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Dokumentenidentifikation DE69828551T2 29.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000897109
Titel Maschine zur Prüfung von Werkstoffen
Anmelder Japan Tobacco Inc., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ishii, Yuzo, Kitajima-cho, Aichi, JP;
Takahashi, Nobunari, Kitajima-cho, Aichi, JP;
Kotou, Tatsuyoshi, Yahatahigashi-ku, Fukuoka, JP
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner GbR, 80801 München
DE-Aktenzeichen 69828551
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.08.1998
EP-Aktenzeichen 981150782
EP-Offenlegungsdatum 17.02.1999
EP date of grant 12.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse G01N 3/10
IPC-Nebenklasse G05B 19/19   G05D 15/01   G05D 3/00   G05D 27/02   G05B 13/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfvorrichtung und insbesondere eine elektrohydraulische servo-geregelte Materialprüfvorrichtung.

Stand der Technik

Eine elektrohydraulische servo-geregelte Materialprüfvorrichtung ist bekannt, welche eine Regelung zum Bereitstellen eines elektrischen Eingangssignals über einen Servoverstärker an ein elektrohydraulisches Ventil beinhaltet, welches zwischen einer hydraulischen Versorgungsquelle und einem hydraulischen Aktuator, wie einem hydraulischen Stab, vorgesehen ist, wobei das elektrische Eingangssignal in Übereinstimmung mit einem Soll-Versatz des beweglichen Teils des Aktuators variiert. Typischerweise variiert die Flüssigkeitsabgabemenge der Servoventile ansprechend auf das elektrische Eingangssignal und der bewegliche Teil des hydraulischen Stabs wird mit einer zu der Flussmenge proportionalen Geschwindigkeit verschoben, wodurch eine Last auf ein Prüfstück ausgeübt wird, welches zwischen dem beweglichen Stabteil und einem Hauptkörper der Prüfvorrichtung gehalten wird. Der Ist-Versatz des beweglichen Stabteils wird erfasst und als ein Rückkopplungssignal der Regelungs-Regelungseinrichtung zugeführt. Unter der Regelung der Regelungs-Regelungseinrichtung wird eine Regelung ausgeführt, damit die Ist-Versatz sich einem Soll-Versatz nähert.

In dieser Beschreibung bezeichnet der Ausdruck „Versatz eines Prüfstücks" den Versatz eines Endes des Prüfstückes, welches mit einem beweglichen Teil eines Aktuators verbunden ist, welche durch den Versatz des beweglichen Teils des Aktuators verursacht wird. In einer Materialprüfvorrichtung eines Typs, welcher mit zwei Aktuatoren versehen ist, deren bewegliche Teile zwischen einander ein Prüfstück halten und typischerweise in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden, bezeichnet der Ausdruck „Versatz des Prüfstücks" die Summe der Versätze der gegenüberliegenden Enden des Prüfstücks, welche durch Versatz der zwei beweglichen Teile der Aktuatoren verursacht wird. Das heißt, der Ausdruck „Versatz des Prüfstücks" bezeichnet eine Verformung des Prüfstücks, welche durch den Versatz des/der beweglichen Teile des Aktuators verursacht wird.

Der Ausdruck „Servosystem" bezeichnet ein System, welches hauptsächlich einen Aktuator, einen Servoverstärker und ein Servoventil aufweist. Der Ausdruck „Regelungssystem" bezeichnet ein System, welches hauptsächlich ein Servosystem und eine Regelung zum Regeln des Betriebes des Servosystems aufweist. Der Ausdruck „Regelungsschleife" oder „rückgekoppelte Regelungsschleife" bezeichnet eine Schleife, welche hauptsächlich ein Servosystem, eine Regelungs-Regelungseinrichtung und ein Prüfstück aufweist. Darüber hinaus bezeichnet der Ausdruck „Kraft-Regelungssystem" ein Regelungssystem zum Ausüben einer rückgekoppelten Regelung mit einer Verwendung einer Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück ausgeübt wird, als die Regelgröße (geregelte Variable), wobei der Ausdruck „Versatz-Regelungssystem" ein System zum Ausführen einer Rückkopplungs-Regelung bezeichnet, welche einen Ist-Versatz des Prüfstücks als eine Regelgröße verwendet. Der Ausdruck „Last" bezeichnet eine breit definierte Last, welche eine Kraft beinhaltet, welche auf das Prüfstück angewandt wird, und allgemein als eine Last bezeichnet wird und welche ebenso den Versatz des Prüfstückes beinhaltet. Im Fall, dass die Ist-Last oder den Ist-Versatz als Regelgröße bezeichnet wird, bezeichnet der Ausdruck „Regelungsaufgabenwert" oder „Regelungs-Sollwert" eine Soll-Last.

Um die Regelgröße (die aktuell auf das Prüfstück angewandte Kraft oder die Ist-Versatz des Prüfstückes) in der rückgekoppelten Regelung zu erfassen, welche in der Prüfvorrichtung ausgeführt wird, wird ein Erfassungsverstärker verwendet, welcher hauptsächlich einen hochempfindlichen analogen Verstärker aufweist. Das Erfassungssignal, welches indikativ für die Regelgröße ist und von einem analogen Erfassungssystem bereitgestellt wird, welches einen solchen Erfassungsverstärker aufweist, ist verantwortlich durch externe Störungen, wie elektrisches Rauschen, beeinflusst zu werden, besonders wenn die Regelgröße einen kleinen Betrag hat, d.h. der Pegel des Erfassungssignals gering ist. Dann ist es schwierig, ein ausreichendes Signal zu Rauschverhältnis zu erhalten, was verursacht, dass die Regelungsgenauigkeit verringert wird.

Um ein adäquates Signal-zu-Rauschverhältnis (SN-Verhältnis) sicherzustellen, wird ein Mehrbereichserfassungsverstärker verwendet, welcher mehrere Bereiche, wie einen x1-Bereich, x2-Bereich, x5-Bereich und x10-Bereich aufweist, und welcher eine Bereichswahl ermöglicht, um einen gewünschten Bereich auszuwählen, wobei der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit des Pegels des Erfassungssignals änderbar ist.

Außerdem wird wie in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3-248033 vorgeschlagen, der Pegel des Regelungsaufgabenwertes (Soll-Last) manchmal synchron zu der Bereichswahl angepasst. Darüber hinaus ist die Vorrichtung, welche in dieser Patentveröffentlichung offenbart ist, mit einem Halteschaltkreis versehen, welcher ein Fehlersignal zwischen dem Regelungsaufgabenwert und dem erfassten Wert hält, welcher unmittelbar vor der Bereichswahl erhalten wird, um Unruhe in der Regelung zu beseitigen, welche durch eine Abweichung zwischen der Zeitsteuerung der Bereichswahl und der Pegelanpassung für den Regelungsaufgabenwert verursacht wird. Jedoch wechselt die Regelschleifenverstärkung in der Gesamtheit des rückgekoppelten Regelungssystems aufgrund einer Bereichswahl zum Ändern des Verstärkungsfaktors des Erfassungsverstärkers. Um eine Änderung in der Regelschleifenverstärkung zu kompensieren, welche durch die Bereichswahl verursacht wird, benötigt das rückgekoppelte Regelungssystem, welches eine Regelungs-Regelungseinrichtung aufweist, welche durch einen digitalen Schaltkreis konfiguriert wird, eine Neueinrichtung der Regelkreisverstärkung, wenn die Bereichswahl durchgeführt wurde. Daher muss ein großer Regelungseingriff vorgenommen werden, wenn der Regelungsaufgabenwert synchron mit der Bereichswahl, wie in der zuvor erwähnten Patentveröffentlichung vorgeschlagen, geändert wird. Zusätzlich benötigt die Bereichswahl in dem Erfassungsverstärker, welcher einen analogen Verstärker beinhaltet, im Allgemeinen viel Zeit, im Bereich von mehreren Millisekunden, wobei die Pegelanpassung für den Regelungsaufgabenwert in dem digitalen Regelungssystem schnell innerhalb einer Zeitspanne in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden vorgenommen werden kann. Ein instabiler Betrieb des digitalen Regelungssystems kann aufgrund der großen Abweichung zwischen dem Beendigungszeitpunkt, zu welchem die Pegelanpassung in dem digitalen Regelungssystem beendet wird, und dem Beendigungszeitpunkt der Bereichswahl in dem analogen Erfassungssystem, gefunden werden.

