DE4015178C2 - Vorrichtung für die Zugprüfung von Werkstoffproben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Zugprüfung von Werkstoffproben mit einem Maschinengestell und mit einer Kraftmeßein­ richtung, wobei die Kraftmeßeinrichtung mit einem Prozessor verbunden ist, an den über eine Schrittmotorsteuerung ein Schrittmotor an geschlos­ sen ist, der über ein am Maschinengestell befestigtes Untersetzungsgetrie­ be mit einem Antriebsmechanismus für ein an einem Ende der jeweiligen Werkstoffprobe angekoppeltes Antriebselement verbunden ist, das in Achsrichtung der Werkstoffprobe bewegbar ist, deren anderes Ende über ein ortsfestes Einspannelement mit dem Maschinengestell verbunden ist.

Eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist bekannt. Bei dieser Vorrichtung besteht der Antriebsmechanismus aus zwei Gewinde­ spindeln, die in zwei Gewindebohrungen in dem als Querbalken ausgebil­ deten Antriebselement gelagert sind. Beide Gewindespindeln werden über Untersetzungsgetriebe von einem gemeinsamen Schrittmotor angetrieben. Die dem Schrittmotor zugeführten Impulse werden zur Bestimmung des vom Querbalken zurückgelegten Wegs gezählt und ausgewertet (JP 57-1797 27A. In Patents Abstr. of Japan, Sect. P, Vol. 7 (1983), Nr. 26, p-172).

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur Messung der Zugfestigkeit von Haarproben, bei der eine an ein Antriebselement der jeweiligen Haarprobe angekoppelte Wegmeßeinrichtung und eine Kraftmeßeinrichtung vorgesehen sind. Die Weg- und die Kraftmeßeinrichtung sind mit einem Prozessor verbunden, der das an ein Ende der Haarprobe angekoppelte Antriebsele­ ment steuert, das in Achsrichtung der gestreckten Haarprobe bewegbar ist. Das andere Ende der Haarprobe ist mit einem ortsfesten Einspannele­ ment verbunden. Dem Prozessor ist ein Digital-Analog-Wandler nachge­ schaltet, an den eine Magnetspule angeschlossen ist, deren Magnet auf einen Hebelarm wirkt, mit dem das Antriebselement für die Haarprobe verbunden ist (US 4 628 742). Digital-inkremental arbeitende Wegmeßein­ richtungen sind an sich z. B. aus der DD 1 02 463 bekannt.

Schließlich ist eine Universal-Prüfmaschine bekannt, die eine Zug-Druck­ kraftmeßvorrichtung, Wegmeßeinrichtungen und ein Antriebselement für Proben aus elastoviskosen bzw. viskoelastischen Stoffen enthält.

Das Antriebselement ist mit einem Getriebe verbunden, das von einem Schrittmotor angetrieben wird. Die Prüfmaschine kann in einer Klimakam­ mer untergebracht werden (DE 32 40 666 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Zug­ prüfung von Werkstoffproben zu entwickeln, bei der auch im Stillstand eines mit der jeweiligen Werkstoffprobe verbundenen Antriebselements nach einer auf die Werkstoffprobe ausgeübten Zug kraft eine meßbare Krafteinwirkung erhalten bleibt, und mit den Längenänderungen Werk­ stoffprobe mit hoher Genauigkeit und mit weitem Anzeigebereich unab­ hängig von Drift- und Alterungserscheinungen gemessen werden können.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dieser Vorrichtung treten bei Dehnungen der Werkstoffproben in dem Detektor der digital-inkremental arbeitenden Wegmeßeinrichtung Impulse auf, die z. B. in der Wegmeßeinrichtung so geformt werden, daß sie ohne großen Aufwand in einer Datenverarbeitungsanlage verarbeitet werden können. Die Verschiebung wird z. B. durch Zählung der Impulse festge­ stellt. Die Länge der jeweiligen Werkstoffprobe kann durch Ausgabe des Zahlenwerts auf einem mit dem Prozessor verbundenen Monitor auf ein­ fache Weise angezeigt werden. Die Meßgenauigkeit wird durch Bauelemen­ tealterung und Bauelementedrift nicht beeinflußt. Nach der Einstellung der Meßvorrichtung sind keine aufwendigen Nachkalibriermaßnahmen mehr er­ forderlich.

