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X-Y-Schreiber mit extern ansteuerbarer Nullpunktein-
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stellung, insbesondere zur rechnergesteuerten Protokollierung von
Materialermüdungsversuchen Die vorliegende Erfindung betrifft einen X-Y-Schreiber
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Solche Schreiber sind allgemein bekannt
und finden bei der Veranschaulichung und Protokollierung von Versuchsergebnissen
seit langem Anwendung.
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Probleme stellen sich jedoch ein, wenn bei einem automatisierten Versuchsablauf
immer wieder sich mit der Zeit verändernde Kurven oder Funktionen aufgezeichnet
werden sollen. Für diesen Fall sind nach dem Stand der Technik zwei wesentliche
Möglichkeiten bekannt. Eine besteht darin, daß ein X-Y-Schreiber mit Papiervorschub
verwendet wird, wodurch jede neue Kurve neben früher gezeichnete Kurven zu liegen
kommt. Diese Art der Darstellung erfordert einen erhöhten apparativen Aufwand und
die spätere Dokumentation der Versuchsergebnisse ist wegen der Unübersichtlichkeit
langer Papierstreifen relativ aufwendig. Die andere Methode besteht darin, daß die
Versuchsergebnisse größtenteils nur in einem Rechner gespeichert werden, wobei einzelne
Kurven nach Bedarf durch manuelle Eingriffe zur Aufzeichnung auf dem X-Y- Schreiber
gebracht werden. Dabei muß der Aufzeichnende durch Verstellung des Nullpunktes einer
Koordinate erreichen, daß die aufzuzeichnenden Kurven nebeneinander gezeichnet werden.
Eine Automatisierung ist in diesem Falle schwer zu erreichen.
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Insbesondere bei Materialermüdungsversuchen stehen weitestgehend automatisierte
Anlagen zur Verfügung, welche einen vollautomatischen Versuchsablauf ermöglichen,
wobei die wesentliche Schwachstelle in einer bisher nicht automatisierten versuchsbegleitenden
Dokumentation (On-Line-Dokumentation) besteht. Zwar werden alle Versuchszyklen automatisch
durchgeführt und die Meßwerte in einem Speicher gespeichert und gegebenenfalls auch
ausgedruckt, jedoch muß eine übersichtliche Auswahl der Daten für ein Versuchsprotokoll
und eine entsprechende Darstellung erst nach Versuchsende (Off-Line) erfolgen. Dabei
ist es gerade für die weitere Versuchs- oder Prozeßführung wichtig, daß jederzeit
ein inhaltlich umfassendes On-Line-Versuchsprotokoll des bisherigen Materialverhaltens
und der bisherigen VersuchsfWhrung vorliegt. Eine übersichtliche On-Line-Darstellung
des bisherigen Materialverhaltens und der bisherigen Versuchsführung ist jedoch
möglich, und es stehen inzwischen Programme zur Vcrfügung, welche ein solches On-Line-Versuchsprotokoll
erstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist ein X-Y-Schreiber, welcher ohne einen eigenen
Papiervorschub-Mechanismus zu besitzen, in der Lage ist, viele von einem Rechner
ausgewählte Kurven übersichtlich nebeneinander darzustellen. Der X-Y-Schreiber soll
eine automatische, übersichtliche Protokollierung von Versuchsergebnissen ohne manuelle
Eingriffe durch Steuerung von einem Rechner ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein X-Y-Schreiber nach dem Hauptanspruch
vorgeschlagen. Nach dem Stand der Technik besitzen X-Y-Schreiber im allgemeinen
eine Möglichkeit zur Einstellung der Nullpunkte für beide Kooridnaten, welche in
Form einer Potentionmeterschaltung ausgeführt ist. Mit Hilfe dieser Potentiometerschaltungen
können über Stellglieder uuf der Bedienungsplatte des
Schreibers
bestimmbare Vorspannungen auf die Koordinatensteuerung des Schreibstiftes gegeben
werden, wodurch der Nullpunkt der Koordinaten variabel ist. Erfindungsgemäß soll
in der Potentiometerschaltung für die Nullpunkteinstellung einer oder beider Koordinaten
ein Eingriff zur Einspeisung einer Zusatzspannung vorgesehen sein, welcher zur Außenseite
des Gerätes geführt ist.