Vor einer Materialprüfung wird es erwünscht, ein Prüfstück stabil an dem Körper einer Prüfvorrichtung zu befestigen. Insbesondere ist es vorzugsweise zu verhindern, dass das Prüfstück einer exzessive Last während dem Befestigungsvorgang ausgesetzt ist und eine unerwünschte Last bei oder nach Beendigung des Befestigungsvorgangs ausgesetzt ist. Jedoch ist es schwierig für den Betreiber, das Prüfstück stabil auf dem Vorrichtungskörper unter ihrer oder seinen visuellen Beobachtungen zu befestigen.

Zu dem zuvor erwähnten Fall, dass das Prüfstück zwischen einem stationären und einem beweglichen Futter des Vorrichtungskörpers befestigt wird, wird ein erster Endabschnitt des Prüfstückes an dem beweglichen Futter des hydraulischen Aktuators der Vorrichtung befestigt und dann wird der hydraulische Aktuator manuell betrieben, um einen zweiten Endabschnitt des Prüfstückes schrittweise zu dem stationären Futter zu bewegen, in einer Weise, dass die Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück ausgeübt wird, in einem Lastmessgerät überwacht wird. Wenn ein geringe Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück ausgeübt wird, erfasst wird, wird dadurch festgelegt, dass das Prüfstück in leichten Kontakt mit dem stationären Futter gebracht wird und dann wird der zweite Endabschnitt des Prüfstückes von dem stationären Futter umfasst. Jedoch variiert die Kraft, welche erzeugt wird, wenn das Prüfstück in Kontakt mit dem stationären Futter gebracht wird, stark in Abhängigkeit von der Steifheit des Prüfstückes und eine exzessive Kraft kann auf das Prüfstück ausgeübt werden, selbst wenn die Versatz des beweglichen Teils des hydraulischen Aktuators einen geringen Betrag hat. Zusätzlich wird bereits auf das Prüfstück, welches an dem Maschinenkörper befestigt ist, eine Kraft zu diesen Zeitpunkt ausgeübt. Daher ist es schwierig, einen anfänglichen Zustand herzustellen, zu welchem das Prüfstück unter keiner Last ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Materialprüfmaschine bereitzustellen, welche in der Lage ist, stabil eine Bereichsauswahl in einem analogen Erfassungssystem zum Detektieren einer Ist-Last durchzuführen, ohne die Notwendigkeit einer Anpassung der Regelkreisverstärkung in einer digitalen Regelung, welche ein Regelungssystem der Prüfmaschine bildet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Materialprüfmaschine zum Messen einer mechanischen Eigenschaften eines Prüfstückes basierend auf einer Last bereitgestellt, welche auf das Prüfstück angewandt wird und einer mechanischen Änderung (z.B. einem Versatz oder Verformung), welche in dem Teststück generiert wird, während einer rückgekoppelten Regelung eines Betriebes eines Servosystems, welches einen hydraulischen Aktuator beinhaltet, welcher die Last auf das Prüfstück ausübt, mittels einer Regelung, so dass eine Ist-Last, welche auf das Prüfstück angewandt wird mit einer Soll-Last übereinstimmt.

Die Materialprüfmaschine beinhaltet:

einen Erfassungsverstärker zum Erfassen einer Last, welche auf das Prüfstück angewandt wird oder einer mechanischen Änderung, welche in dem Prüfstück generiert wird und zum Ausgeben eines analogen Erfassungswertes, wobei der Erfassungsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor betreibbar ist, welcher aus einer Mehrzahl von Verstärkungsfaktoren ausgewählt wird; einer Bereichserfassungseinrichtung zum Schalten des Verstärkungsfaktors des Erfassungsverstärkers; einen Detektionsskalierungsfaktor invariante Einrichtung zum Verarbeiten eines digitalen Erfassungswertes, welcher aus dem analogen Erfassungswert umgewandelt wird, welcher von dem Erfassungsverstärker bereitgestellt wird, in Abhängigkeit des gewählten Verstärkungsfaktors des Erfassungsverstärkers, um dadurch einen Erfassungsskalierungsfaktor im Erfassen einer Steuergröße in der Rückkopplungs-Regelung invariant zu machen; und eine Steuerausgangshalteeinrichtung zum Halten eines Steuerausgangswertes auf einem Wert, welcher kurz bevor der Verstärkungsfaktor geschaltet wird, erfasst wird, während der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers geschaltet wird, wobei der Regelungsausgangswert an das Servosystem von einer digitalen Regelung zugeführt wird, welche eine rückgekoppelte Regelungsaktion in Übereinstimmung mit dem verarbeiteten digitalen Erfassungswert durchführt.

Vorzugsweise beinhaltet die Erfassungsskalierungsfaktorinvariante Einrichtung einen Analog-Digital-Konverter, um den analogen Ausgangswert, welcher von dem Erfassungsverstärker zugeführt wird, in den digitalen Erfassungswert umzuwandeln, und eine digitale Koeffizienteneinrichtung zum Durchführen einer Koeffizientenverarbeitung, in welcher der digitale Erfassungswert, welcher von dem Analog-Digital-Konverter zugeführt wird, in Übereinstimmung mit dem ausgewählten Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers, so dass der Erfassungsskalierungsfaktor invariant wird.

Vorzugsweise beinhaltet die Steuerausgangshalteeinrichtung einen Halteschaltkreis zum Halten eines Ausgangswertes, welcher von der digitalen Koeffizienteneinrichtung bereitgestellt wird, kurz bevor der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers geschaltet wird, bis das Schalten des Verstärkungsfaktors abgeschlossen ist.

Mit dieser Prüfmaschine oder ihren bevorzugten Anordnungen kann der Erfassungsskalierungsfaktor im Erfassen der Regelgröße, welche auf die digitale Regelung einwirkt (z.B. eine einwirkende Kraft oder eine mechanische Änderung, welche in dem Prüfstück generiert wird) unverändert gehalten werden, sogar wenn der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers durch die Bereichswahl geschalten wird. Dies eliminiert die Notwendigkeit eines Anpassens des Steuerausgangswertes, welcher von der digitalen Regelung bereitgestellt wird oder der Regelkreisverstärkung der digitalen Regelung synchron mit der Bereichswahl, wodurch die Konstruktion des Regelungssystems vereinfacht werden kann. Zusätzlich kann ein Regelungsfehler, welcher durch eine Abweichung zwischen dem Zeitpunkt, an welchem die Bereichswahl in dem analogen Erfassungssystem durchgeführt wird und dem Zeitpunkt, an welchem die Pegelanpassung des Steuerausgangswertes in der digitalen Regelung durchgeführt wird, absorbiert werden, wodurch die Bereichswahl stabil durchgeführt werden kann und der Betrieb des digitalen Regelungssystems stabilisiert wird. Dies macht es einfach, die Prüfmaschine handzuhaben und verbessert die Prüfeffizienz.

