DE19960017A1 - Härteprüfvorrichtung - Google Patents

Abstract

Härteprüfvorrichtung mit geringerer Größe, was dadurch erreicht ist, daß die Länge der Versetzung des XY Tisches für ein großes Prüfmaterial verkürzt ist. Eine Laserbestrahlungseinheit (70) wird zweidimensional entlang der X oder Y Achse versetzt und wirft einen Laserstrahl auf das Prüfmaterial W, das sich auf dem Tisch (10) befindet. Der Laserstrahl wird optisch überwacht und es wird eine Sollmeßposition bestimmt. Die Überwachungseinheit (45) wird zu einer bestimmten Sollposition entlang der X oder Y Achse versetzt und diese Position wird mittels der Überwachungseinheit (45) überwacht. Wenn die Position nicht auf eine Kristallgrenze fällt, wird die Belastungseinheit (55) zweidimensional bewegt und wird mittels der Eindruckeinrichtung (55a) ein Eindruck an dieser Position ausgebildet. Das Bild des Eindrucks wird über die Überwachungseinheit (45) aufgenommen und die Härte wird dadurch ermittelt, daß die diagonale Länge des Eindrucks über eine Bildverarbeitung berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Härteprüfvorrichtung, bei der insbesondere die Meßposition, an der eine Eindruckein­ richtung eine Belastung überträgt, überwacht und festgelegt wird.

Eine bekannte Härteprüfvorrichtung hat üblicherweise einen Aufbau, bei dem eine bestimmte Belastung auf ein zu prüfendes Material über eine Eindruckeinrichtung ausgeübt wird, um einen Eindruck zu bilden, wobei die Härte des Mate­ rials über die Form des Eindrucks bestimmt wird. Bei einer Härteprüfvorrichtung mit diesem Aufbau, die dem JP-GM 5-45964 beschrieben ist, wird das zu prüfende Material auf einem Tisch angeordnet, der längs der X und Y Achsen bewegt werden kann, wird die Meßposition optisch mittels eines Mikroskops bestimmt, das über dem Tisch angeordnet ist, und wird durch eine Eindruckeinrichtung ein Eindruck an dieser Position im Material gebildet.

Eine Härteprüfvorrichtung mit dem obigen Aufbau ist jedoch mit den folgenden Schwierigkeiten verbunden:

• 1. Um die Meßposition zu bestimmen, muß der Tisch in einer X-Y Ebene versetzt werden. Je größer dann das zu prü­ fende Material wird, um so länger wird die Versetzungsstrecke des Tisches. Die X und die Y Tische werden daher größer. Der Versetzungsbereich der X und Y Tische ist etwa viermal so groß wie die Größe des zu prüfenden Materials.
• 2. Da der Abstand zwischen der Eindruckeinrichtung und dem Tisch oder der Abstand zwischen dem Mikroskop und dem Tisch dadurch eingestellt wird, daß ein Z Tisch auf- und abbewegt wird, kann es vorkommen, daß die Härte eines kon­ kaven Teils nicht gemessen werden kann. Wenn weiterhin das zu prüfende Material konvexe oder konkave Teile aufweist, wird der Einrichtungsvorgang zum Festlegen einer Vielzahl von Meßpositionen sehr kompliziert. Das Einrichten erfolgt in herkömmlicher Weise wie folgt: Es wird eine Meßposition an dem zu prüfenden Material mittels eines Mikroskops über­ wacht, festgelegt und gespeichert. Danach wird das Objektiv des Mikroskops vom Material entfernt, indem der Tisch abge­ senkt wird, um einem möglichen konvexen Teil am Material aus dem Weg zu gehen. Danach wird der Tisch längs der X und Y Achsen versetzt und wird die nächste Meßposition optisch überwacht und bestimmt. Anschließend wird der Tisch in die Brennebene des Mikroskops nach oben bewegt, wird die Ober­ fläche des Materials betrachtet und wird die Position be­ stimmt und gespeichert.
• 3. Um eine Meßposition zu bestimmen, wird die virtuelle optische Achse des Objektives des Mikroskops auf eine Soll­ meßposition eingestellt, indem der Tisch entlang der X und Y Achsen versetzt wird. Dann wird das Mikroskop auf die Soll­ position scharf eingestellt, nachdem das Objektiv näher zum Material bewegt worden ist, und wird die Sollposition da­ durch bestimmt, daß die Position auf dem Material überwacht wird. Da der Tisch so versetzt wird, daß die virtuelle opti­ sche Achse des Objektivs optisch mit der Meßposition zusam­ menfällt, wird zum Bestimmen der Meßposition mit hoher Ge­ nauigkeit viel Zeit benötigt oder ist diese Bestimmung der Meßposition oftmals fehlerhaft.

