DE3506437A1

DE3506437A1 - Mikrohaertepruefeinrichtung

Info

Publication number: DE3506437A1
Application number: DE19853506437
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr. Wien Bangert; Manfred Ing. Graz Krenn; Gerhard Ing. Raffer; Alfred Dr. Perchtoldsdorf Wagendristel
Original assignee: Anton Paar GmbH
Current assignee: Anton Paar GmbH
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1985-02-23
Publication date: 1985-09-26
Also published as: ATA89484A; AT390514B; JPS6122231A; US4611487A

Description

ivakrohärtepruf einrichtung

Die Jbrfinöung betrifit eine Likrohkrtepiüfeinrichtung mit einem Eindringkörper, der über eine zumindest einen, vorzi-gsv.eise zv.ei oder vier, gegebenen! e. Ils ferenüt-eriiegende Lehnunpsmeßstreifen tragende Federanordnung belastbar ist, wobei die Signale der Dehnungsmekstreuen bei Durchbiegung der i'ederanordnung als L/iefcsignal fur die auf den Mnc ringkörper aufge-, , brachte Kraft in elektrische tiignele umgesetzt und einer t.egel-I bzw. Auswerteinheit zugeführt sind und wobei die l·ederanol·Gnung , von einer Tauchspule eines lermanentmaFnetsystems getr?gen ist.

\ Aufgebe der Jirfindunf ist es, eine präzise, möglichst automa- \ tisch arbeitende Mikroharteprüfeinrichtung als Zusatzgerät für * Lichtmikroskope zu ersteilen.

\ Dies wird bei einer Mkroh&rteprüfeinrichtung der eingangs ge-

i nannten Art dadurch erreicht, dai: die Tauchspule, das lenna-

] nentmagnetsystem und die Pederanordnung, sowie gegebenenfalls

} cer Lindringkörper in seinei Ruhelage, vor; einem in den Ob-

■· jektivrevolver eines Iteikroskopes einsetz- bzw. einschr&ubbt-

ren, bzw. der Form uno den Abmessungen eines Objektiveinsatzes

> angenäherten Gehäuse umschlossen ist, wobei der Mndringkörper

ί ■ in der optischen Achse, die gegebenen!tIls die Symmetrie&chse

BAD OWIGiNAL

. 6-

des Gehäuses bildet, einjustierbar ist. Bevorzugt ist es hiebei, dal: die Steuereinheit eine Yorwähleinrichtunp zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit des Lind ringkörpers εη eine trobe bzw. zur Regelung der Stromversorgung der Tauchspule aufweist, welcher Steuereinheit Mngabespeicher für verschiedene Kraftanstiegsgeschwindigkeiten zugeordnet sind. Mit einer derartig ausgebildeten Mikrohärteprüfeinrichtung können in Verein mit lichtmikroskopischen Untersuchungen in einfacher Weise und ohne Beeinflussungen der Genauigkeit durch aufwendige Umbauarbeiten Härteprüfungen vorgenommen werden. Aus 1-latzgründen ist es vorteilhaft, wenn die zwischen der Tauchspule und dem Eindringkörper gelegene Federanordnung im wesentlichen quer zur optischen ^chse verläuit und von zumindest einer Blattfeder gebildet ist. Bevorzugt ist es, wenn das eine Ende cer Federanordnung an der Tauchspule befestigt bzw. mit dieser üDei ein Zwischenstück verbunden ist und das andere Ende der iederanordnung den Eindringkörper direkt oder über ein Zwischenstück trägt. Hiebei ist es günstig, wenn die Enden der parallelen Blattfedern die Tauchspule seitlich überr&gen, das an der T&uchspule befestigte Zwischenstück seitlich auskragt und das der: Eindringkörper tragende Zwischenstück ins Zentrum des Gehäuses gerichtet ist.

Zur präzisen Führung der T&uchspule ist vorgesehen, daß die gegenüber dem lermanentmagnetsystem verschiebbare Tsuchspule jeweils ini Zentrum von zwei übereinander im Gehäuse engeordneten, durchbrochenen und an ihrem Umfang gehaltenen Federplatten bzw. -membranen befestigt und damit in axialer Fichtung geiührt ist. Zur justierung ist es zweckmäßig, daß das Gehäuse von einem Gewindestuck zum Einschrauben in einen Objektivrevolver getrogen ist und an diesem Gewindestück z.B. mittels rite11schrauben justierbar bzw. seitlich verschiebbar gelagert ist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erlfeutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Mikrohärteprüfkopf, Fig. 1a eine Draufsicht auf Tragfedern, Fig. 2 eine schematische ansieht der Mkroh&rteprüfeinrichtung

und
Fig. 3 ein schematisches Schaltschema.