Vorzugsweise beinhaltet die Materialprüfmaschine weiter:

einen Maschinenkörper, welcher eine Prüfstückhalterung aufweist, welche mit einem beweglichen Teil des Aktuators verbunden ist; ein Versatz-Regelungssystem, welches eine Regelung zum rückgekoppelten Steuern des Betriebes des Serversystems beinhaltet, um einen Ist-Versatz des beweglichen Teils des Aktuators mit einem Soll-Versatz in Übereinstimmung zu bringen; einen Kraftdetektor zum Erfassen einer Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück angewandt wird, wenn der bewegliche Teil des Aktuators versetzt wird; und

eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren des Soll-Versatzes des beweglichen Teils des Aktuators in Übereinstimmung mit der Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück angewandt wird, so dass die Ist-Kraft nicht eine vorbestimmte Kraft überschreitet, wenn das Prüfstück auf dem Maschinenkörper befestigt ist, während die Rückkopplungs-Regelung durch das Versatz-Regelungssystem ausgeführt wird.

Mit dieser bevorzugten Anordnung wird während des Haltens des Prüfstückes an dem Maschinenkörper, während der Versatz des beweglichen Teils des Aktuators durch eine Einrichtung des Versatz-Regelungssystems geregelt wird, der Soll-Versatz an sich des beweglichen Teils des Aktuators korrigiert, so dass die Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück angewandt wird, nicht eine vorbestimmte Kraft übersteigt. Dies macht es möglich, die Versatzposition des beweglichen Teils des Aktuators genau zu spezifizieren, ohne eine abrupte Änderung des Soll-Versatzes zu verursachen, wodurch das Prüfstück an den Prüfmaschinenkörper in einer stabilen Weise befestigt werden kann. Somit kann die Prüfstückbefestigungstätigkeit einfacher und effizienter werden.

Vorzugsweise korrigiert die Korrektureinrichtung den Soll-Versatz so, um ihn zu verringern, wenn die Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück angewandt wird und durch den Kraftdetektor erfasst wird, eine Erfassungsauflösung des Kraftdetektors überschreitet.

Mit dieser bevorzugten Anordnung wird eine geringe Ist-Kraft erfasst, während das Prüfstück an dem Maschinenkörper befestigt ist, der Soll-Versatz wird so korrigiert, dass er verringert wird, und dadurch kann die Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück angewandt wird, im Wesentlichen auf Null reduziert werden. Dies macht es möglich, das Prüfstück an dem Maschinenkörper unter eine Null-Last-Bedingung zu befestigen.

Diese und andere Eigenschaften und Vorteile werden aus der detaillierten Beschreibung der bestimmten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, welche als nicht-exklusive Beispiele in den beigefügten Zeichnungen illustriert sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Ansicht, welche die grundlegende Konstruktion einer Materialprüfmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 ist ein Blockdiagramm, welches eine Regelungsschleife in der Prüfmaschine aus 1 darstellt;

3 ist ein Blockdiagramm, welches eine Bereichswahlfunktion des Regelungssystems der Materialprüfmaschine darstellt;

4 ist ein Ablaufdiagramm, welches einen Betrieb einer digitalen Koeffizienteneinrichtung und einer Halteschaltung aus 3 darstellt.

5 ist ein Blockdiagramm, welches eine automatische Prüfstückhaltefunktion des Regelungssystems der Materialprüfmaschine darstellt;

6 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Korrektur eines Soll-Versatzes und einer Kraft darstellt, welche auf das Prüfstück während einer automatischen Prüfstück-Befestigung angewandt wird; und

7 ist ein Flussdiagramm einer Prüfstückbefestigungsroutine.

Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen wird eine elektrohydraulische servo-geregelte Materialprüfmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.

Wie in 1 dargestellt, ist die Prüfmaschine so konfiguriert, dass eine unter Druck stehende Flüssigkeit (Flüssigkeitsdruck) von einer hydraulischen Quelle 4 an einen Aktuator 3, welcher einen hydraulischen Stab aufweist, durch ein Servoventil 5 weitergeleitet wird, um einen beweglichen Stab 3b des Aktuators 3 zu betreiben, wodurch eine Last auf ein Prüfstück S bereitgestellt wird, welches zwischen einem stationären Futter 2a gehalten wird, welches auf der Seite eines Rahmens eines Maschinenkörpers und eines beweglichen Futters 3a bereitgestellt wird, welches auf der Aktuatorseite vorgesehen ist. In Abhängigkeit des Typs der Materialprüfung kann das stationäre Futter 2a entfernt werden und ein Stempel kann anstelle des beweglichen Futters 3a bereitgestellt werden, um das Prüfstück S zwischen dem Stempel 3a und einer Lastzelle 1 zu befestigen.

Eine Ist-Kraft, welche auf das Prüfstück S von dem beweglichen Stab 3b angewandt ist, wird durch die Lastzelle 1 erfasst, ein Versatz des Prüfstückes S wird durch eine Versatzmesslehre erfasst und eine Verwindung des Prüfstückes S wird durch eine Verwindungsmesslehre 7 erfasst, welche an das Prüfstück angebracht ist. Eine Regelung 8c des Regelungsabschnittes 8, welche einen Mikrocomputer oder ähnliches beinhaltet, gibt die erfasste Kraft, den Versatz und die Verkrümmung ein und steuert den Betrieb des Servoventils 5 über einen Servoverstärker 9 in einer rückgekoppelten Weise, unter Verwendung einer Regelkreisverstärkung, welche durch einen Regelkreisverstärkungs-Setzen den Abschnitt 8e eingestellt wird, um einen Fehler zwischen der Kraft, welche durch die Lastzelle 1 erfasst wird, und einer Soll-Kraft, welche von einem Signalgenerator 8d des Regelungsabschnittes 8 gegeben wird, auf Null zu reduzieren. Der hydraulische Aktuator 3 ist durch das Servorückkopplungs-Regelungssystem servo-geregelt, um eine Kraft anzupassen (allgemeiner eine Last), welche auf das Prüfstück S angewandt wird.

Das elektrohydraulische Servo-Regelungssystem wird durch eine Rückkopplungssteuerschleife repräsentiert wie in 2 dargestellt. Spezifischer weist das Regelungssystem eine Fehlereinheit 8b zum Bestimmen eines Fehlers &Dgr; zwischen einem Steuer-Sollwert (z.B. Soll-Last oder Soll-Versatz) und einer Ausgabe eines Erfassungsverstärkers 8a, welche eine Änderung angibt(eine Ist-Kraft oder einen Ist-Versatz), welche in dem Prüfstück S generiert wird und beinhaltet eine Regelung 8c zum Regeln des Betriebs des Servoventils 5 mittels eines Servoverstärkers 9 in Übereinstimmung mit dem Fehler, welche durch die Fehlereinheit 8b erfasst wird. Somit steuert das Regelungssystem den Betrieb des Servoventils 5, um den Fehler &Dgr; auf Null zu reduzieren, wodurch hydraulisch der Aktuator 3 angetrieben wird, um die Last, welche auf das Prüfstück S einwirkt, anzupassen.

