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VERFAHREN ZUR
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AUTüMATISCIIEN BESTIMMUNG DER HÄRTE durch VERMESSEN EINES PRÜFEINDRUCKS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Härte eines Werkstückes
durch Erzeugen eines Prüfeindruckes mit definierter Prüfkraft und einem definierten
Prüfkörper und automatischer Auswertung mit Hilfe einer optischen Vergrößerungseinrichtung
(Mikroskop) und einer Vorschrift zur Auswertung des Bilde. Der Ablauf der Prüfung
sowie die Form des Prüfkörpers werden vorzugsweise nach VICKERS bzw.
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nach BRINELL gewält.
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Aufgabenstelluny: Die Aufhabe, die Härte aus dem Bild des Härteeindruckes
automatisch zu bestimmen, tritt beispielsweise bei der Prüfung von großen Stückzahlen
oder bei der Bestimmung der Härte an vielen Meßpunkten an einer einzelnc-n großen
Probe auf, bei denen dit Härtemessung nach BKIliELL oder VICKERS gewählt wiru. In
diesen Fällen ist sowohl die Entlastung des Bedienpersonals als auch eine vollautomatische
und von dem Menschen unabhängige objektive Messung nötig.
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Ein zweiter Anwendungsbereich betrifft die Objektivierung der Härtemessung
vorzugsweise nach BRINELL und VICKERS insbesondere bei Eindrücken, deren Rand nicht
glatt erscheint oder deren Eckpunkte nicht exakt sichtbar sind oder deren Form bei
der VICKERS-Prufung ballig ist (d.h. keine geraden Kanterl aufweist).
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Ein dritter Anwendungsbereich betrifft liärtemessunyen an Objekten,
bei denen keine ebene Prüftläche vorhanden ist oder bei denen di Prüfkraft nicht
senkrecht zur Oberfläche aufgebracht werden kann. In diesen Fällen ist kein genormtes
Verfahren zur Härteprüfung gegeben. Die Messung durch Bestimmen des Eindruckdurchmessers
oder der Diagonalen führt in der üblichen genormten Weise nicht zu brauchbaren Meßwerten.
Bei der Auswertung der ganzen Berandung des Härteeindruckes unter Verwendung entsprechender
hysikalischer Formeln karin die Abweichung von der Bedingung "senkrechte Autbringung
der Prüfkraft" und "ebene Probe" rechnerisch berücksichtigt werden, sodaß auch dann
gute Ergebnisse erzielt werden. Dieser Anwendungsbereich ist den bekannten Geräten
zur Härtebestimmung noch verschlossen. Er erforuert eine Auswertung des Bildes von
dem Härteeindruck una Rechnungen die huber die bekannten Verfahren hinausgehen.
Sinnvoll ausgeführt werden solche Härtebestimmungen mit Hilfe eines automatisch
arbeitenden Gerätes, das Einrichtungen zur Bildautnahme und zur rechnerischen Auswertung
enthält.
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Stand der Technik: bisher bekannte Geräte benutzen bereits eine automatische
Auswertung des Härteeindruckes rtit Hilfe fotometrischer Abtastung. Dabei wird zunächst
mit Hilfe einer geeigneten Beleuchtung und einem mikroskop ein Bild erzeugt, das
den Härteeindruck kontrastreich aus den Umfeld heraushebt.
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Dieses ist eine Vorbedingung für die automatische geometrische Vermessung
des Härteeindrucks.
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DE-PS 6 020 66 beschreibt ein Verfahren, mit dem die Fläche des Härteeindruckes
gegenüber dem Umfeld hell dargestellt wird. Die Anmeldung P 28 3u 822.1 greift diese
Art der kontrastroichen Darstellung aut, wandelt das Bild mit einer Fernsehkamera
und zeilenweiser Abtastung in eine elektrisie Zeitfunktion ur*. Dieses Signal wird
durch elektronischer, Schwellentscneid in ein binäres Signal (schwarz/weiß)
umgewandelt,
welches einfache Zeitschaltungen steuert. Auf diese cis werden die Eckpunkte bei
Eindrücken nach VICKERS bzw. die Durchmesser bi indrücken nach BRINELL bestimmt
und daraus die Härte berechnet.
