DE102018222599A1

DE102018222599A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102018222599A1
Application number: DE102018222599.0A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya KOGA
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JP2019109167A; CN109991109A; JP7009199B2; CN109991109B; US20190187033A1; US11041792B2

Abstract

Unter Ausnutzung einer Last, die durch eine nichtlineare Feder erzeugt wird, deren Federkonstante mit zunehmendem Verformungsbetrag zunimmt, drückt eine Messvorrichtung einen Eindringkörper gegen eine Materialoberfläche und bewertet die Materialkenndaten. Die Messvorrichtung umfasst: einen Aktor, der bewirkt, dass sich die nichtlineare Feder verformt; eine Skala, die den Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder misst, wenn die nichtlineare Feder verformt wird; und eine Steuerung, die nichtlineare Federkennliniendaten speichert, um abwechselnd den Verformungsbetrag und die Last zu berechnen, und die den Aktor basierend auf dem Verformungsbetrag und den nichtlinearen Federkennliniendaten so antreibt, dass die Last eine Soll-Last erreicht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 20. Dezember 2017 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-243378 , deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin ausdrücklich in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und betrifft insbesondere eine Messvorrichtung, die die Verformung einer Feder nutzt, um einen Eindringkörper gegen eine Materialoberfläche zu drücken und Materialkennwerte zu bewerten.
Beschreibung des Standes der Technik
Herkömmlicherweise ist eine Messvorrichtung bekannt, die Kennwerte eines Materials misst, indem sie einen Eindringkörper mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Material drückt. So ist beispielsweise ein Härteprüfer bekannt, der die Härte eines Materials misst, indem er einen Eindringkörper gegen eine Oberfläche des Materials drückt und dabei einen Eindruck bildet. Außerdem ist ein Festigkeitsmessgerät bekannt, das die Festigkeit eines Materials misst, indem es einen Eindringkörper gegen eine Oberfläche des Materials drückt und dabei das Material bricht.
Ein Beispiel für eine herkömmliches Messvorrichtung ist das Japanische Patent Nr. 3,332,362 . Das Japanische Patent Nr. 3,332,362 beschreibt eine Härtemessvorrichtung wie die vorstehend beschriebene, die mit einem lastausübenden Steuermechanismus ausgestattet ist, der eine Überschreitung verhindert.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine typische Struktur einer herkömmlichen Messvorrichtung darstellt. Die Messvorrichtung 200 umfasst einen Tisch 201, auf dem ein Werkstück 109 abgelegt ist; einen Rahmen 202, der sich über den Tisch 201 erstreckt; einen Aktor 203, der durch den Rahmen 202 abgestützt wird; eine Feder 204 mit einem ersten Ende, das den Aktor 203 berührt, und einem zweiten Ende, das einen Eindringkörper 205 hält; und eine Skala 206, die die Verformung der Feder 204 misst. Der Aktor 203 und die Feder 204 sind so angeordnet, dass eine Ausfahr-/Zurückfahrsachse von beiden miteinander übereinstimmt. Wenn der Aktor 203 ausfährt, zieht sich die Feder 204 zusammen und der Eindringkörper 205 wird gegen das Werkstück 109 gedrückt. Die Skala 206 misst an dieser Stelle einen Verformungsbetrag der Feder 204 und berechnet die auf das Werkstück 109 wirkende Last, indem der Verformungsbetrag mit einer Federkonstante multipliziert wird.
Die Feder 204 steuert die Last, die auf das Werkstück 109 ausgeübt wird, durch die folgenden beiden Effekte:

(1) Verformung wird in Kraft umgewandelt. Ein Betrag der Formänderung der Feder 204 (Betrag der Verformung) und eine Last stehen im Wesentlichen in einer proportionalen Beziehung. Wenn also der Aktor 203 so gesteuert wird, dass der Verformungsbetrag der Feder 204 einen vorbestimmten Wert erreicht, kann eine vorbestimmte Last auf das Werkstück 109 aufgebracht werden. Je weicher die Feder (je größer der Verformungsbetrag pro Last), desto höher ist daher die Genauigkeit der Laststeuerung.
(2) Schnelle Kraftänderungen durch Verformung des Werkstücks 109 oder dergleichen werden verhindert.

