CN103900919A

CN103900919A - 硬度试验器和用于硬度试验的方法

Info

Publication number: CN103900919A
Application number: CN201310725910.1A
Authority: CN
Inventors: 有我幸三; 川添胜
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-07-02
Also published as: JP2014126417A; JP6016620B2; DE102013224183A1; US20140177937A1

Abstract

提供可以有效地执行硬度试验的一种硬度试验器和一种用于硬度试验的方法。包括：数据获得部件，用于获得能够指定样品的形状的样品形状数据；图像捕获控制部件，用于控制CCD相机以捕获所述样品的表面的图像，并且获得所述样品的图像数据；匹配部件，用于将通过所述数据获得部件获得的所述样品形状数据与通过所述CCD相机获得的所述样品的所述图像数据相关联；压痕形成部件，用于在已经通过所述匹配部件将所述样品的所述样品形状数据和所述图像数据相关联后使用所述压头在所述样品形状数据上设置的试验位置中形成所述压痕；以及硬度值计算部件，用于在已经通过所述压痕形成部件形成所述压痕后基于使用所述CCD相机捕获的所述压痕来计算所述样品的硬度值。

Description

硬度试验器和用于硬度试验的方法

技术领域

本发明涉及一种硬度试验器和一种用于硬度试验的方法。

背景技术

传统上，公知压力型的硬度试验方法，诸如维氏硬度试验和努氏硬度试验，其中，将具有平面多边形的压头压着样品的表面，然后，从在样品表面产生的多边形压痕中的对角线的长度测量样品的硬度值。这样的硬度试验方法经常用在评估金属材料的机械特性中。

在传统的硬度试验器中，存在下述情况：其中，在多个点处执行硬度试验，诸如因为热处理导致变硬的层的厚度的评估中（参见例如专利文献1）。在该情况下，首先，拍摄样品的多个部分图像。接下来，通过下述方式在多个点处执行自动硬度试验：在从多个获得的部分图像拼接在一起的图像上或在示出通过对于拼接在一起的图像执行图像处理和提取轮廓而获得的样品的形状的图像上确定多个压痕形成位置。

在硬度试验器中，使用高倍显微镜来测量压痕。因此，产生下述情况：其中，在用于确定压痕形成位置的处理中视场变窄。因此，需要以某种方式来获得样品的宽范围图像，使得用户可以明白样品的整个图像。因此，通常，对于诸如硬化层的深度的评估的试验，存在用户关于进行热处理的样品的需要获得硬度的部分的计划，，具体地说是示出样品的大小的CAD数据或示出其中执行硬度试验的位置的计划图。

[引用列表]

[专利文献]

专利文献1：日本专利No.4261418

发明内容

[技术问题]

然而，传统的硬度试验器不包括包含CAD数据和计划图的部件。因此，已经使用来自样品的相机图像的信息来执行了试验位置的编程。因此，上述的传统编程方法要求获得例如样品的宽范围图像，并且因此已经难以执行编程。具体地说，对于传统硬度试验器，用户不可能有效地利用预先准备的数据，并且因此，不能有效地执行硬度试验。

本发明的目的是提供可以有效地执行硬度试验的一种硬度试验器和一种用于硬度试验的方法。

[对于问题的解决方案]

在权利要求1中描述的本发明已经被构想出以实现上面的目的，并且是用于通过下述方式来测量样品的硬度的硬度试验器：通过在压头上加载预定试验力来在样品的表面上形成压痕，并且测量该压痕的尺寸。所述硬度试验器包括：数据获得部件，用于获得能够指定样品的形状的样品形状数据；图像捕获控制部件，用于控制图像捕获部件以捕获所述样品的表面的图像，并且获得所述样品的图像数据；匹配部件，用于将通过所述数据获得部件获得的所述样品形状数据与通过所述图像捕获部件获得的所述样品的所述图像数据相关联；压痕形成部件，用于在已经通过所述匹配部件将所述样品的所述样品形状数据和所述图像数据相关联后使用所述压头在所述样品形状数据上设置的试验位置中形成所述压痕；以及，硬度值计算部件，用于在已经通过所述压痕形成部件形成所述压痕后基于使用所述图像捕获部件捕获的所述压痕来计算所述样品的硬度值。