Die Antriebsgeschwindigkeit läßt sich durch die Frequenz der dem Schrittmotor zugeführten Impulse auf einfache Weise steuern. Jedem Impuls entspricht ein festgelegter Drehwinkel des Schrittmotors und im Zusammenhang damit ein bestimmter Verschiebeweg des Antriebselements. Die digitale Steuerung des Antriebs bringt eine wesentliche Reduzierung des Aufwands für die Krafterzeugung mit sich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind im Maschinengestell wenigstens ein weiteres Einspannelement und ein zugeordnetes weiteres Antriebselement vorgesehen, das über einen weiteren Schrittmotor an die Schrittmotorsteuerung angeschlossen ist, wobei wenigstens eine weitere Werkstoffprobe an eine mit dem Prozessor verbundene weitere, digital­ inkrementale Wegmeßeinrichtung an gekoppelt ist.

Diese Vorrichtung zeichnet sich durch die Mehrfachausnutzung des Maschinengestells und des Prozessors für die Zugprüfung von wenigstens zwei Werkstoffproben aus. Der Prozessor steuert bzw. regelt die Zug­ beanspruchung über die Verstellbewegungen des Antriebs und die Längenänderungsmessung. Weiterhin ist der Prozessor für die Dokumenta­ tion programmiert. Im Prozessor sind verschiedene Routinen gespeichert, z. B. für die Kalibrierung der Kraft- und Wegmeßeinrichtungen, das Nullstellen der Wegmeßeinrichtung, das Hochfahren der Antriebe, das Halten auf vorgebbaren Positionen oder Lasten und das Abfahren. Un­ terprogramme beinhalten die Aufnahme von vorgebbaren Werten über den Verfahrweg, die aufzubringenden Kräfte sowie Weg- und Kraftänderungen nach einem vorgebbaren Plan.

Die Vorrichtung kann nach dem Einspannen der Werkstoffproben nach einem gespeicherten Programm mit jeweils an die Form und Material der Werkstoffproben angepaßten Einstellwerten selbsttätig die Prüfung durchführen, was eine erhebliche Aufwandsreduzierung bedeutet. Ins­ besondere können Zugprüfungen mit verschiedenen Einstellwerten zugleich an den verschiedenen Werkstoffproben ausgeführt werden.

Vorzugsweise ist eine temperaturregelbare Kammer vorgesehen, in der die jeweilige Werkstoffprobe angeordnet ist, die mit dem außerhalb der Kammer angeordneten Schrittmotor und der Wegmeßeinrichtung verbunden ist. Diese Vorrichtung erlaubt die Prüfung unter vorgebbaren Temperatur­ bedingungen. Die Temperaturen liegen im allgemeinen über oder unter der Raumtemperatur. Da die Kammer im Bereich der Werkstoffproben angebracht ist, weist sie ein relativ geringes Volumen auf, so daß der Aufwand für die Regelung der Temperatur relativ gering ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprü­ chen 4 bis 7 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Zugprüfung von Werkstoffproben schematisch und teilweise im Längsschnitt. Die Vorrichtung ist für die gleichzeitige Zugprüfung zweier Werkstoffproben 1, 2 vorgesehen. Die Werkstoffproben 1, 2 sind mit ihren Enden 3, 4 bzw. 5, 6, die z. B. als Schulterköpfe ausgebildet sind, jeweils mit einem ortsfesten Einspannele­ ment 7, 8 verbunden, das als Spannkopf ausgebildet ist. Die ortsfesten Einspannelemente 7, 8 sind über Schäfte 9, 10 mit einem unteren Maschinenträger 11 des Maschinengestells verbunden. Die anderen Enden 4, 5 der Werkstoffproben 1, 2, die ebenfalls als Schulterköpfe ausgebildet sein können, sind in Antriebselementen 14, 15 gehalten, die auch als Spannköpfe ausgebildet sein können. Die Antriebselemente 14,15 sind jeweils an den Enden von Zugstangen 16, 17 drehbar gelagert, die in Bohrungen von nicht näher bezeichneten Lagern in einem oberen Maschinenträger 18 des Maschinengestells axial verschiebbar sind. An den Zugstangen 16, 17 sind jeweils Federpakete 34 und Kardangelenke 35 befestigt. Über Zwischenstücke 36 sind die Kardangelenke 35 je mit einer Kraftmeßzelle 12, 13 verbunden. An den Kraftmeßzellen 12, 13 sind Gewindespindeln 37, 38 befestigt, die zu Untersetzungsgetrieben 19, 20 gehören, die an einem oberen Maschinenträger 18 befestigt sind. Die Antriebe der Untersetzungsgetriebe 19, 20 sind jeweils Schrittmotore 21, 22. Die Wicklungen der Schrittmotore 21, 22 sind an eine Schrittmotor­ steuerung 23 angeschlossen, die handelsüblich sein kann. Der Aufbau kann auch so sein, daß die Lastmeßzellen unterhalb der Kardangelenke außerhalb der Kammer angeordnet sind. Nahe an den oberen Enden 4, 5 der Werkstoffproben 1, 2 sind jeweils Gestänge 24, 25 befestigt. Die Gestänge 24, 25 enthalten jeweils zwei vertikale Stangen 39, 40 die durch nicht näher bezeichnete Öffnungen im unteren Maschinenträger 11 hindurch ragen.