Durch die Erfindung soll daher eine Härteprüfvorrich­ tung geschaffen werden, bei der die Versetzungsstrecke der X und Y Tische kürzer ist.

Die erfindungsgemäße Härteprüfvorrichtung soll insbe­ sondere in der Lage sein, die Härte eines konkaven Teils zu messen, wobei der Einrichtungsvorgang zum Festlegen mehrerer Meßpunkte an einem Prüfmaterial mit einem konkaven oder konvexen Teil einfacher sein soll.

Ziel der Erfindung ist weiterhin eine Härteprüfvorrich­ tung, die eine Sollmeßposition am Prüfmaterial mittels eines Lichtstrahles anzeigen kann.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Härte­ prüfvorrichtung umfaßt dazu einen Probenhalter, der ein Prüfmaterial in Stellung bringt, eine Eindruckeinrichtung, die eine Belastung auf das Prüfmaterial ausübt, eine Über­ wachungseinheit, die das Prüfmaterial überwacht, und einen Versetzungsmechanismus, der die Eindruckeinrichtung und die Überwachungseinheit als Ganzes hält und die Eindruckeinrich­ tung und die Überwachungseinheit zweidimensional in der Ebene des Probenhalters bewegt.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Här­ teprüfvorrichtung umfaßt einen Probenhalter, der ein Prüfma­ terial in Stellung bringt, eine Überwachungseinheit, die das Prüfmaterial überwacht, eine Eindruckeinrichtung, die eine Belastung auf das Prüfmaterial ausübt, einen ersten Trenn­ mechanismus, der die Überwachungseinheit vom Probenhalter weg und zum Probenhalter hin bewegt, einen zweiten Trenn­ mechanismus, der die Eindruckeinrichtung vom Probenhalter weg und zum Probenhalter hin bewegt, und eine Steuereinheit, die den ersten und den zweiten Trennmechanismus unabhängig voneinander antreibt.

Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Här­ teprüfvorrichtung umfaßt einen Probenhalter, der ein Prüfma­ terial in Stellung bringt, eine Eindruckeinrichtung, die eine Belastung auf das Prüfmaterial ausübt, eine Über­ wachungseinheit, die das Prüfmaterial überwacht, eine Be­ strahlungseinheit, die einen Lichtstrahl auf eine willkürli­ che Position des Prüfmaterials wirft, und einen Übertra­ gungsmechanismus, der eine Position, auf die der Lichtstrahl fällt, zweidimensional in der Ebene des Probenhalters ver­ setzt.

Bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Härteprüfvorrichtung werden die Eindruckeinrichtung und die Überwachungseinheit durch den Übertragungsmechanismus ange­ trieben und zweidimensional in der Ebene des Probenhalters bewegt.

Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Härteprüfvorrichtung bewegen sich die Überwachungseinheit und die Eindruckeinrichtung einzeln mittels des ersten Trennmechanismus und des zweiten Trennmechanismus zum Prüf­ material hin oder vom Prüfmaterial weg.

Bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Härteprüfvorrichtung bewegt sich die Bestrahlungseinheit mittels des Versetzungsmechanismus zweidimensional in der Ebene des Probenhalters und wird ein sichtbarer Lichtstrahl von der Bestrahlungseinheit auf eine beliebige Position auf dem Prüfmaterial geworfen.

