DE10329318A1

DE10329318A1 - Physical parameter, especially hardness, measuring unit has a sprung testing body mounted on a cross bearing that can driven up and down to permit positioning of the sprung testing body adjacent to a sample

Info

Publication number: DE10329318A1
Application number: DE2003129318
Authority: DE
Inventors: Otto Rothenaicher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-02-10

Abstract

Unit for determining physical properties of a sample, e.g. hardness has a cross bearer (4) that is positioned using a linear drive (3). A spring (6) with a defined spring constant that is made of a material with a linear force-extension curve is mounted in the cross bearer. The spring supports a testing body (8) that is brought into contact with a stably positioned sample (11). The resultant deformation of the sample is measured with a frictionless linear measurement element (9) to permit measurement of sample physical data.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften von Proben, wie z. B. der Bestimmung der Härte.The The invention relates to a device for determining physical properties of samples such. B. the determination of hardness.

Derzeit sind verschiedene Messgeräte zur Bestimmung z. B. der Shore-, der IRHD-, der Universalhärte, die auf in DIN-, ISO-, ASTM-Normen sowie anderen Prüfverfahren beruhen. Entsprechend der jeweils angewandten Norm sind sowohl die Geometrien der zu prüfenden Proben als auch die Messelementausführungen (Prüfungskörper), mit denen die Proben beaufschlagt werden, vorgegeben.Currently are different measuring devices for determining z. B. the Shore, the IRHD, the universal hardness, the based on DIN, ISO, ASTM and other test methods. Corresponding The standards used in each case are the geometries of the samples to be tested as well as the measuring element designs (Examination body), with which the samples are applied, given.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften anzugeben, mit dem eine beliebige Prüflast auf eine beliebig geformte Probe aufgebracht werden kann und deren Reaktionsverhalten zur Bestimmung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften, z. B. der Shore-Härte, zur Bestimmung der Relaxation, des dynamischen Verhaltens und weiterer davon abhängiger Eigenschaften herangezogen werden kann, wobei auch im Vergleich zu bekannten Verfahren verhältnismäßig kleine Objekte unabhängig von ihrer jeweiligen Oberfläche herangezogen werden können.task The invention is a device to specify the physical properties with which a any test load can be applied to an arbitrarily shaped sample and their reaction behavior for determining different physical properties, e.g. B. the Shore hardness, for the determination of relaxation, dynamic behavior and others more dependent on it Properties can be used, including in comparison to known methods relatively small Objects independent from their respective surface can be used.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is by a device solved with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.advantageous versions are in the subclaims played.

Durch das erfindungsgemäße Gerät ist es möglich, eine beliebige Prüflast über einen Prüfungskörper, vorzugsweise eine Kontaktnadel, auf eine Probe aufzubringen, um das Reaktionsverhalten des Prüfungskörpers festzustellen und auszuwerten, wobei der Prüfungskörper gleit- und haftreibungsfrei zur Messung des Reaktionsverhaltens angeordnet ist. Die Prüflast kann bei der Shore-Härtemessung eindringtiefenabhängig sein oder während eines Messvorgangs dynamisch verändert bzw. konstant gehalten werden. Die gemäß der Erfindung erforderliche spezielle Prüfungskörper- bzw. Probenlagerung ermöglicht den Einsatz von Prüfungskörpern oder Proben mit sehr kleinen Abmessungen, wobei der Prüfungskörper oder die Probe über seine Linearposition gesteuert werden kann, so dass auch Messungen an Fertigteilen unterschiedlichster Art möglich sind, ohne diese zu beschädigen. Durch Verwendung unterschiedlicher und genau bestimmter Belastungskennlinien der Feder und über die Kenntnis des Messwegs können Standardmessungen durchgeführt werden. Die spezielle Anordnung des Prüfungskörpers bzw. der Probe in Verbindung mit einer genauen Linearpositionierung ermöglicht es, neben Standardmessungen auch extreme sehr genaue Messungen auch an sehr kleinen Proben unterschiedlichster Geometrien durchzuführen, wobei eine absolut lagestabile Positionierung der Proben bzw. und auch des Prüfungskörpers gewährleistet sein muss.By the device according to the invention, it is possible a any test load over one Test body, preferably a contact needle to apply to a sample to the reaction behavior of the examination body and to evaluate, with the examining body sliding and arranged without friction for measuring the reaction behavior is. The test load can with the Shore hardness measurement eindringtiefenabhängig be or during of a measurement process changed dynamically or kept constant. The required according to the invention special Prüfungskörper- or Sample storage allows the use of examination bodies or Samples with very small dimensions, with the test body or the sample over Its linear position can be controlled, so that also measurements Prefabricated parts of various kinds are possible without damaging them. By Use of different and precisely defined load characteristics the spring and over the knowledge of the measuring path can Standard measurements performed become. The special arrangement of the test body or the sample in conjunction with an accurate linear positioning allows, besides standard measurements also extremely accurate measurements even on very small samples of different kinds Perform geometries, an absolutely storage stable positioning of the samples or and and be assured of the examination body got to.