109

205

204

205

204

205

109

204

203

109

203

Die oben beschriebenen Effekte (1) und (2), die durch die Feder 204 des Messgerätes 200 weitergegeben werden, werden mit zunehmender Weichheit der Feder 204 (mit abnehmender Federkonstante) stärker. Wenn unterdessen die Feder 204 weicher wird, werden der Verformungsbetrag und der Hub des Aktors 203, der erforderlich ist, um eine gewünschte Last zu erreichen, größer. Wenn der Verformungsbetrag der Feder 204 und der Aktorhub groß werden, werden die Feder 204 und der Aktor 203 unhandlich, und auch die Messvorrichtung 200 wird unhandlich. Dies erhöht auch die Einschränkungen bei der Konstruktion der Messvorrichtung 200. Außerdem besteht bei einem Bruch eines Werkstücks 109 und einer Rückkehr der Feder 204 in ihre Ausgangsform (freie Länge) eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Eindringkörper 205 den Tisch 201 erreichen wird und Schäden verursacht. Wenn ferner der Betrag, um den die Feder 204 verformt werden kann (Hub), größer wird, nimmt die in der Feder 204 gespeicherte Energie zu, und wenn das Werkstück 109 bricht, besteht somit eine größere Gefahr, dass das Werkstück 109 oder der Tisch 201 zerbrechen kann und dass Bruchstücke Verletzungen an einer Person oder einem Objekt verursachen können. Daher war es herkömmlicherweise notwendig, unter Abwägung dieser Effekte und Herausforderungen eine geeignete Federhärte (Federkonstante) zu wählen.
Darüber hinaus ist die geeignete Federhärte (Federkonstante) von dem zu messenden Material und dem Zweck der Messung abhängig. Wenn beispielsweise ein Material weich ist, wird eine geringe Last aufgebracht und somit ist eine weichere Feder geeignet. Wenn unterdessen ein Material hart ist, muss eine große Last aufgebracht werden, und deshalb ist eine härtere Feder geeignet. Um andererseits eine schwache Kraft in dem Moment zu erkennen, in dem der Eindringkörper 205 mit dem Werkstück in Kontakt kommt, ist eine weichere Feder geeignet.
Unter diesen Umständen wurde herkömmlicherweise abhängig von einem steuerbaren Bereich von Kräften, der Härte eines zu messenden Werkstücks 109, dem Zweck einer Messung, dem erforderlichen Genauigkeitsgrad und dergleichen eine Vielzahl von Messvorrichtungen 200 vorgesehen. Die Verwendung einer anderen dieser Messvorrichtungen 200 in Abhängigkeit der Anwendung ist äußerst aufwändig und kostspielig.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um die oben genannten Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Verfügung, die die Verformung einer Feder nutzt, um einen Eindringkörper gegen eine Materialoberfläche zu drücken und Materialkennwerte zu bewerten, wobei die Messvorrichtung die Kraft über einen weiten Bereich mit einem hohen Maß an Genauigkeit steuern kann und dennoch kompakt ist.
Eine Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung drückt einen Eindringkörper gegen eine Materialoberfläche und bewertet die Materialkennwerte und umfasst: eine nichtlineare Feder, bei der eine Federkonstante mit zunehmenden Verformungsbetrag zunimmt und die Verformung eine Last erzeugt, die den Eindringkörper gegen die Materialoberfläche drückt; einen Aktor, der bewirkt, dass sich die nichtlineare Feder verformt; eine Skala, die den Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder misst, wenn die nichtlineare Feder verformt wird; und eine Steuerung, die nichtlineare Federkennliniendaten zur abwechselnden Berechnung des Verformungsbetrags und der Last speichert, und die den Aktor basierend auf dem Verformungsbetrag und den nichtlinearen Federkennliniendaten so antreibt, dass die Last eine Soll-Last erreicht. In der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die nichtlineare Feder durch eine Vielzahl von in Reihe gekoppelten Federn konfiguriert; die Federn umfassen einen Begrenzer, der eine Verformung verhindert, wenn eine vorgegebene Last überschritten wird; und je größer die Gesamtlast der nichtlinearen Feder ist, desto geringer ist die Anzahl der Federn, die zu der Verformung beitragen. In der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die nichtlineare Feder so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Federn parallel gekoppelt angeordnet ist; die Federn umfassen einen Kopplungsabschnitt, der mit einer weiteren linearen Feder gekoppelt wird, wenn der Verformungsbetrag einen Schwellenwert überschreitet; und je größer der Gesamtbetrag der Verformung der nichtlinearen Feder ist, desto größer ist die Anzahl der Federn, die zu der Last beitragen. In der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet die Steuerung basierend auf der Soll-Last und den Kennliniendaten der nichtlinearen Federn einen Soll-Verformungsbetrag und treibt den Aktor so an, dass ein Verformungsbetrag moduliert wird, der einer Differenz zwischen dem Soll-Verformungsbetrag und einer an der Skala gemessenen aktuellen Verformung der nichtlinearen Feder entspricht. In der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet die Steuerung aus den Kenndaten der nichtlinearen Feder und dem an der Skala gemessenen aktuellen Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder eine aktuelle Last und treibt den Aktor so an, dass eine Last hinzugefügt und ausgegeben wird, die einer Differenz zwischen der Soll-Last und der aktuellen Last entspricht.
Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, eine . Messvorrichtung bereitzustellen, die einen Eindringkörper gegen eine Materialoberfläche drückt und Materialkennwerte auswertet, wobei die Messvorrichtung unter Verwendung der Verformung einer Feder die Kraft über einen weiten Bereich mit hoher Genauigkeit steuern kann und dennoch kompakt ist.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezugnahme auf die erwähnte Vielzahl von Zeichnungen durch nicht einschränkende Beispiele von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, bei denen gleiche Bezugsziffern gleichartige Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen darstellen, und wobei:

1 eine schematische Ansicht ist, die eine beispielhafte herkömmliche Messvorrichtung zeigt;
2 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Messvorrichtung 100 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht ist, die eine Konfiguration einer Druckfeder darstellt;
4 eine Querschnittsansicht ist, die eine Konfiguration einer Druckfeder mit einem Begrenzer 107 darstellt;
5 eine Querschnittsansicht ist, die ein Beispiel für eine nichtlineare Feder 104 darstellt;
6 eine Querschnittsansicht ist, die Beispiele für die nichtlineare Feder 104 darstellt; und
7 eine Querschnittsansicht ist, die ein Beispiel für die nichtlineare Feder 104 darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin gezeigten Einzelheiten sind lediglich beispielhaft und dienen der anschaulichen Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und werden dargelegt, um die als am hilfreichsten und am leichtesten verständlich angesehene Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. In diesem Zusammenhang wird nicht versucht, strukturelle Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ausführlicher darzustellen, als es für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen den Fachleuten verdeutlicht, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung auf konkrete Ausführungsformen angewendet, die mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Zunächst wird in der schematischen Ansicht von 2 die Konfiguration einer Messvorrichtung 100 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Messvorrichtung 100 umfasst einen Tisch 101, auf dem ein Werkstück 109 abgelegt ist; einen Rahmen 102, der sich von dem Tisch 101 aus gesehen bis zur Rückseite des Werkstücks 109 erstreckt; einen Aktor 103, der von dem Rahmen 102 abgestützt wird; eine Feder 104 mit einem ersten Ende, das den Aktor 103 berührt, und einem zweiten Ende, das einen Eindringkörper 105 hält; eine Skala 106, die die Verformung der Feder 104 misst; und eine Steuerung 110, die den Antrieb des Aktors 103 steuert.
Der Aktor 103 und die Feder 104 sind so angeordnet, dass eine Ausfahr-/Zurückfahrsachse von diesen beiden miteinander übereinstimmt. Die Feder 104 und der Eindringkörper 105 bewegen sich in Verbindung mit dem Ausfahren des Aktors 103 in Richtung einer Oberfläche des Werkstücks 109, und wenn der Eindringkörper 105 schließlich gegen die Oberfläche des Werkstücks 109 drückt, verformt sich die Feder 104 aus ihrer ursprünglichen Form (freie Länge). Die Skala 106 misst den Verformungsbetrag der Feder 104 an dieser Stelle. Verfahren zur Messung des Verformungsbetrags umfassen ein indirektes Verfahren, das die Form einer Feder (z.B. die Länge der Feder) vor und nach der Verformung misst und die Differenz berechnet, und ein direktes Verfahren (z.B. Kopplung eines Schiebers einer Skala mit dem Ausfahren/Zurückfahren der Feder), das den Verformungsbetrag misst (z.B. den Betrag des Ausfahrens und Zurückfahrens der Feder). Es kann jedoch jedes beliebige Verfahren verwendet werden. Auch in einem Fall, in dem das Werkstück 109 aufgrund einer Last verformt oder verschoben wird, folgt der Eindringkörper 105, der gegen die Oberfläche des Werkstücks 109 drückt, aufgrund der Verformung der Feder 104 mehr oder weniger konstant der Oberfläche des Werkstücks 109.
Die Steuerung 110 speichert die Federkennliniendaten 111. Die Federkennliniendaten 111 sind Daten, die einen Zusammenhang zwischen dem Betrag der Verformung der Feder 104 und der von der Feder 104 erzeugten Kraft (d.h. der Last, die der Eindringkörper 105 auf das Werkstück 109 ausübt) anzeigen. Die Steuerung 110 überwacht den Verformungsbetrag der Feder 104, der von der Skala 106 gemessen wird. So erfasst die Steuerung 110 beispielsweise für jeden festen Zeitraum einen Messwert. Danach berechnet die Steuerung 110 die Last basierend auf den Federkennliniendaten 111 und dem Messwert für den Verformungsbetrag der Feder 104.
Einfach ausgedrückt, solange die Feder 104 eine einzelne Feder ist, die einer Federkonstante folgt und sich als Reaktion auf eine Last linear verformt, können die Federkennliniendaten 111 der Feder 104 durch einen Federkoeffizienten ausgedrückt werden. In einem solchen Fall kann die Steuerung 110 die auf das Werkstück 109 wirkende Last berechnen, indem die Federkonstante mit einem aktuellen Verformungsbetrag der Feder, der durch Subtrahieren des von der Skala 106 erfassten Messwertes von der Ausgangsform (freie Länge) der Feder 104 erhalten wird, multipliziert wird. (Dieses Beispiel dient lediglich der Erläuterung, was unter „Federkennliniendaten“ zu verstehen ist. Wie nachstehend angegeben, wird eine nichtlineare Feder als die Feder 104 in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Federkennliniendaten 111 für einen solchen Fall sind ebenfalls nichtlinear.)
Die Steuerung 110 stellt eine Soll-Last zur Verfügung, die die Last ist, die auf das Werkstück 109 aufgebracht werden soll. So gibt beispielsweise ein Benutzer mit einem Eingabegerät, das nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, die Soll-Last ein. Alternativ kann eine Soll-Last, die von einer externen Vorrichtung ausgegeben wird, über eine Kommunikationsschnittstelle oder dergleichen in die Steuerung 110 eingegeben werden.
Während der wie vorstehend beschriebene Berechnungsprozesses für die Last in festen Abständen ausgeführt wird, steuert die Steuerung 110 typischerweise den Aktor 103, um die Soll-Last zu erreichen. Wenn der Aktor 103 ein Typ ist, der eine Länge bestimmt (z.B. ein Typ, der durch einen Kugelgewindetrieb + Schrittmotor, oder einen Kugelgewindetrieb + Skala + Servomotor konfiguriert ist, der einen Verschiebungsweg eines Aktors bestimmt und einen Antrieb bereitstellt), führt die Steuerung 110 eine Steuerung wie die folgende aus:

(1) Umwandeln der Soll-Last in einen Soll-Verformungsbetrag. Basierend auf den Federkennliniendaten 111 berechnet die Steuerung 110 den erforderlichen Verformungsbetrag der Feder 104 (Sollverformungsbetrag), um die Soll-Last zu erreichen.
(2) Bewegen des Aktors 103 um (Soll-Verformungswert - aktueller Verformungswert).

110

104

106

109

104

109

104

110

109

103

109

Wenn der Aktor 103 ein Typ ist, der die Kraft bestimmt (z.B. ein Typ, der durch eine Schwingspule konfiguriert ist, die eine zu einem elektrischen Strom proportionale Kraft erzeugt, und der eine Last bestimmt, die von einem Aktor ausgegeben werden soll und einen Antrieb bereitstellt), führt die Steuerung 110 eine Steuerung wie die folgende aus:

(1) Umwandeln des aktuellen Verformungsbetrags in eine vorliegende Last. Basierend auf den Federkennliniendaten 111 berechnet die Steuerung 110 eine Last (aktuelle Last), die dem Messwert für den Verformungsbetrag der Feder 104 entspricht, der durch die Skala 106 erhalten wird (aktueller Verformungsbetrag).
(2) Antreiben des Aktors 103 derart, dass die Last um (Soll-Last - aktuelle Last) ansteigt. Die Steuerung 110 berechnet die Differenz zwischen der Soll-Last und der aktuellen Last. Das positive/negative Vorzeichen der Differenz entspricht der Richtung, in der der Aktor bewegt wird (z.B. ausgefahren oder zurückgefahren). Wenn die aktuelle Last auch nach dem Prozess von (2) aufgrund eines Fehlers im Aktor 103 oder dergleichen die Soll-Last nicht erreicht, wiederholt die Steuerung 110 die Prozesse von (1) und (2).