Da bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Härteprüfvorrichtung die Eindruckeinrichtung und die Über­ wachungseinheit durch den Übertragungsmechanismus als Ganzes gehalten sind und dann in der Ebene des Probenhalters zwei­ dimensional bewegt werden können, kann vermieden werden, daß der Versetzungsbereich des Tisches viermal so groß wie die Größe des Prüfmaterials ist, wie es bei herkömmlichen Härte­ prüfvorrichtungen der Fall ist, was die Größe der Härteprüf­ vorrichtung verringert.

Da sich bei der zweiten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Härteprüfvorrichtung die Eindruckeinrichtung und die Überwachungseinheit unabhängig voneinander zum Prüfmaterial hin oder vom Prüfmaterial weg bewegen können, wird es leicht, eine Meßstelleneinrichtung an einem Material mit einem konvexen oder konkaven Teil auszuführen. Da darüber hinaus die Übertragung einer Belastung auf einen konkaven Teil unabhängig erfolgen kann, nachdem der konkave Teil überwacht wurde, ist es problemlos die Härte eines konkaven Teils zu messen, was bei einer herkömmlichen Härteprüfvor­ richtung schwierig war.

Da bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Härteprüfvorrichtung die Meßposition durch einen sicht­ baren Lichtstrahl angezeigt wird, der mit einer Bestrah­ lungseinheit auf das Material gestrahlt wird, ist es pro­ blemlos, eine Meßposition zu bestimmen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1a und Fig. 1b eine Seitenansicht und eine Vorder­ ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Härteprüfvorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 1b von rechts,

Fig. 3 in einem Blockschaltbild die Steuerung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Härteprüfvorrichtung und

Fig. 4a und Fig. 4b eine Vorderansicht und eine Seiten­ ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Härteprüfvorrichtung.

In den Fig. 1a und 1b ist das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Härteprüfvorrichtung in einer Drauf­ sicht und in einer Vorderansicht jeweils dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht von rechts des in Fig. 1b darge­ stellten Ausführungsbeispiels. Die X, Y und Z Achsen liegen so, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Härteprüfvorrich­ tung umfaßt einen Untersatz 11, der mit einem Tisch 10 ver­ sehen ist, eine Führungsschiene 21 und eine Antriebseinheit 22 für einen Y Tisch, die jeweils auf dem Untersatz 11 an­ geordnet sind und entlang der Y Achse verlaufen, einen U- förmigen Y Tisch 23, der an der Führungsschiene 21 für den Y Tisch und an der Antriebseinheit 22 für den Y Tisch angeord­ net ist und sich entlang der Y Achse bewegt, eine X Tisch 32, der sich entlang der X Achse bewegt und von einer An­ triebseinheit 31 für den X Tisch angetrieben wird, die auf dem Y Tisch 23 angeordnet ist und entlang der X Achse ver­ läuft, eine erste Antriebseinheit 42 für einen Z Tisch, die auf dem X Tisch 32 angeordnet ist und einen ersten Z Tisch 41 entlang der Z Achse auf und ab bewegt, auf dem eine Über­ wachungseinheit 45 angebracht ist, eine Antriebseinheit 52 für einen zweiten Z Tisch, die auf dem X Tisch 32 angeordnet ist und einen zweiten Z Tisch entlang der Z Achse auf und ab bewegt, auf dem eine Belastungseinheit 55 angebracht ist, einen Steuerknüppel 60, der die Anweisungen zum Antrieb jedes Tisches 23, 32, 41 und 51 gibt, eine Laserbestrah­ lungseinheit 70, die auf dem X Tisch 32 angeordnet ist und einen Markierungslichtstrahl ausgibt, der eine Sollmeßposi­ tion auf einem Prüfmaterial W angibt, und einen Monitor 80, der ein Bild anzeigt, das durch die Überwachungseinheit 45 aufgenommen wird. Das Prüfmaterial W ist an einem Probenhal­ ter 90 angeordnet, der an seinem Sockel Rollen aufweist. Der Probenhalter 90 wird am Tisch 10 fest angeordnet und die Messung wird anschließend durchgeführt. Der Probenhalter 90 wird über eine Fördereinheit 100 auf den Tisch 10 befördert.