Bei der erfindungsgemäßen Feder handelt es sich vorzugsweise um eine Feder mit vier Gelenkpunkten, die nur eine gerichtete Bewegung mit linearer Kennlinie ermöglicht.at the spring according to the invention it is preferably a spring with four articulation points, which allows only a directional movement with linear characteristic.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:below the invention by reference to an embodiment with reference closer to drawings explained. It shows:

1 ein Schema eines Geräts; 1 a scheme of a device;

2 den Ausschnitt A gemäß 1 in vergrößertem Maßstab; 2 the section A according to 1 on an enlarged scale;

3 eine Anordnung zur Positionierung einer Probe; 3 an arrangement for positioning a sample;

4a eine erfindungsgemäße Feder mit vier federnden Gelenkpunkten und 4a a spring according to the invention with four resilient hinge points and

4b eine Mehrfachfeder. 4b a multiple spring.

Auf einer Basisplatte 1 des Geräts ist eine senkrechte Säule 2 angeordnet. Auf der Säule 2 ist, gegebenenfalls über einen mehrstufigen Linearantrieb 3, ein Querträger 4 höhenverstellbar angeordnet, wobei die jeweilige Position über eine Messeinheit 5 ablesbar ist.On a base plate 1 of the device is a vertical column 2 arranged. On the pillar 2 is, if necessary via a multi-stage linear drive 3 , a crossbeam 4 arranged height-adjustable, wherein the respective position via a measuring unit 5 is readable.

Am Querträger 4 ist z. B. fest eingespannt eine Feder 6 angeordnet, die sich parallel zum Querträger 4 erstreckt. Die Feder 6 weist vier Gelenkpunkte (s. 4a) auf, die deren lineare Federeigenschaften bewirken. An dem dem eingespannten Ende der Feder 6 entgegengesetzten freien Ende ist beabstandet von einem Gelenkpunkt ein vorstehender Ansatz 7 ausgeführt, in dem fest ein Prüfungskörper 8 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Prüfungskörper 8 als Kontaktnadel 8' ausgeführt. Der Prüfungskörper 8 wirkt mit einem berührungslosen Messelement 9 zusammen, das als induktiver, kapazitiver oder auch als Lasersensor ausgeführt sein kann.At the cross member 4 is z. B. firmly clamped a spring 6 arranged, which are parallel to the cross member 4 extends. The feather 6 has four points of articulation (s. 4a ), which cause their linear spring properties. At the clamped end of the spring 6 opposite free end is spaced from a hinge point a projecting approach 7 executed in the fixed a test body 8th is arranged. In the exemplary embodiment, the test body 8th as a contact needle 8th' executed. The examination body 8th acts with a non-contact measuring element 9 together, which can be designed as inductive, capacitive or as a laser sensor.

Auf der Basisplatte 1 ist unterhalb der Kontaktnadel 8' ein Probenträger 10 für eine Probe 11 angeordnet.On the base plate 1 is below the contact needle 8th' a sample carrier 10 for a sample 11 arranged.

Auf dem Probenträger 10 kann vorzugsweise eine auswechselbar angeordnete Objektauflage 12 angeordnet sein. Mittels z. B. einer Klebmasse 13 wird die Probe 11 lageunveränderbar auf der Objektauflage 12 befestigt. Die Objektauflage 12 kann auch mit einer negativen Formgestaltung ausgeführt sein, wenn Proben 11 mit entsprechender Konfiguration, die der Formgestaltung ganz oder teilweise entsprechen, öfters untersucht werden sollen.On the sample carrier 10 may preferably be an interchangeable object support 12 be arranged. By means of z. B. an adhesive 13 will be the sample 11 Can not be changed on the object support 12 attached. The object edition 12 can also be designed with a negative shape design when samples 11 with appropriate configuration, which correspond to the design in whole or in part, should be examined more often.