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OS 22 48 19u beschreibt ein automatisches Härteprüfgerät zur Uberwachung
der geforderten Größe eines Härteeindruckes, inuem einzelne Fotorezeptoren so justiert
werden, daß der Rand der Projektion eines Eindruckes zwischen eng benachbarten Rezeptoren
liegt, wenn der Härteeindruck die gewünschte Gröe aufweist. Im anderen Fall umfaßt
er entweder beide ouer keinen der Rezeptoren, was zu einer Fehlermeluung rührt.
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OS 28 50 957 beschreibt ein automatisches Härteprüfgerät, das eine
kontrastreiche Ausleuchtung ähnlich wie in DE PS 6 02 C@@ benutzt, das Bild mit
einem einzelnen Rezeptor abtastet uno zur weiteren Auswertung die Extrempunkte des
Bildes heranzieht.
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flachteile aer beschrievenen Verfahren: Eic wesentlicher Nachteil
der beschriebenen Vertahren liegt in der Schwierigkeit, die Eckpunkte bei der Härtemessung
nach VICKERS zw. den Rand des kreisrunoen Eindruckes nach der Methode BRINBLL sicher
und genügend genau zu bestinunen.
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Betriebsübliche Proben zur Härtemessung weisen im allgemeinen eine
geschliffene Oberfläche auf. Der Rand des Härte eindruckes wird durch die Schleifriefen
gestört, sodaß die Lage der Eckpunkte bzw. der Randpunkte unzulässig stark von den
Riefen achängt und das automatische Bestimmen der Härte entsprechend ungenau wird.
Der menschliche Auswerter schätzt die richtige Lage beim Anlegen seines Meßlineals.
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Die von dem Menschen ermittelten Härtewerte weisen dadurch nicnt die
zufälligen Schwankungen auf wie die von den oben genannten Automaten ermittelten.
Dagegen finden sich zumeist individuelle systematische Fehler, die nicht minder
stören.
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Erfindungsgemäßes beheben der Nachteile: Erfindungsgemäß werden die
Nachteile bekannter Systeme zur Ermittlung der Härte nach BRINELL und VICKERS durch
ein Auswerteverfahren gemä den Patentansprüchen behoben.
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Ausführungsbeispiel: Weitere Einzelheiten ergeben sich aus einem ersten
Ausführungsbeispiel.
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Der mit Hilfe der bekannten Mechanik einer Härteprüfmaschine erzeugte
Härteeindruck wird in bekannter Weise so beleuchtet, daß er kontrastreich hell gegenüber
dem Umfeld erscheint.
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Figur 1 verdeutlicht diese Art der Beleuchtung und der Abbildung auf
der lichtempfindlichen Schicht der Fersehkamera.
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Dargestellt wird die Abbilaung eines Objektpunktes 1 des VICKERS-Eindruckes
1U in den Bildpunkt 2 der Zwischenbildebene 3 eines Mikroskopes. Die Abbildung erfolgt
mit Hilfe des Objektives 4 über dessen llauptebene 5 sich die Telezenterblende 6
befindet, die die Pupille des Systems bildet.
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Der Abstand zwischen der Telezenterblende 6 und der Hauptebene 5 ist
gleich der Brennweite des Objektives 4. Die Telzenterblende 6 sorgt dafür, daß nur
Lichtbündel deren mittelachse unterhalb der Hauptebene 5 parallel zur optischen
Achse verläuft, zur Abbildung beitragen. Das Lichtbündel 7, das die Abbildung des
Objektpunktes 1 in den Bildpunkt 2 bewirkt, wird also durch die Telezenterblende
6 bestimmt. Über den Objektpunkt 1 hinaus läßt sich das Lichtbündel rückwärts zur
Lichtquelle 8 verfolgen. Entsprechend den Reflexionsbedingungen an dem Objektpunkt
1 mun die Leleuchtung unter einem ganz bestimmten Einfallswinkel erfolgen, der ca.