Die Antriebseinheit 22 für den Y Tisch umfaßt eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schraubenspindel, die ent­ lang der Y Achse verläuft, sowie einen Antriebsmotor 22a für den Y Tisch, der die Schraubenspindel dreht. Der untere Teil eines Schenkels 23a des Y Tisches 23 steht in Schraubver­ bindung mit der Schraubenspindel, die von der Antriebsein­ heit 22 gedreht wird. Der Y Tisch 23 wird entlang der Y Achse angetrieben, wenn die Schraubenspindel durch den An­ triebsmotor 22a für den Y Tisch gedreht wird. Der andere Schenkel 23b des Y Tisches 23 steht mit der Führungsschiene 21 für den Y Tisch so in Eingriff, daß der Y Tisch 23 so geführt wird, daß er sich entlang der Y Achse bewegt. Eine Y Tischeinheit 20 umfaßt die Führungsschiene 21 für den Y Tisch, die Antriebseinheit 22 für den Y Tisch und den Y Tisch 23 selbst.

Die Antriebseinheit 31 für den X Tisch umfaßt eine nicht dargestellte Schraubenspindel, die entlang der X Achse verläuft und einen Antriebsmotor 31a für den X Tisch, der die Schraubenspindel dreht. Der X Tisch 32 steht in Schraub­ verbindung mit der Schraubenspindel, die durch die Antriebs­ einheit 31 für den X Tisch gedreht wird, und wird entlang der X Achse angetrieben, wenn die Schraubenspindel durch den Antriebsmotor 31a für den X Tisch gedreht wird. Eine X Ti­ scheinheit 30 umfaßt die Antriebseinheit 31 für den X Tisch und den X Tisch 32 selbst. Die Antriebseinheit 47 für den ersten Z Tisch umfaßt eine nicht dargestellte Schraubenspin­ del, die entlang der Z Achse verläuft, sowie einen Antriebs­ motor 42a für den Z Tisch, der die Schraubenspindel dreht. Der erste Z Tisch 41 steht in Schraubverbindung mit der Schraubenspindel, die durch die Antriebseinheit 42 für den Z Tisch gedreht wird, und wird entlang der Z Achse angetrie­ ben, wenn die Schraubenspindel durch den Antriebsmotor 42a für den Z Tisch gedreht wird. Die erste Z Tischeinheit 40 umfaßt den ersten Z Tisch 41 und die Antriebseinheit 42 für den ersten Z Tisch.

Die Überwachungseinheit 45, die durch die erste Z Tisch­ einheit 40 auf und ab bewegt wird, nimmt ein Bild der Oberfläche des Prüfmaterials W mittels eines Abbildungsele­ mentes wie beispielsweise einer ladungsgekoppelten Einrich­ tung CCD auf und zeigt dieses an dem Monitor 80 an. Die Überwachungseinheit 45 ist vorzugsweise mit einer Fokussie­ rungsdetektoreinheit versehen und der erste Z Tisch 41 wird auf der Grundlage der dadurch ermittelten Ergebnisse so auf und ab bewegt, daß eine Scharfeinstellung auf das Prüfmate­ rial W erfolgt. Die Überwachungseinheit 45 kann durch ein optisches Mikroskop ersetzt sein und die Oberfläche des Prüfmaterials W kann optisch durch die Person inspiziert werden, die mit der Messung befaßt ist.