Bei der Konstruktion der erfindungsgemaßen Mikrohärte- bzw. ültramikrohärteprüfeinrichtung für ein Lichtmikroskop werden im wesentlichen folgende Gesichtspunkte berücksichtigt: Der Tester bzw. die Eindrückvorrichtung soll die äußeren Abmessungen eines Standardobjektives haben und soll von der Einbaulage unabhängig sein. Ferner soll die Mkrohärteprüfeinrichtung mittels eines Rechners bzw. über eine Auswerte- und Steuereinheit über eine serielle Schnittstelle bedienbar sein, so daß sie in einen automatischen Meßplatz eingefügt werden kann.

Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Mikrohärteprüfkopf besitzt die Form eines Objektives und besitzt ein Gewindestück (zum Einschrauben in einen Objektivrevolver) und ein Gehruse Im Gehäuse befindet sich ein T&uchspulenm&gnetsystem 3 zur Krafterzeugung sowie eine Kraftmeßeinheit 8, die einen Eindringkörper 11 trägt.

Das Gehäuse 2 ist gegenüber dem Gewindestücl· 1 justierbar, um die Zentrierung des Eindringkörpers 11 zur optischen Achse 27 j- des Lichtmikroskopes zu ermöglichen.

. ■

! Das Tauchspulenmagnetsystem 3 besteht aus einem ringförmigen

i-ermanentmagnet 4 enthaltend Seltene Erden-lV-et&lle, einem tol-

| kern 12 aus v.eicheisen und einer 1-olplötte 13 &uy tteiebeisen.

j Im homogenen Magnetfeld zwischen dem lolkern 12 und lolplatte

f. 13 befindet sich eine zylinderringförmige Tt-uchspule 5· Die

exakte Führung der Ti uchspule 5 in 8xialer Richtung bzw. ihre

» Ausrichtung in der optischen Achse und damit die Führung der

* Kraftmeßeinheit 8 mit dem E'indringkörper 11 wird durch je eine

oberhalb und unterhalb der T&uchspule 5 liegende Federmembran 6,7 gewährleistet, die eine seitliche .bewegung; unterbinden.

BAD OrtiÜlNAL

Die Federnriembr&nen 6,7 sind in Mg. 1a dargestellt. Jeweils in ihrer Mitte wird die Tfuchspule J? bzw. ein sie verlängernder Tregteil b¹ &n den Eedermembranen befestigt bzw. angeschraubt. Der auf; ere Ring der Federmembrane 7 ist am !Polkern 12, derjenige der Federmembrane 6 an der l-olplatte 13 befestigt.

Die Kreftmeßeinheit 8 besteht aus einem Doppeliederarm 9 mit aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen 10 zur Messung der Federbiegung und damit der Eindringkraft. Kraftaufbringung, Kraftmessung; und Mndringkörper 11 befinden sich in einer Achse (Bev-egungsachse). Die Konstruktion der Kraftmeßeinheit 8 als Doppel!eder&rm 9 verhindert ein Verkippen bzw. Verschieben des Lindringkörpers 11 während des Eindringvorganges.

Die Eindruckkraft wird über die stromdurchflossene Tauchspule 5 in einem starken homogenen Magnetfeld des lermanentmagnet-Ejstems (12,4,13) erzeugt. Zwischen der Tauchspule 5 und der Diamantspitze des Eindringkörpers 11 befindet sich die Kraftmeßeinheit 8, die eine andauernde Kontrolle der Kraft während eines Eindruckvorganges ermöglicht.

Die Kroftmessung erfolgt über die Durchbiegung des Doppelfeder&rmes 9 Hiit den Dehnungsmeßstreifen 10. Diese ist abhängig von der gewählten Federarmgeometrie sowie vom Elastizitätsmodul des gewählten Eedermaterials. Der Elastizitätsmodul besitzt einen Tempeiaturkoeifizienten; durch Messung der Federtemper&tur kann dieser berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Dazu ist ein Thermistor 26 im Bereich des Doppelfederarmes 9 vorgesehen, οessen Signal einem Vorverstärker 25 für das Ausgangs signal der Dehnungsmeßstreifen 10 bzw. des Differenzsignal von in irückenschaltung geschalteten Dehnungsmeßstreifen 10 zugeführt ist. In Abhängigkeit von der Temperatur des Doppel!ederarmes 9 werden die Ausgengssignele der Dehnungsmelrstreuer 10 verstärkt, so daß eine Temperaturkompensation ermöglicht ist.