Ein erstes Merkmal der Prüfmaschine besteht darin, dass wie in 3 gezeigt, die Prüfmaschine ein analoges Erfassungssystem, welches hauptsächlich einen Erfassungsverstärker 8a enthält, und ein digitales Regelungssystem aufweist, welches hauptsächlich die digitale Regelung 8c enthält. Das digitale Regelungssystem ist eingerichtet, um eine digitale Rückkopplungs-Regelung durchzuführen, in welcher der Betrieb des Servosystems 11 digital in Übereinstimmung mit dem Erfassungswert geregelt wird, welche durch den Erfassungsverstärker 8a erfasst wird und indikativ für die Kraft ist, welche auf das Prüfstück S angewandt wird, oder indikativ für den Versatz, welche in dem Prüfstück generiert wird. Weiter ist das digitale Regelungssystem konfiguriert, um den Erfassungswert einer Kraft oder eines Versatzes an eine Analog-Digital-Umwandlung zu übertragen, und liest den resultierenden digitalen Erfassungswert aus und berechnet digital die Regelungsausgabe für das Servosystem 11 unter Verwendung einer vorbestimmten Regelkreisverstärkung in Übereinstimmung mit dem Fehler &Dgr; zwischen dem digitalen Erfassungswert und dem Regelungs-Sollwert, welcher durch den Signalgenerator 8d vorgegeben wird. Das digitale Regelungssystem dient als PI- oder PID-Regelungssystem.

Der Erfassungsverstärker 8a ist mit einem beliebigen der z.B. vier Verstärkungsfaktoren, wie x1, x2, x5 und x10, betreibbar.

Das digitale Regelungssystem beinhaltet einen Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt zum Auswählen und Einstellen des Verstärkungsfaktors des Erfassungsverstärkers 8a, einen AD-Wandler 213, um den Erfassungswert, welcher von dem Erfassungsverstärker 8a zugeführt wird und welcher die Kraft oder den Versatz betrifft, einer Analog-Digital-Umwandlung zu unterwerfen, um dadurch einen digitalen Erfassungswert zu erhalten, eine digitale Koeffizienteneinheit 214 zum Koeffizientenverarbeiten des digitalen Erfassungswertes in Übereinstimmung mit dem Bereich (Verstärkungsfaktor), welcher in dem Erfassungsverstärker 8a eingestellt ist, und einen Halteschaltkreis 215 zum Halten des Koeffizienten-verarbeitenden digitalen Erfassungswertes. Die Fehlereinheit 8b bestimmt den Fehler zwischen dem Koeffizienten-verarbeitenden digitalen Erfassungswert, welcher von dem Halteschaltkreis 215 zugeführt wird, und dem Regelungs-Sollwert, welcher durch den Signalgenerator 8d erzeugt wird. Die digitale Regelung 8c steuert den Betrieb des Servosystems 11 in Übereinstimmung mit dem Fehler und unter Verwendung einer vorbestimmten Regelkreisverstärkung. Die Betriebsarten der digitalen Koeffizienteneinheit 214 und des Halteschaltkreises 215 werden durch den Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 geregelt.

Nachfolgend werden charakteristische Funktionen und Betriebsarten des Regelungssystems, welches wie oben aufgebaut ist, erläutert.

Der Erfassungsverstärker 8a, welcher einen hochsensitiven analogen Verstärker beinhaltet, ist so eingerichtet, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8a selektiv unter der Regelung des Bereichsauswahl-Regelungsabschnittes 212 eingestellt wird. Die Bereichswahl des Erfassungsverstärkers 8a wird auf Hardwarebasis ausgeführt, z.B. durch Ändern einer Schaltkreiskonstante des Verstärkers. Eine Zeitspanne in der Größenordnung von mehreren zehn Millisekunden wird benötigt, um die Schaltkreiskonstante zu ändern.

Im Gegensatz dazu werden vielfältige funktionale Abschnitte des Regelungsabschnittes 8, wie der AD-Wandler 213 und die digitale Koeffizienteneinheit 214 eingerichtet, um die operative Verarbeitung in Intervallen des Regelungszyklusses, z.B. 100 Mikrosekunden, auszuführen. Weiter wird der verwendete Koeffizient in der Koeffizientenverarbeitung in der digitalen Koeffizienteneinheit 214 ebenso geschaltet und während des Regelungszyklusses eingestellt. Unter der Regelung des Bereichsauswahl-Regelungsabschnittes 212 und synchron mit der Bereichswahl in dem Erfassungsverstärker 8a wird der Koeffizient in der digitalen Koeffizienteneinheit 214 geschaltet, um einen Wert zu haben, welcher invers proportional zu dem Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a ist, wodurch das Produkt des Verstärkungsfaktors in dem Erfassungsverstärker 8a und des Koeffizientenwertes in der digitalen Koeffizienteneinheit 214, d.h. der Erfassungsskalierungsfaktor im Erfassen der Kraft, welche auf das Prüfstück S angewandt wird oder des Versatzes des Prüfstückes, wird unverändert beibehalten wird. Zum Beispiel, falls der Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a auf x10 gesetzt ist, wird der Koeffizientenwert in der digitalen Koeffizienteneinheit 214 auf einen Wert geändert, welcher ein Zehntel des normalen Koeffizientenwertes ist, welcher verwendet wird, wenn der Verstärkungsfaktor auf x1 eingestellt ist, wodurch der Ausgabewert des AD-Wandlers 213 in ein Zehntel umgewandelt wird, wodurch der Erfassungsskalierungsfaktor unverändert beibehalten wird.

Im Speziellen wird, falls die Kraft, welche durch die Lastzelle 1 erfasst wird, in der Größenordnung eines Zehntels der Maximalkraft ist, der Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a auf z.B. x10 gesetzt, um die Kraft hochsensitiv mit einem geeigneten Signal-zu-Rauschverhältnis (nachfolgend als SN-Verhältnis bezeichnet), zu erfassen. In diesem Fall ist der Pegel des Signals, welcher indikativ für die Regelgröße ist und dem Erfassungsverstärker 8a zugeführt wird, zehnmal größer als ein normaler Signalpegel. Die digitale Koeffizienteneinheit 214 führt das Koeffizientenverarbeiten mit Bezug auf den digitalen Erfassungswert aus, welcher durch den AD-Wandler 213 erhalten wird, in welchem das Ausgangssignal des Erfassungsverstärker 8a einer Analog-Digital-Wandlung unterworfen wird, unter Verwendung eines Koeffizientenwertes, welcher invers proportional zu dem Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers 8a ist, wodurch eine Funktion zum Wiedergewinnen des Pegels der Steuergröße, welche der Fehlereinheit 8b zugeführt wird, auf einen normalen Pegel erhalten wird.

Der Erfassungsskalierungsfaktor wird durch das Koeffizientenverarbeiten konstant gehalten, welches synchron mit der Bereichswahl des Erfassungsverstärkers 8a durchgeführt wird, so dass eine Rauschkomponente, wie ein elektrisches Leistungsrauschen, welches das analoge Erfassungssystem beeinflusst, reduziert wird, wodurch das SN-Verhältnis verbessert wird. Als Konsequenz wird eine fehlerhafte Aktion in dem Regelungssystem, welche einem Rauschen zuzuordnen ist, verhindert, und der Betrieb des Regelungssystem stabilisiert. Somit wird, falls der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers 8a erhöht wird, die Kraft oder der Versatz mit einer höheren Empfindlichkeit erfasst, wobei der Pegel der Rauschkomponente, welche das Erfassungssystem beeinflusst, konstant gehalten wird. In Konsequenz kann das Verhältnis des Pegels der Rauschkomponente zu dem Pegel des Erfassungssignals verringert werden.

