CN109991109B - 测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种将压头按压于材料表面来评价材料特性的测量装置，其中，该测量装置紧凑且能够利用弹簧的变形来高精度地控制大范围的力。测量装置(100)利用变形量越大弹簧常数越大的非线性弹簧(104)所产生的负荷将压头(105)按压于材料表面来评价材料特性。测量装置(100)包括：致动器(103)，其使非线性弹簧(104)变形；标尺(106)，其对使非线性弹簧(104)进行变形时的非线性弹簧(104)的变形量进行测量；以及控制部(110)，其保存用于使变形量和负荷相互换算的非线性弹簧特性数据，该控制部根据变形量和非线性弹簧特性数据来驱动致动器(103)，使负荷达到目标负荷。

Description

测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种利用弹簧的变形将压头按压于材料表面来评价材料特性的测量装置。
背景技术
以往，公知有一种通过将压头以预定的力按压于材料来测量材料的特性的测量装置。例如，公知有一种通过将压头按压于材料表面并形成压痕来测量材料的硬度的硬度试验机。另外，公知有一种通过将压头按压于材料表面并使材料断裂来测量材料的强度的强度试验机。
作为以往的测量装置的一个例子，存在专利文献1。在专利文献1中，记载有一种上述那样的硬度测量装置，该硬度测量装置包括用于防止超过规定值的负荷施加控制机构。
图1是表示以往的测量装置的典型构造的示意图。测量装置具有：载置台，其用于载置工件；框架，其向载置台的上方延伸；致动器，其支承于框架；弹簧，其一端接触于致动器且在另一端保持有压头；以及标尺，其对弹簧的变形进行测量。致动器和弹簧以两者的伸缩轴线一致的方式配置。当致动器伸长时，弹簧收缩，使压头按压于工件。标尺对此时的弹簧的变形量进行测量，将变形量乘以弹簧常数而计算出作用于工件的负荷。
弹簧通过以下的两个效果来控制作用于工件的负荷。
(1)将变形转换成力。
弹簧的形状的变化量(变形量)和负荷大致处于比例关系。因此，若控制致动器而使弹簧的变形量成为预定值，则能够对工件施加预定的负荷。因此，弹簧越柔软(每单位负荷的变形量越多)，负荷控制的精度越高。
(2)防止因工件的变形等而使力急剧变化。
即使在因作用于工件表面的负荷而使工件变形并且接触于压头的工件表面向离开压头的方向移动的情况下，弹簧也会变形而使压头追随表面。即，持续按压工件表面。此时，负荷根据弹簧的变形量而相应地增减，但不会急剧减少。另一方面，若为不具有弹簧且致动器直接施加负荷的构造，则在工件变形或移动的情况下压头无法追随工件，存在负荷急剧减少的情况。特别是，致动器难以追随工件的裂纹扩大等的不易预测的变形。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许3332362号
发明内容
发明要解决的问题
弹簧越柔软(弹簧常数越低)，测量装置的弹簧所发挥的上述效果(1)和效果(2)越高。另一方面，存在如下那样的问题，弹簧越柔软，为了得到期望的负荷而所需的变形量和致动器的行程越大。若弹簧的变形量、致动器的行程变大，则弹簧、致动器的体积变大，测量装置的体积也变大。而且，测量装置的设计的限制变大。另外，在工件断裂而使弹簧恢复最初的形状(自由长度)时，压头到达并弄伤载置台的可能性变大。另外，若弹簧的可变形量(行程)变大，则积蓄于弹簧的能量会变大，因此，工件断裂时破坏工件、载置台或碎片弄伤人、物的风险变高。因此，以往，需要对这些效果和问题点进行比较衡量并选择适当的弹簧硬度(弹簧常数)。
