CN103364292B

CN103364292B - 硬度测试器

Info

Publication number: CN103364292B
Application number: CN201310101092.8A
Authority: CN
Inventors: 竹村文宏; 輿水文比古
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP5977557B2; JP2013205020A; CN103364292A; EP2645079A3; EP2645079B1; US9417171B2; EP2645079A2; US20130255362A1

Abstract

一种硬度测试器，即使当硬度测试器包括手动XY平台时也能够有助于样品的定位。该硬度测试器包括：XY平台，在水平方向上移动样品平台；CCD相机，经由场镜头来拍摄样品表面的图像；监控器，显示由CCD相机拍摄的样品表面的图像；操作器，指定要形成压痕的测试位置，在所述显示器上显示的图像上指定该测试位置；以及CPU，与XY平台的位移相结合地计算形成压痕时在测试位置和压头的中心位置之间在XY方向上的偏移量，然后在显示器上显示所计算的偏移量。

Description

硬度测试器

对于相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年3月27日提交的日本申请No.2012-070584在35U.S.C.§119下的优先权，该日本申请的公开通过引用被整体并入在此。

技术领域

本发明涉及一种硬度测试器。

背景技术

通常，使用热处理来对金属部件执行增大表面硬度的处理，以改善对该部件寻求的机械特性。然后，执行硬度测试以评估表面的硬度是否已经获得所需的硬度或是否已经使用热处理在相对于表面的特定深度获得指定硬度。

传统上，公知挤压类型的硬度测试方法，诸如维氏（Vickers）硬度测试和努氏（Knoop）硬度测试，这些方法使用硬度测试器，其中，将具有平面多边形形状的压头顶着样品的表面按压，然后，根据样品表面中产生的多边形压痕中的对角线的长度测量样品的硬度。这样的硬度测试方法被广泛用于评估金属材料的机械特性（见例如日本专利公布No.2004-286541）。

如所公知，维氏硬度测试使用四角锥金刚石压头，并且通过在样品表面形成的四角锥压痕的两条对角线的长度的平均值和压头在样品上的压力负载之间的关系来指示硬度。努氏硬度测试使用偏菱形角锥金刚石压头，并且通过在样品表面形成的偏菱形角锥压痕的对角线的较长者的长度和压头在样品上的压力负载之间的关系来指示硬度。

通常，当使用硬度测试器评估金属部件（以下称为样品）的硬度时，用户预先确定样品上的测试位置，将XY平台移动以定位样品，使得在期望的测试位置中形成压痕，然后执行硬度测试处理。如在图10中所示，沿着直线L1和L2等以预定的间距来频繁地指定测试位置P，该直线L1和L2等从样品S的边缘向样品S的水平方向上的内部定向。而且，样品S的形状是复杂的。因此，沿着在不同方向上定向的直线L1和L2等指定测试位置P。

在包括自动驱动受控的XY平台的硬度测试器中，在PC上绘制测试位置P的布局。当定位样品S时，通过PC来自动地计算在将形成压痕的位置中布置期望的测试位置P所需的位移量。因此将XY平台自动地移动以定位样品S。

然而，当使用包括手动XY平台的硬度测试器来执行硬度测试时，用户必须自己计算位移量，因此消耗了时间和精力。当手动移动XY平台时，不能容易地识别XY平台的位移量。因此，将XY平台移动所计算的位移量的工作很困难。

发明内容

本发明提供了一种硬度测试器，甚至当所述硬度测试器包括手动XY平台时也能促进样品的定位。

本发明的一个方面是一种硬度测试器，通过下述方式测量在样品平台上布置的样品的硬度：使用压头在样品的表面上加载预定测试力，以在所述表面上形成压痕，然后测量所述压痕的尺寸。所述硬度测试器包括XY平台、图像拍摄器、显示器、测试位置指定器和控制器。所述XY平台在水平方向上移动所述样品平台。所述图像拍摄器经由场镜头来拍摄所述样品的所述表面的图像。所述显示器显示由所述图像拍摄器拍摄的所述样品的所述表面的所述图像。所述测试位置指定器指定要形成所述压痕的测试位置，在所述显示器上显示的所述图像上指定所述测试位置。所述控制器与所述XY平台的位移相结合地计算形成所述压痕时在所述测试位置和所述压头的中心位置之间的在水平方向上的偏移量，然后在所述显示器上显示所计算的偏移量。