Der Betriebsmoduswechsel in dem digitalen Regelungssystem aufgrund einer Bereichswahl in dem Erfassungsverstärker 8a wird zu einem Zeitpunkt ausgeführt, welcher durch den Regelungszyklus festgelegt wird und mit einer hohen Geschwindigkeit. Aus diesem Grund wird, falls die Bereichswahl während der Rückkopplungs-Regelung für das Servosystem 11 angewiesen wird, wird eine Abweichung zwischen dem Moduswechselzeitpunkt in dem digitalen Regelungssystem und dem Bereichswahlzeitpunkt in dem Erfassungsverstärker 8a unvermeidlich auftreten. Diesbezüglich veranlasst der Bereichswahh-Regelungsabschnitt den Halteschaltkreis 215 in der Weise zu arbeiten, dass die Regelungsausgabe, welche von der digitalen Regelung 8c an das Servosystem 11 zugeführt wird, konstant gehalten wird, bis die Bereichswahl in dem Erfassungsverstärker 8a abgeschlossen ist.

Spezifischer, wenn Bereichswahl-Instruktionssignal automatisch von dem Regelungsprogramm bereitgestellt wird oder manuell durch einen Betreiber bereitgestellt wird, gibt der Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 Bereichsauswahl-Instruktionen an den Erfassungsverstärker 8a und die digitale Koeffizienteneinheit 214 und zu der selben Zeit Instruktionen an den Halteschaltkreis 215, um die Ausgabe der digitalen Koeffizienteneinheit 214 für eine bestimmte Zeitspanne zu halten. Bis diese Zeitspanne vorbei ist, ab dem Zeitpunkt zu welchem Bereichsauswahl-Instruktionen gegeben werden, wird der Erfassungswert, welcher kurz bevor die Bereichsauswahl angewiesen wurde, an die Fehlereinheit 8b zugeführt. Während oder nachdem die Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a abgeschlossen ist, wird der Erfassungswert akkurat durch die digitale Koeffizienteneinheit 214 bestimmt, in welcher der Moduswechsel oder Koeffizientenwertwechsel bereits abgeschlossen war. Somit gibt nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne, ab wann die Bereichsauswahl angewiesen wurde, der Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 Instruktionen an den Halteschaltkreis 215, um die Aktion des Haltens des digitalen Erfassungswertes zu lösen, so dass die Ausgabe der digitalen Koeffizienteneinheit 214 an die Fehlereinheit 8b zugeführt wird.

Während der Regelungsaktion des Regelungssystems, welches wie oben beschrieben konstruiert ist, falls das Bereichsauswahlinstruktionssignal RS zum Anweisen des Schaltens eines Verstärkungsfaktors, z.B. von x1 nach x10, an den Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 gegeben wird, wie in 4 dargestellt, veranlasst die Koeffizienteneinheit 214 unter der Regelung des Regelungsabschnitts 212 den Koeffizienten rasch zu wechseln, z.B. von einem Wert von 1 auf einen Wert von 0,1, synchron mit einem Takt CP, welcher den Regelungszyklus festlegt, bis der nächste Takt geniert wird, wie durch das Symbol RA in 4a dargestellt ist. Im Gegensatz dazu wird die Bereichswahl in dem Erfassungsverstärker 8a, um den Verstärkungsfaktor z.B. von x1 nach x10 zu verändern, mit einer Verzögerung von mehreren zehn Millisekunden bezogen auf das Bereichsauswahl-Instruktionssignal RS abgeschlossen, wie durch das Symbol RB in 4 dargestellt.

Der Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 gibt ein Haltesignal aus, wie durch das Symbol RH in 4a dargestellt, zu einem Zeitpunkt, welcher unter Berücksichtigung der benötigten Zeitspanne für den Erfassungsverstärker 8a die Bereichsauswahl durchzuführen bestimmt wird, wodurch der Halteschaltkreis 215 zum Betrieb veranlasst wird. Als ein Ergebnis wird bis die Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a abgeschlossen ist, der digitale Erfassungswert E1 kurz vor der Bereichsauswahl in dem Halteschaltkreis 215 gehalten, so dass die Fehlereinheit 8b mit einem konstanten digitalen Erfassungswert C2 versorgt wird. Spezifischer arbeitet der Halteschaltkreis 215, um die Ausgabe der digitalen Koeffizienteneinheit 214 zu halten, welche kurz bevor der Koeffizientenwert in der Einheit 214 geschaltet wird, erfasst wird und leitet diesen an die Fehlereinheit 8b weiter. Nach Beendigung der Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a wird ein Erfassungswert C3, welcher mit einem neuen Erfassungsbereich bestimmt wird, der Fehlereinheit 8b zugeführt.

In der Zwischenzeit wird, bis die Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a abgeschlossen ist, die digitale Koeffizienteneinheit 214 die Ausgabe des AD-Wandlers 213 der Koeffizientenverarbeitung unterwerfen, wobei angenommen wird, dass die Bereichsauswahl bereits beendet ist. In Konsequenz weicht die Ausgabe der digitalen Koeffizienteneinheit 214 stark von dem Originalpegel des Erfassungswertes ab, wie durch das Symbol RD in 4 dargestellt. Falls der Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a auf einen Wert von x10 gesetzt wird, führt die digitale Koeffizienteneinheit 214 das Koeffizientenverarbeiten aus, um die Ausgabe des AD-Wandlers 213 um einen Faktor 10 zu verringern, im Versuch den Erfassungsskalierungsfaktor konstant zu halten. Tatsächlich wird jedoch der Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a noch nicht auf x10 geschaltet ist und der Erfassungswert, welcher der Koeffizientenverarbeitung unterworfen wird, ist auf einem Pegel, welcher ein Zehntel des vorgesehenen Pegels des Erfassungswertes ist, wie in 4 durch das Symbol RD dargestellt ist. Um zu verhindern, dass das Signal RD, welches im Erfassungspegel stark von dem vorgesehenen Pegel abweicht, der Fehlereinheit 8b zugeführt wird, veranlasst der Bereichsauswahl-Regelungsabschnitt 212 den Betrieb des Halteschaltkreises 215. Durch Halten des Erfassungswertes, welcher von der digitalen Koeffizienteneinheit 214 kurz vor der Bereichsauswahl zugeführt wird, wird die digitale Koeffizienteneinheit 214 daran gehindert, einen unerwünschten Erfassungswert an die Fehlereinheit 8b auszugeben.

Nach Beendigung der Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a entspricht der Erfassungswert, welcher von dem Erfassungsverstärker 8a zugeführt wird, dem Verstärkungsfaktor, wie durch das Symbol RE in 4 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt unterwirft die digitale Koeffizienteneinheit 214 den Erfassungswert RE der Koeffizientenverarbeitung, in welcher der Koeffizientenwert 0,1, geeignet für den neuen Verstärkungsfaktor, d.h. x10, in dem Erfassungsverstärker 8a verwendet wird. Während oder nach Erlöschen des Haltesignals RH erlaubt der Halteschaltkreis 215 dem Erfassungswert C3, welcher durch die Koeffizientenverarbeitung in der digitalen Koeffizienteneinheit 214 erhalten wird, dort hindurch zu laufen, so dass der Erfassungswert C3 der Fehlereinheit 8b zugeführt wird.

Gemäß der Prüfmaschine dieser Ausführungsform, welche die Funktion hat, den Erfassungswert kurz bevor die Bereichswahl angewiesen wird, zu halten, bis die Bereichswahl in der Erfassung abgeschlossen ist, um dadurch den Pegel des Steuerausgangswertes, welcher dem Servosystem 11 zugeführt wird, konstant zu halten, kann die Kontinuität des Erfassungswertes, welcher z.B. an die Fehlereinheit 8b zugeführt wird, aufrecht erhalten, sogar falls der Bereich oder der Verstärkungsfaktor in dem Erfassungsverstärker 8a, wie in Abhängigkeit des Prüfzustandes, während der Materialprüfung benötigt geschalten wird, während das Servosystem 11 betrieben wird. Dies macht es möglich, die Regelgröße zu erfassen, d.h. die Kraft, welche auf das Prüfstück oder den in dem Prüfstück generierten Versatz in einem Erfassungsbereich zu bestimmen, welcher es ermöglicht, den Verstärkungsfaktor geeignet für die Regelgröße oder den Steuer-Sollwert mit einem adäquaten SN-Verhältnis bereitzustellen, wodurch eine stabile Rückkopplungs-Regelung mit einer hohen Genauigkeit erreicht werden kann.