另外，根据测量对象的材料、测量的目的，适当的弹簧的硬度(弹簧常数)也不同。例如，在材料柔软的情况下，为了施加较小的负荷，弹簧较柔软为宜。另一方面，在材料较硬的情况下，由于需要施加较大的负荷，因此弹簧较硬为宜。另一方面，为了检测压头接触于工件的瞬间的较弱的力，弹簧较柔软为宜。
基于这样的情况，以往，根据可控制的力的范围、欲测量的工件的硬度、以及测量的目的、需要的精度等，而相应地提供多个测量装置。这种根据用途来相应地分开使用多个测量装置的做法非常烦杂且成本高。
本发明是为了解决这样的问题点而做出的，其目的在于，提供一种利用弹簧的变形将压头按压于材料表面来评价材料特性的测量装置，其中，该测量装置紧凑且能够高精度地控制大范围的力。
用于解决问题的方案
本发明提供一种测量装置，其将压头按压于材料表面来评价材料特性，其中，该测量装置包括：非线性弹簧，其变形量越大，弹簧常数越大，该非线性弹簧通过变形而产生将所述压头按压于所述材料表面的负荷；致动器，其使所述非线性弹簧变形；标尺，其对使所述非线性弹簧进行所述变形时的所述非线性弹簧的变形量进行测量；以及控制部，其保存用于使所述变形量和所述负荷相互换算的非线性弹簧特性数据，该控制部根据所述变形量和所述非线性弹簧特性数据来驱动所述致动器，从而使所述负荷达到目标负荷。
在本发明的测量装置中，所述非线性弹簧是将多个弹簧串联连结起来而成的，所述弹簧具有限制器，当超过预定的负荷时，该限制器阻止所述弹簧发生变形，所述非线性弹簧整体的负荷越大，对变形做贡献的弹簧的数量越少。
在本发明的测量装置中，所述非线性弹簧是以将多个弹簧并联连结起来的方式配置而成的，所述弹簧具有连结部，当所述弹簧的变形量超过阈值时，该连结部连结于另外的线性弹簧，所述非线性弹簧整体的变形量越大，对负荷做贡献的弹簧的数量越多。
在本发明的测量装置中，所述控制部根据所述目标负荷和所述非线性弹簧特性数据来计算出目标变形量，且驱动所述致动器，来增减与所述目标变形量和所述标尺测量出的所述非线性弹簧的当前变形量之间的差值相当的变形量。
在本发明的测量装置中，所述控制部根据所述非线性弹簧特性数据和所述标尺测量出的所述非线性弹簧的当前变形量来计算出当前负荷，且驱动所述致动器，追加输出相当于所述目标负荷与所述当前负荷之间的差值的负荷。
发明的效果
采用本发明，能够提供一种将压头按压于材料表面来评价材料特性的测量装置，其中，该测量装置紧凑且能够利用弹簧的变形来高精度地控制大范围的力。
附图说明
图1是表示以往的测量装置的一个例子的示意图。
图2是表示本发明的实施方式的测量装置100的一个例子的示意图。
图3是表示按压弹簧的构造的剖视图。
图4是表示具有限制器107的按压弹簧的构造的剖视图。
图5是表示非线性弹簧104的一个例子的剖视图。
图6是表示非线性弹簧104的一个例子的剖视图。
图7是表示非线性弹簧104的一个例子的剖视图。
附图标记说明
100、测量装置；101、载置台；102、框架；103、致动器；104、弹簧(非线性弹簧)；1041、线性弹簧(按压弹簧)；10411、10412、10413、线性弹簧(按压弹簧)；1042、线性弹簧(按压弹簧)；10421、10422、10423、线性弹簧(按压弹簧)；105、压头；106、标尺；107、限制器；108、连结部；110、控制部。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边详细说明应用有本发明的具体的实施方式。首先，使用图2的示意图来说明本发明的实施方式的测量装置100的结构。测量装置100具有：载置台101，其用于载置工件；框架102，其自载置台101看时向工件的背后方向延伸；致动器103，其支承于框架102；弹簧104，其一端接触于致动器103且在另一端保持有压头105；标尺106，其对弹簧104的变形进行测量；以及控制部110，其对致动器103的驱动进行控制。