本发明的另一个方面是所述硬度测试器，其中，所述控制器基于所述计算的偏移量使通知器执行在所述测试位置和所述压头的所述中心位置之间的距离接近度的通知。

本发明的另一个方面是所述硬度测试器，其中，当所计算的偏移量是0时，所述控制器使所述通知器执行所述测试位置已经达到所述压头的所述中心位置的通知。

本发明的另一个方面是所述硬度测试器，其中，当所述控制器基于所计算的偏移量确定所述测试位置正在移动得远离所述压头的所述中心位置时，所述控制器使所述通知器执行所述位移在相反方向上的通知。

本发明能够显示XY平台必须向样品上的测试位置移动的数量，所述样品要被布置在形成压痕的压头的位置中，所述XY平台必须移动的所述数量与所述XY平台的位移相结合地实时显示在显示器上。因此，即使当所述XY平台是手动XY平台时，也可以容易地定位所述样品。

附图说明

通过本发明的示例性实施例的非限定性示例，参考多个附图在随后的详细说明中进一步描述本发明，其中在贯穿附图的若干视图中，相似的附图标号表示类似的部分，并且其中：

图1是图示根据本发明的硬度测试器的整体配置的透视图；

图2是图示根据本发明的硬度测试器的测试器主体的示意图；

图3是图示根据本发明的硬度测试器的硬度测量器的示意图；

图4是图示根据本发明的硬度测试器的控制结构的框图；

图5是图示根据本发明的硬度测试器的操作的流程图；

图6图示了在监控器上显示的样品的表面的图像的示例；

图7图示了在图6的图像上绘制的测试位置的示例；

图8图示了要在图像的中心位置中布置第一测试位置所需的XY平台的位移量的示例，在图7的图像上显示了该位移量；

图9图示了从图8的状态移动以使得在图像中心位置中布置第一测试位置的样品的示例；以及

图10图示了在传统硬度测试器中的指定测试位置的示例。

具体实施方式

在此示出的细节是举例并且仅用于本发明的实施例的说明性讨论的目的，并且被呈现来为了提供相信是对本发明原理和概念方面的最有益和容易理解的描述内容。在这一点上，没有用比对本发明的基本理解所需的更多细节来示出本发明的结构细节，使用附图进行说明，使得对于本领域内的技术人员来说显然明白如何可以实现本发明的形式。

以下，将参考附图描述本发明的实施例。而且，在下面的说明中，参考图1，X方向是左右方向，Y方向是前后方向，并且Z方向是上下方向。另外，X-Y平面是水平平面。

根据本实施例的硬度测试器100例如是维氏硬度测试器，并且包括测试器主体10、控制器6、操作器7和监控器8，如图1和图2中所示。

测试器主体10包括：硬度测量器1，用于执行样品S的硬度的测量；样品平台2，其上布置了样品S；XY平台3，用于在水平方向上移动样品平台2；以及，升降机构5，用于在垂直方向上升起和降低样品平台2和XY平台3，以便聚焦在样品S的表面上。

如图3中所述，硬度测量器1被配置了：照明装置11，用于照亮样品S的表面；CCD相机12，用于拍摄样品S的表面的图像；以及转台（turret）16。转台16包括压头轴14和场镜头15，压头轴14包括压头141。转台16能够通过旋转在压头轴14和场镜头15之间转换。