Es wird nun die Feder 104 beschrieben. Der von der Feder 104 gehaltene Eindringkörper 105 drückt direkt in die Oberfläche des Werkstücks 109, und somit benötigt die Feder 104 eine hohe Steifigkeit in Bezug auf andere Verformungen als die erwartete Verformung (z.B. Ausfahr-/Rückzugsverformung in Ausfahr-/Rückzugsrichtung). Eine Feder, die diese Anforderung erfüllen kann, ist eine Feder, wie die in 3 dargestellte.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Druckfeder aus einer Querrichtung. Die Druckfeder hat zwei rechteckige Tellerfedern 113, die mit einer dazwischenliegenden Distanzscheibe 112 übereinander gestapelt sind. Die Druckfeder verformt sich entsprechend der Federkonstante als Reaktion auf eine Kraft in der durch einen Pfeil dargestellten Ausfahr-/Rückzugsrichtung. Aber auch dann, wenn eine Kraft in eine andere Richtung ausgeübt wird, lässt sich die Druckfeder äußerst schwer verformen (d.h. die Druckfeder hat einen hohen Steifigkeitsgrad). Für sich genommen ist die Druckfeder eine lineare Feder. Das heißt, wenn eine Last in Ausfahr-/Rückzugsrichtung aufgebracht wird, verformt sich die Druckfeder linear entsprechend der Federkonstante.
Ein besonderes Merkmal der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Vielzahl von linearen Federn mit unterschiedlichen Kennlinien kombiniert werden, um eine nichtlineare Feder zu konfigurieren, und diese nichtlineare Feder als Feder 104 verwendet wird. Außerdem ist die Steuerung 110 dazu konfiguriert, die für die nichtlineare Feder 104 spezifischen Federkennliniendaten 111 im Voraus zu speichern, und sie führt eine Steuerung des Aktors 103, wie vorstehend beschrieben, unter Verwendung dieser Federkennliniendaten 111 aus. Beispielhafte Konfigurationen der nichtlinearen Feder 104 unter Verwendung der in 3 dargestellten Druckfeder und beispielhafte Federkennliniendaten 111 entsprechend den nichtlinearen Federn 104 werden nachfolgend als Ausführungsformen offenbart.
Erste Ausführungsform
In einer ersten Ausführungsform wird die nichtlineare Feder 104 konfiguriert, indem eine Vielzahl von linearen Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten in Reihe angeordnet wird. Die Struktur der nichtlinearen Feder 104 gemäß der ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. „In Reihe“ bedeutet hier, dass eine Verbundfederverformung die Summe der Verformung jeder einzelnen Feder ist und eine Verbundfederlast mit jeder einzelnen Feder geteilt wird.
Die linke Seite von 4 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Linearfeder 1041 darstellt, die ein Strukturelement der nichtlinearen Feder 104 ist. Die rechte Seite von 4 ist ein Diagramm, das die Kennwerte (Änderungen des Verformungsbetrags in Bezug auf die Last) der linearen Feder 1041 darstellt. In der linearen Feder 1041 ist zwischen zwei Tellerfedern 113 ein Begrenzer 107 angeordnet, der so wirkt, dass er was mehr als ein bestimmter Verformungsbetrag (Zurückfahren oder Verkürzen) ist, verhindert. Wenn eine (durch Pfeile dargestellte) auf die lineare Feder 1041 wirkende Druckkraft zunimmt, verringert sich der Abstand zwischen den beiden Tellerfedern allmählich, aber wenn ein bestimmter Abstand erreicht ist, greift der Begrenzer 107 ein und es tritt keine weitere Verformung auf.
Die linke Seite von 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur der nichtlinearen Feder 104 darstellt. Bei der nichtlinearen Feder 104 ist eine Vielzahl der linearen Federn 1041 mit der in 4 dargestellten Struktur übereinander gestapelt. Die Vielzahl der linearen Federn 1041 weist jeweils eine unterschiedliche Härte (Federkonstante) auf.
Als Beispiel sei eine nichtlineare Feder 104 angenommen, bei der drei lineare Federn 1041 mit unterschiedlichen Federkonstanten (d.h. drei Arten von Druckfedern: eine weiche Feder 10411, eine mittlere Feder 10412 und eine harte Feder 10413) übereinander gestapelt sind. Die Federkonstanten sind so konfiguriert, dass (weiche Feder 10411 < mittlere Feder 10412 < harte Feder 10413) gilt. Die Kennlinien (Änderungen des Verformungsbetrags in Bezug auf die Last) der nichtlinearen Feder 104 an dieser Stelle sind auf der rechten Seite von 5 dargestellt. Wenn eine durch Pfeile dargestellte Druckkraft auf die nichtlineare Feder 104 in einem Segment ausgeübt wird, in dem die Last ein Wert von 0 bis a ist, verformen (fahren zurück oder verkürzen) sich die weiche Feder 10411, die mittlere Feder 10412 und die harte Feder 10413 gemeinsam. Bei einer Last a erreicht die weiche Feder 10411 den Begrenzer 107. Der Gesamtverformungswert der nichtlinearen Feder 104 an dieser Stelle wird als A bezeichnet. In einem Segment, in dem die Last ein Wert von a bis b ist, verformen sich nur die mittlere Feder 10412 und die harte Feder 10413. Bei einer Last b erreicht die mittlere Feder 10412 den Begrenzer 107. Der Gesamtverformungsbetrag der nichtlinearen Feder 104 an dieser Stelle wird als B bezeichnet. In einem Segment, in dem die Last ein Wert von b bis c ist, verformt sich nur die harte Feder 10413. Bei einer Last c erreicht die harte Feder 10413 den Begrenzer 107. Der Gesamtverformungswert der nichtlinearen Feder 104 an dieser Stelle wird als C bezeichnet. In einem Segment, in dem die Last ein Wert ab c ist, haben alle linearen Federn 1041 die Begrenzer 107 erreicht, und somit tritt keine weitere Verformung auf. Mit anderen Worten, in diesem Beispiel nimmt mit zunehmender Gesamtlast auf die nichtlineare Feder 104 die Anzahl der zur Verformung beitragenden linearen Federn 1041 ab. Außerdem stellt die Summe der Verformungen jeder linearen Feder 1041 (10411, 10412 und 10413) die Gesamtverformung der nichtlinearen Feder 104 dar.