45 Grad gegenüber pr optischen Achse 9
beträgt. Objektpunkte, die
nicht dieselbe Neigung aufweisen wie die Facetten des VICKERS-Eindruckes, können
kein Licht in die Zwischenbildebene 3 reflektieren und erscheinen daher dunkel.
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Bei einem Prüfeinaruck nach VICKERS erscheint der ganze Eindruck hell.
Bei einem Prüfeindruck nach BRINELL trifft dieses nur für den Rand zu, weil die
Oberfläche des BRINELL-Eindruckes waagerecht liegt und nicht von außerhalb des tObjektives
4 unter einem geeigneten Winkel beleuchtet werden kann. Es entsteht ein heller Ring,
dessen Außenkontur den Hand des Lindruckes zeigt.
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Das auf diese bekannte Weise erzeugte kontrastreiche Bild des Härteeindruckes
wird mit einer Fernsehkamera, vorzugsweise einem röhrenlosen Exemplar aufgenommen
und einem Gerät zur elektronischen bildverarbeitung zugeführt, das die Härte der
Probe mit Hilfe des einyebauten Mikrorechners ermittelt. Dieses geschieht in menreren
hintereinander abalaufenden Schritten.
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Im ersten Schritt werden helle Bildteile von dunklen stildteilen unterschieden
indem das Helligkeitssignal der Kamera einer Schwellentscheid unterworfen wird.
die Schwelle wird auf aen halben Helligkeitswert zwischen den hellen und den dunklen
bildteilen eingestellt. Durcn diese Operation entsteht ein segenanntes Binärbild,
das nur die beiden Helligkeitswerte 0=schwarz und l=weif enthält. Insbesondere bei
etwas unscharfer Abbildildung des tiärteeindruckes, mit der unter betriebsüblichen
Bedingungen immer gerechnet werden rruß, gelingt die Bestimmung des Randes des Eindruckes
so exakter als es der Mensch mit Hilfe des normalen Graubildes vermag, wie die folgende
Betrachtung zeigt.
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Vorausgesetzt wira ein telezentrischer Abildungsstrahlengang (wie
in Figur 1) wie er in Mikroskopen üblich ist.
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Die wesentliche Eigenschaft dieses Strahlenganges ist die Unabhängigkeit
der Grobe der ADDilduny von der Einhaltung
der Schärfeebene. Bei
Verlassen der Schärfeebene wird ein Bildpunkt jedoch nicht nehr als Punkt, sondern
als Helligkeitsverteilung um einen Mittelpunkt, der auf dem vorher scharf abgebildeten
Punkt liegt, dargestellt. Die llelligkeit nimmt radialsymmetrisch ab.
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Figur 2 zeigt den Heligkeitsverlauf an einer Hell-Dunkel-Kante bei
scharfer und bei unscharfer Abbildung und die Auswirkung auf die Lokalisierung der
Kante durch Herstellen eine, Binärbildes und durch die subjektive Methode des Menschen.
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Der Helligkeitsverlauf bei scharfer Abbildung 15 zeigt an dem Ort
der Kante xO einen steilen Abfall 16 der unabhängig von der Einstellung einer Schwelle
17 an dem richtigen Ort erkannt wird. einer gibt es keine Abweichung des von den
Automaten gefundenen Ortes von dem subjektiv durch den Menschen gefundenen Ort der
Kante.
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Der Helligkeitsverlauf bei unscharfer Abbildung 18 zeigt einen allmählichen
Abfall der Helligkeit um den Ort der Kante xO heruui. Wird die Schwelle zur Erzeugung
eines Binärbildes aut den halben Wert zwischen den hellen und den dunklen ildteilen
yelegt, gelingt es, die Kante an der richtigen Position zu lokalisieren, weil der
Punkt, an dem der Schwellwert erreicht wird, durch zunehmende Unschärfe d.h. gespreizter
Zone des Hell-Dunkel-Übergangs nicht verschoben wird.