Die Antriebseinheit 52 für den zweiten Z Tisch umfaßt eine nicht dargestellte Schraubenspindel, die entlang der Z Achse verläuft, und einen Antriebsmotor 52a für den Z Tisch, der die Schraubenspindel dreht. Der zweite Z Tisch 51 steht in Schraubverbindung mit der Schraubenspindel, die durch die Antriebseinheit 52 für den Z Tisch gedreht wird, und wird entlang der Z Achse auf und ab bewegt, wenn die Schrauben­ spindel durch den Antriebsmotor 52a für den Z Tisch gedreht wird. Die zweite Z Tischeinheit 50 umfaßt den zweiten Z Tisch 51 und die Antriebseinheit 52 für den zweiten Z Tisch. Der zweite Z Tisch 51 ist mit einer Belastungseinheit 55 versehen, die in bekannter Weise eine Eindruckeinrichtung 55a und ein nicht dargestelltes Gewicht umfaßt, das die Ein­ druckeinrichtung 55a gegen das Prüfmaterial W drückt. Die Belastungseinheit 55 bewegt sich entlang der Z Achse auf und ab, wenn die Schraubenspindel durch die Antriebseinheit 52a für den Z Tisch gedreht wird.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild die Steuerung der Härteprüfvorrichtung. Die Steuerung umfaßt eine Steuerschal­ tung 201 mit einer Zentraleinheit CPU, einem Festspeicher ROM und einem Arbeitsspeicher RAM. Der Antriebsmotor 31a für den X Tisch, der Antriebsmotor 22a für den Y Tisch, die Antriebsmotoren 42a und 52a für den ersten und den zweiten Z Tisch, die CCD 45a der Überwachungseinheit 45, die Be­ lastungseinheit 55, die Laserbestrahlungseinheit 70 und der Monitor 80 werden über die Steuerschaltung 201 gesteuert. Der Steuerschaltung 201 wird von einem X Codierer 30E, der die Position des X Tisches 32 erfaßt, von einem Y Codierer 20E, der die Position des Y Tisches 23 erfaßt, von einem ersten Z Codierer 40E, der die Position des ersten Z Tisches 41 erfaßt, und von einem zweiten Z Codierer 50E ein Ein­ gangssignal eingegeben, der die Position des zweiten Z Ti­ sches 51 erfaßt. Die Steuerschaltung 201 ist gleichfalls mit dem oben erwähnten Steuerknüppel 60 oder einer Tastatur 80 verbunden. Die Steuerschaltung 201 speichert ein über einen Einrichtungsvorgang aufgenommenes Positionssignal und be­ rechnet eine Sollposition der Überwachungseinheit 45 oder der Belastungseinheit 55 mittels des Positionssignals, wie es später beschrieben wird. Die Härte wird weiterhin dadurch ermittelt, daß die diagonale Länge des Eindrucks über einen Bildverarbeitungsvorgang berechnet wird, was später be­ schrieben wird.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des obigen Ausfüh­ rungsbeispiels erläutert. Zunächst wird das Prüfmaterial W am Probenhalter 90 angeordnet, woraufhin der Probenhalter 90 auf den Tisch 10 mittels der Fördereinheit 100 befördert und dort festgelegt wird. Ein Markierungslichtstrahl von der Laserbestrahlungseinheit 70 wird dann ausgesandt. Jeder der X und Y Tische 32, 23 wird durch eine Betätigung des Steuer­ knüppels 60 so angeordnet, daß der Markierungslichtstrahl auf eine gewünschte Position auf dem Prüfmaterial W fällt. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Laserbestrahlungseinheit 70 weit genug von dem Prüfmaterial W entfernt gehalten sein, damit ein Zusammenstoßen mit einem konvexen Teil des Prüfma­ terials W vermieden ist, wenn das Prüfmaterial W einen kon­ vexen oder einen konkaven Teil haben sollte. Das optische System der Laserbestrahlungseinheit 70 ist so ausgebildet, daß der Durchmesser des Lichtfleckes, der vom Markierungs­ lichtstrahl auf dem Prüfmaterial W gebildet wird, annähernd 1 mm beträgt. Eine Person, die mit der Messung befaßt ist, bestimmt eine zu messende Sollposition optisch mittels des Markierungslichtes. Die Person gibt dann die Anweisung, die Position zu speichern, indem sie den Steuerknüppel 60 betä­ tigt, woraufhin jedes der Positionssignale, die von den X und Y Codierern 30E und 20E in die Steuerschaltung 201 ein­ gegeben werden, in einer nicht dargestellten Speichereinheit gespeichert wird. Der obige Arbeitsvorgang wird als Einrich­ tungs- oder Schulungsvorgang für jede der Vielzahl von Soll­ positionen durchgeführt, an denen zu messen ist.