Die Kennlinien (Änderungen des Verformungsbetrags in Abhängigkeit von der Last) der nichtlinearen Feder 104, dargestellt durch eine dicke Linie auf der rechten Seite von 5, werden von der Steuerung 110 als Federkennliniendaten 111 gespeichert. Die Steuerung 110 kann beispielsweise auch separate Formeln für Geraden speichern, die die Kennlinien der nichtlinearen Feder 104 in jedem Lastbereich (eine Last von 0 bis a, von a bis b, von b bis c und ab c) und/oder in jedem Verformungsbetragsbereich (ein Verformungsbetrag von 0 bis A, von A bis B, von B bis C und ab C) darstellen. Alternativ kann die Steuerung 110 in einer Tabelle oder einem anderen Format Daten speichern, für die eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Last und dem Verformungsbetrag definiert wird. Wenn der Verformungsbetrag bekannt ist, kann die Form nach der Verformung basierend auf der Ausgangsform (freie Länge) bekannt sein, und daher kann sich die Steuerung 110 auf eine solche Formel oder Tabelle beziehen und die Form, die der Last entspricht, oder die Last, die der Form entspricht, der nichtlinearen Feder 104 berechnen.
Die Anordnungsreihenfolge der weichen Feder 10411, der mittleren Feder 10412 und der harten Feder 10413 hat keinen Einfluss auf die Kennlinie der nichtlinearen Feder 104. Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Steifigkeit wird jedoch bevorzugt eine härtere Linearfeder 1041 näher an dem Aktor 103 und eine weichere Linearfeder 1041 bevorzugt weiter weg von dem Aktor 103 angeordnet. Mit anderen Worten, in der Reihenfolge der am Nächsten zu dem Aktor 103 liegenden ist die Platzierungsreihenfolge bevorzugt harte Feder 10413, mittlere Feder 10412 und weiche Feder 10411, wobei die weiche Feder 10411 den Eindringkörper 105 hält.
Zweite Ausführungsform
In einer zweiten Ausführungsform ist die nichtlineare Feder 104 durch paralleles Verkoppeln einer Vielzahl von linearen Federn 1042 mit unterschiedlichen Federkonstanten konfiguriert. Die Struktur der nichtlinearen Feder 104 gemäß der zweiten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben. „Parallel“ bedeutet hier, dass eine Verbundfederkraft die Summe der Kraft jeder einzelnen Feder ist und eine Verbundfederverformung mit jeder einzelnen Feder geteilt wird.
6 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur der linearen Feder 1042, die ein Strukturelement der nichtlinearen Feder 104 ist, darstellt. Ein Kopplungsabschnitt (Koppler) 108 ist an der linearen Feder 1042 angeordnet, wobei der Kopplungsabschnitt 108 eine weitere lineare Feder 1042 berührt und eine Last überträgt (linke und rechte Seite von 6). Der Begrenzer 107, der so wirkt, dass er was über eine bestimmte Verformung (Zurückfahren oder Verkürzen) hinausgeht, verhindert, kann auch in der linearen Feder 1042 angeordnet werden (rechte Seite von 6).
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Struktur der nichtlinearen Feder 104 gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Bei der nichtlinearen Feder 104 ist eine Vielzahl der linearen Federn 1042 mit der in 6 dargestellten Struktur parallel kombiniert und ineinander verschachtelt. Auch in diesem Fall weist die Vielzahl der linearen Federn 1042 jeweils eine unterschiedliche Härte (Federkonstante) auf. Im Beispiel von 7 sind drei Arten von linearen Federn 1042 ineinander verschachtelt (in der Reihenfolge von der äußersten: eine weiche Feder 10421, eine mittlere Feder 10422 und eine harte Feder 10423). Die linearen Federn 1042 sind jeweils so konfiguriert, dass sie in einem Anfangszustand eine Vorverformungsform (freie Länge) aufweisen. Die Vorverformungsform (freie Länge) jeder Druckfeder hat eine Länge in der Größenordnung von (weiche Feder 10421 > mittlere Feder 10422 > harte Feder 10423). Daher ist zwischen jeder linearen Feder 1042 (10421, 10422 und 10423) ein gewisses Spiel vorhanden.
Wenn eine durch Pfeile dargestellte Last auf die nichtlineare Feder 104 aufgebracht wird, verformt (fährt zurück oder verkürzt) sich zunächst nur die weiche Feder 10421 und nimmt die Last auf. Wenn eine weitere Last hinzugefügt wird und die Verformung voranschreitet, berühren sich die weiche Feder 10421 und die mittlere Feder 10422, wobei deren Kopplungsabschnitt 108 jeweils dazwischen liegt, und die weiche Feder 10421 und die mittlere Feder 10422 verformen (fahren zurück oder verkürzen) sich beide und nehmen die Last auf. Wenn eine weitere Last hinzugefügt wird und die Verformung voranschreitet, berühren sich die mittlere Feder 10422 und die harte Feder 10423, wobei deren Kupplungsabschnitt 108 jeweils dazwischen angeordnet ist, und die weiche Feder 10421, die mittlere Feder 10422 und die harte Feder 10423 verformen (fahren ein oder verkürzen) sich alle und nehmen die Last auf. Bei zunehmender Last und fortschreitender Verformung weist somit die nichtlineare Feder 104 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Kennlinie auf, bei der sich die Anzahl der linearen Federn 1042, die sich verformen (zurückfahren oder verkürzen) und die Last aufnehmen, erhöht und sich die Federkonstante erhöht. Zudem bildet die Summe der von jeder linearen Feder 1042 (10421, 10422 und 10423) aufgenommenen Lasten die von der nichtlinearen Feder 104 aufgenommene Gesamtlast.
Wie in der ersten Ausführungsform kann die Steuerung 110 dazu konfiguriert werden, die Kennlinie der nichtlinearen Feder 104 im Voraus unter Verwendung einer Formel, Tabelle oder eines anderen gewünschten Formats zu speichern. Dementsprechend kann sich die Steuerung 110 auf die Formel, Tabelle oder dergleichen beziehen und den der Last entsprechenden Verformungsbetrag oder die dem Verformungsbetrag entsprechende Last der nichtlinearen Feder 104 berechnen.