在权利要求2中描述的本发明是根据权利要求1所述的硬度试验器，其中，所述硬度试验器进一步包括：显示控制部件，用于基于由所述图像捕获部件获得的所述样品的所述图像数据在显示部件上显示所述样品的所述表面的所述图像。

在权利要求3中所述的本发明是根据权利要求2所述的硬度试验器，其中，所述显示控制部件基于由所述图像捕获部件捕获的所述压痕和由所述硬度值计算部件计算的所述样品的所述硬度值在所述显示部件上进一步显示试验结果。

在权利要求4中描述的本发明是根据权利要求2或3所述的硬度试验器，其中，所述硬度试验器进一步包括试验位置设置部件，用于设置在由所述数据获得部件获得的所述样品形状数据上的所述试验位置。

在权利要求5中所述的本发明是一种用于通过下述方式在用于测量样品的硬度的硬度试验器中的硬度试验的方法：通过在压头上加载预定试验力来在样品的表面上形成压痕，并且测量该压痕的尺寸。所述用于硬度试验的方法包括：数据获得步骤，用于获得能够指定样品的形状的样品形状数据；图像捕获控制步骤，用于控制图像捕获部件以捕获所述样品的表面的图像，并且获得所述样品的图像数据；匹配步骤，用于将在所述数据获得步骤中获得的所述样品形状数据与在所述图像捕获步骤中获得的所述样品的所述图像数据相关联；压痕形成步骤，用于在已经在所述匹配步骤中将所述样品的所述样品形状数据和所述图像数据相关联后使用所述压头在所述样品形状数据上设置的试验位置中形成所述压痕；以及，硬度值计算步骤，用于在已经在所述压痕形成步骤中形成所述压痕后基于使用所述图像捕获部件捕获的所述压痕来计算所述样品的硬度值。

[本发明的有益效果]

根据本发明，可以有效地利用在试验之前准备的样品形状数据，并且因此可以有效地执行硬度试验。

附图说明

图1是图示根据本发明的硬度试验器的整体配置的透视图。

图2是图示根据本发明的硬度试验器的硬度试验器主体的示意图。

图3是图示根据本发明的硬度试验器的硬度测量器的示意图。

图4是图示根据本发明的硬度试验器的控制结构的框图。

图5是图示根据本发明的硬度试验器的操作的流程图。

图6是图示样品的示例性样品形状数据的图。

图7是图示在监控器上显示的样品表面的示例性图像的图。

图8是图示在与样品形状数据匹配后的样品表面的示例性图像的图。

具体实施方式

以下，将参考附图描述本发明的实施例的细节。而且，在下面的说明中，在图1中，将X方向定义为左右方向，将Y方向定义为前后方向，并且将Z方向定义为上下方向。另外，将X-Y平面定义为水平平面。

硬度试验器100是例如维氏硬度试验器，其包括具有规则平面形状的压头14a（参见图3）。如图1至4中所示，硬度试验器100被配置有硬度试验器主体10、控制器6、操作器7、监控器8和数据获得器9。

如图2中所示，硬度试验器主体10包括：硬度测量器1，用于测量样品S的硬度；样品台2，其上布置了样品S；XY台3，用于移位样品台2；AF台4，用于在样品S的表面上聚焦；以及，升降机构5，用于升高或降低样品台2（XY台3和AF台4）。

如图3中所示，硬度测量器1被配置有：照明装置11，用于照亮样品S的表面；CCD相机12，用于捕获样品S的表面的图像；以及，转台16。转台16包括压头列14，压头列14包括压头14a和场透镜15。转台16能够通过旋转在压头列14和场透镜15之间转换。

照明装置11发光以照亮样品S的表面。由照明装置11发出的光经由透镜1a、半反射镜1d、反射镜1e和场透镜15到达样品S的表面。

基于经由场透镜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通过捕获样品S的表面的图像获得图像数据并且获得通过压头14a在样品S的表面中形成的压痕。CCD相机12向控制器6输出经由帧抓取器17获得的图像数据，帧抓取器17能够同时累积和存储具有多个帧的图像数据。因此，CCD相机12作为在本发明中的图像捕获部件。