Anschließend werden der X und der Y Tisch 32, 23 so angetrieben, daß die Position, an der der Einrichtungsvor­ gang durchgeführt wurde, mit der optischen Achse der Über­ wachungseinheit 45 zusammenfällt. Die Überwachungseinheit 45 und die Laserbestrahlungseinheit 70 sind gemeinsam am X Tisch 32 angeordnet und die relative Position zwischen der Überwachungseinheit 45 und der Laserbestrahlungseinheit 70 in einem XY Coordinatensystem ist bekannt. Die Sollposition der optischen Achse der Überwachungseinheit 45 wird daher auf der Grundlage der Sollmeßposition, die über das Bestrah­ lungslicht bestimmt und gespeichert wurde, und der relativen Position zwischen der optischen Achse der Überwachungsein­ heit 45 und der Laserbestrahlungseinheit 70 berechnet, wo­ durch die Position der Überwachungseinheit 45 genau einge­ stellt wird.

Der X Tisch 32 und der Y Tisch 23 werden so angetrie­ ben, daß die Überwachungseinheit 45 mit der ersten Meßposi­ tion zusammenfällt. Es wird ein Bild der ersten Meßposition mit der CCD 45a der Überwachungseinheit 45 aufgenommen und am Monitor 80 angezeigt. Es wird beurteilt, ob diese Posi­ tion als Meßposition geeignet ist oder nicht. Wenn sie ge­ eignet ist, wird diese Position als erste Meßposition in der Speichereinheit gespeichert. In diesem Fall werden alle Positionssignale von den X und Y Codierern 30E und 20E in der Speichereinheit gespeichert. Wenn die überwachte Posi­ tion auf eine Kristallgrenze fällt, ist sie als Meßposition nicht geeignet. Anschließend wird die Meßposition in eine andere Position geändert, indem die X und Y Tische 32, 23 mit dem Steuerknüppel 60 angetrieben werden. Wenn die Posi­ tion als Meßposition geeignet ist, wird die Position durch Betätigen des Steuerknüppels 60 gespeichert und werden die Positionssignale von den X und Y Codierern 30E und 20E ge­ speichert. Dieser Arbeitsvorgang wird bei allen anderen Meßpositionen durchgeführt, bis dann der Einrichtungsvorgang an allen Meßpositionen abgeschlossen ist.

Die Überwachungseinheit 45 und die Belastungseinheit 55 sind gemeinsam vom X Tisch 32 gehalten und die relative Position zwischen der Überwachungseinheit 45 und der Bela­ stungseinheit 55 im XY Coordinatensystem ist bereits be­ kannt. Auf der Grundlage der Position in XY Coordinaten, die als geeignete Meßposition während des oben beschriebenen Einrichtungsvorganges gespeichert wurde, und auf der Grund­ lage der relativen Position zwischen der optischen Achse der Überwachungseinheit 45 und der Eindruckeinrichtung 55a der Belastungseinheit 55 wird folglich die Position, an der die Eindruckeinrichtung 55a eine Last übertragen soll, berechnet und kann die Eindruckeinrichtung 55a genau an dieser Posi­ tion angeordnet werden. Nachdem der Einrichtungsvorgang an einer Vielzahl von Punkten in der oben beschriebenen Weise abgeschlossen ist, wird die Härte des Materials W tatsäch­ lich gemessen.

