DE3329690C1

DE3329690C1 - Verfahren und Schaltungsvorrichtung zur Haertemessung nach der Kontakt-Impedanz-Methode

Info

Publication number: DE3329690C1
Application number: DE3329690A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. 5042 Erfstadt-Bliesheim Diederichs; Klaus Dipl.-Ing. 5060 Bergisch-Gladbach Volkmann
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1983-08-17
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1985-04-11
Also published as: FR2550860A1; GB8420809D0; GB2145227A; JPS6044848A; JPH0121452B2; GB2145227B; FR2550860B1; US4523467A

Description

— daß ab Beginn des zweiten Zeitbereiches die Schwingungen des an das Werkstück angekoppelten Schwingstabes nur so lange gezählt werden, bis aus der Subtraktion dieses Zählwertes und dem Zählwert der während des ersten Zeitbereiches gezählten Schwingungen des frei schwingenden Schwingstabes der Differenzwert »Null« entsteht und

— daß dann während der restlichen Dauer dieses zweiten Zeitbereiches die Anzahl von Schwingungen einer fest vorgegebenen Periodendauer (1//3) ausgezählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Periodendauer (1//3) derart festgelegt wird, daß bei der Messung an einem Werkstück bekannter Härte für die restliche Dauer des zweiten Zeitbereiches ein Zählwert entsteht, der transformiert dem bekannten Härtewert entspricht.

3. Schaltungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Erregerschaltung für einen Schwingstab, einem einstellbaren Meßtoroszillator, die beide an einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Erregerschaltung (10) des Schwingstabes (11) über einen ersten Eingang eines elektronischen Umschalters (12) mit einem ersten Eingang eines UND-Tores (13) verbunden ist, an dessen zweiten Eingang ein Meßtoroszillator (14) mit fest eingestellter Frequenz angeschlossen ist,

— daß mit dem zweiten Eingang des elektronischen Umschalters (12) ein einstellbarer Justieroszillator (15) verbunden ist,

— daß ein Flip-Flop (18) vorhanden ist, das vom Meßtoroszillator (14) über eine erste Leitung (32) in einen Grundzustand gesetzt und über eine zweite Leitung (30) vom Vorwärts-Rückwärts-Zähler (16) in einen Schaltzustand gesetzt wird,

— daß das Flip-Flop (18) sowohl mit dem elektronischen Umschalter (12) als auch mit dem Justieroszillator (15) verbunden ist

4. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerschaltung (10) ein Frequenzvervielfacher (24) nachgeschaltet ist.

5. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtoroszillator (14) ein quarzstabilisierter Oszillator mit nachgeschaltetem binären Frequenzteiler (23) ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtemessung nach der Kontakt-Impedanz-Methode mit einem in Eigenresonanz erregten Schwingstab, wobei während

ίο eines ersten Zeitbereichs die Schwingungen des frei schwingenden Schwingstabes und während eines zweiten Zeitbereichs gleicher Dauer wie der erste Zeitbereich, die Schwingungen des an ein Werkstück angekoppelten Schwingstabes ausgezählt werden und daß der Differenzbetrag dieser Zählwerte in einen entsprechenden Härtewert transformiert wird.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein zu Schwingungen angeregter magnetostriktiver oder piezoelektrischer Schwingstab, der mit einer Diamantspitze versehen ist, unter einer vorgegebenen Last an ein Werkstück angekoppelt wird. Die Differenz aus den Resonanzfrequenzen des Schwingstabes bei freier Schwingung und bei Ankopplung an das Werkstück, ist ein Maß für die Härte des Werkstückes. Das Prinzip dieser Härteprüfung ist in dem Buch J. und H. Krautkrämer: »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 4. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1980, Seiten 600 bis 602, beschrieben.
Aus der DE-PS 23 57 033 ist weiterhin bekannt, die Frequenzmessungen durch Auszählen der Schwingungen innerhalb eines einstellbaren Zeitbereiches eines Meßtores vorzunehmen. Hierbei wird innerhalb des Zeitbereiches des Meßtores mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler die Frequenz des frei schwingenden Schwingstabes gemessen und in einem Speicher abgelegt Diese Messungen erfolgen periodisch mehrmals pro Sekunde. Nach Ankoppeln des Schwingstabes an ein Werkstück wird der Vorwärts-Rückwärts-Zähler mit dem aktuellen Speicherinhalt voreingestellt. In einem folgenden unveränderten Zeitbereich des Meßtores werden die Schwingungen der jetzt vorhandenen Resonanzfrequenz ausgezählt. Hierbei ergibt sich eine Zähldifferenz, da die Resonanzfrequenz im angekoppelten Zustand größer ist als im frei schwingenden Zustand.