通过响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动的加载机构（在附图中未示出）将压头列14向位于样品台2上的样品S移位。使用预定的试验力将在压头列14的最前端上设置的压头14a压向样品S的表面。本实施例使用四边形锥体维氏压头（具有相对角度136±0.5°）。

场透镜15是聚光透镜，每一个透镜被配置不同的放大率。在转台16的底表面上保留多个场透镜15。通过旋转转台16在样品S上布置场透镜15。由此，由照明装置11发出的光均匀地照亮样品S的表面。

转台16被配置以便使得压头列14和多个场透镜15能够附接到其底表面。转台16也被配置为能够通过围绕Z轴方向旋转转台16而布置压头列14和多个场透镜15的任何一个。具体地说，可以通过在样品S上布置压头列14来在样品S的表面中形成压痕，并且可以通过在样品S上布置场透镜15来观察所形成的压痕。

样品S被布置在样品台2的上表面上，并且使用样品固定器2a被固定在位。XY台3被驱动机构（在附图中未示出）驱动，该驱动机构响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。XY台3然后在垂直于压头14a的移位方向（Z方向）的方向（X和Y方向）上移位样品台2。响应于由控制器6输出的控制信号而驱动AF台4。AF台4然后基于由CCD相机12捕获的图像数据来精密地升高和降低样品台2，以聚焦在样品S的表面上。响应于由控制器6输出的控制信号来驱动升降机构5。升降机构5然后通过在Z方向上移位样品台2（XY台3和AF台4）来改变在样品台2和场透镜15之间的相对距离。

操作器7被配置键盘71和鼠标72。操作器7接收由用户在硬度试验期间输入的操作。另外，当操作器7接收到预定用户输入操作时，与输入操作对应的预定操作信号被产生和输出到控制器6。具体地说，操作器7接收用于选择用于确定压痕的聚焦位置的条件的用户操作。操作器7也接收用于指定样品台2（升降机构5和AF台4）的移位范围（在样品台2和场透镜15之间的相对距离的范围）的用户操作。另外，操作器7接收用于当使用硬度试验器100执行硬度试验时输入试验条件值的用户操作。向控制器6发送输入试验条件值。在此，试验条件值例如是诸如样品S的材料、由压头14a在样品S上加载的试验力（N）或场透镜15的放大率的值。另外，操作器7接收用于选择手动模式和自动模式之一的用户操作，在手动模式中，手动确定压痕的聚焦位置，在自动模式中，自动进行确定。而且，操作器7接收用于当执行硬度试验时编程试验位置的用户操作。

监控器8被配置显示装置，诸如LCD。监控器8显示例如在操作器7上输入的用于硬度试验的设置、硬度试验的结果与样品S的表面和在样品S的表面中形成的压痕的由CCD相机12捕获的图像。因此，监控器8作为在本发明中的显示部件。

数据获得器9是与外部装置执行各种数据（例如，视频信号和音频信号）的发送和接收的接口。数据获得器9的示例包括例如USB、HDMI、蓝牙、有线LAN和无线LAN等。数据获得器9获得例如可以指定样品S的形状的样品形状数据。样品形状数据例如是由CAD（计算机辅助设计）准备的向量数据或位图数据。例如从下述部分获得样品形状数据：磁或光记录介质，诸如在数据获得器9中可装卸地安装的CD-ROM（致密盘ROM）或DVD-ROM（数字通用盘ROM）；以及，经由无线通信连接的服务器等。因此，数据获得器作为本发明的数据获得部件。

如图4中所示，控制器6被配置为包括CPU61、RAM62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试验的操作控制。