致动器103和弹簧104以两者的伸缩轴线一致的方式配置。随着致动器103的伸长，弹簧104和压头105朝向工件表面移动，这样，当压头105按压于工件表面时，弹簧104自最初的形状(自由长度)起变形。标尺106测量此时的弹簧104的变形量。此外，在变形量的测量方法中，存在测量变形前后的弹簧的形状(例如弹簧的长度)而求出差值的间接方法和对变形量(例如弹簧的伸缩量)进行测量(例如标尺的滑块与弹簧的伸缩相连动)的直接方法，采用哪一种方法都可以。此外，按压于工件表面的压头105即使在因负荷而使工件变形或移动的情况下，也会通过弹簧104的变形而一定程度地追随工件表面。
控制部110保存有弹簧特性数据。弹簧特性数据是表示弹簧104的变形量与弹簧104产生的力(即压头105施加于工件的负荷)之间的关系的数据。控制部110监测标尺106测量出的弹簧104的变形量。例如，每隔固定时间取得测量值。然后，根据弹簧104的变形量的测量值和弹簧特性数据来计算出负荷。
最简单的是，若假设弹簧104是按照弹簧常数而与负荷相对应地线性变形的1个弹簧，则弹簧104的弹簧特性数据能够以弹簧系数来表示。在该情况下，控制部110能够通过对自弹簧104的最初的形状(自由长度)减去标尺106测量出的测量值而得到的弹簧的当前变形量乘以弹簧常数来计算出作用于工件的负荷。(此外，这是用于说明弹簧特性数据的意义的例示。如后述那样，在本实施方式中，采用非线性弹簧作为弹簧104。该情况下的弹簧特性数据是非线性弹簧的数据。)
对控制部110施加应对工件施加的负荷即目标负荷。例如，用户使用未图示的输入部件来输入目标负荷。或者，也可以是，借助通信接口等向控制部110输入自外部装置输出的目标负荷。
典型的是，控制部110一边以固定周期对上述负荷进行计算处理，一边控制致动器103而得到目标负荷。在致动器103为长度指定类型(例如由滚珠丝杠+步进马达构成的指定致动器的移动距离并进行驱动的类型、由滚珠丝杠+标尺+伺服马达构成的指定致动器的移动距离并进行驱动的类型)的情况下，控制部110进行以下那样的控制。
(1)将目标负荷换算为目标变形量。
控制部110根据弹簧特性数据计算出为了得到目标负荷而需要的弹簧104的变形量(目标变形量)。
(2)使致动器103移动与从目标变形量中减去当前变形量后的变形量相对应的距离。
控制部110计算出目标变形量与由标尺106测得的弹簧104的变形量的测量值(当前变形量)之间的差值。差值的正负与致动器移动的方向(例如伸长和收缩)相对应。由此，若不考虑工件的变形等的话，则能期待弹簧104变形而达到目标变形量。
若因工件发生变形等而弹簧104未达到目标变形量的情况下，控制部110重复地执行(2)的处理。在能够预测工件的变形量的情况下，也可以是，在对(2)中的差值加上所预测的工件变形量之后使致动器103移动。此外，在不容许超过目标负荷的情况下，也可以是，不加上工件变形量，或通过乘以预定的系数等来谨慎地估计工件变形量。
另一方面，在致动器103为力指定类型(例如为由能发出与电流成比例的力的音圈构成那样的指定致动器所输出的负荷并进行驱动的类型)的情况下，控制部110进行以下那样的控制。
(1)将当前变形量换算成当前负荷。
控制部110根据弹簧特性数据来计算与标尺106测得的弹簧104的变形量的测量值(当前变形量)相对应的负荷(当前负荷)。
(2)驱动致动器103而使负荷增加与自目标负荷中减去当前负荷后的负荷相对应的值。
控制部110计算出目标负荷与当前负荷之间的差值。差值的正负与致动器移动的方向(例如伸长和收缩)相对应。
若在由于致动器103的误差等而在(2)的处理后当前负荷仍未达到目标负荷的情况下，控制部110重复(1)和(2)的处理。
说明弹簧104。为了将由弹簧104保持着的压头105笔直地压于工件表面，对弹簧104要求针对所期待的变形(例如伸缩轴线方向的伸缩变形)以外的变形具有较高的刚性。作为能够实现该要求的弹簧而存在图3那样的弹簧。