ORIGINAL

Während der Ruhestellung bleibt der Einäringkörper 11 im geschützten Bereich des Gehäuses 2, eine Verletzung der Spitze ist dadurch nicht möglich.

Die Tauchspule 5 bzw. ihre Tragstenge 5¹ tragt ein Zwischenstück 14, das seitlich auskragt und das Ende der Doppelfeceranordnung 9 tragt. Am anderen Ende der Doppelf ed eranordnun- 9 ist ein weiteres Zwischenstück 15 vorgesehen, das zurück ins Zentrum des Gehäuses 2 gerichtet ist und dort den Eindringkörper 11 trägt.

Das I-ermanentmagnetsystem 12,4,1$ kann auch mehrere termanentmagnete besitzen. Die Tauchspule 5 kann z.B. auch quadratisch oder rechteckig sein, obwohl eine zylindrische bzw. zylinderringförmige Spule, die vorzugsweise keinen Kern besitzt, vorzuziehen ist. Die Kraftmeßeinheit 8 kann auch eus nur einer Feder bzw. Blattfeder bestehen; um ein Verkippen des Eindrinpkörpers 11 zu vermeiden, ist jedoch die .Anordnung von zwei parallelen Blattfedern vorzuziehen, deren Enden in den Zwischenstücken 14,15 festgehalten sind.

Die Zwischenstücke 14,15 sind möglichst starr ausgeführt.

Es ist möglich, auf den Blattfedern 9 der Krsftmeßeinheit 8 jeweils einen oder auch zur Erhöhung der Ivieiigenauigkeit mehrere Dehnungsmeßstreifen 10 anzukleben.

Ls ist ferner möglich, anstelle der Tauchspule 5 einen permanentmagnetischen Tauchanker vorzusehen und den termanentmagneten 4 durch eine auf einen ifceicheisenkern(rinp-) gewickelte Erregerspule zu ersetzen. In diesem lall erfolgt eine Bewegung des Touchankers durch eine Stromzufuhr zum Spulensystem.

Bei der Kon tage und Justierung des H&rtetestkopf es eis Mikroskop wird äts Gewindestück 1 in den Objektivrevolver 16 (vorzugsweise neben dem Objektiv "10Ox") eingeschraubt. Der nächste und - falls erforderlich - auch der übernächste !latz neben dem härtetestkopf wird bzw. werden vorübergehend ireiremacht, um für eine Justierung der Diamantspitze bzw. des Ein-

dringkörpers 11 in die optische Achse 27 des Mikroskopes Hatz zu gewinnen (I?ig. 2). Mit über dem UmIeng verteilten Justierschrauben 1? ist das Gehäuse 2 &m Gewindeteil 1 verstellbar gelagert und kann damit zentriert werden.

iv.it einem .Anschlußkabel 1Ö werden die Meirsignale an die Auswerteinheit 19 übertragen.

Die Eindringvorrichtung mit der Steuereinheit 20 bildet einen geschlossenen Regelkreis. Der in den Dehnungsmeßstreifen 10 gewonnene traftistwert bzw. die Information (Differenzsign&l) bezüglich der Prüfkraft bzw. der auf den Mndringkörper 11 ausgeübten Kraft wird in der Steuereinheit 20 mit dem vorwä'hlb&ren Kraftsollwert verglichen; die daraus resultierende Regelabweichung eines digitalen Reglers wird der Tauchspule 5> in Form eines Stromes zugeführt, um die gewählte Prüfkraft einzustellen. Das vom Regler erhaltene Spannungssignal wird hiebei in einen proportionalen Konstantstrom in einem Spar.nungs ε tromwa nd ler umgew anö elt.

Die üusvterteinheit 19 ermöglicht die Vorwahl der Meßparameter v.ie irüikraft, Lino, ringe· euer und Ivref tanstiegsgeschwindigkeit duich Eingebe an die Steueieinheit 20 über ein Tastenfeld 24 selbst oder über eine serielle Schnittstelle 23.