Zunächst wird die Eindruckeinrichtung 55a der ersten Meßposition gegenüber angeordnet, indem die X und Y Tische 32 und 23 versetzt werden, und wird anschließend die Bela­ stungseinheit 55 auf eine bestimmte Höhe mittels der An­ triebseinheit 52 für den zweiten Z Tisch abgesenkt, so daß die Eindruckeinrichtung 55a in einen Kontakt mit der Ober­ fläche des Prüfmaterials W kommt. Im obigen Zustand wird ein Eindruck in der Oberfläche des Prüfmaterials W ausgebildet, indem das Gewicht, das in die Belastungseinheit 55 eingebaut ist, an die Eindruckeinrichtung 55a gelegt wird. Nach der Ausbildung des Eindrucks wird die Belastungseinheit 55 mit­ tels der Antriebseinheit 52 für den zweiten Z Tisch angeho­ ben und werden die X und Y Tische 32, 23 so versetzt, daß die Eindruckeinrichtung 55a der nächsten Meßposition zuge­ wandt ist. Es wird der gleiche Arbeitsvorgang ausgeführt und somit erneut ein Eindruck im Prüfmaterial mittels der Ein­ druckeinrichtung 55a ausgebildet. Die obigen Arbeitsvorgänge werden wiederholt, bis an jeder der Meßpositionen, die durch den Einrichtungsvorgang vorbestimmt sind, ein Eindruck aus­ gebildet ist.

Anschließend werden Bilder aller Eindrücke, die an der Vielzahl von Positionen ausgebildet sind, mit der CCD 45a der Überwachungseinheit 45 aufgenommen. Diese Bilder werden einer Bildverarbeitung unterworfen und es wird die Härte an jeder Position unter Verwendung der diagonalen Länge jedes Eindruckes berechnet. Um die Härte in der oben beschriebenen Weise zu ermitteln, werden die X und Y Tische 32, 23 zu­ nächst so versetzt, daß die optische Achse der Überwachungs­ einheit 45 der ersten Meßposition zugewandt ist. Die Über­ wachungseinheit 45 wird dann auf eine bestimmte Höhe mittels der Antriebseinheit 42 für den ersten Z Tisch gebracht, derart, daß die Überwachungseinheit 45 auf den Eindruck scharf eingestellt ist. Unter diesen Bedingungen wird ein von der CCD 45a aufgenommenes Bild gespeichert, wird das Bild in ein digitales Bild umgewandelt und wird das digita­ lisierte Bild in einem Pufferspeicher gespeichert. Nach Abschluß der Aufnahme des Bildes der ersten Position werden die X und Y Tische 32, 23 so versetzt, daß die Überwachungs­ einheit 45 der zweiten Meßposition zugewandt ist. Anschlie­ ßend wird ein Bild des Eindrucks an der zweiten Position aufgenommen und wird das digitale Bild im Speicher gespei­ chert. Dieser Arbeitsvorgang wird an allen anderen Meßposi­ tionen wiederholt, bis alle digitalen Bilder der Eindrücke gespeichert sind, die an der Vielzahl von Meßpositionen ausgebildet sind. Jedes gespeicherte Bild wird in einer bestimmten Weise einer Bildverarbeitung unterworfen und es wird die diagonale Länge aller Eindrücke an diesen Positio­ nen berechnet und der Wert der Härte an diesen Positionen auf der Grundlage der von der Eindruckeinrichtung 55a ausge­ übten Belastung und der diagonalen Länge ermittelt.

Bei der Härteprüfvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau können die Überwachungseinheit 45 und die Belastungs­ einheit 55 in einer XY Ebene bewegt werden, so daß es nicht notwendig ist, das Prüfmaterial W zu bewegen. Es reicht daher für den Tisch 10 aus, daß er gerade die gleiche Größe wie das Prüfmaterial W hat, was die Größe der Härteprüfvor­ richtung vermindert.