图3是从横向看按压弹簧的剖视图。该按压弹簧是将两张长方形的板簧夹着间隔件重叠而得到的。该按压弹簧相对于箭头所示的伸缩轴线方向上的力根据弹簧常数进行变形，即使被输入有其他方向上的力，该按压弹簧也极不易变形(即刚性较高)。该按压弹簧在为单体的情况下是线性弹簧。即，当输入有伸缩轴线方向上的负荷时，根据弹簧常数来线性变形。
在本实施方式中，具有如下特征，即，将特性不同的多个线性弹簧组合而构成非线性弹簧，且采用该非线性弹簧作为弹簧104。并且，控制部110预先保存有非线性弹簧104特有的弹簧特性数据，使用该弹簧特性数据进行上述那样的致动器103的控制。以下，作为实施例，公开使用有图3所示那样的按压弹簧的非线性弹簧104的结构例和与该非线性弹簧104相对应的弹簧特性数据的例子。
＜实施例1＞
在实施例1中，通过将弹簧常数不同的多个线性弹簧串联地配置来构成非线性弹簧104。使用图4和图5来说明实施例1的非线性弹簧104的构造。在此，串联指的是，合成弹簧的变形是各个弹簧的变形的总和，合成弹簧的负荷对于各个弹簧而言是共同的。
图4的左图是对作为非线性弹簧104的结构要素的线性弹簧1041的构造进行说明的剖视图。图4的右图是表示该线性弹簧1041的特性(变形量相对于负荷的推移)的图表。在该线性弹簧1041中，在两张板簧之间配置有为了阻止固定量以上的变形(压缩)而发挥作用的限制器107。当作用于线性弹簧1041的压缩力(箭头所示)增加时，两张板簧之间的距离逐渐接近，但在达到固定的距离时，限制器107进行干涉而不产生进一步的变形。
图5的左图是说明非线性弹簧104的构造的剖视图。该非线性弹簧104是将具有在图4中说明的构造的多个线性弹簧1041串联地重叠而构成的。多个线性弹簧1041各自的硬度(弹簧常数)不同。
作为一个例子，想到将弹簧常数不同的3个线性弹簧1041即软弹簧10411、中弹簧10412、硬弹簧10413这3种压缩弹簧重叠而成的非线性弹簧104。对于弹簧常数，软弹簧10411的弹簧常数＜中弹簧10412的弹簧常数＜硬弹簧10413的弹簧常数。将此时的非线性弹簧104的特性(变形量相对于负荷的推移)表示在图5的右图中。当对非线性弹簧104施加箭头所示的压缩力时，在负荷为0～a的区间中，软弹簧10411、中弹簧10412、硬弹簧10413一起变形(压缩)。在负荷a的条件下软弹簧10411到达限制器107。将此时的非线性弹簧104整体的变形量设为A。在负荷为a～b的区间中，仅中弹簧10412、硬弹簧10413变形。在负荷b的条件下中弹簧10412到达限制器107。将此时的非线性弹簧104整体的变形量设为B。在负荷为b～c的区间中，仅硬弹簧10413变形。在负荷c的条件下硬弹簧10413到达限制器107。将此时的非线性弹簧104整体的变形量设为C。在负荷c之后的区间中，全部的线性弹簧1041均到达限制器107，因此不会再进一步变形。即，在该例子中，非线性弹簧104整体的负荷越大，对变形做贡献的线性弹簧1041的数量越减少。另外，各线性弹簧1041(10411、10412、10413)的变形的总和成为非线性弹簧104整体的变形。
控制部110将图5的右图中用粗线示出的非线性弹簧104的特性(变形量相对于负荷的推移)保存为弹簧特性数据。例如，也可以将表示非线性弹簧104的特性的直线方程式按照负荷的区间(负荷为0～a、负荷为a～b、负荷为b～c、负荷c以上)和/或变形量的区间(变形量为0～A、变形量为A～B、变形量为B～C、变形量C以上)分别保存。或者，也可以利用表格等其他形式来保存定义了负荷与变形量之间的对应关系后的数据。若知道变形量，则能根据最初的形状(自由长度)而知道变形后的形状，因此控制部110能够参照这样的方程式、表格来计算出非线性弹簧104的与负荷相对应的形状或与非线性弹簧104的形状相对应的负荷。