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Der Mensch ist jedoch nicht in der Lage, eine Kante dort zu detektieren,
wo die Helligkeit auf die Hälfte abgefallen ist, weil er den Punkt mittlerer Helligkeit
nicht sicher findet. Erfahrungsgemäß lokalisiert er den Helligkeitssprung subjektiv
in einem Bereich 19, wo die Helligkeit abzufallen beginnt. Damit ändert sich aDer
die Lage der subjektiv gefundenen Kante und fällt in ein Ortsintervall 20, das den
Ort xO noch nicht einmal enthält.
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Der beschriebene Effekt läßt demnach eine genaue Bestimmung der Härte
durch den Menschen nur zu, wenn die Oberfläche der Probe exakt in der Schärfeebene
liegt. Die in diesem Beispiel gezeigt automatische Auswertung der Härteeindrucke
stellt sehr viel geringere Anforderungen an die Einhaltung der Schärfeebene als
die bisherige Auswertung durch den Menschen, auch wenn er sich dabei Hilfsmittel
zur elektronischen Erfassung der von ihm bezeichneten Objektpunkte bedient. Die
so erreichte Toleranz in der Schärfeeinstellung ist jedoch erforderlich, um zu einem
automatisch arbeitenden Härtemeßgerät zu gelangen, das keine ständige manuelle Korrektur
der Schärfeeinstellung erfordert.
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Neben der Eigenschaft, die Eindruckberandung objektiv und weitgehend
unabhängig von der Schärfeeinstellung zu bestimmen, weist das Ausführungsbeispiel
weitere Besonderheiten in der Bildauswertung auf, die zu einer erhöhten Genauigkeit
und Unabhängigkeit gegenüber Abweichungen des Härteeindruckes gegenüber der idealen
Forr führen.
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Figur 3 zeigt scher.atisch bilder von iä.rteeindrücken nach VICKERS
25 una BRINELL 26, die Störungen an den Ecken bzw.
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Abweichungen von oer idealen Kreisform aufweisen, die durch Schleifriefen
an ar Oberfläche der Probe bedingt sein können.
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Bei aer Messung der Diagonalen oder des Durchmessers an solchen Proben
sin fehlerhafte Ergebnisse zu erwarten. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden die Eckpunkte des VICKERS-Eindruckes deshalb nicht direkt bestimmt, sondern
aus dem Verlauf der Kanten des Eindruckes berechnet. Dapei ist es vorteilhaft, den
Bereich unmittelbar an den Echpunkten 27 sogar von der Berechnung aus zu schließen,
weil gerade hier die gröbten Ungenauigkeiten erwartet werden. Durch. Berücksichtigung
fast aller Randpunkte des Eindruckes wird eine wesentlich größere Meßsicherheit
erreicht, als wenn nur die Eckpunkte als singuläre
Punkte herangezogen
werden. bei der Messung nach BRINELL werden zur Ermittluny des Durchmessers nicht
nur zwei senkrecht aufeinander stehende Durciimesser 28 und 29 berücksichtigt, sondern
ebenfalls die Gesamtheit der Randpunkte, sodaß auch hier die Sicherheit gegen Störungen
dadurch Abweichung einzelner Randpunkte gegenüber der Kreisform groß ist.
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Neben der Unempfindlichkeit gegenüber Störungen im Bild des Härteeindruckes
wird durch das heranziehen der ganzen berandung des Eindruckes auch eine Aug'lösung
und Genauigkeit des Verfahrens erreicht, die die Auflösuny der Kamera bezüglich
einzelner Punkte bei weitem übertrifft. Allerdings muß aie geometrische Genauigkeit
der Kamera der yewiinschten Meßgenauigkeit entsprechen. Das ist mit einer Halbleiterkamera,
bei der die einzelnen Bildpunkte materiell in einem festen durch die Herstellungsmaske
gegebenen Raster liegen, erreichbar.
