DE60310349T2

DE60310349T2 - Mechanische Materialprüfung

Info

Publication number: DE60310349T2
Application number: DE60310349T
Authority: DE
Inventors: Paul D. High Wycombe Hayford; David W. Tring Long
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: US20060185440A1; PT1424547E; ES2279068T3; US20040145724A1; EP1739403A1; EP1424547B1; ATE348324T1; DE60310349D1; DK1424547T3; EP1424547A3; US7610815B2; ATE491145T1; DE60335306D1; EP1424547A2; EP1739403B1; US7047819B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Testen von Proben und insbesondere das mechanische Testen von Materialien oder von Komponenten.
Beim Testen von Materialien ist es üblich, Zugversuche von Materialien durchzuführen, indem eine Standardprobe ausgebildet, die Probe mit einem oder mehreren Datenpunkten markiert und auf die Probe eine zunehmende Last ausgeübt wird, wobei die Bewegung des oder der Datenpunkte überwacht wird. Es ist bekannt, zu Zwecken des Überwachens der Bewegung Videokameras zu verwenden, und durch Einsatz eines geeigneten mathematischen Algorithmus kann der Abstand zwischen den Marken bestimmt werden. Diese Technik führt zu einer Vorrichtung, die zuverlässig und kosteneffektiv ist. Es besteht jedoch ein Bedarf an genaueren Meßtechniken, der gegenwärtig nur mit teurem Gerät befriedigt werden kann.
Zwei vorherige Offenbarungen, GB 2205396A und GB 2223319A , sind beide relevant beim Beschreiben der Technologie, die auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung bereits vorliegt. Beide diese Dokumente beschreiben eine Anordnung, bei der die zu testende Probe in einer hinsichtlich Umgebung kontrollierten Testkammer enthalten und durch ein transparentes Fenster betrachtet wird. Da sich die Probe innerhalb der Testkammer befindet, können aufgrund der Notwendigkeit zum Betrachten der Probe durch ein Fenster Probleme existieren, und weiterhin ist die Umgebung zwischen der Kamera und dem Fenster anders als die Umgebung innerhalb der Testkammer.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung der Genauigkeit der existierenden Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Testvorrichtung bereit mit Mitteln zum Halten einer zu testenden Probe, Mitteln zum Verändern der Dehnung in der zu testenden Probe, einer optischen Anordnung zum Überwachen der zu testenden Probe, Mitteln zum Steuern der Umgebung zwischen der optischen Anordnung und den Haltemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Steuern der Umgebung ein Rohrglied umfaßt, dem ein Fluß eines gasförmigen Mediums zugeführt wird und dessen Achse auf die optische Achse der optischen Anordnung ausgerichtet ist und sich zwischen der optischen Anordnung und dem Haltemittel erstreckt.
Die optische Anordnung enthält bevorzugt eine Kamera, und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Bereich zwischen der Kamera und der Probe gleichförmigen Bedingungen unterliegt.
Bevorzugt wird eine Charakteristik der Atmosphäre im Raum zwischen der Kamera und der Probe kontrolliert. Die Charakteristik ist bevorzugt die Dichte der Luft, kann aber zusätzlich oder alternativ die Temperatur, Feuchtigkeit oder eine andere Charakteristik sein, die die Genauigkeit der sich aus der Überwachung ergebenden Signale beeinträchtigt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Kontrolle der Umgebung zwischen der Kamera und der zu testenden Probe durch Induzieren eines gesteuerten Luftstroms in dem Gebiet erreicht. Bevorzugt wird die Luft so verarbeitet, daß ihr Brechungsindex in dem Gebiet konstant ist, was ein Ergebnis davon ist, daß die Luft in der kontrollierten Umgebung eine konstante Dichte aufweist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun eine Ausführungsform davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und
2 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die bevorzugte Ausführungsform wird in Beziehung zu ihrer Verwendung als eine Testvorrichtung für Zugversuche an einer Metallprobe beschrieben, doch versteht sich, daß das Material der Probe nicht signifikant ist und jedes geeignete Material oder jede geeignete Komponente getestet werden kann. Außerdem könnten statt Zugversuchen Druck- oder Scherversuche vorgenommen werden.