CPU61检索在存储器63中存储的处理程序，然后打开和执行在RAM62中的处理程序。CPU61因此执行硬度试验器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，并且在数据存储区域中存储输入数据和当执行处理程序时产生的处理结果。存储器63例如包括记录介质（在附图中未示出），用于存储程序和数据等。记录介质被配置半导体存储器等。另外，存储器63存储各种数据、各种处理程序和通过运行允许CPU61执行硬度试验器100的整体控制的处理程序而被处理的数据。而且，存储器63存储由数据获得器9获得的样品形状数据。

接下来，将参考图5的流程图来描述根据本实施例的硬度试验器100的操作。首先，获得样品形状数据D1（步骤S1：数据获得步骤）。具体地说，CPU61控制数据获得器9使得数据获得器9获得进行硬度试验的样品S的样品形状数据D1。在步骤S1中获得的样品形状数据D1是包括整个样品S的轮廓的形状数据，并且使得能够对于样品S的内部和外部进行确定。而且，在本实施例中，如图6中所示，用户预先在样品形状数据D1上编程试验位置P、…。

接下来，获得样品S的图像数据D2（步骤S2：图像捕获步骤）。具体地说，当已经通过旋转转台16将场透镜15定位在样品S上时，首先，CPU61移位XY台3，以便定位直接在场透镜15下的样品S的表面上的预定区域。接下来，CPU61基于由CCD相机12获得的图像数据升高和降低AF台4以在样品S的表面上执行自动聚焦。然后，在样品S的表面上执行自动聚焦的状态中，CPU61使用CCD相机12捕获样品S的表面的图像，以获得样品S的图像数据D2。CPU61基于所获得的样品S的图像数据D2（参见图7）在监控器8上显示样品S的表面的图像G。具体地说，CPU61作为本发明的图像捕获控制部件，用于控制CCD相机12以捕获样品S的表面的图像并且获得样品S的图像数据D2。而且，CPU61作为本发明的显示控制部件，用于基于由CCD相机12捕获的样品S的图像数据D2来在监控器8上显示样品S的表面的图像G。

接下来，在样品S的样品形状数据D1和图像数据D2之间执行匹配处理（步骤S3：匹配步骤）。具体地说，CPU61执行将在步骤S1获得的样品形状数据D1与在步骤S2获得的样品S的图像数据D2相关联的匹配。在本实施例中，如图7中所示，因为场透镜15的视场而仅获得样品S的图像数据D2的一部分。因此，通过将所获得的图像数据的部分与在样品形状数据D1中包括的样品S的轮廓作比较并且适当地校正在X和Y方向和旋转方向上的差来执行匹配。由此，如图8中所示，基于样品S的图像数据D2，在图像G上重叠地在监控器8上显示在样品形状数据D1上设置的试验位置。具体地说，CPU61作为本发明的匹配部件，用于将由数据获得器9获得的样品形状数据D1与由CCD相机12获得的样品S的图像数据D2相关联。因为该匹配使得能够引用样品形状数据D1，所以变得有可能不仅明白样品S的一部分中的试验位置而且明白在整个样品S中的试验位置。因此，在未获得整个样品S的图像数据的情况下，对于整个样品S的硬度试验变得有可能。

接下来，使用压头14a在样品形状数据D1上设置的试验位置P、…中形成压痕（步骤S4：压痕形成步骤）。具体地说，首先，CPU61通过参考在样品形状数据D1上的试验位置来移动样品S（样品台2），使得在与压头14a相对的位置布置预定试验位置（用于初始循环的试验开始点）。CPU61然后使用压头14a在试验位置中形成压痕。因此，CPU61作为本发明的压痕形成部件，用于在已经在步骤S3中关联样品形状数据D1和图像数据D2后使用压头14a在样品形状数据D1上设置的试验位置P、…中产生压痕。

接下来，计算样品S的硬度值（步骤S5：硬度值计算步骤）。具体地说，当已经通过旋转转台16将场透镜15定位在样品S上时，CPU61使用CCD相机12来捕获样品S的表面的图像以获得图像数据。CPU61然后分析从CCD相机12输出的样品S的表面的图像数据，以测量在样品S的表面中形成的压痕的对角线的长度。然后，CPU61基于所测量的该对角线的长度来计算样品S的硬度值。因此，CPU61作为本发明的硬度值计算部件，用于基于在已经在步骤S4中形成压痕后使用CCD相机12捕获的压痕来计算样品S的硬度值。