Diese Differenz wird mit Hilfe eines Festwertspeichers (ROM) in einen Härtewert transformiert und dann angezeigt

Es ist bei dieser bekannten Härtemessung erforderlich, an einem Werkstück bekannter Härte (Teststück) die Meßeinrichtung zu justieren. Der Nachteil dieser Härtemessung liegt in der umständlichen und zeitaufwendigen Justage. Hierzu muß der Zeitbereich des Meßtores in mehreren Justierschritten durch Verstellen eines Meßtoroszillators so oft verändert werden, bis das Gerät den vorgegebenen Härtewert des Teststückes anzeigt. Weicht nämlich der angezeigte Härtewert vom Sollwert ab, so muß zur Korrektur der Schwingstab vom Testkörper abgehoben und der Meßtoroszillator nachgestellt werden, ohne daß der Einfluß auf die Härtewertanzeige abgelesen werden kann. Der Schwingstab muß nun wieder auf das Teststück aufgesetzt und der neue Härtewert abgelesen werden. Falls der neue Härtewert dem Sollwert noch nicht entspricht, muß der Meßtoroszillator bei abgehobenem Schwingstab erneut nachgestellt werden. Diese Justagevorgänge sind so oft zu wiederholen, bis der richtige Differenzwert gebildet ist und die richtige Härte des Teststückes angezeigt wird.

Die Ursache dieser umständlichen Justage liegt darin, daß mit der Verstellung des Meßtoroszillators der gemeinsame Zeitbereich zur Zählung der Schwingungen der freien als auch der im angekoppelten Zustand auftretenden Resonanzfrequenzen verändert wird.

Der vorliegenden Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung so weiterzuentwickeln, daß die vor den Härtemessungen erforderliche Justage schneller und einfacher als bei den bekannten Verfahren möglich ist. Ferner soll eine Schaltungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Die Unteransprüche geben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der F i g. 1 bis 4 erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsvorrichtung mit erfindungsgemäßer Anordnung von Oszillatoren, Umschalter und Flip-Flop;

F i g. 2 eine entsprechend der Erfindung zeitliche Änderung eines Zählerstandes mit Darstellung von Zeitbereichen und Zählfrequenzen,·

F i g. 3 entsprechend der Erfindung unterschiedliche Zählerstandsänderungen je nach Härte des gemessenen Werkstückes;

F i g. 4 eine Schaltungsvorrichtung, wie F i g. 1, jedoch mit zusätzlichem Frequenzvervielfacher und Binärteiler.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Härtemeßgerätes, wobei die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung im Block 25 zusammengefaßt ist. Dabei ist mit 12 ein elektronischer Umschalter, der von einem Flip-Flop 18 geschaltet wird, bezeichnet. 14 ist ein Meßtoroszillator zur Erzeugung eines Zeitbereiches 11 für die Auszählung von Schwingungen. Mit 15 ist ein einstellbarer Justieroszillator bezeichnet, der über die Leitung 31 vom Flip-Flop 18 gestartet und gestoppt wird. Ferner ist entsprechend den bekannten Härtemeßgeräten ein Schwingstab 11, der mit vorgegebenem Andruck an ein Werkstück angekoppelt wird, gezeigt. Dieser Schwingstab wird von der Erregerschaltung 10 zu Resonanzschwingungen angeregt. Über ein UND-Tor 13 gelangen sowohl diese Resonanzschwingungen als auch der Impuls für den Zeitbereich 11 an einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16. An diesem Zähler 16 ist auch ein Schalter 21 angeschlossen, der beim Aufsetzen des Schwingstabes auf das Werkstück dem Zähler 16 ein entsprechendes Signal zuführt. An den Zähler 16 ist ein Speicher 17 angeschlossen. Ein Festwertspeicher 19 mit einer Digitalanzeige 20 ist mit dem Zähler 16 verbunden. Eine Steuerlogik 22 hat die an sich bekannte Aufgabe, die einzelnen Abläufe zeitlich zu steuern.

