DE4219848C2 - Spannkopf an einer Werkstoffprüfmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannkopf an einer Werkstoffprüf­ maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiger Spannkopf ist z. B. in der Deutschen Patent­ schrift 33 10 666 beschrieben. Die eigentlichen Spannkräfte werden hydraulisch durch den Spannzylinder aufgebracht, während die Stellspindel lediglich im unbelasteten Zustand bewegt wird, um sicherzustellen, daß die Probe sich in der Mittenlage des Spannkopfes befindet bzw. um die Probe zu dem zweiten Spannkopf auszurichten, der in der Regel an Werkstoffprüfmaschinen vorhanden ist. Mit der Stellspindel werden also keine Spannkräfte aufgebracht, sondern sie dient lediglich zur Voreinstellung der Spannstelle.

Statt einer Stellspindel kann auch auf der anderen Seite des Grundkörpers eines Spannkopfes ein weiterer hydraulisch betriebener Spannzylinder vorgesehen sein, es muß dann je­ doch sichergestellt werden, daß sich beide Spannzylinder um jeweils gleiche Beträge bewegen, wenn die Probe in der Mittenlage des Grundkörpers eingespannt werden soll. Dazu ist ein Gestänge bzw. eine Zahnstangenanordnung erforderlich, die die Gleichförmigkeit der Bewegung beider Zylinder sicher­ stellt. Der Nachteil dieser Konstruktion liegt darin, daß bei unsymmetrisch verbogenen Proben der Gleichlauf nicht bewirkt werden kann, es sei denn unter Heranziehung der Einrichtung für den Gleichlauf. Für hohe Kräfte ist diese Einrichtung je­ doch nicht vorgesehen, so daß sehr leicht Beschädigungen auf­ treten können.

Bei Reihenuntersuchungen ist die Ausstattung eines Grund­ körpers mit einem hydraulischen Spannzylinder und einer Stellspindel völlig ausreichend. Wenn in rascher Folge un­ terschiedliche Proben einzuspannen sind, muß die Stellspin­ del häufig verstellt werden, wobei die korrekte Stellung gemessen, berechnet oder mit Hilfe einer die Probe berüh­ renden Lehre in der Mittenlage nach Inaugenscheinnahme an­ gefahren wird. Dabei kann es leicht zu Fehleinstellungen kommen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spannkopf der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß Fehleinstellungen weit­ gehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Mit Hilfe der Erfindung ist ein weitgehend automatisierter Prüfbetrieb an einer Werkstoffprüfmaschine möglich, die mit Spannköpfen ausgestattet ist. In jedem Fall ist wegen der gleichzeitigen Ansteuerung der beiden Stellspindeln an den Spannköpfen eine Zeitersparnis vorhanden, was sich bei län­ geren Prüfreihen durchaus auswirkt. Darüber hinaus sind Irr­ tümer in der Einstellung so gut wie ausgeschlossen; es kann also nicht mehr vorkommen, daß bei dem Wechsel einer Proben­ form die Stellspindel des einen Spannkopfes in die eine Rich­ tung und die Stellspindel des anderen Spannkopfes versehent­ lich in die andere Richtung verstellt wird. Dadurch würde eine schräge Zugkraft oder Druckkraft auf die Probe ausgeübt.

Wenn der Antriebsmotor für die Stellspindel kein Schritt­ motor ist, muß in anderer Weise der Verstellweg und die Orientierung entlang des Weges gemessen bzw. festgestellt werden. Dazu bieten sich Lichtlineale, induktive oder kapa­ zitive Wegaufnehmer, Drehwinkelmeßgeräte und dgl. an. Unab­ hängig von der Verwendung eines Schrittmotors oder eines re­ gelbaren Antriebsmotors mit Wegmessung genügt ein einziger Referenzwert, der z. B. die maximal zurückgefahrene Stellung der Stellspindel ist. Sie kann mit Hilfe eines Signalgebers in Form eines kapazitiven Näherungsschalters oder eines induk­ tiven Näherungsschalters oder auch mit Hilfe eines mechanischen Schalters festgestellt werden. Von diesem Referenzwert aus wird dann jeweils die Schrittfolge des Motors gezählt, so daß die Stellung der Stellspindel über die Anzahl der verfahrenen Schritte bekannt ist. Selbstverständlich können auch absolute Wegmeßinstrumente verwendet werden, die keinen Referenzwert benötigen. Die Ansteuerung des jeweiligen Motors erfolgt über einen Steuercontroler, der die Daten aus dem Mikroprozessor oder aus einem Personalcomputer erhält, während die Befehle von einer Schalttafel aus eingegeben oder durch einen Pro­ grammablauf vorgegeben werden.

