraftkomponente F_G ausgeglichen werden. Dies geschieht dadurch, dass die gegenüber der gewichtskraftfreien Ruhelage des Tastkörpers 100 auftretende Auslenkung bestimmt wird. Der diese Auslenkung bewirkende Strom wird aus der Spannungs- bzw. Strom-Auslenkungskennlinie entnommen und in entgegenwirkender Richtung eingestellt, so dass die den Tastkörper 100 auslenkende Gewichtskraft F_G aufgehoben wird und der Tastkörper 100 in Messrichtung quasi frei schwebt.
Die Mess- bzw. Prüfkraft wird über die Spannung bzw. den zur Auslenkung des Tastkörpers 100 notwendigen Strom eingestellt. Dazu wird mit Hilfe eines Wägesystems eine Spannungs-(Strom)-Kraftkennlinie aufgenommen, bei der der durch eine aufgeschaltete Spannung in der Spuleneinheit 22 fließende Strom zu der sich daraus ergebenden, an dem Tastkörper 100 auftretenden in Newton gemessenen Kraft bestimmt wird.
Bei einer Überkopfmessung, also bei einer Härtemessung in einer der Erdanziehung entgegen gerichteten Richtung kann demnach eine Verminderung einer eingestellten Prüfkraft durch die Gewichtskraft F_G des Tastkörpers 100 und der Spuleneinheit 22 durch die beschriebene erfindungsgemäße Art und Weise der Messkrafteinstellung ausgeschlossen werden.
Um die durch den Tastkörper 100 bzw. den Tastkörper 100 und die Spuleneinheit 22 bedingte Gewichtskraft F_G zu kompensieren, wird die Vorrichtung in eine Messposition entlang der durch den Pfeil z angezeigten Richtung in 4 gebracht. So kann die Gewichtskraft F_G dadurch ausgeglichen werden, dass dem System die Spannung bzw. der Strom aufgeprägt wird, der notwendig ist, um die durch die Gewichtskraft bedingte Auslenkung des Tastkörpers zu kompensieren und diesen in Ruhe zu halten. In diesem Zustand wird keine Messkraft erzeugt. Nun wird der Strom eingestellt, der aus der Stromkraftlinie notwendig ist, um die erforderliche oder gewünschte Messkraft einzustellen. Die für eine Mikro-IRHD-Messung in der Norm DIN ISO 48 vorgegebenen Werte der Vorkraft von 8,3 mN für 5 s und der Hauptkraft (Eindringkraft) von 145 mN für 30 s werden entsprechend durch den elektrodynamischen Linearantrieb bzw. dessen Steuerung eingestellt bzw. aufrechterhalten.
Da die in der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung 1 eingesetzten Federelemente 31, 33 über eine wegabhängige Rückstellkraft verfügen, kann in der Auswerte- und Steuerungselektronik für die Spuleneinheit 22 durch eine entsprechende lineare Kraft-Wegbeziehung über den gewünschten Messbereich die Rückstellkraft der Federelemente 36, 37 eliminiert werden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer konstanten, durch die Lorentzkraft der Spuleneinheit 22 erzeugten Messkraft zur Messung eingesetzt wird. Diese Messtechnik ist in der 9 veranschaulicht.
Wie in 5 veranschaulicht können erfindungsgemäß unterschiedlich geformte der jeweiligen Messnorm entsprechende Eindringkörper an unterschiedlichen Positionen an der Abtasteinrichtung 1 vorgesehen werden. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Shorehärte werden wie in 5 dargestellt, je nach dem gewählten Shore-Prüfverfahren, Shore A, AM, B, C und D, Eindringkörper mit kegelstumpfartigen Spitzen 105b mit unterschiedlichen Kegelwinkeln und auch Kegelstumpfdurchmessern an der Abtasteinrichtung 1 befestigt. Soll ein Werkstück bzw. Werkstoff nach Shore A0, D0, 00, 000 oder 000-S geprüft werden, so werden Eindringköper mit kugelförmigen Spitzen 105a, 105c an der Abtasteinrichtung 1 befestigt und auf das Werkstück aufgesetzt und dann die durch die Norm gegebenen Prüfkräfte ausgeübt. Je nach dem durchzuführenden Messverfahren Shore A0, D0, 00, 000 oder 000-S unterscheiden sich die Durchmesser der Kugeln der Eindringkörper.
Gemäß der Härtemessverfahren Shore A wird von der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung eine Prüfkraft zwischen 8,1 N und 0,55 N abhängig von der Eindringtiefe für eine Dauer von drei Sekunden ausgeübt. Die Eindringtiefe des Eindringkörpers liegt zwischen 0 und 2,5 mm wird dann von der Abtasteinrichtung 1 gemessen.
Bei dem Härtemessverfahren Shore D, das für Hartgummis, harte Kunststoffmaterialien, Acrylglaspolysterol, steife Thermoplaste, Resopal und Vinyl-Platten Anwendung findet, wird über die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung die Spuleneinheit 22 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Härtemessung derart angesteuert, dass der Eindringkörper mit einer kegelförmigen Spitze mit einem Winkel von 30° mit einer Prüfkraft von 44,5 Newton angepresst wird.