如上所述，根据本实施例的硬度试验器100包括：数据获得器9，用于获得能够指定样品S的形状的样品形状数据D1；图像捕获控制部件（CPU61），用于控制CCD相机12捕获样品S的表面的图像并且获得样品S的图像数据D2；匹配部件（CPU61），用于将由数据获得器9获得的样品形状数据D1与由CCD相机12获得的样品S的图像数据D2相关联；压痕形成部件（CPU61），用于在已经通过匹配部件将样品形状数据D1与样品S的图像数据D2相关联后在样品形状数据D1上设置的试验位置P、…中使用压头14a形成压痕；以及，硬度值计算部件（CPU61），用于基于压痕来计算样品S的硬度值，压痕的图像被CCD相机12在通过压痕形成部件形成压痕后捕获。因此，根据本实施例的硬度试验器100，可以获得和使用能够指定样品S的形状的样品形状数据D1，并且因此，可以有效地利用在试验之前准备的样品形状数据D1，使能有效的硬度试验。

而且，根据本实施例的硬度试验器100，可以获得和使用能够指定样品S的形状的样品形状数据D1，并且因此有可能自动地确定样品S的内部和外部。因此，有可能防止在样品S的范围之外的位置执行硬度试验。

而且，根据本实施例的硬度试验器100，可以加载其上由用户预先编程试验位置P、…的样品形状数据D1以在样品形状数据D1上设置的试验位置P、…中形成压痕。因此，变得有可能减少用于硬度试验的设置，并且更有效地执行硬度试验。

另外，根据本实施例的硬度试验器100进一步包括显示控制部件（CPU61），用于基于由CCD相机12获得的样品S的图像数据D2在监控器8上显示样品S的表面的图像G。因此，可以显示在匹配后的图像G等，并且用户可以可视地识别在图像G上重叠和显示的试验位置P、…。

在上面，基于根据本发明的实施例给出了具体说明。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下被修改。

例如，在上述实施例中，在图5的步骤S1中获得样品形状数据D1后，在步骤S2中获得样品S的图像数据D2。然而，本发明不限于此。例如，在步骤S1中获得样品S的图像数据D2后，可以在步骤S2中获得样品形状数据D1。

另外，在上述实施例中，用户预先在样品形状数据D1上编程试验位置P、…。然而，本发明不限于此。例如，当在图5的步骤S1中还没有在样品形状数据D1上编程试验位置P、…时，在获得样品形状数据D1后，可以在监控器8上显示样品形状数据D1，以经由操作器7在样品形状数据D1上编程试验位置P、…。在该情况下，操作器7作为本发明的试验位置设置部件，用于设置在由数据获得器9获得的样品形状数据D1上的试验位置P、…。通过编程在样品形状数据D1上的试验位置P、…，与其中在样品S的图像数据D2上编程试验位置P、…的传统情况作比较，可以在更清楚的图像上执行编程，而没有不必要的图案和划痕等。

而且，在上述实施例中，监控器8显示基于样品S的图像数据D2的样品S的表面的图像G和在将样品S的样品形状数据D1与图像数据D2匹配后的图像G。然而，本发明不限于此。例如，下述配置是可能的：其中，不包括监控器8，并且不显示上述图像G等。而且，在上述实施例中，监控器8显示样品S的轮廓和编程的试验（计划）位置P、…；然而，本发明不限于此。例如，除了上面的显示之外，可以基于由CCD相机12捕获的压痕和由硬度值计算部件计算的样品S的硬度值来显示试验执行位置、硬度值、硬度分布轮廓图或根据硬度的诸如颜色或有色带的试验结果。使用用于如上所述显示试验结果的监控器8，可以以详细和容易明白的方式来向用户报告试验结果。