Unter Bezugnahme auf 1 umfaßt die Testvorrichtung die Grundkomponenten einer Probenhalterung 10 zum Halten einer Probe 11 des zu testenden Materials, wobei die Probe auf übliche Weise mit Marken versehen ist. Die Probenhalterung ist herkömmlich und ist so ausgelegt, daß sie ermöglicht, daß variierende Lasten auf der zu testenden Probe in einer Weise plaziert werden, die nicht gezeigt ist, die aber in der Technik üblich ist. Die zu testende Probe 11 wird durch eine optische Anordnung in Form einer Kamera 12, die in diesem Fall eine Videokamera ist, überwacht. Videokameras eignen sich wegen ihrer hohen effektiven Verschlußgeschwindigkeit, doch versteht sich, daß gegebenenfalls eine Fotokamera gleich gut verwendet werden könnte. Bevorzugt werden Digitalkameras verwendet.
Das Ausgangssignal von der Kamera wird einem Signalverarbeitungscomputer (14) zugeführt, wo ein Algorithmus verwendet wird, um den Markenabstand zu bestimmen und die Ergebnisse für die zu testende Probe zu erzeugen, die in beliebiger zweckmäßiger Form ausgegeben werden.
Es hat sich herausgestellt, daß die jetzt von der Vorrichtung geforderte Genauigkeit derart ist, daß die Genauigkeit der Messungen durch die Eigenschaften der Umgebung in dem Raum zwischen der Kamera und der zu testenden Probe beeinflußt wurde. Aus diesem Grund steuert die vorliegende Ausführungsform eine oder mehrere Charakteristiken der Umgebung in dem Gebiet zwischen der Kamera und der Probe. Anstatt zu versuchen, die ganze Umgebung zu steuern, die die Kamera und die zu testende Probe enthält, definiert die vorliegende Ausführungsform ein beschränktes Volumen der Gesamtumgebung und trachtet danach, die Charakteristiken dieses beschränkten Volumens streng zu steuern. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird dies hauptsächlich durch Verwendung eines Rohrglieds erreicht, dessen Achse auf die optische Achse der Kamera ausgerichtet ist und sich dazwischen erstreckt. Es hat sich herausgestellt, daß eine wichtige Charakteristik die Dichte der Luft ist, die konstant und gleichförmig gehalten werden sollte, um den Brechungsindex der Luft zu steuern. Am zweckmäßigsten wird dies durch Bereitstellen eines Rohrs 16 erreicht, durch das die Kamera 12 die zu testende Probe 11 betrachtet. Das Rohr 16 wird über ein oder mehrere Gebläse 17 und einen oder mehrere Filter, zum Entfernen von Staub aus der Luft, mit Umgebungsluft versorgt, was dazu führt, daß die Atmosphäre in dem Rohr 16 über die ganze Länge des Rohrs hinweg gleichförmige Charakteristiken aufweist. Zudem definiert das Rohr 16 ein Volumen, das von der Gestalt des Rohrs abhängig ist und offene Enden aufweist, um eine Luftströmung aus einem oder beiden Enden des Rohrs heraus zu gestatten. Die Probe selbst kann sich in einer größeren unkontrollierten Umgebung befinden, wobei das Rohr eine relativ kleinere kontrollierte Umgebung darstellt. Das Gebläse 17 produziert homogen gemischte Luft für das Innere des Rohrs unter einem Druck über atmosphärischem Druck, der ausreicht, um Mischen und Strömen zu fördern. Angesichts der Tatsache, daß Luft aus dem Rohr herausströmt und so den Effekt hat, etwaige Umgebungsluft von der Vorderseite der Kamera und der Probe wegzuführen, ist es nicht erforderlich, die Enden des Rohrs abzudichten.