Wie in 6 gezeigt kann die erfindungsgemäße Abtasteinrichtung 1 an einem Messständer 107 befestigt werden kann, um beispielsweise zu einer Shore-Härtemessung eingesetzt zu werden. Die Abtasteinrichtung 1 wird dabei von einem als Laptop 108 ausgeführten Computer gesteuert, der auch die Messdaten aufnimmt und auf dem gezeigten Anzeigeschirm 109 die Messdaten direkt bzw. deren Darstellung in Shore-Härtegraden angibt.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, die in vielfacher Art und Weise abgewandelt sein können. So können die Prüfspitzen 4 anders als beschrieben etwa konisch, zur Spitze pyramidal zulaufend oder elliptisch geformt und aus den unterschiedlichen Materialien gestaltet sein. Die erfindungsgemäße Regelungsaufgaben übernehmende Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 58 kann über eine Schaltung aus reinen elektronischen Bauteilen sowie durch auf Prozessoren laufende Computerprogramme und/oder auch softwaremäßig realisiert sein. Die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 58 der Spuleneinheit 20 und die Auswerte- und Steuereinheit 57 der Sensoreinheit 50 können auch in einer Einheit integriert sein bzw. von einem Computer unterstützt oder darauf softwaremäßig realisiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19614906 C2 [0005]
DE 19751377 C2 [0008]
DE 19818884 A [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Deutsche Industrienorm DIN 53505 [0002]
Normen DIN 53519 [0002]
DIN 53456 [0002]
Norm DIN ISO 48 [0004]
Norm ISO 85 [0042]
Norm ISO 85 [0044]
Norm DIN ISO 48 [0060]

Claims

Verfahren zur Härtemessung von Werkstoffen, insbesondere Elastomeren und Kunststoffen, bei welchem Verfahren ein Eindringkörper unter einer Prüfkraft in ein Werkstück aus dem Werkstoff eingedrückt wird und die von dem Eindringkörper in dem Werkstück erreichbare Eindringtiefe in Abhängigkeit von der Prüfkraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraft F_P in Abhängigkeit von der Eindringtiefe (s) durch ein Polynom n-ten Grades wie F_P(s) = a_n·sⁿ + a_n-1·s^n-1 + a_n-2·s^n-2 ... + a₁·s¹ + a₀·s⁰ mit n ∊ N vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraft F_P unabhängig von der Eindringtiefe durch die folgende Gleichung F_P(s) = a₀·s⁰ vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraft F_P gemäß nachfolgender Gleichung F_P(s) = a₁·s¹ + a₀·s⁰ linear mit der Eindringtiefe veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkraft F_P linear mit der Eindringtiefe abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten a₀, a₁, ... bis a_n-1, a_n als Elemente der reellen Zahlen beliebig einstellbar sind.
Vorrichtung zur Härtemessung, insbesondere zur Messung der Mikro-IRHD (International Rubber Hardness Degree) und/oder zur Messung der Shore-Härte von u. a. Elastomere wie Gummi- und Kunststoff umfassenden Materialien, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Gehäuse, mit wenigstens einem gegenüber dem Gehäuse in wenigstens einer Antastrichtung bewegbaren Tastkörper, mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung einer Auslenkung des Tastkörpers relativ zum Gehäuse, mit einer Führungseinrichtung zur linearen Führung des Tastkörpers in dem Gehäuse und mit einem elektrodynamischen Linearantrieb zur Erzeugung einer Messkraft des Tastkörpers, welcher Linearantrieb von einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung steuerbar ist, wobei die Sensoreinheit als photoelektrisches System ausgeführt ist, dessen zumindest eine zur Bestimmung der Auslenkung des Tastkörpers (100) erforderliche Komponente an dem Tastkörper (100) in der Auslenkungsrichtung (z-Richtung) angebracht ist, wobei die Führungseinrichtung als Wälzführungseinrichtung ausgebildet ist oder wobei die Führungseinrichtung eine Luftführung umfasst oder wobei die Führungseinrichtung so ausgebildet ist, dass der Tastkörper (100) durch zwei parallel angeordnete Federelemente (36, 37) unter Bildung eines Federparallelogramms (40) bezüglich der Auslenkungsrichtung linear im Gehäuse (10) der Vorrichtung (1) geführt wird und wobei der elektrodynamische Linearantrieb als Linearmotor (22) in Gleichpolausführung mit bewegtem Spulenkörper (21) ausgeführt ist, der auf wenigstens einer Seite von Magneten (24, 26) entgegengesetzter Polung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zur Beaufschlagung des Tastkörpers (100) mit einer auslenkungsunabhängigen oder auslenkungsabhängigen Prüfkraft ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein erstes Auflageelement (102) zur Auflage auf einem Werkstück (103) aus einem zu messenden Material, einen bezüglich des ersten Auflageelementes (102) drehbar gelagerten Trägerarm (107), an dem ein zweites Auflageelement (120) mittels eines Drehlagers (121) so festgelegt ist, dass es auf dem Werkstück (103) in eine Auflage bringbar ist und dass eine das zweite Auflageelement (120) durchsetzende Bohrung (104) von dem Prüfelement (105) durchsetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente, der Tastkörper und wenigstens ein einer Festlegung der Federelemente dienender Gehäuseabschnitt monolithisch sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Linearantrieb einen Spulenkörper (21) aus elektrisch nicht-leitendem Material enthält, der von wenigstens einem Magneten (24, 26) umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch jeweils parallel zum Tastkörper (100) an Gehäusewandungen (14, 25) vorgesehene Magnete (24, 26).
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandungen aus magnetischem Material gebildet sind.