Zusätzlich kann auf der Basisplatte 1 ein über einen weiteren Linearantrieb 3' höhenverstellbarer Führungsarm 15 angeordnet sein, der an seinem freien Ende einen mit einem Durchlass 14 für die Kontaktnadel 8' ausgeführten Festhalter 16 aufweist, der eine Probe 11 mit einer zusätzlichen von der Messkraft unabhängigen konstanten Haltekraft fixiert, um Fehler aufgrund von Bewegungen bzw. Abweichungen der Probe 11 aus ihrer ursprünglichen Lage auszuschließen bzw. zu minimieren.Additionally, on the base plate 1 via a further linear drive 3 ' height-adjustable guide arm 15 be arranged, at its free end one with a passage 14 for the contact needle 8th' executed holder 16 which has a sample 11 fixed with an additional independent of the measuring force constant holding force to errors due to movements or deviations of the sample 11 to exclude or minimize their original position.

Zur geometrischen Positionierung eines Prüfpunktes auf der Probe 11 wird ein Messpunkt projiziert, z. B. durch eine Laserdiode 17 (s. 3), der eine genaue Positionierung des jeweiligen Prüfpunktes auf der Probe 11 ermöglicht. Die jeweilige Zuordnung erfolgt über den Probenträger 10 selbst oder über eine mechanische Positioniereinheit. Diese Positioniereinheit mit der Laserdiode 17 kann verschieb- und/oder verschwenkbar auf der Basisplatte 1 angeordnet oder vollständig von ihr getrennt ausgeführt sein.For geometric positioning of a test point on the sample 11 a measuring point is projected, z. B. by a laser diode 17 (S. 3 ), which accurately positions the respective test point on the sample 11 allows. The respective assignment is made via the sample carrier 10 itself or via a mechanical positioning unit. This positioning unit with the laser diode 17 can be moved and / or pivoted on the base plate 1 be arranged or completely separated from it.

Die Reibungsfreiheit des Prüfteils des Gerätes wird durch die Feder 6 erreicht, die als Viergelenkpunkt-Linearfeder mit exakt eingestellter Federkonstante aus Stahl, Keramik (weitgehend temperaturunabhängig) oder einem anderen geeigneten Material, das auch der Bedingung genügt, über einen längeren Wegbereich eine lineare Biegekennlinie aufzuweisen. Da diese Feder 6 nur in einer Achsrichtung, und zwar in Messrichtung, eine definiert kleine Federkonstante aufweist, ist sie in allen anderen Richtungen sehr steif und damit lagestabil, wozu auch das ausgewählte Material der Feder 6 beitragen kann, so dass keine zusätzliche Lagerung für die Kontaktnadel 8' erforderlich ist.The freedom of friction of the test part of the device is determined by the spring 6 achieved as a four-joint point linear spring with exactly set spring constant made of steel, ceramic (largely independent of temperature) or other suitable material, which also satisfies the condition, over a longer path range to have a linear bending characteristic. Because this spring 6 only in one axial direction, in the measuring direction, has a defined small spring constant, it is very stiff in all other directions and thus stable in position, including the selected material of the spring 6 can contribute, so no additional storage for the contact needle 8th' is required.

Da Umgebungserschütterungen praktisch immer vorhanden sind, wird die Kontaktnadel 8', solange kein Kontakt mit einer Probe 11 besteht, in dauernde leichte Schwingungen versetzt, was durch die Steifigkeit und die geringe Last im Verhältnis zu Weg und Masse bedingt sind.Since environmental vibrations are practically always present, the contact needle 8th' as long as no contact with a sample 11 exists, in continuous slight oscillations, which are due to the stiffness and the low load in relation to path and mass.

Mit Hilfe einer Steuer- und Regelelektronik wird die Nullposition und der Messbeginn auf der Oberfläche einer Probe 11 definiert. Da die Messkraft um die Nulllastposition bei geringen Auslenkungen der Kontaktnadel 8' (ca. max. 2 % des Messweges) verschwindend gering ist, wird die Kontaktnadel 8' bei Kontakt mit der Oberfläche der Probe 11 entsprechend der Position zur Messeinheit 5 ausgelenkt, und zwar um den Betrag zur Bestimmung der Oberflächenposition, da die Probe 11 bei Belastung mit dieser geringen Messkraft so hart ist, dass kein Eindringen in die Probe 11 erfolgt. Die Oberflächenposition ist damit genau bestimmbar.With the help of a control electronics, the zero position and the start of measurement on the surface of a sample 11 Are defined. As the measuring force around the zero load position with small deflections of the contact needle 8th' (Approximately 2% of the measuring path) is negligible, the contact needle 8th' upon contact with the surface of the sample 11 according to the position to the measuring unit 5 deflected, by the amount to determine the surface position, as the sample 11 When loaded with this low measuring force is so hard that no penetration into the sample 11 he follows. The surface position can therefore be precisely determined.