Die Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst die nichtlineare Feder 104, die die Eigenschaft aufweist, weicher zu werden (untere Federkonstante), während die Verformung klein ist, und härter zu werden (höhere Federkonstante), wenn die Verformung zunimmt. Eine einzige nichtlineare Feder 104 deckt einen breiten Bereich von Federkonstanten ab, und daher kann die Messung von Materialien mit unterschiedlichen Härten durchgeführt werden, während insbesondere die Genauigkeit bei der Steuerung einer Last während des Kontakts zwischen dem Eindringkörper und dem Werkstück 109 und die Fähigkeit, der Oberfläche des Werkstücks 109 zu folgen, beibehalten werden können. Darüber hinaus kann die Messvorrichtung 100 in ihrer Größe reduziert und Konstruktionsbeschränkungen minimiert werden. Mit anderen Worten, durch Austauschen einer linearen Feder der herkömmlichen Technologie für die nichtlineare Feder 104 und Anpassen der Messvorrichtung 100 an nichtlineare Kennlinien, kann der Bereich der steuerbaren Kräfte erweitert und die Art der zu messenden Werkstücke variiert werden, ohne die Messvorrichtung 100 zu vergrößern. Die relative Genauigkeit einer Kraft kann für kleine Kräfte bis hin zu großen Kräften im Wesentlichen einheitlich gehalten werden, und daher können Materialkennwerte, wie ein breiter Härtebereich, mit einem hohen Genauigkeitsgrad gemessen werden.
Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform die nichtlineare Feder 104 durch einfaches Koppeln der leicht herstellbaren linearen Federn sowohl einfach als auch kostengünstig hergestellt werden. Ferner können lineare Federn, die eine hohe Steifigkeit gegenüber unerwarteter Verformung aufweisen, gekoppelt werden, und daher kann auch bei der nichtlinearen Feder 104 eine ähnliche Steifigkeit gewährleistet werden. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen der Kennlinie einer linearen Feder, die die Grundlage der nichtlinearen Feder 104 bildet, und der Kennlinie der nichtlinearen Feder 104 vergleichsweise einfach, und daher kann eine nichtlineare Feder 104 mit den gewünschten Eigenschaften leicht ausgelegt werden. Darüber hinaus kann eine lineare Feder, die die Grundlage für die nichtlineare Feder 104 bildet, mit sogenannter „ausgeschöpfter“ Technologie konstruiert und gefertigt werden, sodass eine hohe Genauigkeit zu erwarten ist, und da die linearen Federn auf einfache Weise zur Bildung der nichtlinearen Feder 104 gekoppelt sind, kann auch bei der nichtlinearen Feder 104 ein hohes Maß an Genauigkeit erwartet werden. Zudem ist die nichtlineare Feder 104 gemäß der zweiten Ausführungsform durch verschachtelndes Kombinieren der linearen Federn außerordentlich kompakt.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann bei Bedarf geändert werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So ist beispielsweise in den oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel für eine Konfiguration gegeben, bei der eine Last von der Feder 104 über den Eindringkörper 105 auf das Werkstück 109 übertragen wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und eine von der Feder 104 erzeugte Kraft kann auch indirekt über einen beliebigen Mechanismus, wie beispielsweise einen Hebel, auf das Werkstück 109 weitergegeben werden.
Ferner sind in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen Beispiele angegeben, in denen die nichtlineare Feder 104 durch Anordnen einer Vielzahl von linearen Federn in Reihen- oder Parallelanordnung konfiguriert ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Reihen- und Parallelanordnungen der Vielzahl von linearen Federn kann auch kombiniert werden, um die Feder 104 zu konfigurieren.
Zudem sind in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in erster Linie Beispiele aufgeführt, bei denen Druckfedern als Beispiel für die Vielzahl von linearen Federn, die die nichtlineare Feder 104 konfigurieren, eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und jede gewünschte Art von Federn (zum Beispiel eine Tellerfeder 113) kann als die lineare Feder, die die nichtlineare Feder 104 konfiguriert, eingesetzt werden.
Darüber hinaus müssen die Federn, die bei der Feder 104 in Reihe oder parallel miteinander gekoppelt sind, keine linearen Federn sein. Die Federn können stattdessen im Wesentlichen lineare Federn sein. Ein Bewegungsbereich der Federkonstante kann durch den gezielten Einsatz von Federn mit nichtlinearen Kennlinien (z.B. eine Spirale mit variabler Steigung, eine konische Spirale oder dergleichen) weiter erweitert werden. Außerdem kann die Feder 104 auch durch eine einzige nichtlineare Feder konfiguriert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorgenannten Beispiele lediglich zum Zwecke der Erläuterung angegeben wurden und in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass die hierin verwendeten Wörter vielmehr Wörter der Beschreibung und Erläuterung als Wörter der Einschränkung sind. Änderungen können im Rahmen der beigefügten Ansprüche in der derzeit gültigen Fassung vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang und Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf bestimmte Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, soll sich die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin offenbarten Einzelheiten beschränken; vielmehr erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktional gleichwertigen Strukturen, Verfahren und Verwendungen, wie sie im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Abänderungen und Modifikationen möglich sein, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017243378 [0001]
JP 3332362 [0004]