照明装置11照射光以照亮样品S的表面。由照明装置11照射的光经由透镜1a、半反射镜1d、反射镜1e和场镜头15达到样品S的表面。

基于经由场镜头15、反射镜1e、半反射镜1d、反射镜1g和透镜1h从样品S的表面输入的反射光，CCD相机12通过拍摄样品S的表面的图像以及由压头141在样品S的表面中形成的压痕来获得图像数据。CCD相机12然后经由帧抓取器17向控制器6输出图像数据，帧抓取器17能够同时累积和存储多个帧的图像数据。因此，CCD相机12是图像拍摄器。

多个压头轴14被固定在转台16的底表面上，并且通过旋转转台16被布置在样品S上。由此，通过装载机构（在附图中未示出）向在样品平台2上布置的样品S移动压头轴14，装载机构是响应于控制器6输出的控制信号而被驱动的。压头轴14因此使用预定测试力将压头141向样品S的表面按压，压头141被设置在压头轴14的尖端上，并且具有四边锥金刚石尖端。

场镜头15是聚光透镜，其每一个被配置不同的放大率。多个场镜头15被固定在转台16的底表面上，并且通过旋转转台16被布置在样品S上。由此，由照明装置11照射的光均匀地照亮样品S的表面。

转台16被配置为能够通过围绕Z轴方向旋转转台16而转换到附接于转台16底表面的多个压头轴14和多个场镜头15的任何一个、并且在样品S上方布置该多个压头轴14和多个场镜头15的任何一个。具体地说，可以通过在样品S上方布置压头轴14而在样品S的表面中形成压痕，并且，可以通过在样品S上方布置场镜头15而观察所形成的压痕。

样品S被布置在样品平台2的上表面上，并且使用样品固定器2a固定在位。XY平台3被用户手动驱动，并且在垂直于压头141的移动方向（Z轴方向）的方向（X轴或Y轴方向）上（即在水平方向上）移动样品平台2。升降机构5被用户手动驱动，并且在垂直方向（Z轴方向）升起和降低样品平台2和XY平台3，由此改变在样品平台2和场镜头15之间的相对距离。

操作器7配置有键盘71和鼠标72。当执行硬度测试时，操作器7通过用户来执行输入操作。另外，当操作器7执行预定输入操作时，向控制器6输出与输入操作对应的预定操作信号。

例如，当使用硬度测试器100执行硬度测试时，操作器7使用户能够输入测试条件值。另外，输入的测试条件值被发送到控制器6。在此，测试条件值例如是诸如样品S的材料、由压头141在样品S上加载的测试力（N）或场镜头15的放大率的值。另外，操作器7使用户能够指定测试位置，在该测试位置处形成压痕，在监控器8上显示的样品S的表面的图像上指定该测试位置。因此，操作器7是测试位置指定器。

监控器8配置有诸如LCD的显示装置。监控器8显示例如在操作器7上输入的硬度测试的设置、测试位置的布局、硬度测试的结果和样品S的表面图像以及由CCD相机12拍摄的样品S的表面中形成的压痕。因此，监控器8是显示器。

如图4中所示，控制器6被配置为包括CPU（中央处理单元）61、RAM（随机存取存储器）62和存储器63。控制器6通过执行在存储器63中存储的预定程序来执行用于执行预定硬度测试的操作控制。

CPU61检索在存储器63中存储的处理程序，然后打开和执行RAM62中的处理程序。CPU61因此执行硬度测试器100的整体控制。

RAM62打开在RAM62内的程序存储区域中的由CPU61执行的处理程序，并且存储输入数据以及当在数据存储区域中执行处理程序时产生的处理结果。

存储器63例如包括用于存储程序和数据等的记录介质（在附图中未示出）。该记录介质配置有半导体存储器。另外，存储器63存储允许CPU61执行硬度测试器100的整体控制的各种数据、各种处理程序和通过运行该程序而处理的数据。

接下来，将参考图5中的流程图来描述根据本实施例的硬度测试器100的操作。首先，通过CCD相机12来获得用于样品S的表面的图像数据（步骤S1）。具体地说，用户将进行硬度测试的样品S布置在样品平台2上，并且使用样品固定器2a来将样品S固定在位。用户然后旋转转台16以将场镜头15布置在样品S上方。CCD相机12经由场镜头15拍摄样品S的表面的图像以获得图像数据，然后向控制器6输出该图像数据。