In der Fig.2 bedeutet die Kurve 1 den innerhalb eines ersten Zeitbereiches [t 1) anwachsenden Zählerstand. Mit Kurve 3 ist der in einem zweiten Zeitbereich, gleicher Dauer wie der erste Zeitbereich, abnehmende Zählerstand gezeigt. Die beiden Kurven 1 und 3 sind aus Vereinfachungsgründen als kontinuierlich verlaufende Kurven dargestellt, selbstverständlich erfolgt die Änderung des Zählerstandes in Inkrementen. In der F i g. 2 bedeutet N 2 den Zählerstand zwischen den zur Zählung benutzten ersten und zweiten Zeitbereichen f 1. Mit /1 ist die Frequenz des frei schwingenden und mit /2 die des an ein Werkstück angekoppelten Schwingstabes bezeichnet, /3 ist die Frequenz des einstellbaren Justieroszillators 15 (F i g. 1).

Mit Hilfe der F i g. 1 und 2 werden im folgenden in einem Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße Härtemeßverfahren und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung aufgezeigt. Hierzu ist es notwendig auch das bekannte Verfahren gemäß dem Stand der Technik hinzuzuziehen. Bei den Härtemeßgeraten dieser Gattung wird in bekannter Art der Schwingstab 11 in einer Rückkopplungsschaltung durch die Erregerschaltung 10 in Resonanzschwingungen mit der Frequenz /1 versetzt. Es wird davon ausgegangen, daß das der Zustand der freien Schwingung ist. Innerhalb eines vorzugsweise festen, d. h. nicht einstellbaren Zeitbereiches 11, der durch den fest eingestellten Meßtoroszillator 14 erzeugt wird, werden die Schwingungen der Resonanzfrequenz /1 mit dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 16 ausgezählt (Kurve 1 in F i g. 2). Mit Ablauf des Zeitbereiches 11 wird der Zählvorgang beendet und der dann vorhandene Zählerstand N2 in einen Speicher 17 gegeben und der Zähler zurückgesetzt. Dieser Zählvorgang wiederholt sich mehrmals pro Sekunde. Dadurch ist vorteilhafterweise ständig der aktuelle

Zählwert abgespeichert. Änderungen der Resonanzfrequenz durch Temperatureinflüsse oder andere Drift-Erscheinungen werden somit laufend berücksichtigt. Wird nun der Schwingstab 11 auf ein Werkstück aufgesetzt, wird mit dem Signal des Berührungsschalters 21 der Zähler 16 mit dem letzten Zählwert N2 aus dem Speicher 17 gesetzt. Mit Beginn eines folgenden, also zweiten Zeitbereiches il, zählt jetzt der Zähler 16 die Schwingungen mit der durch die Ankopplung des Schwingstabes 11 an das Teststück erhöhten Resonanzfrequenz /2 rückwärts (Kurve 3). Innerhalb dieses Zeitbereiches il wird zu einer Zeit i0 (0<f0<rl) ein »Nulldurchgang« des Zählers erfolgen. Mit dem Zählwert »Null« gibt der Zähler 16 über die Leitung 30 einen Impuls an das Flip-Flop 18 ab, das den Umschalter 12 umschaltet. Durch diesen Umschalter 12 wird der Schwingstab 11 bzw. seine Erregerschaltung 10 vom Zähler abgeschaltet und der einstellbare Justieroszillator 15 an den Zähler 16 angeschaltet. Damit werden erfindungsgemäß für die Restzeit f3 = il — i0 die Schwingungen des einstellbaren Justieroszillators 15 gezählt.

Nach Ablauf dieses Zeitbereiches 11 ist somit eine Zähldifferenz NZ? 3 vorhanden. Der Betrag dieser Zähldifferenz \ND3\ wird im Festwertspeicher 19 in Härtewerte transformiert und auf der Digitalanzeige 20 angezeigt. Solange der Schwingstab 11 an das Werkstück angekoppelt bleibt, wiederholt sich dieser Zählvorgang mehrmals pro Sekunde. Für das Starten des Justieroszillators 15 ist es vorteilhaft, das Flip-Flop 18 über die Leitung 32 mit den Meßtorflanken an den Enden der Zeitbereiche 11 jeweils in einen Grundzustand und mit dem Nullimpuls aus dem Zähler 16 über die Leitung 30 in einen Schaltzustand zu setzen. Mit dem Umschalten vom Grundzustand in den Schaltzustand startet dann das Flip-Flop 18 gleichzeitig also zur Zeit i0 über die Leitung 31 den Justieroszillator 15. Hierdurch ergibt sich der Vorteil gegenüber ständig schwingenden Oszillatoren, daß nach bekannten Synchronisationsverfahren der Justieroszillator phasenstarr synchronisiert werden kann.