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Dieser zusätzliche Anschluß ermöglicht die Einstellung der Koordinaten-Nullpunkte
statt durch Drehen der Bedienungsknöpfe am X-Y-Schreiber durch Zuführen einer Zusatzspannung,
welche von einem Rechner oder gegebenenfalls von einem zwischengeschalteten Interface
erzeugt wird. Durch stufenweise Erhöhung dieser Zusatzspannung kann erreicht werden,
daß gleichartige Kurven in vorbestimmbaren Abständen nebeneinander von dem X-Y-Schreiber
aufgezeichnet werden. Die speziellen Vorteile dieser Möglichkeit werden anhand der
Zeichnung noch näher erläutert.
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Im Anspruch 2 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich
vorgeschlagen, die Zuleitung eines gegebenenfalls vorhandenen Servomotors ebenfalls
zur Aussenseite des Gerätes zu führen, damit der Servomotor von außen an- und abgeschaltet
werden kann. Bei ständiger Verbindung des X-Y-Schreibers zu den Meßwerten würde
der Servomotor sonst immer mitlaufen, auch wenn gerade keine Kurven aufgezeichnet
werden. Um einen dabei auftretenden unnötigen Verschleiß zu vermeiden, soll auch
der Servomotor vom Rechner gesteuert nur dann eingeschaltet werden, wenn die Aufzeichnung
einer Kurve erfolgen soll.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen,
daß die Zusatzspannung zur Verschiebung
des Nullpunktes einer Koordinate
über einen Potentialtrenner zuführbar ist. Es hat sich gezeigt, daß ohne die Verwendung
eines Potentialtrenners Schwierigkeiten bei der Entkopplung der Zusatzspannung für
die Nullpunkteinstellung und der eigentlichen Steuerspannungen für den Schreiber
auftreten können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 4 vorgeschlagen,
daß der Schreiber mit einem Zählspeicher, einem Digital-Analog-Wandler und einem
Relais verbunden ist, wobei der Inhalt des Zählspeichers in regelmäßigen Abständen
oder bei jeder Ansteuerung des Schreibers um 1 erhöht wird, der Digital-Analog-Wandler
die Nullpunkteinstellung zumindest einer Koordinate durch einem dem Zählerinhalt
proportionale Zusatzspannung verändert und das Relais den Servomotor des Schreibers
ein- und ausschaltet.
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Diese Ausführungsform ermöglicht ein regelmäßiges Ein- und Ausschalten
und eine regelmäßige Verschiebung des Nullpunktes durch eine sich stufenweise erhöhende
Zusatzspannung, wobei die Lage des jeweiligen Nullpunktes entweder proportional
der bisher verstrichenen Versuchs zeit oder proportional der Anzahl der bisher aufgezeichneten
Kurven sein kann, je nach den Anforderungen an das Versuchsprotokollq Zählerspeicher,
Digital-Analog-Wandler und Relais können entweder in dem X-Y-Schreiber integriert
sein, oder sie können Bestandteil eines ohnehin für die Steuerung von Prozeßabläufen
jedem Rechner zugeordneten Interface sein.