Claims

Messvorrichtung (100), die einen Eindringkörper (105) gegen eine Materialoberfläche drückt und die Materialkennwerte bewertet, und die umfasst: eine nichtlineare Feder (104), bei der eine Federkonstante mit zunehmendem Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder (104) zunimmt, und bei der die Verformung eine Last erzeugt, die den Eindringkörper (105) gegen die Materialoberfläche drückt; einen Aktor (103), der bewirkt, dass sich die nichtlineare Feder (104) verformt; eine Skala (106), die den Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder (104) misst, wenn die nichtlineare Feder (104) verformt wird; und eine Steuerung (110), die nichtlineare Federkennliniendaten zur abwechselnden Berechnung des Verformungsbetrags und der Last speichert, und die den Aktor (103) basierend auf dem Verformungsbetrag und den nichtlinearen Federkennliniendaten so antreibt, dass die Last eine Soll-Last erreicht.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei: die nichtlineare Feder (104) eine Vielzahl von Federn (10411-10413) umfasst, die in Reihe verkoppelt sind, jede Feder der Vielzahl von Federn (10411-10413) einen Begrenzer umfasst, der eine Verformung der jeweiligen Feder verhindert, wenn eine vorbestimmte Last überschritten wird, und je größer die Gesamtlast der Vielzahl von Federn ist, desto geringer ist die Anzahl der Federn, die zur Gesamtverformung der Vielzahl von Federn (10411-10413) beitragen.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die nichtlineare Feder (104) eine Vielzahl von parallel gekoppelten Federn (1042) umfasst, die Vielzahl von Federn (1042) einen Koppler (108) umfasst, der mit einer weiteren Feder der Vielzahl von Federn (1042) verkoppelt wird, wenn der Verformungsbetrag einen Schwellenwert überschreitet, und je größer der Gesamtverformungsbetrag der Vielzahl von Federn (1042) ist, desto größer ist die Anzahl der Federn, die zur Gesamtlast der Vielzahl von Federn (1042) beitragen.
Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung (110): einen Soll-Verformungsbetrag basierend auf der Soll-Last und den nichtlinearen Federkennliniendaten berechnet und den Aktor (103) antreibt, um einen Abstand zu verschieben, der einer Differenz zwischen dem Soll-Verformungsbetrag und einem durch die Skala (106) gemessenen aktuellen Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder (104) entspricht.
Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung (110): eine aktuelle Last basierend auf den nichtlinearen Federkennliniendaten und einem durch die Skala (106) gemessenen aktuellen Verformungsbetrag der nichtlinearen Feder (104) berechnet, und den Aktor (103) antreibt, um zusätzlich eine Last auszugeben, die einer Differenz zwischen der Soll-Last und der aktuellen Last entspricht.