Die auswerteinheit 19 enthält &ls Steuereinheit 20 einen Iviikroprozessor, der über Digital-Analog-v.andler bzw. Analog-DigitaIwandler 21 mit cer lauchspule 5 bzw. den Dehnunrsmeßstreiier. 'iü in verbindung steht. Die jbing&be von laremetern erfolgt ücer ein Tattemeld 24 bzw. üt-er eine serielle schnittstelle i-..6i.v.erte UEC ι um t ionen biw. Krgebnisse werden tui einer elphanurneiischen LOD-;-.rjzeip:e c'c dargestellt (!'ig. 3)·

L¹Urch StroiLzuiuhr in die Tcuchspule ^ wird die Lrxftmeßeinheit 6 Hit dem iindringkörper 11 in die Richtung der uberfläche des !ruflings bewegt. Die Stromzunahme und damit die /innf-herung'S-fefchwindirkei t des Und ringt örpers 11 v.ird vors cer Steuereinheit2u zum Zv:ecke eier· An].e-ssunr der ^.uitrefikraft an die

BAD ORIGINAL

Prüfkrait (kleine Irüfkraft bedingt kleine Anni-.herungspeschwindigkeit) entsprechend eingegebener bzw. vori-estircmter »,eite bestimmt. Die Berührung des Lindrinp>örpers 11 te Prüfling erkennt die Steuereinheit durch einen momentaner, }.τε·ϊ tans tier.

Bei einer festste llung, eines Kr&f tanstiepes wird eine Verweilzeit eingehalten bzw. eine weitere Annhherunr.; gestoppt (1-2 s), um zu überprüfen, ob die einen Kraftanstieg anzeigenden Signale statisch (durch das Auftreffen) oder dynamisch (z.B. durch eine elektrische Störung) bedingt sind.

!Nach dem Aufsetzen dringt der Elnöringkörper 11 mit definierter Kraftanstiegsgeschwindigkeit in die Probe ein. Dabei wird die Prüfkrsft dauernd gemessen und ohne bberschwingen an den vorgewählten Wert herangeregelt. Die Prüfkraft wird sodanr. während der Meßdauer konstantgehalten und nf:ch dem Prüfablauf wird die Mndringspitze 11 wieder in die «esicherte Puhestellung zurückgeführt.

Der Härtetestfcjpf besitzt die lorni eines Objektives und kann daher an jecem üblichen Präzisionsmikroskop verwendet ν erden, wobei seine iunktion in Jeder Mnb.-ulage gegeben itt. Die Konstruktion des Doppelfederarmes 9 verhindert ein Verkippen bzw. Auswandern des Bindringkörpers 11 während des Lindrückvorganges und ermöglicht eine Bestimmunr der 1 rufkr&ft mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit. Der Meßbereich beträgt 0,005 ρ bis 200 ρ und überstreicht damit den gesamten fcikroharte- und Ultramikrohärtebereich (2 p - 200 ρ bzw. 0,00^· J - 2 p). hs ist ein Einbau des Härtetestkopfes in einen automatischen keEplatz auf Grund der externen Vorwahlmöglichkeiten der Itael?parameter (serielle Schnittstelle 23) möglich ; während η er Messung liegt ein geschlossener Regelkreis vor und d&durch ein definierter Eindringvorg&ng (z.B. lineares !Hochfahren der Prüfkraft) sowie ein exaktes Konstanthalten der Prüfkraft während der i-indrückdeuer.

ftach der Beendigung des IrüfVorganges wird der Linrruck in der Probe vermessen, und die Meldeten werden iu die /uswertein-

BAD ORIGINAL

richtung- 1¹^ eingegeben, in der die Berechnung der Härte in gewünschten Einheiten erfolpt.

BAD OF.lQiNAL

- Leerseite -

Claims

ft · » ■ * M

Patentansprüche

1 . Mikrohärteprüfeinrichtung mit einem Eindringkörper, der über eine zumindest einen, vorzugsweise zwei oder vier, gegebenenfalls gegenüberliegende Dehnungsmeßstreifen tragende Federanordnung belastbar ist, wobei die Signale der Dehnungsmeßstreifen bei Durchbiegung der Federanordnung als Meßsignal für die auf den Eindringkörper

aufgebrachte Kraft in elektrische Signale umgesetzt und

Regel- bitui.

einer/Auswerteinheit zugeführt sind und wobei die Federanordnung von einer Tauchspule eines Permanentmagnetsystems

getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5), das Permanentmagnetsystem (i2,^,13) und die Feder-Anordnung (8) sowie gegebenenfalls der Eindring; körper (i"l) in seiner Ruhelage, von einem in den Objekttivrevolver (16) eines Mikroskopes einsetz- bzw. ein-

^: schraubbaren bzw. der Form und den Abmessungen eines Ob-

jektiveinsatzes angenäherten Gehäuse (2) umschlossen

; ist, wobei der Eindringkörper (ii) in der optischen Achse

(27)» die gegebenenfalls die Symmetrieachse des Gehäu-

j. ses (2) bildet, ein jus tierbar ist.