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Bei einer Kamera mit beispielsweise 300 X 3u0 Bildpunkten können die
koordinaten eines einzelnen Bildpunktes nur mit einer Genauigkeit und Auflösung
schlechter als 1/300-tel der Größe des Bildfeldes angegeben werden. Werden unter
denselben Bedingungen mit Hilfe von jeweils 50 Randpunkten auf der Kante eines VEICKERS-Eindruckes
Ausgleichgeraden berechnet, so ist die Ermittlung der Koeffizienten der Gleichungen
um mehr als eine Größenordnung genauer und natürlich auch der berechnete Schnittpunkt
der Geraden.
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Entsprechendes gilt, wenn aus den Randpunkten des BRINELL-Eindruckes
eine Ausgleichskreisfunktion berechnet wird. Der sich daraus errechnende Durchmesser
ist ebenfalls weitaus genauer als eine Nessung zweier Durchmesserwerte als Mittel
ergeben würae.
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Aufgrund der oen genannten Eigenschaften können bei den auszuwertenden
Proben wesentlich größere Rauhtiefen zugelassen weruen, als die DIN-Norm für die
Auswertung durch den Menschen erlaubt.
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Varianterl des Ausführungsbeispiels: Erste Variante: Neben der vollständigen
Ausleuchtung der Probe kann es vorteilhaft sein, nicht aus der Richtung zu beleuchten,
die senkrecht zu der Schleifrichtung steht. Aus dieser Richtung beleuchtete Flanken
der Schleifriefen können in unerwünschter Weise ebenfalls Licht in das Objektiv
reflektieren und die Verarbeitung des Bildes erschweren. Verzichtet man auf die
beleuchtung aus der entsprechenden Richtung, wird ein Teil der Berandung des Härteeindruckes
nicht sichtbar. Da aber alle sichtbaren Punkte der Berandung für die Rechnung verwendet
werden, ist der Ausfall eines Teiles tolerierbar.
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Eine Beleuchtung, die aus vier Richtungen kommt, unter denen die ebenen
Facetten des VICKEltS-Eindruckes ausgeleuchtet werden1 erfüllt auch die Anforderungen
an die Ausleuchtung eines BRINELL-Eindruckes, dessen Rand dann an vier Stellen unterbrochen
ist. Der Vorteil dieser Beleuchtung liegt darin, daß Schleifrieren, die aus der
Richtung der optischen Achse gesehen nahezu in einem Winkel von 45grd zu den Beleuchtungsrichtungen
liegen, mit so geringer Helligkeit abgebildet werden, daß sie die Auswertung nicht
stören. Bei VICKERS-Eindrücken liegt die optimale Richtung der Schleifrieren in
der Richtung der Diagonalen des Eindruckes.
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Eine zweite Variante: Eine weitere Variante benutzt zur Bestimmung
der Ecken des VICKERS-Eindruckes nicht Geradengleichungen sondern Parabelgleichungen
(oder auch anuere Funktionen). Diese Funktionen aproximieren besser die Form des
Randes bei balligen Eindrücken. Hier ist durch spezielle Eigenschaften des Probenmaterials
die Kante nach innen oder nach außen gebogen. Die Koeftizienten der getunuenen Ausgleichsfunktionen
lassen einen Rückschluß aut den Grad der Balligkeit zu, der
eine
automatische Korrektur des aus den Diagonalen gewonnenen Härtewertes erlaubt.
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Eine dritte Variante: Eine dritte Variante baut auf der zweiten Variante
auf, läßt aber entgegen der DIN-Vorschritt für die Messung der Härte nach VICKERS
und BRINELL eine Prüfkraft zu, die nicht senkrecht auf die Probe wirkt. Aus den
Gleichungen der Ausgleichsfunktionen zur Annäherung an die Berandung bei VICKERSLtindrücken,
die bei schiefer Kraftaufbringung drachenförmig aussehen, können die senkrechte
und die tangentiale Komponente berechnet und so auch in diesem Fall ein zutreftender
Härtewert errechnet werden. Bei BRINELL-Eindrücken muß die Approximation durch eine
Ellipsengleichung erfolgen. Deren Parameter lassen ebenfalls Rückschlüsse auf die
Kraftkomponenten und eine Berechnung der Härte zu.