此外，软弹簧10411、中弹簧10412、硬弹簧10413的配置顺序不影响非线性弹簧104的特性。但是，从确保刚性的观点出发，优选的是，将更硬的线性弹簧1041配置于接近致动器103的一侧，将更柔软的线性弹簧1041配置于远离致动器103的一侧。也就是说，优选的是，自接近致动器103的一侧起依次配置硬弹簧10413、中弹簧10412、软弹簧10411，使软弹簧10411保持压头105。
＜实施例2＞
在实施例2中，通过将弹簧常数不同的多个线性弹簧1042以并联连结的方式配置，从而构成了非线性弹簧104。使用图6和图7来说明实施例2的非线性弹簧104的构造。在此，并联指的是，合成弹簧的力是各个弹簧的力的总和，合成弹簧的变形对于各个弹簧而言是共同的。
图6是对作为非线性弹簧104的结构要素的线性弹簧1042的构造进行说明的剖视图。在该线性弹簧1042中配置有与其他线性弹簧1042相接触并传递负荷的连结部108(图6的左图和右图)。另外，也可以是，在线性弹簧1042中也配置有为了阻止固定量以上的变形(缩短)而发挥作用的限制器107(图6的右图)。
图7是表示实施例2的非线性弹簧104的构造的一个例子的剖视图。该非线性弹簧104是将具有在图6中说明的构造的多个线性弹簧1042并联且嵌套地组合起来而构成的。在该情况下，同样地，多个线性弹簧1042各自的硬度(弹簧常数)不同。在图7的例子中，自外侧起，软弹簧10421、中弹簧10422、硬弹簧10423这3种线性弹簧1042进行嵌套。线性弹簧1042各自在初始状态下为变形前的形状(自由长度)。各按压弹簧的变形前的形状(自由长度)按照软弹簧10421＞中弹簧10422＞硬弹簧10423的顺序变长。因此，在各线性弹簧1042(10421、10422、10423)之间存在一定的余隙。
当对非线性弹簧104施加箭头所示的负荷时，首先，仅软弹簧10421变形(缩短)而承受负荷。当负荷进一步增加而持续变形时，软弹簧10421和中弹簧10422经由各自的连结部108相接触，软弹簧10421和中弹簧10422一起变形(缩短)而承受负荷。当负荷进一步增加而持续变形时，中弹簧10422和硬弹簧10423经由各自的连结部108相接触，软弹簧10421、中弹簧10422以及硬弹簧10423一起变形(缩短)而承受负荷。如此，实施例2的非线性弹簧104示出以下特性：随着负荷增加而持续变形，进行变形(缩短)而承受负荷的线性弹簧1042变多，弹簧常数变大。另外，各线性弹簧1042(10421、10422、10423)承受的负荷的总和成为非线性弹簧104整体承受的负荷。
与实施例1同样地，控制部110能够将非线性弹簧104的特性以方程式、表格等任意的形式预先保存。由此，控制部110能够参照方程式、表格等来计算出非线性弹簧104的与负荷相对应的变形量或与非线性弹簧104的变形量相对应的负荷。
本实施方式的测量装置100包括具有以下特性的非线性弹簧104，该非线性弹簧104在变形较小时较柔软(弹簧常数较小)，且随着变形增大而变硬(弹簧常数变大)。非线性弹簧104为1个且涵盖大范围的弹簧常数，因此，特别是，能够在维持压头接触于工件时等的负荷控制的精度、压头追随工件表面的追随性的同时也对各种硬度的材料进行测量。另外，能够使测量装置100小型化，能够抑制设计上的限制。换言之，通过将以往技术的线性弹簧变为非线性弹簧104且使测量装置100与非线性特性相对应，能够在不增大测量装置100的情况下扩大可控制的力的范围，能够扩大可测量的工件的种类。由于能够在自较小的力到较大的力的范围内大致同样地确保力的相对精度，因此能够高精度地测量大范围的硬度等的材料特性。