接下来，在监控器8上显示样品S的表面的图像（步骤S2）。具体地说，CPU61基于从CCD相机12输出的用于样品S的表面的图像数据，在监控器8上显示样品S的表面的图像G（参见图6）。

接下来，在图像G上绘制期望的测试位置（步骤S3）。具体地说，用户操作操作器7以指定要形成压痕的期望的测试位置P1和P2等，在监控器8上显示的样品S的表面的图像G上指定了该测试位置P1和P2等（参见图7）。当所有测试位置P1和P2等的指定完成时，用户操作操作器7以输入测试位置的指定完成的指令。

接下来，显示在图像G上的中心位置O和第一测试位置P1之间的在XY方向（水平方向）上的偏移量（步骤S4）。具体地说，当从操作器7接收到与输入操作对应的操作信号（测试位置的指定完成的指令）时，CPU61计算在第一期望测试位置P1和在图像G上的中心位置O之间的在XY方向上的偏移量，该位置O是当在样品S中形成压痕时压头141的中心位置。在监控器8上显示所计算的偏移量，即为了在图像G上的中心位置O中布置第一测试位置P1而必须将XY平台3移动的量（参见图8）。例如，在图8中所示的示例中，显示器指示第一测试位置P1相对于在图像G上的中心位置O在X方向上偏移“-5.00”、并且在Y方向上偏移“1.00”。具体地说，CPU61是控制器，用于计算在测试位置P1和P2等和形成压痕时的压头141的中心位置之间在XY方向上的偏移量，并且在监控器8上显示所计算的偏移量，其中，与XY平台3的位移相结合地计算该偏移量。

接下来，将样品S定位使得在图像G上的中心位置O上布置第一测试位置P1（步骤S5）。具体地说，用户参考在步骤S4中显示的在XY方向的偏移量，然后在XY方向移动XY平台3。在这一点处，CPU61连续地计算在第一测试位置P1和图像G上的中心位置O之间在XY方向的偏移量，然后实时地在监控器8上显示所计算的在XY方向的偏移量。然后，用户在X和Y方向两者上移动XY平台3，直到达到在XY方向上的移动量是“0”的位置（参见图9）

接下来，通过压头141在第一测试位置P1中形成压痕（步骤S6）。具体地说，用户旋转转台16以将压头141布置在样品S上方，然后操作操作器7以输入压痕指令。当CPU61从操作器7接收到与输入操作对应的操作信号时，驱动装载机构，由此降低压头141并且在第一测试位置P1形成压痕。其后，通过下述方式在剩余的测试位置P2等处形成压痕：重复步骤S4至S6的处理使得在所有测试位置P1和P2等处形成压痕。

接下来，通过CCD相机12获得用于样品S的表面的图像数据（步骤S7）。具体地说，用户旋转转台16以将场镜头15布置在样品S上方。CCD相机12经由场镜头15拍摄样品S的表面的图像以获得图像数据，然后向控制器6输出该图像数据。

接下来，基于在样品S的表面中形成的压痕，计算样品S的硬度（步骤S8）。具体地说，CPU61分析从CCD相机12输出的用于样品S的表面的图像数据，然后测量在样品S的表面中形成的压痕中的对角线的长度。CPU61然后基于所测量的对角线的长度来计算样品S的硬度值。

如上所述，根据本实施例的硬度测试器100包括：XY平台3，在水平方向上移动样品平台2；CCD相机12，经由场镜头15来拍摄样品S的表面的图像；监控器8，显示由CCD相机12拍摄的样品S的表面的图像G；操作器7，指定要形成压痕的测试位置P1和P2等，在监控器8上显示的图像G上指定测试位置P1和P2等；以及，CPU61，计算在测试位置P1和P2等与形成压痕时压头141的中心位置之间在XY方向上的偏移量，并且在监控器8上显示所计算的偏移量，其中，与XY平台3的位移相结合地计算该偏移量。因此，可以与XY平台3的位移（displacement）相结合地、实时地在监控器8上显示在形成压痕的压头141的位置处布置的样品S上的测试位置P1和P2等所需的位移量。因此，即使当XY平台3是手动XY平台3时，也可以容易地定位样品S。