而且，在上述发明中，通过将在图5的步骤S2中获得的部分的图像数据与在样品形状数据D1中包括的样品S的轮廓作比较，并且通过适当地校正在X和Y方向上和在旋转方向上的差来执行匹配处理；然而，本发明不限于此。例如，能够示出整个样品S的宽范围图像可以被获得和与样品形状数据D1作比较以执行匹配处理。另外，即使当样品形状数据D1是示出不是整个样品S而是样品S的一部分的轮廓的形状数据时，也可以通过将样品形状数据D1与所获得的部分的图像数据或宽范围图像作比较并且通过进行适当的校正来执行匹配处理。而且，可以预先在样品台2上设置夹具，使得在其中所获得的样品S的图像数据D2自动匹配样品形状数据D1的位置中布置样品S。另外，匹配处理可以使用任何方法，只要在样品S的样品形状数据D1和图像数据D2之间的匹配是可能的。

另外，也可以在不偏离本发明的范围的情况下，根据需要对于构成硬度试验器100的每一个部件的详细结构和操作进行修改。

[附图标记列表]

100：硬度试验器

10：硬度试验器主体

1：硬度测量器

11：照明装置

12：CCD相机（图像捕获部件）

14：压头列

14a：压头

15：场透镜

16：转台

17：帧抓取器

2：样品台

3：XY台

4：AF台

5：升降机构

6：控制器

61：CPU（图像捕获控制部件、匹配部件、压痕形成部件、硬度值计算部件和显示控制部件）

62：RAM

63：存储器

7：操作器（试验位置设置部件）

8：监控器（显示部件）

9：数据获得器（数据获得部件）

S：样品

Claims

1.一种硬度试验器，通过下述方式来测量样品的硬度：通过在压头上加载预定试验力在样品的表面上形成压痕，并且测量该压痕的尺寸，其中，所述硬度试验器包括：

数据获得部件，用于获得能够指定样品的形状的样品形状数据；

图像捕获控制部件，用于控制图像捕获部件以捕获所述样品的表面的图像，并且获得所述样品的图像数据；

匹配部件，用于将通过所述数据获得部件获得的所述样品形状数据与通过所述图像捕获部件获得的所述样品的所述图像数据相关联；

压痕形成部件，用于在已经通过所述匹配部件将所述样品的所述样品形状数据和所述图像数据相关联后使用所述压头在所述样品形状数据上设置的试验位置中形成所述压痕；以及，

硬度值计算部件，用于在已经通过所述压痕形成部件形成所述压痕后基于使用所述图像捕获部件捕获的所述压痕来计算所述样品的硬度值。

2.根据权利要求1所述的硬度试验器，其中，所述硬度试验器进一步包括：显示控制部件，用于基于由所述图像捕获部件获得的所述样品的所述图像数据在显示部件上显示所述样品的所述表面的所述图像。

3.根据权利要求2所述的硬度试验器，其中，所述显示控制部件基于由所述图像捕获部件捕获的所述压痕和由所述硬度值计算部件计算的所述样品的所述硬度值在所述显示部件上进一步显示试验结果。

4.根据权利要求2或3所述的硬度试验器，其中，所述硬度试验器进一步包括试验位置设置部件，用于设置在由所述数据获得部件获得的所述样品形状数据上的所述试验位置。

5.一种硬度试验方法，，通过下述方式在硬度试验器中测量样品的硬度：通过在压头上加载预定试验力在样品的表面上形成压痕，并且测量该压痕的尺寸，其中，所述硬度试验方法包括：

数据获得步骤，用于获得能够指定样品的形状的样品形状数据；

图像捕获控制步骤，用于控制图像捕获部件以捕获所述样品的表面的图像，并且获得所述样品的图像数据；

匹配步骤，用于将在所述数据获得步骤中获得的所述样品形状数据与在所述图像捕获步骤中获得的所述样品的所述图像数据相关联；

压痕形成步骤，用于在已经在所述匹配步骤中将所述样品的所述样品形状数据和所述图像数据相关联后使用所述压头在所述样品形状数据上设置的试验位置中形成所述压痕；以及，

硬度值计算步骤，用于在已经在所述压痕形成步骤中形成所述压痕后基于使用所述图像捕获部件捕获的所述压痕来计算所述样品的硬度值。