另外，在本实施方式中，通过将可容易地制造出来的线性弹簧简单地连结起来，能够容易且低成本地制造非线性弹簧104。另外，由于是将针对未期待的变形的刚性较高的线性弹簧连结起来，因此，在非线性弹簧104中也能够确保相同的刚性。另外，由于成为非线性弹簧104的基础的线性弹簧的特性与非线性弹簧104的特性之间的关系比较简单，因此能够容易地设计具有期望的特性的非线性弹簧104。并且，成为非线性弹簧104的基础的线性弹簧能够利用所谓的成熟技术来进行设计和制造，因此，能够期待较高的精度，在将该线性弹簧简单地连结起来而成的非线性弹簧104中，也能够期待较高的精度。并且，实施例2的非线性弹簧104是通过将线性弹簧嵌套地组合起来而成的，从而非常紧凑。
此外，本发明并不限于上述实施方式，而能够在不脱离主旨的范围适宜变更。例如，在上述实施方式中，示出了自弹簧104借助压头105对工件传递负荷的结构，但本发明并不限定于此，弹簧104产生的力也可以经由杠杆等任意的机构间接地传递至工件。
另外，在上述实施方式中，示出了通过将多个线性弹簧串联配置或并联配置来构成非线性弹簧104的例子。然而，本发明并不限定于此，也可以通过将多个线性弹簧的串联配置和并联配置相组合来构成弹簧104。
另外，在上述实施方式中，作为构成非线性弹簧104的多个线性弹簧，主要示出了采用伸缩弹簧的例子。然而，本发明并不限定于此，也可以采用其他任意种类的弹簧(例如板簧等)作为构成非线性弹簧104的线性弹簧。
另外，在弹簧104中被串联、并联连结的弹簧也可以不是线性弹簧。也可以是大致线性的弹簧。也可以是，特意采用具有非线性特性的弹簧(例如不等节距线圈、锥形线圈等)，进一步扩大弹簧常数的可动范围。另外，还能够利用单个非线性弹簧来构成弹簧104。

Claims (5)

1.一种测量装置，其将压头按压于材料表面来评价材料特性，其中，
该测量装置包括：
非线性弹簧，其变形量越大，弹簧常数越大，该非线性弹簧通过变形而产生将所述压头按压于所述材料表面的负荷；
致动器，其使所述非线性弹簧变形；
标尺，其对使所述非线性弹簧进行所述变形时的所述非线性弹簧的变形量进行测量；以及
控制部，其保存用于使所述变形量和所述负荷相互换算的非线性弹簧特性数据，该控制部根据所述变形量和所述非线性弹簧特性数据来驱动所述致动器，从而使所述负荷达到目标负荷。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，
所述非线性弹簧是将多个弹簧串联连结起来而成的，
所述弹簧具有限制器，当超过预定的负荷时，该限制器阻止所述弹簧发生变形，
所述非线性弹簧整体的负荷越大，对变形做贡献的弹簧的数量越少。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中，
所述非线性弹簧是以将多个弹簧并联连结起来的方式配置而成的，
所述弹簧具有连结部，当所述弹簧的变形量超过阈值时，该连结部连结于另外的弹簧，
所述非线性弹簧整体的变形量越大，对负荷做贡献的弹簧的数量越多。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其中，
所述控制部根据所述目标负荷和所述非线性弹簧特性数据来计算出目标变形量，且驱动所述致动器，使所述致动器移动相当于所述目标变形量与所述标尺测量出的所述非线性弹簧的当前变形量之间的差值的距离。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其中，
所述控制部根据所述非线性弹簧特性数据和所述标尺测量出的所述非线性弹簧的当前变形量来计算出当前负荷，且驱动所述致动器，追加输出相当于所述目标负荷与所述当前负荷之间的差值的负荷。
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