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Im Anspruch 5 wird ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen
X-Y-Schreibers angegeben, insbesondere für den Fall, daß der Schreiber zur Protokollierung
von rechnergesteuerten Versuchsabläufen dient und bei Bedarf von einem Rechner mit
aufzuzeichnenden gleichartigen X-Y-Relationen angesteuert wird. Erfindungsgemäß
wird vor der
Aufzeichnung einer jeweils vom Rechner ausgewählten
X-Y-Relation jeweils der Nullpunkt einer oder beider Koordinaten um einen bestimmten
Betrag verschoben, wobei der Betrag z.B. der bisher abgelaufenen Versuchszeit oder
bisherigen Anzahl an Aufzeichnungen proportional sein kann. Die Vorteile dieses
Verfahrens werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung sind eine übliche, an sich bekannte Versuchsanordnung
zu Materialermüdungsversuchen und ein mit einem erfindungsgemäßen X-Y-Schreiber
hergestelltes graphisches Versuchsprotokoll dargestellt. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen
Aufbau einer Universal-Versuchsanlage zu Materialversuchen, wie sie z.B. in einem
Prospekt MTS Systems Corporation closed loop - The Magazine of Mechanical Testing",
November 1975, insbesondere Fig. 7, dargestellt ist. Der eigentliche Versuchsstand
1 wird von einem Interface 2 mit Steuerdaten versorgt und leitet seine Meßwerte
zu dem Interface 2. Ein X-Y-Schreiber 3 kann über das Interface 2 mit Steuerdaten
und von dem Versuchs stand 1 mit Messdaten zur Aufzeichnung versorgt werden. Ein
Rechner 4 steuert den gesamten Versuchsablauf und verarbeitet die gemessenen Daten.
Dabei können die Meßwerte beispielsweise in einem Magnetplattenspeicher 5 gespeichert
werden. Die Kommunikation mit dem Rechner und die Ein- und Ausgabe von Befehlen
bzw. Daten erfolgt über ein Ein/Ausgabegerät 6. Die Darstellung von Diagrammen und
ähnlichen Endergebnissen der Messung kann auf einem Digitalplotter 7 ausgegeben
werden.
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Im speziellen Anwendungsfall werden Materialproben 11 in einem Lastrahmen
12 zyklischen Dehnungsprozessen unterworfen. Mit Hilfe eines hydraulischen Zylinders
19, welcher von Servoventilen 14 betätigt wird, wird die Probe
zyklisch
gedehnt, wobei die Kraft mit einem Kraftmesser 15, die Dehnung mit einem Dehnungsmesser
16 und der Hub mit einem Wegmesser 13 gemessen wird. Ein Regler 17 vergleicht die
in einem Ist-Wert-Wähler 18 vorgewählten Werte von Hub, Dehnung oder Kraft mit einem
entsprechenden Sollsignal und regelt den hydraulischen Zylinder 19 über die Servoventile
14 entsprechend.
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Die Meßwerte von Kraft, Dehnung und Hub werden über Meßleitungen 21,
22 bzw. 23 an das Interface 2 weitergeleitet. Die Meßwerte von z.B. Kraft und Dehnung
bei einem Meßzyklus können als charakteristische Hysterese-Kurve auf dem X-Y-Schreiber
aufgezeichnet werden. Dazu werden dem X-Y-Schreiber in einem Wahlschalter 20 ausgewählte
Meßwerte über die Leitungen 31 und 32 zugeführt. Gleichzeitig wird der ganze Versuchsablauf
von einem Rechner 4, der über die Leitungen 28, 29 mit dem Interface 2 in Verbindung
steht, gemäß den über die Eingabe 6 vorgegebenen Parametern kontrolliert. Alle Versuchsdaten
wcrden im Magnetplattenspeicher 5 gespeichert. Diese bis hier hin bekannte Versuchsanordnung
wird durch die erfindungsgemäße Ausführung des X-Y-Schreibers dazu ertüchtigt, während
des laufenden Versuches (On-Line) vollautomatisch ein übersichtliches graphisches
Versuchsprotokoll anzufertigen. Dazu können dem Rechner die Nummern der Versuchszyklen,
die graphisch aufgezeichnet werden sollen, über das Eingabegerät 6 vorgegeben werden.
Dabei können für verschiedene Versuchsabschnitte Zyklen in unterschiedlichen Abständen
aufgezeichnet werden. Da insbesondere das Verfestigungsverhalten einer Materialprobe
natürlich nicht immer vorhergesehen werden kann, veranlaßt das Rechner-Programm
bei starken Anderungen der gemessenen Verfestigungsparameter (z.B. Maximalspannung
eines Zyklus)
zusätzliche, vorher nicht festgelegte Aufzeichnungen
von Zyklen. Ein Beispiel für diese Aufzeichnungsart ist in Fig. 2 dargestellt. Alle
vom Rechner zur Aufzeichnung ausgewählten Zyklen werden auf dem X-Y-Schreiber dargestellt.
