DE4015178A1 - Vorrichtung zur zugpruefung von werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zugprüfung von Werkstoffproben mit einer Kraft- und Formänderungsmeßvorrichtung, wobei die Enden der Werkstoffproben jeweils mit einem in Achsrichtung der Werkstoffprobe verschiebbaren Antriebselement und mit einem ortsfesten Einspannelement verbunden sind.

Es sind Prüfmaschinen für die Zugbeanspruchung von Werkstoffproben bekannt, die jeweils ein Maschinengestell, Einspannelemente zum Fassen der Werkstoffproben, einen Krafterzeuger sowie eine Kraftmeßeinrichtung und eine Formänderungsmeßeinrichtung enthalten. Die Einspannelemente sind je nach der Form der Werkstoffproben verschieden ausgebildet. Der Krafterzeuger vergrößert bei der Zugprüfung den Abstand zwischen den Einspannelementen, so daß eine von diesen gehaltene Werkstoffprobe gereckt wird. Als Krafterzeuger können Schraubenantriebe oder hydraulische Antriebe verwendet werden. Mit Schrauben können große Kräfte bei geringen axialen Geschwindigkeiten übertragen werden. Eine Schraubspindel oder deren Mutter wird über ein Getriebe an einen Elektromotor angeschlossen. Bekannt ist die Verwendung von Gleichstrom und Kurzschlußläufermotoren für den Antrieb der Getriebe. Die Antriebsgeschwindigkeit muß verstellbar sein. Die Drehzahl eines Gleichstrommotors läßt sich auf relativ einfache Weise ändern. Bei Verwendung eines Kurzschlußläufermotors wird das Getriebe drehzahlverstellbar ausgebildet. Zur Erfassung der Formänderung wird meistens ein Verschiebungsmeßgerät verwendet, mit dem die Bewegung eines Meßpunktes auf der Werkstoffprobe gegen einen festen Bezugspunkt, also die relative Verschiebung, gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß Verschiebungen mit hoher Genauigkeit und weitem Anzeigebereich unabhängig von Drift- und Alterungserscheinungen gemessen werden können und der Antrieb für den Krafterzeuger auf möglichst einfache Weise und mit großer Genauigkeit auf verschiedene Geschwindigkeiten eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die jeweilige Werkstoffprobe eine digital-inkremental arbeitende Wegmeßeinrichtung angekoppelt ist, die mit einem Prozessor verbunden ist, an den über eine Schrittmotorsteuerung Schrittmotore angeschlossen sind, die über mindestens ein Untersetzungsgetriebe mit dem Antriebselement verbunden sind. 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 festgestellt. Die Länge der jeweiligen Werkstoffprobe kann durch Ausgabe des Zahlenwerts auf einem mit dem Prozessor verbundenen Monitor auf einfache Weise angezeigt werden. Die Meßgenauigkeit wird durch Bauelementealterung und Bauelementedrift nicht beeinflußt. Nach der Einstellung der Meßvorrichtung sind keine aufwendigen Nachkalibriermaßnahmen mehr erforderlich. 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 der Antriebsgeschwindigkeit bringt eine wesentliche Reduzierung des Aufwands für die Krafterzeugung mit sich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in einem Maschinengestell mindestens zwei Einspannelemente und zugeordnete Antriebselemente vorgesehen, die über ihre Schrittmotore an die Schrittmotorsteuerung angeschlossen sind, wobei die Schrittmotorsteuerung und mindestens zwei digital-inkremental arbeitende Wegmeßeinrichtungen mit dem einen Prozessor verbunden sind. 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 Zugbeanspruchung über die Verstellbewegungen des Antriebs und die Längenänderungsmessung. Weiterhin ist der Prozessor für die Dokumentation 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. Unterprogramme 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 Aufwandreduzierung bedeutet. Insbesondere können Zugprüfungen mit verschiedenen Einstellwerten zugleich an den verschiedenen Werkstoffproben ausgeführt werden.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine temperaturregelbare Kammer auf, in der die Werkstoffproben angeordnet sind, die mit den außerhalb der Kammer angeordneten Schrittmotoren und Wegmeßeinrichtungen verbunden sind. Diese Vorrichtung erlaubt die Prüfung unter vorgebbaren Temperaturbedingungen. 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 Ansprüchen 4 bis 8 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 Einspannelement 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 Wellen 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 Schrittmotorsteuerung 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 hindurchragen. 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 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 Stichgittern und fotoelektrischen Abtastern mit nachgeschalteten Impulsformerstufen bestehen. Die relative Verschiebung der Gestänge 24, 25 und 41, 42 bei Längenänderungen der Werkstoffproben 1, 2 bewirken Lageänderungen zwischen den Stichgittern, die von den Wegmeßeinrichtungen 28, 29 erfaßt werden. Die Wegmeßeinrichtungen 28, 29 sind mit Eingabeschaltungen eines Prozessors 30 verbunden. Die Schrittmotorsteuerung 23 und die Kraftmeßeinrichtungen 12, 13 sind ebenfalls an Eingabeschaltungen des Prozessors 30 angeschlossen, der weiterhin mit einer Eingabetastatur 31 und einem Monitor 32 verbunden ist.