Der Ort und die Orientierung des Gebläses 17 ist unkritisch. Wie gezeigt lenkt das Gebläse 17 Luft unter einem Winkel in das Rohr 16. Es ist gleichermaßen möglich, daß ein oder mehrere Gebläse an dem Rohr 16 neben der Kamera 12 angebracht sind, um Luft axial entlang der Länge des Rohrs zu blasen. Zudem ist es möglich, irgendeinen anderen Aspekt des Gebläses zu justieren, um die gewünschte Luftströmung innerhalb der kontrollierten Umgebung zu erreichen. Beispielsweise können die Position, der Winkel und/oder die Anzahl der Gebläse justiert werden, um den gewünschten Effekt zu erhalten. Dementsprechend ist die Positionierung des Gebläses nicht auf die in der Figur gezeigte beschränkt.
Gleichermaßen ist die Querschnittsgestalt des Rohrs 16 unkritisch, zum Beispiel kann der Querschnitt oval oder rechteckig sein, wobei die lange Achse parallel zur Längendimension der Probe 11 verläuft. Außerdem braucht das Rohr nicht über seine ganze Länge hinweg einen konstanten Querschnitt aufzuweisen. Es kann von rechteckigem Querschnitt sein, wobei die Fläche des Querschnitts mit dem Abstand von der Kamera 12 zunimmt. Bevorzugt ist die Zunahme linear. Zudem kann die Verjüngung des Rohrs 16 derart sein, daß sie der Strahlaufweitung der Kamera 12 entspricht. Um der Strahlaufweitung der Kamera 12 wie in 1 positioniert zu entsprechen, würde sich das Rohr 16 somit in Richtung der Kamera verjüngen, und somit würde die Fläche des Querschnitts mit dem Abstand von der Kamera zunehmen.
Es hat sich herausgestellt, daß unter Verwendung der obigen Vorrichtung durch Einsatz einer Videokamera mit einem CCD-Array mit etwa 1000 Linien und einem Blickfeld von 100 mm die Genauigkeit der Vorrichtung so verbessert werden kann, daß der Abstand zwischen zwei Datenpunkten (Marken) in einer zu testenden Probe mit einer Präzision genauer als ± 1 μm gemessen werden kann. Selbst wenn beim Versuch zum Verbessern der Genauigkeit eine hochauflösende CCD und Optik verwendet werden, hat sich herausgestellt, daß Rauschen aufgrund von Variationen in den atmosphärischen Bedingungen eine Verzerrung des Lichts derart verursachen, daß der volle Vorzug des Heraufsetzens der Qualität der Kamera und Optik nicht erzielt wird. Eine mögliche Modifikation an der Überwachung der Probe wird nun unter Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben.
Beim Überwachen der Bewegung der markierten Bereiche der Proben ist es wichtig, daß zwischen den markierten Bereichen der Probe und der Hintergrundprobenoberfläche für die Videokamera angemessener Kontrast vorliegt, um genaue klar definierte Grenzen zwischen den Flecken und der umgebenden Oberfläche zu bilden. Die Oberfläche, auf der die Marken aufgebracht werden, ist jedoch oftmals spiegelnd, was den Kontrast zwischen den Marken und der umgebenden Oberfläche im allgemeinen reduziert. Dementsprechend kann die bevorzugte Ausführungsform abgeändert werden, um dieses Problem durch die Verwendung von polarisierenden Filtern anzugehen.
Das Überwachen beinhaltet bevorzugt das Beleuchten der Probenoberfläche mit Licht 20, das in einer ersten Richtung polarisiert worden ist. Das Licht 20 wird bevorzugt von einer Lichtquelle 22 geliefert, deren Ausgabe durch einen ersten polarisierenden Filter 25 mit einer ersten Polarisationsrichtung geschickt wird.
Das auf die Probenoberfläche und den markierten Bereich auftreffende polarisierte Licht wird reflektiert, und normalerweise würde in der ersten Richtung polarisiertes Licht von der Oberfläche reflektiert und von der Videokamera 12 aufgenommen werden. Um jedoch den Kontrast zu erhöhen, enthält die Vorrichtung einen zweiten polarisierenden Filter 27, der vor der Videokamera 12 angeordnet und derart orientiert ist, daß seine Polarisationsrichtung unter 90° zu der des ersten polarisierenden Filters 25 verläuft. Der Effekt davon ist, daß etwaiges, von der Probenoberfläche reflektiertes polarisiertes Licht von dem polarisierenden Filter 27 daran gehindert wird, die Videokamera 12 zu erreichen. Dies bedeutet wiederum, daß nur diffuses reflektiertes Licht von den Marken von der Kamera 12 empfangen wird und die Marken somit der Kamera vor einem schwarzen Hintergrund relativ hell erscheinen. Ein derartiges Bild kann in dem in 2 nicht gezeigten Signalverarbeitungscomputer 14 ohne weiteres verarbeitet werden.