Es ist zweckmäßig, die Schaltungsanordnung so zu treffen, daß auch die beiden Stellspindeln zweier einer Werkstoff­ prüfmaschine zugeordneter Spannköpfe individuell und ohne Programm im Tipbetrieb verfahren werden können, damit un­ regelmäßige Proben, die beispielsweise ungleich dicke Enden haben, einem Zug- oder Druckversuch unterworfen werden kön­ nen. Im übrigen wird durch die Vorgabe der Probenform und der Spannbacke über die in dem Datenspeicher abgelegten Ab­ hängigkeiten die jeweils richtige Position der Stellspindel selbsttätig angefahren, nachdem entsprechende Parameter eingegeben worden sind. Die Eingabe dieser Daten kann durch eine Anzeigentafel mit entsprechenden Aufforderungen er­ leichtert werden. Die Anzeigentafel enthält im übrigen eine Stellanzeige für jede über die Stellspindel verfahrbare Spannbacke, die die Skala ersetzt, die an einer rein manuell verstellbaren Stellspindel vorhanden ist. Die Anzeige er­ leichtert eine individuelle Einstellung im Tipbetrieb und eine Kontrolle im gesteuerten Motorbetrieb.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel, das in der Zeich­ nung dargestellt ist, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Frontalansicht eines Spannkopfes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch eine Stellspindel­ einheit mit elektrischem Antrieb an einem Spannkopf gemäß der Erfindung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung einer Verstellung bei entsprechenden Vorgaben.

Der in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Spannkopf 1 besteht aus einem Grundkörper 2, an den seitlich auf der einen Seite ein Spannzylinder 3 und auf der anderen Seite eine Stell­ spindeleinheit 4 angeflanscht sind. Der Spannzylinder und die Stellspindeleinheit 4 tragen jeweils Spannbacken 5, mit deren Hilfe in der Mittenlage des Grundkörpers 2 eine Probe (nicht dargestellt) eingespannt werden kann. Die Probe soll z. B. als Zug- oder Druckprobe untersucht werden bzw. dynamischen Wechsellasten unterworfen werden. An einer ent­ sprechenden Werkstoffprüfmaschine ist ein zweiter Spannkopf 1 vorhanden, der in um 180° gedrehter Lage dem dargestellten Spannkopf 1 gegenüberliegt.

Die zum Spannen der Probe erforderliche Spannkraft wird durch den Spannzylinder 3 aufgebracht. Die Stellspindel­ einheit 4 dient lediglich als feststehendes Widerlager, dessen Position selbstverständlich verstellt werden kann. In dieser Weise kann unabhängig von der Probenform und un­ abhängig von der Form der Spannbacken 5 stets die Mitten­ lage der Probe innerhalb des Grundkörpers 2 eingehalten werden. Dadurch wird eine symmetrische Krafteinleitung in den Grundkörper bewirkt, der mit Hilfe einer Aufhängung 6 an einer verfahrbaren Spindel befestigt ist. Bei Bedarf kann selbstverständlich auch eine asymmetrische Einstel­ lung gewählt werden.

Die Stellspindeleinheit 4, die mit Hilfe einer Schutz­ haube 7 abgedeckt ist, ist in der Fig. 2 im einzelnen dar­ gestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse mit einem Flansch 11, der mit Hilfe von Innensechskantschrauben an den Grund­ körper 2 angeschraubt ist. Dafür sind entsprechende Schrau­ benlöcher 12 vorbereitet. Die eigentliche Verstellung wird mit Hilfe einer Stellspindel 13 bewirkt, die an dem einen Ende eine Spannbackenaufnahme 14 und an dem anderen Ende ein Hohlzahnrad 15 trägt. In das Hohlzahnrad 15 greift ein Antriebszahnrad 16 eines Motors 17 ein, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Schrittmotor ausgebildet ist. Mit Hilfe eines Sensors 18 kann die im wesentlichen maximale Öffnungsstellung der Stellspindel 13 kapazitiv abgetastet werden. Dies ist die Referenzstellung für die an den Schritt­ motor 17 angeschlossene Steuerung.