上面，基于根据本发明的实施例而给出了具体说明。然而，本发明不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的实质的范围内修改本发明。

（第一修改示例）

例如，在上述实施例中，计算在期望的测试位置P1和P2等与作为在样品S中形成压痕时的压头141的中心位置的、在图像G上的中心位置O之间的在XY方向上的偏移量，然后在监控器8上显示所计算的偏移量。然而，另外，基于如上所述的所计算的偏移量，也可以通过CPU61的控制向用户通知在期望的测试位置P1和P2等与在图像G上的中心位置O之间的距离的接近度。

例如，当期望的测试位置P1和P2等已经接近相对于图像G上的中心位置O的预定距离内时，可以以红色来显示偏移量，并且当期望的测试位置P1和P2等已经从图像G上的中心位置O移开预定距离或更大时，可以以蓝色来显示偏移量。在该情况下，监控器8是通知器。另外，可以提供能够进行声音输出的扬声器（附图中未示出）等。然后，当期望的测试位置P1和P2等在预定距离内时，可以输出语音，说出“你几乎是目标”，并且当期望的测试位置P1和P2等已经移开预定距离或更大时，可以输出语音，说出“你已经从目标移开”。在该情况下，扬声器是通知器。另外，当期望的测试位置P1和P2等在预定距离内时，可以振动XY平台3，并且当期望的测试位置P1和P2等已经移开预定距离或更大时，可以增大移动（displacement）期间在XY平台3上施加的负载。在该情况下，XY平台3是通知器。而且，如上所述的颜色、声音和反馈的组合仅是示例性的，并且可以在能够向用户通知接近度的范围内被适当地修改。

如上所述，按照根据第一修改示例的硬度测试器100，CPU61基于所计算的偏移量使用通知器（监控器8、扬声器、XY平台3）向用户通知在期望的测试位置P1和P2等和压头141的中心位置（图像G上的中心位置O）之间在距离上的接近度。因此，用户可以在移动XY平台3的同时，识别在相对于目标的距离上的接近度。因此，可以更容易地定位样品S。

（第二修改示例）

在如上所述的第一修改示例中，向用户通知在期望的测试位置P1和P2等和压头141的中心位置（图像G上的中心位置O）之间在距离上的接近度。然而，另外，当所计算的偏移量是零时，可以通过CPU61的控制向用户通知期望的测试位置P1和P2等已经达到图像G上的中心位置O。

例如，当所计算的偏移量是零时，可以以黄色来显示在监控器8上显示的字符“0”。可替代地，字符“0”可以闪动。另外，当所计算的偏移量是零时，可以输出语音，说出“你已经到达目标位置”。另外，当所计算的偏移量是零时，XY平台3可以锁定。而且，如上所述的颜色、声音和反馈仅是示例性的，并且可以在能够向用户通知已经达到目标的范围内适当地被修改。

如上所述，按照根据第二修改示例的硬度测试器100，当所计算的偏移量是0时，CPU61使用通知器（监控器8、扬声器、XY平台3）向用户通知期望的测试位置P1和P2等已经到达压头141的中心位置。因此，用户可以在移动XY平台3的同时，识别出已经达到了目标。因此，可以更容易地定位样品S。

（第三修改示例）

在如上所述的第一修改示例中，向用户通知在期望的测试位置P1和P2等和压头141的中心位置（图像G上的中心位置O）之间的距离的接近度。在如上所述的第二修改示例中，向用户通知期望的测试位置P1和P2等已经达到图像G上的中心位置O。然而，另外，当CPU61基于所计算的偏移量确定期望的测试位置P1和P2等正在从图像G上的中心位置O移开时，可以例如通过CPU61的控制向用户通知移动正处于相反方向。