ί Z* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

■; zeichnet, daß die zwischen der Tauchspule (5) und dem Ein-

dringkörper (11) gelegene Federanordnung (8) im wesent-

- liehen quer zur optischen Achse (27) verläuft und von zu-

! mindest einer Blattfeder (9) gebildet ist.

• 3 · Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

■i gekennzeichnet, daß das eine Ende der Federanordnung (8)

^ an der Tauchspule (5) befestigt bzw. mit dieser über ein

Zwischenstück (1h) verbunden ist und das andere Ende der Federanordnung (8) den Eindringkörp^er (11 ) direkt oder über

ein ZviBchenstuck (15) trägt. (

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 |

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (8) )

in an sich bekannter Weise nach Art eines Parallellen- | kers zwei parallel angeordnete Blattfedern (9) besitzt lind

daß die jeweiligen Enden in biegesteifen Zwischenstük- < ken (1^,15) befestigt sind, wobei das eine Zwischenstück

(lh) an der Tauchspule (5) befestigt ist und das andere '

Zwischenstück (15) <*^en Eindringkörper (ii) trägt. '.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis h_t

dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der parallelen Blatt- j federn (9) die Tauchspule (5) seitlich überragen, das an

der Tauchspule (5) befestigte Zwischenstück (i4) seitlich j

auskragt und das den Eindringkörper (ii) tragende Zwischen- i

stück (15) ins Zentrum des Gehäuses (2) gerichtet ist. ^;

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» ■: dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5) symmetrisch ,, zur optischen Achse (27) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, } dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber dem Permanent- · magnetsystem (12, 4,13) verschiebbare Tauchspule (5) jeweils im Zentrum von zwei übereinander im Gehäuse (2) angeordneten, durchbrochenen und an ihrem Umfang gehaltenen
Federplatten bzw.-membranen (6,7,) befestigt und damit in ! axialer Richtung geführt ist. :

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) von einem Ge- : windestück (1) zum Einschrauben in einen Objektivrevolver

(16) getragen ist und an diesem Gewindestück (l) z.B. mittels Stellschrauben (17) justierbar bzw. seitlich verschieb-

bar gelagert ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (5) ringförmig ist und innen und außen von dem Permanentmagnetsystem (Τ2,4,13) umgeben ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9_t dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteinheit (19) eine Steuereinheit (20) zugeordnet ist, die einen Koraperator aufweist, dem zum Vergleich die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen (ίο) als gegebener bzw. aufgebrachter Kraftistwert und ein eingespeicherter bzw. vorgegebener Kraftsollwert zugeführt sind, und daß eine Tauchspulensteuereinrichtung, z.B. ein digitaler Regler, vorgesehen ist, der in die Stromversorgung der Tauchspule (5) insbesondere zur Anpassung des Kr?*ftistwertes an den Kraftsollwert geschaltet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) eine Vorwähleinrichtung zur Einstellung der Annäherungsgeschwindigkeit des Eindringkörpers (ii) an eine Probe bzw. zur Regelung der Stromversorgung der Tauchspule (5) aufweist, welcher Steuereinheit Eingabespeicher für verschiedene Kraftan-6tiegsgesehw± ndigkeiten zugeordnet sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturmeß- bzw. -fühleinrichtung (26), z.B. ein Thermistor, für die Federanordnung (δ) vorgesehen ist, die an eine Kompensationsschaltung bzw. einen Vorverstärker (25) angeschlossen ist, in der bzw. dem die Meß- bzw. Differenzsignale in Abhängigkeit der Temperatur der Federanordnung (8) abänderbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungseinheit zur ständigen Kontrolle der Meßsignale vährend einer vorgegebenen Prüfdauer und zur Konstanthaltung des Prüfdruckes sowie eine Anzeige für die Prüfkraft vorgesehen ist.

1*4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf ein plötzliches Ansteigen der Prüfkraft ansprechende bzw. das erstmalige Eintreffen der Meßsignale überwachende und gegebenenfalls den Eindringkörper (ii) anhaltende Einheit vorgesehen ist, deren Ausgangssignal der Steuereinheit (20) und/oder einer Anzeigeeinrichtung (22) zugeführt ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführschaltung für den Eindringkörper (ii) nach Ablauf der Prüfzeit vorgesehen ist, mit der die Stromzufuhr zur Tauchspule (5) zur Rückführung des Eindringkörpers (ii) in seine Ruhestellung regelbar ist.