In der Fig. 3 ist ein Blockdiagramm wiedergegeben, das schematisch die beteiligten Bauteile und deren Verbindung miteinander wiedergibt. Es ist eine Bedientafel 19 vor­ handen, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Anzeige versehen ist, auf der Zahlen und Buchstaben wiedergegeben werden können. Im übrigen sind schematisch dargestellte Eingabe- und Bedienungsknöpfe bzw. Schalter vorhanden, mit deren Hilfe eine lückenlose Bedienung und Programmierung möglich ist. Für einen vollautomatischen Betrieb bei Eingabe von entsprechenden Parametern ist ein Speicher erforderlich, in dem die Abhängigkeit der Mitten­ lage einer Probe oder eine absichtliche asymmetrische Lage innerhalb des Grundkörpers von der Dicke und Form der Probe und von der Spannbackenform gespeichert ist. Dieser Speicher kann durch einen Mikroprozessor MP oder durch einen über eine Schnittstelle benutzbaren Personalcomputer PC bereitgestellt werden. Die tatsächliche Auswahl hängt davon ab, ob für die restliche Werkstoffprüfmaschine bereits ein PC vorhanden ist oder ob eine in sich geschlossene Einheit vorhanden sein soll, die einen Mikroprozessor mit einschließt. In letzterem Fall bilden der Mikroprozessor, ein Steuercontroler SC für den Motor 17 sowie die Bedientafel 19 eine Einheit.

Nach dem Einschalten der Prüfmaschine bzw. des Komplexes "Spannkopf" wird der Schrittmotor 17 zunächst so angesteuert, daß die Stellspindel 13 in Richtung Auffahren verstellt wird, bis der Sensor 18 anspricht. Das Signal des Sensors 18 dient als Referenzsignal, das der Steuerung quasi die Ausgangslage bzw. die Nullage der Stellspindel 13 als Refe­ renzwert anzeigt. Von dieser Referenzstelle aus werden alle Vorwärts- und Rückwärtsschritte bei der Ansteuerung des Stellmotors 17 gezählt, so daß der Zählerstand des Spei­ chers zum Zählen der Impulse für den Stellmotor 17 ein Maß für die Stellung der Stellspindel 13 ist. Wenn z. B. eine Zugprobe durchgeführt werden soll, werden die entsprechenden Spannbacken 5 ausgewählt, deren Form sich nach der Proben­ form richtet. Für Rundproben werden gekerbte Spannbacken 5 verwendet, während für Flachproben in sich ebene Spann­ backen 5 ausgesucht werden, die mit konzentrischen Ringen zur Verbesserung des Reibschlusses ausgestattet sind. Inner­ halb des Mikroprozessors bzw. des PC sind alle Spannbacken­ formen gespeichert, die zu der Maschine gehören und regel­ mäßig Verwendung finden. Durch Eingabe der Spannbackenform beispielsweise über einen bestimmten Code und durch Eingabe der Probendicke ist der Mikroprozessor bzw. der PC in der Lage, über die abgelegten Abhängigkeiten eine Stellspindel­ stellung vorzugeben, die dann bei eingespannter Probe z. B. deren Mittenlage in dem Grundkörper 2 bewirkt. Die Steuerbe­ fehle für die Verstellung des Motors 17, die selbstverständ­ lich unter Berücksichtigung der Übersetzung zwischen den beiden Zahnrädern 15 und 16 sowie der Steigung der Stell­ spindel 13 erfolgen, werden nicht direkt dem Motor 17 zuge­ leitet, sondern einem Steuercontroller, der die Vorgabe in entsprechende Schritte zur Ansteuerung des Schrittmotors 17 umwandelt.

Selbstverständlich kann der Schrittmotor 17 auch im Tipbe­ trieb in jede beliebige Stellung gefahren werden, wenn un­ regelmäßige Proben eingespannt werden sollen bzw. eine Lage­ veränderung der Spannbacke 5 aus einem anderen Grund erfor­ derlich ist. Dazu kann auch im Einzelfall die Notwendigkeit der Säuberung gehören, wenn z. B. Zunderreste oder dgl. ent­ fernt werden sollen, die von wärmebehandelten Proben abge­ fallen sind. Die jeweilige Stellung der Stellspindel 13 wird auf der Bedientafel 19 angezeigt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dreht sich die Stellspindel 13 bei der Verstellung mit. Dies führt dazu, daß auch die Spannbacke 5 sich mitdreht. Wenn ein vollauto­ matischer Betrieb einschl. einer Handhabungsvorrichtung zum Einsetzen von Proben in die Werkstoffprüfmaschine durch­ geführt werden soll, in dessen Verlauf auch ein Probenform­ wechsel vorgesehen ist, muß selbstverständlich die Stell­ spindel 13 so konstruiert sein, daß sie beim Verstellvor­ gang ihre Winkellage nicht ändert, damit z. B. eine Spann­ backe 5 mit einer V-förmigen Rille nach der Verstellung wieder korrekt ausgerichtet ist. In der Regel ist dieser Aufwand jedoch nicht erforderlich, da bei einem Probenform­ wechsel von z. B. einer Rundprobe zu einer Flachprobe ohne­ hin die Spannbacken 5 ausgewechselt werden müssen bzw. in ihrer Orientierung verdreht werden müssen. Es bedarf also ohnehin eines kleinen manuellen Eingriffs, um den Proben­ formwechsel insgesamt zu vollziehen.