例如，当CPU61确定期望的测试位置P1和P2等正在从图像G上的中心位置O移开时，可以以绿色来显示在监控器8上显示的偏移量。可替代地，可以从显示器擦除偏移量。另外，当CPU61确定期望的测试位置P1和P2等正在从图像G上的中心位置O移开时，可以输出语音，说出“目标处于相反方向上”。另外，当CPU61确定期望的测试位置P1和P2等正在从图像G上的中心位置O移开时，可以增大移动期间在XY平台3上的施加的负载。而且，如上所述的颜色、声音和反馈仅是示例性的，并且可以适当地在能够向用户通知移动处于相反方向的范围内被修改。

如上所述，按照根据第三修改示例的硬度测试器100，当CPU61基于所计算的偏移量确定期望的测试位置P1和P2等正在从压头141的中心位置移开时，CPU61使用通知器（监控器8、扬声器、XY平台3）向用户通知移动处于相反方向上。因此，用户可以在移动XY平台3的同时，识别正在错误的方向上操作XY平台3。因此，可以有效地定位样品S。而且，根据需要，第一至第三修改示例可以每个被分开地使用或可以被组合使用。

另外，描述了维氏硬度测试器作为在上述实施例中的硬度测试器100的例子。然而，本发明不限于此。例如，本发明可以被应用到具有偏菱形角锥金刚石压头的努氏硬度测试器或具有球形压头的布氏硬度测试器。

另外，在不偏离本发明的实质的范围内，也可以对构成硬度测试器100的每一个部件的详细结构和操作进行适当的修改。

注意，上述示例被提供为仅用于说明的目的，绝不被解释为限制本发明。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是可以明白，已经在此使用的词语是说明性和例示性的词语，而不是限制性的词语。在不偏离本发明在多个方面上的范围和精神的情况下，可以在当前提供和修改的所附的权利要求的范围内进行改变。虽然已经在此参考特定结构、材料和实施例描述了本发明，但本发明不意欲限于在此公开的细节；而是，本发明扩展到例如在所附权利要求的范围内的所有功能上等同的结构、方法和用途。

本发明不限于上述实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下，各种变化和修改均是可能的。

Claims

1.一种硬度测试器，通过下述方式测量在样品平台上布置的样品的硬度：使用压头在样品的表面上加载预定测试力，以在所述表面上形成压痕，然后测量所述压痕的尺寸，所述硬度测试器包括：

XY平台，被配置为手动地在水平方向上移动所述样品平台；

图像拍摄器，被配置为经由场镜头来拍摄所述样品的所述表面的图像；

显示器，被配置为显示由所述图像拍摄器拍摄的所述样品的所述表面的所述图像；

测试位置指定器，被配置为指定要形成所述压痕的测试位置，可在所述显示器上显示的所述图像上指定所述测试位置；以及

控制器，被配置为与所述XY平台的位移相结合地计算形成所述压痕时在所述测试位置和所述压头的中心位置之间的在水平方向上的偏移量，然后在所述显示器上显示所计算的偏移量，

其中，所述控制器被进一步配置为：基于所计算的偏移量，使通知器执行在所述测试位置和所述压头的所述中心位置之间的距离接近度的通知。

2.根据权利要求1所述的硬度测试器，其中，所述控制器被进一步配置为：当所计算的偏移量是0时，使所述通知器执行所述测试位置已经达到所述压头的所述中心位置的通知。

3.根据权利要求1所述的硬度测试器，其中，当所述控制器基于所计算的偏移量确定所述测试位置正在移动得远离所述压头的所述中心位置时，所述控制器被进一步配置为使所述通知器执行所述位移在相反方向上的通知。

4.根据权利要求2所述的硬度测试器，其中，当所述控制器基于所计算的偏移量确定所述测试位置正在移动得远离所述压头的所述中心位置时，所述控制器被进一步配置为使所述通知器执行所述位移在相反方向上的通知。