Im Prozessor 30 sind Prüfungsprogramme für die Zugprüfung der Werkstoffproben 1, 2 gespeichert. Diese Prüfprogramme beinhalten die Ansteuerung 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 einer Tür zugängliche Kammer 33, die Durchlaßöffnungen für die Gewindespindeln 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 eingestellt. 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 Gewindespindeln 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 Regelverfahren zum Aufrechterhalten der Kräfte oder der Formänderung oder der Formänderungsgeschwindigkeit nach einem vorgegebenen Führungsplan aufweisen. Weiterhin hat das Programm einen Bestandteil zum Beenden der Prüfung. Die für die jeweiligen Werkstoffproben 1, 2 geforderten Prüfbedingungen 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 Werkstoffproben 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 (8)

1. . Vorrichtung zur Zugprüfung von Werkstoffproben mit einer Kraft- und Formänderungsmeßvorrichtung, wobei die Enden der Werkstoffproben jeweils mit einem in Achsrichtung der Werkstoffprobe verschiebbaren Antriebselement und mit einem ortsfesten Einspannelement verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die jeweiligen Werkstoffproben (1, 2) eine digital-inkremental arbeitende Wegmeßeinrichtung (28, 29) angekoppelt ist, die mit einem Prozessor (30) verbunden ist, an den über eine Schrittmotorsteuerung (23) Schrittmotore (21, 22) angeschlossen sind, die über mindestens ein Untersetzungsgetriebe (19, 20) mit dem Antriebselement (14, 15) verbunden sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Maschinengestell mindestens zwei Einspannelemente (7, 8) und zugeordnete Antriebselemente (14, 15) vorgesehen sind, die über ihre Schrittmotoren (21, 22) an die Schrittmotorsteuerung (23) angeschlossen sind, und daß die Schrittmotorsteuerung (23) sowie mindestens zwei an die Werkstoffproben (1, 2) angekoppelte Wegmeßeinrichtungen (28, 29) mit dem einen Prozessor (30) verbunden sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturregelbare Kammer (33) vorgesehen ist, in der die Werkstoffproben (1, 2) angeordnet sind, die mit den außerhalb der Kammer (33) angeordneten Schrittmotoren (21, 22) und Wegmeßeinrichtungen (28, 29) verbunden sind.
4. 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, 43) verbunden ist, das mindestens zwei symmetrisch zur Probenlängsachse angeordnete vertikale Stangen (39, 40; 41, 44) aufweist, deren untere Enden über Träger (26, 27) miteinander verbunden sind, und daß zwischen den Trägern (26, 27) die digital arbeitenden Wegmeßeinrichtungen (28, 29) angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Stangen (39, 40) der mit den oberen Enden (4, 5) der Werkstoffproben verbundenen Gestänge (24, 25) jeweils in den vertikalen Stangen (43, 44) der mit den unteren Enden (3, 6) der Werkstoffproben (1, 2) verbundenen Gestänge (41, 42) geführt sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zugstangen (16, 17), die an den Werkstoffproben (1, 2) befestigt sind, und den Untersetzungsgetrieben (19, 20) Federpakete (34) und Kardangelenke (35) angeordnet sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kardangelenken (35) und den Untersetzungsgetrieben (19, 20) jeweils Kraftmeßzellen (12, 13) angeordnet sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Lastmeßzellen zwischen Kardangelenken und Federplatte angeordnet sind.