Mit der vorgenannten Anordnung wird der für den Verstärkungsfaktor oder Erfassungsbereich in dem Erfassungsverstärker 8a geeignete Koeffizient in der digitalen Koeffizienteneinheit 214 eingestellt, so dass der Skalierungsfaktor in der Detektion des Detektionswertes, welcher der Fehlereinheit 8b zugeführt wird, konstant gehalten wird. Somit wird es unnötig, den Pegel des Regelungs-Sollwertes anzupassen, welcher von dem Signalgenerator 8d an die Fehlereinheit 8b zugeführt wird. Da die Verstärkung in dem Signalerfassungssystem konstant gehalten wird, ist es unnötig, die Regelkreisverstärkung in der digitalen Regelung 8c anzupassen. In Konsequenz kann der Erfassungsbereich (Verstärkungsfaktor) in dem Erfassungssystem einfach geschalten werden.

Da weiter der Erfassungsbereich in dem Erfassungssystem wie benötigt, geschaltet werden kann, während der Betrieb des Servosystems 11 geregelt wird, ist es möglich, einen unstabilen Betrieb des Regelungssystems während der Bereichsauswahl, zu vermeiden. Dies macht es möglich, das Schalten des Auswahlbereiches in einer angepassten Weise in Übereinstimmung mit dem Materialprüfzustand durchzuführen, wodurch die Prüfmaschine einfach gehandhabt werden kann und die Prüfeffizienz verbessert wird.

Eine zweite Eigenschaft der Materialprüfmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, dass der Regelungsabschnitt 8 der Prüfmaschine während der Befestigung des Stückes S an dem Maschinenkörper durch das Versatz-Regelungssystem eingerichtet wird, welches rückgekoppelt den Betrieb des Servosystems 11 in Übereinstimmung mit dem Versatz des Aktuators 3 (Prüfstück S) steuert, und darin, dass es eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren des Soll-Versatzes beinhaltet, welche auf das Versatz-Regelungssystem wirkt in Übereinstimmung mit der Kraft, welche auf das Prüfstück S durch den Aktuator 3 unter der Regelung des Versatzsteuersystems angelegt wird. Während dessen wird die Prüfmaschine mit einem zwischen der Lastzelle 1 und dem Stempel 3a befestigten Prüfstück S eingerichtet, welcher mit dem beweglichen Stab 3b des Aktuators 3 verbunden ist.

Wie in 5 dargestellt, beinhaltet das Versatz-Regelungssystem der Prüfmaschine eine Versatzerfassungseinrichtung (Erfassungsverstärker 8a) zum Erfassen des Ist-Versatzes (Steuergröße) des Aktuators 3, welcher die Betriebsgröße des Servosystems 11 ist, an dem Ausgang der Versatzmesslehre 6; eine Fehlereinheit 8b zum Bestimmen des Fehlers &Dgr;e11 zwischen dem Ist-Versatz H und dem Soll-Versatz R11, welcher manuell durch den Betreiber mittels einer Sollwert-Einstelleinrichtung 13 eingestellt wird, welche einen Tastaturmanipulationsabschnitt (nicht dargestellt) oder ähnliches beinhaltet; und eine Regelung 8c zum rückgekoppelten Steuern des Betriebs des Servosystems 11, um den Fehler &Dgr;e11 auf Null zu reduzieren.

Die Korrektureinrichtung der Maschine beinhaltet eine Krafterfassungseinrichtung (Erfassungsverstärker 8a) zum permanenten Erfassen der Kraft K, welche durch den Aktuator 3 auf das Prüfstück S angewandt wird, durch den Ausgang der Lastzelle 1; eine Kraftbestimmungseinrichtung 117 zum Bestimmen der Größe der bestimmten Kraft; und eine Sollwert-Korrektureinrichtung 118 zum Korrigieren des Soll-Versatzes RH in Übereinstimmung mit der bestimmten Kraft. Die Korrektur des Soll-Versatzes, welche auf der erfassten Kraft basiert, wird immer in Intervallen des Steuerzyklusses durchgeführt, unabhängig davon, ob die Versatz-Regelung des Aktuators 3 mittels des Versatz-Regelungssystems stabilisiert ist, in anderen Worten, unabhängig davon, ob der Aktuator 3 in die Versatzposition versetzt ist oder nicht versetzt ist, welche durch den Soll-Versatz angegeben ist.

Zum Beispiel bestimmt die Kraftbestimmungseinrichtung 117, ob die Kraft, welche auf das Prüfstück S angewandt wird, und durch die Lastzelle 1 erfasst wird, eine Kraft ist, welche gleich oder größer als 0,2 Prozent der Gesamtskala der Erfassung der Lastzelle oder eine so kleine Kraft ist, welche geringer als 0,2 Prozent der gesamten Erfassungsskala ist. Wie in 6 gezeigt, fällt die Kraft mit weniger als 0,2 Prozent der gesamten Skala innerhalb eines toten Bereichs des Erfassungssystems, welches die Lastzelle 1 beinhaltet und dadurch im Wesentlichen als Null betrachtet wird.

Die Soll-wertkorrigierende Einrichtung 118 korrigiert den Soll-Versatz RH basierend auf dem Ergebnis einer Kraftbestimmung in einer solchen Weise, dass die Kraft, welche auf das Prüfstück durch den Aktuator 3 des Servosystems 11 ausgeübt wird, durch das Versatz-Regelungssystem auf Null geregelt wird, d.h. die Kraft K, welche auf das Prüfstück S angewandt wird, wird geringer als 0,2 Prozent der Gesamtskala der Erfassung.

Falls eine erfasste Kraft K 0,2 Prozent der Gesamtskala überschreitet, wird die erfasste Kraft K zu diesem Zeitpunkt mit einer vorbestimmten Konstante &agr; multipliziert, z.B., um eine äquivalente Transformation der Kraftkomponente in eine äquivalente Komponente in dem Versatz-Regelungssystem zu erreichen, wodurch der umgewandelte Wert (Spannungswert) &agr;·K als Korrekturwert erhalten wird. Dieser Korrekturwert &agr;·K wird von der Steuergröße (Spannungswert äquivalent zu dem Versatz) H subtrahiert, welcher zurück an das Versatz-Regelungssystem zu diesem Zeitpunkt zurückgeführt wird, und der resultierende Wert als neuer Sollwert R11 eingestellt wird, wodurch der Soll-Versatz R11 korrigiert wird. Die Konstante &agr; korrespondiert zu dem Verhältnis zwischen der Regelkreisverstärkung des Kraft-Regelungssystems und der des Versatz-Regelungssystems, und wird vorab in Übereinstimmung mit der elastischen Konstante des Prüfstückes S und ähnlichem bestimmt.