Diese Erfindung erlaubt eine vorzugsweise schnelle Justierung des Härtemeßgerätes. Der Schwingstab wird beim Justiervorgang auf ein Teststück bekannter Härte

aufgesetzt und die Frequenz /3 bzw. die Periodendauer 1//3 der Schwingungen des einstellbaren Justieroszillators 15 derart verändert, daß der richtige Zählwert ND 3 entsteht, der durch den Festwertspeicher 19 transformiert, auf der Digitalanzeige 20 den richtigen Härtewert anzeigt

Die Härtemessung wird im folgenden mit Hilfe der F i g. 3 beschrieben. Nach dem Justiervorgang an einem Teststück wird der Schwingstab 11 auf das Werkstück aufgesetzt Im Speicher 17 befindet sich der aktuelle Zählwert N 2 aus der freien Schwingung des Schwingstabes 11.

Ist das Werkstück weicher als das Teststück, erhöht sich die entsprechende Resonanzfrequenz, z. B. auf den Wert /4 (/4>/2). Bei der Zählung wird die »Nulldifferenz« früher erreicht als bei dem Justiervorgang (Kurve 4). Die Restzeit ί 4 wird milden Schwingungen des beim Justiervorgang eingestellten Justieroszillators 15 ausgezählt und es ergibt sich aus der Zählung der Differenzbetrag | JVD 4|.

Wird dagegen bei einer Messung der Schwingstab 11 auf ein härteres Werkstück aufgesetzt, ergibt sich aus den gleichen Betrachtungen z.B. die Kurve 5, falls /5</2 ist Als Differenzbetrag ergibt sich der Wert |M?5|. Wie bereits erörtert werden die Differenzbetragswerte in Festwertspeichern in anzuzeigende Härtewerte transformiert

Es ist für die Zählvorgänge aus Gründen der Genauigkeit vorteilhaft, die zu zählenden Schwingungen bezüglich ihrer Frequenzen in gleiche Größenordnungen zu bringen bzw. einander anzupassen. Wie mit F i g. 4 gezeigt, werden hierzu einmal die Resonanzfrequenzen des Schwingstabes, sowohl /1 als auch /2, zur Zählung mit einem Frequenzvervielfacher 24 vervielfacht, z. B. verdoppelt Die Resonanzfrequenzen liegen bei 78,00 kHz bzw. 78,50 kHz und werden zur Zählung im Zeitbereich 11 auf 156,0 kHz bzw. 157,0 kHz verdoppelt. Der Zeitbereich f 1 von z. B. 355 ms wird vorteilhafterweise durch einen Quarzoszillator (z. B. 1,8 MHz) erzeugt und durch Binärteiler 23 auf 355 ms gebracht. Durch diese Maßnahme werden innerhalb dieses Zeitbereiches von 355 ms für den frei schwingenden Schwingstab 55 380 Schwingungen gezählt und für den angekoppelten Schwingstab (157,0 kHz) wird der Nulldurchgang bei

/0 = ■ 55 380 = 352,74 ms

erreicht

In der Restzeit i3 = 2,26 ms werden dann die Schwingungen mit der Schwingungsdauer 1//3 des in seiner Frequenz /3 einstellbaren Justieroszillators 15 gezählt, der bei dem Justiervorgang so eingestellt wurde, daß nach der Transformation in Härtewerten der richtige Härtewert angezeigt wurde.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

60

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Härtemessung nach der Kontakt-Impedanz-Methode mit einem in Eigenresonanz erregten Schwingstab, wobei während eines ersten Zeitbereichs die Schwingungen des frei schwingenden Schwingstabes und während eines zweiten Zeitbereichs gleicher Dauer wie der erste Zeitbereich, die Schwingungen des an ein Werkstück angekoppelten Schwingstabes ausgezählt werden und daß der Differenzbetrag dieser Zählwerte in einen entsprechenden Härtewert transformiert wird, dadurch gekennzeichnet,