Die Stangen 39, 40 verlaufen symmetrisch zur Längsachse der jeweiligen Werkstoffprobe 1, 2. Nahe an den unteren Enden 3, 6 der Werkstoffproben 1, 2 sind jeweils weitere Gestänge 41, 42 befestigt, die jeweils ebenfalls zwei vertikale Stangen 43, 44 enthalten, die durch die gleichen Öffnungen des Maschinenträgers 11 hindurchragen. Die Stangen 43, 44 sind hohl und kürzer als die Stangen 39, 40. In den Hohlräumen der Stangen 43, 44 sind die Stangen 39, 40 axial verschiebbar angeordnet. Die Enden der Stangen 39, 40 ragen jeweils oben und unten über die Enden der Stangen 43, 44 hinaus.

Die unteren Enden der Stangen 39, 40 sind durch eine Strebe 26 miteinander verbunden. Entsprechend sind die unteren Enden der Stangen 43, 44 durch einen Träger bzw. eine Strebe 27 miteinander verbunden. Zwischen den Streben 26, 27 befinden sich für die Werkstoffproben 1, 2 digital-inkrementale Wegmeßeinrichtungen 28, 29, die z. B. aus Strichgittern und fotoelektri­ schen Abtastern mit nachgeschalteten Impulsformerstufen bestehen. Die relative Verschiebung der Gestänge 24, 25 und 41, 42 bei Längenänderun­ gen der Werkstoffproben 1, 2 bewirken Lageänderungen zwischen den Strichgittern, die von den Wegmeßeinrichtungen 28, 29 erfaßt werden. Die Wegmeßeinrichtungen 28, 29 sind mit Eingabeschaltungen eines Prozessors 30 verbunden. Die Schrittmotorsteuerung 23 und die Kraftmeßeinrich­ tungen 12, 13 sind ebenfalls an Eingabeschaltungen des Prozessors 30 an­ geschlossen, der weiterhin mit einer Eingabetastatur 31 und einem Monitor 32 verbunden ist.

Im Prozessor 30 sind Prüfprogramme für die Zugprüfung der Werk­ stoffproben 1, 2 gespeichert. Diese Prüfprogramme beinhalten die An­ steuerung der Schrittmotorsteuerung 23, das Einlesen der Meßwerte von den Wegmeßeinrichtungen 12, 13 und die Dokumentation.

Zwischen den Maschinenträgern 11 und 18 befindet sich eine über eine Tür zugängliche Kammer 33, die Durchlaßöffnungen für die Zugstangen 16, 17 und die Trägerstangen 24, 25 aufweist. Die Kammer 33 ist mit einem nicht dargestellten Temperaturregelgerät verbunden, das die Temperatur in der Kammer 33 auf vorgebbare Sollwerte regelt.

Die Antriebsgeschwindigkeiten der Antriebselemente 14, 15 werden durch die Frequenzen der den Schrittmotoren 21, 22 zugeführten Impulse einge­ stellt. Da die Schrittmotore 21, 22 binäre Signale verarbeiten und mit diesen genau lage- und drehzahlgesteuert werden können, entfällt der Aufwand für analog arbeitende Antriebe. Die Wegmeßeinrichtungen 28, 29 erzeugen binäre Signale, die ohne großen Aufwand im Prozessor 30 für die Feststellung der Längenänderung der Proben 1, 2 gezählt werden.