In Übereinstimmung mit der Anordnung, wo der Soll-Versatz, welcher dem Versatz-Regelungssystem zugeführt wird, wird in Übereinstimmung mit der Kraft korrigiert, welche auf das Prüfstück S während des Befestigens des Prüfstückes S an dem Prüfmaschinenkörper angewandt wird, damit die Kraft, welche auf das Prüfstück S angewandt wird, auf Null reduziert wird, d.h. um die angewandte Kraft auf 0,2 Prozent der Gesamtskala der Erfassung der Lastzelle 1 zu reduzieren, kann der Versatz des Aktuators 3 des Servosystems 11 geeignet geregelt werden, wodurch die Kraft, welche auf das Prüfstück S während des Befestigens des Prüfstücks an dem Maschinenkörper angewandt wird, auf Null reduziert werden kann. Insbesondere wird der Betrieb des Servosystems 11 geregelt, um die Versatzposition des Aktuators 3 mit hoher Genauigkeit festzulegen, während der Soll-Versatz in Abhängigkeit mit der auf das Prüfstück angewandten Kraft korrigiert wird, ohne eine abrupte Änderung in dem Soll-Versatz zu verursachen. Dies macht es möglich, eine stabile Befestigung des Prüfstücks S an dem Maschinenkörper in einen Null-Lastzustand zu befestigen, ohne eine exzessive Last auf den Prüfkörper S anzuwenden. Dadurch wird die Befestigungsarbeit des Prüfstücks S einfach und die Befestigungseffizienz kann stark erhöht werden.

7 zeigt eine Prüfstückbefestigungs-Regelungsroutine, welche durch die Regelung 8c während der Befestigung des Prüfstückes an dem Maschinenkörper ausgeführt wird.

Die Prüfstückbefestigungs-Regelungsroutine wird gestartet, nachdem der bewegliche Stab 3b des Aktuators 3 anfänglich auf eine vorbestimmte Referenzposition eingestellt wird und dann das Prüfstück S auf dem Stempel 3a (allgemeiner ein bewegliches Futter) des beweglichen Stabs 3b des Aktuators 3 platziert wird. Unter dieser Teststück-Platzierungsbedingung ist das Prüfstück S in natürlicher Weise in einem Zustand, wo es beabstandet von der Lastzelle 1 (im Allgemeinen ein stationäres Futter 2a) angeordnet ist. Deshalb wird die durch die Lastzelle 1 erfasste Kraft auf Null zurückgesetzt (Schritt S201), um dadurch Beeinflussungen von externen Faktoren auf die Lastzelle 1 zu beseitigen. Danach wird der Prüfstück-Spannungsmodus gestartet.

Nachfolgend wird die anfängliche Einstellung einer Größe einer Soll-Bewegung, welche als Soll-Versatz RH dient, des Aktuators 3 automatisch basierend auf einem Steuerprogramm oder manuell durch den Betreiber mittels des Tastaturmanipulationsabschnittes 113 durchgeführt (Schritt S202). Darauf wird das Versatz-Regelungssystem betätigt, wodurch das Servosystem 11 rückgekoppelt geregelt wird, unter Verwendung des Ist-Versatzes des Aktuators 3 als Steuergröße, um zu veranlassen, dass der Aktuator 3 in die Soll-Bewegungsposition versetzt wird (Schritt S203).

Während der Versatz-Regelung wird eine Anfrage für eine Modusänderung überwacht (Schritt S204). Falls die Modusänderung angefragt wird, wird der Spannungsmodus beendet und in den angefragten Betriebsmodus gewechselt.

Falls in dem Schritt S204 bestimmt wird, dass keine Anfrage für einen Moduswechsel vorgenommen ist, wird der Spannungsmodus weiter durchgeführt und eine Anfrage zur Änderung der manuellen Einstellung bezüglich des Soll-Versatzes RH wird bestimmt (Schritt S205). Falls die Änderungsanfrage aus dem Grund gemacht wird, dass der anfängliche Wert des Soll-Versatzes, welcher in Schritt S202 eingestellt wird, exzessiv gering oder groß ist oder ähnliches, wartet der Regelungsfluss auf eine manuelle Eingabe des Soll-Versatzes RH durch den Betreiber und ändert den Soll-Versatz RH auf einen manuell eingegebenen neuen Soll-Versatz (Schritt S206). Nachfolgend wird der Spannungsmodus unter Verwendung des neuen Soll-Versatzes RH durchgeführt.

Während des Spannungsmodus wird mit Intervallen einer Periode (z.B. einer Periode von 100 Mikro-Sekunden) bestimmt, ob eine Kraft auf das Prüfstück S durch den beweglichen Stab 3b des Aktuators 3 ausgeübt wird, in Abhängigkeit des Regelungszyklusses der Regelung 8c (Schritt S207). Falls die angewandte Kraft nicht erfasst wird, geht der Regelungsfluss zu Schritt S203 zurück. Andererseits, falls eine Kraft auf das Prüfstück S detektiert wird, insbesondere wenn die Kraft 0,2 Prozent der Gesamtskala der Lastzelle 1 überschreitet, detektiert wird, wird, um die Kraft auf Null zu reduzieren, das Produkt der Last K, welche zu diesem Zeitpunkt erfasst wird, und eines Umwandlungskoeffizienten &agr; von dem Ist-Versatz H des beweglichen Stabs 3b (Prüfstück S) subtrahiert, um dadurch einen neuen Soll-Versatz RH (Schritt S208) zu bestimmen. Danach wird der neue Soll-Versatz RH eingestellt. Dadurch wird der Soll-Versatz RH in Übereinstimmung mit der erfassten Kraft K korrigiert (Schritt S209). Als ein Ergebnis wird die auf das Prüfstück S angewandte Kraft auf 0 reduziert, d.h. veranlasst auf einen Wert zu reduzieren, welcher innerhalb eines Bereiches von 0,2 Prozent der Gesamtskala der Erfassung der Lastzelle 1 fällt.

Nachfolgend kehrt der Regelungsfluss zu Schritt S203 zurück, bei welchem die Versatz-Regelung durchgeführt wird. Falls die Korrektur des Soll-Versatzes RH einmal bei Schritt S209 ist, wird der Versatz des beweglichen Stabs 3b des Aktuators im Wesentlichen Null, so dass ein Null-Lastzustand, in welchem die auf das Prüfstück S angewandte Kraft im Wesentlichen Null ist, aufrecht erhalten wird. In dieser Weise wird das Befestigen des Prüfstückes an dem Maschinenkörper beendet. Es ist für den Betreiber angenehm, falls er oder sie über den Abschluss der Befestigung des Prüfstückes informiert wird, wenn die Korrektur des Soll-Versatzes mit Schritt S209 abgeschlossen ist oder wenn eine vorbestimmte Zeitspanne ab dem Zeitpunkt, ab welchem die Korrektur abgeschlossen wurde, abgelaufen ist.

Wie zuvor beschrieben, kann die Befestigung des Prüfstückes in dieser Ausführungsform durch Betreiben des Versatz-Regelungssystems unter Verwendung des Regelungsalgorithmus durchgeführt werden, welcher relativ einfach ist. Insbesondere wird die Soll-Versatzposition des beweglichen Stabs 3b des Aktuators 3 mit hoher Genauigkeit spezifiziert, um die Last, welche auf das Prüfstück angewandt wird, auf Null zu reduzieren, indem der Soll-Versatz, welcher an das Versatz-Regelungssystem geleitet wird, in Übereinstimmung mit der auf das Prüfstück angewandten Kraft korrigiert wird. Somit kann das Prüfstück S an dem Maschinenkörper stabil und sicher in einem Null-Lastzustand befestigt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehende Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf vielfältige Weise modifiziert werden.

Zum Beispiel, um einen unstabilen Betrieb des Servosystems 11 zu vermeiden, wenn die Bereichsauswahl in dem Erfassungsverstärker 8a durchgeführt wird, kann der Regelungsausgang der digitalen Regelung 8c des Servosystems 11 festgehalten werden. Alternativ kann der Ausgang (Fehlerwert) der Fehlereinheit 8 festgehalten werden, um den unstabilen Betrieb des Servosystems zu verhindern, In diesem Fall ist es vorteilhaft, den Steuer-Sollwert beizubehalten, welcher von dem Signalgenerator 8d an die Fehlereinheit 8b zugeführt wird, wenn der Erfassungsbereich in dem Erfassungsverstärker 8a geschalten wird.