Über eine kontinuierliche Positionssteuerung kann die für eine Messung erforderliche Kraft auf die Kontaktnadel 8' ausgeübt werden und deren Reaktion über die Messeinheit 5 im Verhältnis zum Messelement 9 bestimmt werden.Via a continuous position control, the force required for a measurement on the contact needle 8th' be exercised and their reaction via the measuring unit 5 in relation to the measuring element 9 be determined.

Die Messeinheit 5 und das Messelement 9 können auch mit einem kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitenden Aufzeichnungsgerät verbunden sein, so dass unterschiedliche physikalische Eigenschaften einer Probe gemessen und überprüft werden können.The measuring unit 5 and the measuring element 9 can also be connected to a continuous or discontinuous recording device, so that different physical properties of a sample can be measured and checked.

Ein besonderer Vorteil dieses Geräts ist die Unabhängigkeit von einer ebenen Messfläche auf der Probe 11 und die Minimierbarkeit der Probe 11, die im Bereich bis zu > 0,05 mm portionsweise bis zu > 0,5 mm liegen kann. Durch die reibungsfreie Lagerung der Kontaktnadel 8' treten keine auf Reibungskräften beruhenden Messfehler auf.A particular advantage of this device is the independence of a flat measuring surface on the sample 11 and the minimizability of the sample 11 , which may range up to> 0.05 mm in portions up to> 0.5 mm. Due to the frictionless mounting of the contact needle 8th' do not occur on frictional forces based measurement error.

Es kann auch auf die Kontaktnadel 8' in ihrer auf die Probe 11 aufgesetzten Position eine schwingende Belastung z.B. in Form einer Sinusschwingung aufgebracht werden und deren Reaktion gemessen werden z.B. als Phasenverschiebung oder Auslenkungsamplitude jeweils in ihrer zeitlichen Veränderung.It can also be on the contact needle 8th' in her to the test 11 placed position a vibrating load, for example in the form of a sinusoidal oscillation are applied and their reaction are measured, for example, as a phase shift or deflection amplitude in each case in their temporal change.

Genau genommen ist die einachsige Bewegung bei einer Viergelenkpunktfeder nicht absolut linear, sondern die Kontaktnadelposition verschiebt sich minimal senkrecht zur Messachse, verursacht durch eine Drehbewegung um die Gelenkpunkte auf der Befestigungsseite der Feder 6. Da der Auslenkwinkel durch den großen Gelenkstellenabstand (s. 4) der Feder 6, 6' sehr gering ist, liegt diese Bewegung im Submikrometerbereich und dürfte daher für die meisten Messungen keine Rolle spielen.Strictly speaking, the uniaxial motion in a four-jointed point spring is not absolutely linear, but the contact needle position shifts minimally perpendicular to the measurement axis, caused by a rotational movement about the hinge points on the attachment side of the spring 6 , Since the deflection angle due to the large joint spacing (s. 4 ) the feather 6 . 6 ' is very small, this movement is in the submicron range and should therefore play no role in most measurements.

Durch die in 4b dargestellte Mehrfachfeder 6' kann auch dieser Effekt fast vollständig kompensiert werden und die seitliche Ausladung der Kontaktnadel 8' vermindert werden, wodurch auch der Messbereich erweitert werden kann.By the in 4b illustrated multiple spring 6 ' This effect can be almost completely compensated and the lateral projection of the contact needle 8th' can be reduced, whereby the measuring range can be extended.

Claims

Device for determining physical properties, such as the hardness of samples, with a linear drive ( 3 . 3 ' ) defines adjustable cross member ( 4 ), in which a spring ( 6 ) with a defined spring constant and made of a material with Hook's range of horizontal linear force or elongation curve and with a directional motion permitting hinge points is arranged, wherein the spring ( 6 ) a test body ( 8th ), which is filled with a sample ( 11 ), the deflection of the examination body ( 8th ) by means of a friction-free linear element ( 9 ) is measurable and for the determination of physical data of the sample ( 11 ) serves.

Apparatus according to claim 1, characterized in that by means of the linear drive ( 3 . 3 ' ) a defined load over the test body ( 8th ) to the test ( 11 ) can be applied.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it additionally comprises a positioning unit for fixing a test point on the surface of the sample ( 11 ) having.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that an additional retaining device ( 16 ) the sample ( 11 ) fixed with a constant holding force independent of the test / measuring force.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a spring ( 6 ) is inserted with four resilient hinge points.

device according to one of the claims 1 to 5, characterized in that multiple springs with more than four resilient hinge points are used.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that each sample ( 11 ) firmly on a removable sample carrier ( 10 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sample carrier ( 10 ) is transparent.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the test body ( 8th ) a contact needle ( 8th' ).

Apparatus according to claim 9, characterized in that the contact needle ( 8th' ) in her to the test ( 11 ) patch position is set into oscillation.