Die digital-inkrementalen Meßeinrichtungen 28, 29 werden gegebenenfalls mittels eines entsprechenden Programms kalibriert. Diese Nachkalibrierung ist normalerweise nicht erforderlich, da die Genauigkeit der Messungen durch Temperaturänderungen und Bauelementealterung nicht beeinflußt wird. Mittels des Programms werden über die Verschiebung der Gewinde­ spindeln 37, 38 geforderte Kräfte in den Werkstoffproben 1, 2 durch Hochfahren erzeugt. Die Kalibration der Kraftmessung wird mit Hilfe eines speziellen Programmteils ausgeführt; softwaremäßig wird der günstigste Meßbereich für die Prüfung ausgewählt. Das Programm kann ein Regelver­ fahren zum Aufrechterhalten der Kräfte oder der Formänderung oder der Formänderungsgeschwindigkeit nach einem vorgegebenen Führungsplan auf­ weisen. Weiterhin hat das Programm einen Bestandteil zum Beenden der Prüfung. Die für die jeweiligen Werkstoffproben 1, 2 geforderten Prüfbe­ dingungen werden über die Tastatur 31 eingegeben. Die Meßwerte der Längenänderungen und der Kräfte können auf dem Monitor 32 angezeigt werden. Nach dem Aktivieren der Vorrichtung führt diese rechnergesteuert das Prüfprogramm selbsttätig durch.

Die Temperatur in der Kammer 33 und damit die Temperatur der Werk­ stoffproben 1, 2 kann auf geforderte Werte eingestellt werden, so daß die Prüfung bei bestimmten Temperaturen abläuft. Es ist möglich, in der Kammer 33 einen mit dem Prozessor 30 verbundenen Temperatursensor vorzusehen, wenn die Temperatur ebenfalls selbsttätig dokumentiert werden soll.

Die Federpakete 34 und die Kardangelenke 35 sorgen dafür, daß bei Ausfall der Elektronik die auf die Werkstoffproben 1, 2 einwirkenden Kräfte erhalten bleiben.

Claims (7)

1. Vorrichtung für die Zugprüfung von Werkstoffproben mit einem Maschinengestell und mit einer Kraftmeßeinrichtung, wobei die Kraftmeßeinrichtung mit einem Prozessor verbunden ist, an den über eine Schrittmotorsteuerung ein Schrittmotor angeschlossen Ist, der über ein am Maschinengestell befestigtes Untersetzungs­ getriebe mit einem Antriebsmechanismus für ein an einem Ende der jeweiligen Werkstoffprobe angekoppeltes Antriebselement verbun­ den ist, das in Achsrichtung der Werkstoffprobe bewegbar ist, deren anderes Ende über ein ortsfestes Einspannelement mit dem Maschinengestell verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an das Untersetzungsgetriebe angeschlossene Antriebsme­ chanismus nur eine Gewindespindel (37) aufweist, die über ein Kar­ dangelenk (35), eine als Kraftmeßzelle ausgebildete Kraftmeß­ einrichtung (12) und ein Federpaket (34) sowie eine Zugstange (16) mit dem Antriebselement (14) der Werkstoffprobe (1) verbun­ den ist, und daß eine digital-inkrementale Wegmeßeinrichtung (28) an die Werkstoffprobe an gekoppelt und mit dem Prozessor verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Maschinengestell wenigstens ein weiteres ortsfestes Ein­ spannelement (8) und ein zugeordnetes weiteres Antriebselement (15) vorgesehen sind, das über einen weiteren Schrittmotor (22) an die Schrittmotorsteuerung (23) angeschlossen ist und daß wenig­ stens eine weitere Werkstoffprobe (2) an eine mit dem Prozessor (30) verbundene weitere Wegmeßeinrichtung (29) an gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturregelbare Kammer (33) vorgesehen ist, in der die jeweilige Werkstoffprobe (1, 2) angeordnet ist, die mit- dem außerhalb der Kammer (33) angeordneten Schrittmo­ tor (21, 22) und der Wegmeßeinrichtung (28, 29) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Werkstoffprobe (1, 2) an je einem Ende (3, 4; 6, 5) mit einem Gestänge (24, 41; 25, 42) verbunden ist, das mindestens zwei symmetrisch zur Probenlängsachse angeordnete vertikale Stangen (39, 40; 43, 44) aufweist, deren untere Enden über Träger (26, 27) miteinander verbunden sind, und daß zwischen den Trägern (26, 27) die jeweilige, digital arbeitende Wegmeßeinrichtung (28, 29) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Stangen (39, 40) der mit den oberen Enden (4, 5) der Werkstoffprobe verbundenen Gestänge (24, 25) jeweils in den vertikalen Stangen (43, 44) der mit den unteren Enden (3, 6) der Werkstoffprobe (1, 2) verbundenen Gestänge (41, 42) geführt sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Kraftmeßzelle (12, 13) zwischen dem Kardan­ gelenk (35) und dem Untersetzungsgetriebe (19, 20) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Kraftmeßzelle zwischen dem Kardangelenk und dem Federpaket angeordnet ist.