Bei dem Eingriff des Antriebszahnrades 16 in das Hohlzahnrad 15 wandert der Eingriffspunkt entlang der Verzahnung, was jedoch nicht weiter stört. Wenn die Konstruktion so getroffen ist, daß sich die Stellspindel 13 bei der Verstellung nicht mitdreht, kann selbstverständlich auch eine Zahnradpaarung verwendet werden, bei der der Eingriffspunkt in derselben Ebene bleibt. Im übrigen kann an dieser Stelle auch eine Zahnriemenübersetzung gewählt werden. Eine Spielfreiheit des gesamten Antriebes ist zwar anzustreben, es ist jedoch eine äußerste Präzision nicht erforderlich, da es nicht darauf ankommt, ob die Probe die Mittenlage genauer erreicht als ein Zehntel Millimeter; bereits durch das Eindrücken der Probe in die Rillen der Spannbacken 5 kann eine Abweichung von der Mittenlage eintreten, wenn z. B. an der einen Spann­ backe 5 die Rillen durch vorherige Proben oder durch Zunder leicht zugesetzt sind, während die Rillen der anderen Spann­ backe frei von Verunreinigungen sind.

Claims (12)

1. Spannkopf an einer Werkstoffprüfmaschine, mit einem Grundkörper, der an einer verfahrbaren Spindel angebracht ist, mit einem hydraulischen Spannzylinder, der an der einen Seite des Grundkörpers angebracht ist und eine erste Spannbacke trägt, mit einer verstellbaren Stell­ spindel, die an der anderen Seite des Grundkörpers an­ gebracht ist und eine zweite Spannbacke trägt und vor dem Betätigen des Spannzylinders so verstellbar ist, daß eine durch die erste Spannbacke gegen die zweite Spannbacke gespannte Probe innerhalb des Grundkörpers die Mittenlage oder eine davon abweichende Sollage einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellspindel (13) mit Hilfe eines Motors (17) verstellbar ist, daß der Motor (17) mit einem Mikroprozessor oder Computer verbunden ist, in dem die Abhängigkeit der Mittenlage oder der Sollage der Probe innerhalb des Grundkörpers (2) von der Dicke und Form der Probe und von der Spannbackenform gespeichert ist, daß nach dem Eingeben der Proben- und Spannbackenparameter der Motor die Stellspindel vor dem Betätigen des Spann­ zylinders so verstellt, daß die durch die erste Spann­ backe gegen die zweite Spannbacke gespannte Probe die Mittenlage oder die Sollage einnimmt, und daß die Stell­ spindel von dem Motor (17) über ein mit dem Motor (17) verbundenes Zahnrad (16) und ein mit der Stellspindel (13) verbundenes Hohlzahnrad (15) angetrieben wird.

2. Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (17) ein Schrittmotor ist.

3. Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (17) mit einem Drehwinkelmeßgerät versehen ist.

4. Spannkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellspindel (13) gegenüber dem Grundkörper (2) eine Referenzstellung hat, in der ein Signal abgegeben wird.

5. Spannkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstellung die am weitesten geöffnete ist.

6. Spannkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstellung dadurch festgelegt ist, daß ein Drehwinkelmeßgerät mit Nullposition oder ein Absolut- Drehwinkelmeßgerät vorgesehen ist.

7. Spannkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der Referenzstellung ein kapazitiver Sensor (18) oder ein induktiver Sensor vorgesehen ist.

8. Spannkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Stellung der Stellspindel (13) ein Lichtlineal vorgesehen ist.

9. Spannkopf nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (17) ein beliebig ansteuerbarer Antriebs­ motor ist.

10. Spannkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Steuercontroller (SC) für die Steuerung des Motors (17) vorgesehen ist.

11. Spannkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein übergeordneter Mikroprozessor oder Computer aufgrund der Probenform und Backentype automatisch den Verstellweg berechnet und an den Steuercontroller übergibt.

12. Spannkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Stellung der Stellspindel (13) eine Anzeige vorgesehen ist, insbeson­ dere eine digitale Anzeige.