Um eine übersichtliche Darstellung zu erreichen, wird dabei dem X-Y-Schreiber über
zusätzliche Leitungen 26, 27 eine stufenweise ansteigende Zusatzspannung zugeführt,
welche den Nullpunkt zumindest einer Koordinate vor Aufzeichnung jedes neuen Zyklus
um jeweils einen bestimmten Betrag verschiebt. Die Zuleitung der Zusatzspannung
26, 27 kann, falls nötig, mit einem Potentialtrenner versehen sein. Die Zusatzspannung
kann im Interface 2 mit einfachen Mitteln, beispielsweise einem Zähler und einem
Digital-Analog-Wandler entsprechend der Anzahl der Meßzyklen oder der verstrichenen
Meßzeit erzeugt werden. Über die Zuleitung 30 kann der Servomotor des Schreibers
über einen im Interface 2 befindlichen Schalter ein- und ausgeschaltet werden. Die
Lebenserwartung des Schreibers wird um ein Vielfaches erhöht, da zwischen den Zyklusaufzeichnungen
oft mehrere Stunden liegen und der Servomotor einschließlich der gesamten Mechanik
während dieser Leerlauf zeit abgeschaltet wird.
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In Fig. 2 ist ein Beispiel für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgezeichnetes Protokoll eines Materialermüdungsversuches dargestellt. Auf der
X-Achse ist die Dehnung & aufgetragen zuzüglich des jeweiligen Wertes (n) der
dem X-Y-Schreiber zugeführten Zusatzspannung. Auf der Y-Achse ist die Spannung d
aufgetragen.
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Das Versuchsprotokoll zeigt zunächst links Zyklus Nr. 1 und rechts
davon abgesetzt die Schar der folgenden Hysterese-Kurven. Alle Hysterese-Kurven
wurden rechnergesteuert aufgezeichnet. Dabei war dem Rechner vorgege-
ben,
nach dem ersten Zyklus zunächst jeden fünften Zyklus, später jeden zehnten, danach
jeden fünfundzwanzigsten und später jeden einhundertfünfzigsten Zyklus aufzuzeichnen.
Kurz vor Erreichen der Bruchlastspielzahl stellte der Rechner eine schnellere nderung
des Materialverhaltens bzw. Verfestigungsverhaltens fest und veranlaßte außerplanmäßige
Aufzeichnungen von zwei Zyklen, bei denen sich die Maximalspannung jeweils um einen
bestimmten, vorgebenen Prozentsatz verändert hatten. Zwischen den Aufzeichnungen
wurde der Servomotor des Schreibers um den Verschleiß zu minimieren, vom Rechner
ausgeschaltet. Das in Fig. 2 dargestellte graphische Versuchsprotokoll zeigt auf
einen Blick die wesentlichen Ergebnisse des Versuchs und kann ohne weitere Auswertearbeit
in ein Versuchsprotokoll übernommen werden, da es ein handhabbares Format hat und
nur charakteristische Versuchsdaten enthält. Das bisherige mühsame Zusammenstellen
charakteristischer Kurven aus langen Papierstreifen oder das Aufzeichnen von im
Rechner gespeicherten Daten entfällt.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für den Einsatz bei
automatisierten Materialermüdungsversuchen. In Verbindung mit einem geeigneten Rechnerprogramm
wird sichergestellt, daß alle interessanten Phasen des Versuchsablaufes erfaßt und
übersichtlich dargestellt werden können. Dies gilt insbesondere für Langzeitversuche,
da durch die rechnerseitige Uberwachung des Material- bzw. Verfestigungsverhaltens
die interessanten Versuchsphasen automatisch erkannt und die Datenaufzeichnung rechtzeitig
veranlaßt werden kann. Da die Datenaufzeichnung 'tOn-Line", also zeitparallel zum
Versuch abläuft, liegt immer ein aktuelles Versuchsprotokoll vor. Dadurch ist eine
optimale Bewertung des bisherigen Versuchsablaufes jederzeit möglich.
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