Es sei angemerkt, daß der oben erwähnte polarisierende Effekt separat zu der Testvorrichtung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden könnte und somit nicht auf das Arbeiten mit der vorliegenden Erfindung beschränkt ist.
Es sei angemerkt, daß, weil die optische Anordung nach diffuse reflektiertem Licht sucht, die optische Anordnung, um ordnungsgemaß zu funktionieren, nicht genau auf der optishen Achse von von der Oberfläche 10 reflektiertem Licht plaziert zu sein braucht.
Es versteht sich, daß an der Vorrichtung zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können. Beispielsweise können Gebläse und Filter durch eine Quelle gereinigter Luft wie etwa von einem Druckbehälter ersetzt werden. Dies könnte ein Leitblech von gewisser Art erfordern, um eine konstante, gleidmäßige Strömung sicherzustellen. Es ist auch denkbar, daß eine mit einer entsprechenden Luftströmungskonditionierungsvorrichtung ausgestattete Luftleitung verwendet werden könnte.
Eine weitere Modifikation kann an der Ausrichtung des Gebläses 17 bezüglich des Rohrs 16 in Abhängigkeit von der Konstruktion des Rohrs 16 vorgenommen werden. Wenn beispielsweise ein verjüngtes Rohr verwendet wird, kann der Winkel des Gebläses 17 so eingestellt werden, daß die Luftströmung in verschiedenen Sektionen des Rohrs geändert wird, um die gleichförmigen Charakteristiken der Luft über die ganze Länge des Rohrs hinweg aufrechtzuerhalten und eine entsprechende Verteilung von Luft im Rohr 16 zu erhalten.
Obwohl die obige Beschreibung sichtbares Licht voraussetzt, kann auch Licht anderer Wellenlängen wie Ultraviolett oder Infrarot sowie auch Laserlicht verwendet werden.
Obwohl darauf Bezug genommen wird, daß Marken aufgebracht werden, können inhärent sichtbare Merkmale der Oberfläche statt dessen verwendet werden, oder es kann tatsächlich ein optisches Bild verwendet werden, innerhalb dessen Bildstellen identifiziert und überwacht werden können.

Claims

Testvorrichtung mit Mitteln (10) zum Halten einer zu testenden Probe (11), Mitteln zum Verändern der Dehnung in der Probe, einer optischen Anordnung (12) zum Überwachen der zu testenden Probe, Mitteln zum Steuern der Umgebung zwischen der optischen Anordnung und den Haltemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Steuern der Umgebung ein Rohrglied mit offenem Ende (16) umfaßt, dem ein Fluß eines gasförmigen Mediums zugeführt wird und dessen Achse auf die optische Achse der optischen Anordnung ausgerichtet ist und sich zwischen der optischen Anordnung und dem Haltemittel erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Anordnung eine Kamera zum Betrachten der zu testenden Probe durch das Rohrglied umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein gasförmiges Medium in dem Rohrglied vorliegt und eine Charakteristik des gasförmigen Mediums gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das gasförmige Medium Luft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin mit Mitteln (17) zum Zuführen von Luft konstanter Dichte in das Rohrglied zwischen der Kamera und der zu testenden Probe.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Luftzuführmittel ein oder mehrere Gebläse zum Bereitstellen homogen gemischter Luft umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausgabe der optischen Anordnung verarbeitet wird, um Ergebnisse des Tests zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Mittel (22) zum Beleuchten der zu testenden Probe mit polarisiertem Licht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die optische Anordnung mit einem Filtermittel (25, 27) versehen ist, um zu verhindern, daß polarisiertes Licht von der Kamera empfangen wird.