Weiter kann die Korrekturgröße &agr;·K des Soll-Versatzes, welcher für die angewandte Kraft K geeignet ist, in Abhängigkeit der Regelkreisverstärkung des Versatz-Regelungssystems oder Ähnlichem bestimmt werden. Die Korrekturberechnungsformel von H – &agr; K kann in vielfältiger Weise verändert werden. Weiter kann der Umfang des toten Bereichs in der Krafterfassung in Übereinstimmung mit der Spezifikation der Prüfmaschine oder der Lastzelle bestimmt werden.

Für die anfängliche Einstellung der Bewegungsposition und des Soll-Versatzes des beweglichen Stabs 3b des Aktuators wird die manuelle Einstellung in dieser Ausführung angepasst, in welcher ein numerischer Wert durch die Sollwert-Einstellungseinrichtung 113 eingegeben wird, in einer Weise, dass der bewegliche Stab 3b an die Referenzposition gestellt wird. Alternativ kann der Betreiber Tasten betätigen, um wiederholt schrittweise Erhöhungen/Verringerungen des Versatzes anzuweisen, während der Versatz des beweglichen Stabs 3b des Aktuators 3 visuell erfasst wird, wodurch die anfängliche Einstellung der Bewegungsposition des beweglichen Stabs 3b gesetzt wird. In einer anfänglichen Einstellung des Soll-Versatzes kann ein Kandidat für einen Soll-Versatz auf einer Anzeigentafel angezeigt werden und ansprechend auf Tastendrücke erhöht und verringert werden, so dass ein gewünschter Soll-Versatz manuell durch Drücken einer abschließenden Taste manuell gesetzt werden kann, wenn der in der Anzeigentafel angezeigt, einen gewünschten Wert annimmt.

Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung weiter verändert werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. Materialprüfvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Eigenschaft eines Prüfstücks basierend auf einer Last, welche auf das Prüfstück wirkt und einer in dem Prüfstück erzeugten mechanischen Änderung, während ein Betrieb eines Servosystems rückgekoppelt gesteuert wird, welches einen hydraulischen Aktuator aufweist, welcher die Last auf das Prüfstück mittels einer Steuerung derart ausübt, dass die momentan an das Prüfstück angelegte Last mit einer Ziellast übereinstimmt, wobei die Materialprüfvorrichtung einen Erfassungsverstärker aufweist, welcher mit einem Verstärkungsfaktor betriebsfähig ist, welcher aus einer Mehrzahl an Verstärkungsfaktoren ausgewählt wird, wobei der Erfassungsverstärker mit einem Eingangssignal an einem Eingang betrieben wird, welches anzeigend für eine an das Prüfstück angelegte Last oder eine in dem Prüfstück erzeugte mechanische Änderung ist, das Eingangssignal um einen gewählten Verstärkungsfaktor verstärkt, um einen analogen Erfassungswert zu erhalten und den analogen Erfassungswert auszugeben, wobei die Materialprüfvorrichtung eine Bereichsauswahlein-richtung zum Schalten des Verstärkungsfaktors aufweist, welcher in dem Erfassungsverstärker ausgewählt wird;

    dadurch gekennzeichnet, dass die Materialprüfvor-richtung aufweist:

    eine Einrichtung für einen unveränderlichen Erfassungsskalierungsfaktor zum Verarbeiten eines digitalen Erfassungswertes, welcher aus dem analogen Erfassungswert umgewandelt wird, welcher von dem Erfassungsverstärker zugeführt wird, in Abhängigkeit eines Verstärkungsfaktor, welcher invers proportional zu dem in dem Erfassungsverstärker ausgewählten Verstärkungsfaktor ist, um auf diese Weise einen Detektionsskalierungsfaktor zum Erfassen einer gesteuerten Variable in der Rückkopplungssteuerung unveränderlich zu gestalten;

    einen Signalgenerator zum Ausgeben eines digitalen Soll- bzw. Zielwertes der für die Systemlast indikativ ist.

    eine Differenzeinrichtung zum Eingeben des digitalen Soll- bzw. Zielwertes und der verarbeiteten digitalen Erfassung und zum Ausgeben eines Differenzsignals, welches für eine Differenz zwischen diesen indikativ ist; und

    eine Steuerausgangshalteeinrichtung zum Halten eines Steuerausgangswertes bei einem beobachtenden Wert kurz bevor der Verstärkungsfaktor geschaltet wird, wobei während der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers geschaltet wird, der Steuerausgangswert an das Servosystem von einer digitalen Steuerung zugeführt wird, welche einen Rückkopplungssteuerungsschritt in Übereinstimmung mit dem Differenzsignal ausführt.
  2. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung für einen unveränderlichen Erfassungsskalierungsfaktor einen Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln des analogen Ausgangswertes, welcher von dem Erfassungsverstärker zugeführt wird, in den digitalen Erfassungswert, und eine digitale Koeffizienteneinrichtung zum Ausführen einer Koeffizientenverarbeitung aufweist, in welcher der digitale Erfassungswert, welcher von dem Analog-Digital-Wandler zugeführt wird, mit einem Koeffizientenwert multipliziert wird, welcher invers proportional zu dem in dem Erfassungsverstärker gewählten Verstärkungsfaktor ist, so dass der Verstärkungsskalierungsfaktor unveränderlich wird.
  3. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsausgangs-Halteeinrichtung (215) einen Halteschaltkreis (215) zum Halten eines Ausgangswertes beinhaltet, welcher von der digitalen Koeffizienteneinrichtung zugeführt wird, kurz bevor der Verstärkungsfaktor des Erfassungsverstärkers geschaltet wird, bis das Schalten des Verstärkungsfaktors abgeschlossen ist.
  4. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 1, mit:

    – einem Maschinenkörper (2), welcher eine Prüfstückhalterung (3a) aufweist, welche an einen bewegbaren Teil (3b) des Aktuators gekoppelt ist;

    – ein Versatzsteuerungssystem (8a, 8b, 8c, 11), welches eine Steuerung zum rückgekoppelten Steuern des Betriebes des Servosystems aufweist, so dass ein momentaner Versatz des bewegbaren Teils des Aktuators in Übereinstimmung mit einem Soll- bzw. Zielversatz erreicht wird;

    – einem Kraftsensor (8a) zum Erfassen einer momentanen Kraft, welche an das Prüfstück angelegt wird, wenn der bewegbare Teil des Aktuators versetzt wird; und

    – eine Korrektureinrichtung (118, S208, S209) zum Korrigieren des Soll- bzw. Zielversatzes des bewegbaren Teils des Aktuators in Übereinstimmung mit der auf das Prüfstück angelegten momentanen Kraft, so dass die momentane Kraft (K) nicht eine vorbestimmte Kraft (RH) übersteigt, wenn das Prüfstück an dem Maschinenkörper (2) befestigt ist, während die Rückkoppelsteuerung durch das Versatzsteuerungssystem ausgeführt wird.
  5. Materialprüfvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Korrektureinrichtung (118, S208) den Soll- bzw. Zielversatz (RH) korrigiert, indem er verringert wird, wenn die momentane Kraft (K), welche an das Prüfstück angelegt wird und durch den Kraftsensor (8a) erfasst wird, eine Erfassungsauflösung des Kraftsensors übersteigt.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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