Wenn bei einem Prüfmaterial W, das auf seiner Oberflä­ che einen konkaven oder konvexen Teil aufweist, die Laserbe­ strahlungeinheit 70 weit genug vom Prüfmaterial W entfernt ist, kann die Laserbestrahlungseinheit 70 in der XY Ebene mittels der X und Y Tische 32, 23 versetzt werden, ohne daß die Laserbestrahlungseinheit 70 auf und ab bewegt werden muß. Es ist daher möglich, die Zeit zu verkürzen, die für den Einrichtungsvorgang bei einem Prüfmaterial W benötigt wird, das einen konkaven oder konvexen Teil aufweist. Da es möglich ist, die Meßposition grob durch eine optische Be­ trachtung eines Markierungslichtstrahles zu messen, der auf das Prüfmaterial W geworfen wird, ist es verglichen mit dem herkömmlichen Fall, bei dem eine virtuelle optische Achse eines Objektivs zunächst auf der Oberfläche des Prüfmateri­ als W festgelegt werden mußte und dann die Position optisch bestimmt wurde, problemlos, die Meßsollposition zu bestim­ men.

Da die Überwachungseinheit 45 an der ersten Z Tischein­ heit 40 angebracht ist und die Belastungseinheit 55 an der zweiten Z Tischeinheit 50 angebracht ist und diese unabhän­ gig voneinander längs der Z Achse auf und ab bewegt werden können, ist es einfach, den Einrichtungsvorgang der Meßposi­ tion für das Prüfmaterial W selbst dann auszuführen, wenn dieses einen konkaven oder konvexen Teil hat. Dadurch wird es gleichfalls möglich, die Härte eines konkaven Teils des Prüfmaterials W zu messen. Das heißt mit anderen Worten, daß die optische Achse der Überwachungseinheit 45 so bewegt wird, daß sie der Meßposition zugewandt ist, was über die X und Y Tischeinheiten 30, 20 erfolgt, und die Überwachungs­ einheit 45 mittels der ersten Z Tischeinheit 40 längs der Z Achse abgesenkt wird. Es kann insbesondere ein Vorsatztubus der Überwachungseinheit 45 in einen konkaven Teil eingeführt werden, der auf der Oberfläche des Prüfmaterials W zu messen ist, und es kann die Überwachungseinheit 45 auf diese Posi­ tion scharf eingestellt werden. Wenn diese Position als Meßposition geeignet ist, wird sie gespeichert. Anschließend wird die Überwachungseinheit 45 angehoben und wird die XY Coordinatenposition der Eindruckeinrichtung 55a auf der Grundlage der gespeicherten Position berechnet. Die Ein­ druckeinrichtung 55a der Belastungseinheit 55 wird in die XY Coordinatenposition mittels der X und Y Tischeinheiten 30, 20 bewegt, so daß die Eindruckeinrichtung 55a der Meßposi­ tion am konkaven Teil zugewandt ist. Die Eindruckeinrichtung 55a wird dann so bewegt, daß sie mit der Meßposition des Prüfmaterials W in Kontakt kommt und zwar mittels der zwei­ ten Z Tischeinheit 50, und es wird ein Eindruck am Prüfmate­ rial W mittels der Eindruckeinrichtung 55a ausgebildet, an der eine Last liegt. Da in der oben beschriebenen Weise die Überwachungseinheit 45 und die Belastungseinheit 55 in der XY Ebene gemeinsam bewegt werden, während sie sich einzeln entlang der Z Achse bewegen können, ist es möglich, die Härte eines konkaven Teils zu messen, was bisher schwierig war.

Bei der obigen Ausbildung kann die Überwachungseinheit 45 ein optisches Mikroskop statt der CCD 45a umfassen. In diesem Fall wird die diagonale Länge des Eindrucks optisch über das optische Mikroskop und nicht über eine Bildverar­ beitung gemessen. Statt des obigen Arbeitsablaufes, der zunächst eine Bestimmung einer Vielzahl von Meßsollpositio­ nen, die Betrachtung der einzelnen Sollpositionen nachein­ ander und die Bestimmung einer Vielzahl von Meßpositionen, die Ausbildung eines Eindruckes an jeder dieser Positionen, die Aufnahme eines Bildes jedes Eindrucks nacheinander und die Ermittlung der Härte umfaßt, kann darüberhinaus das folgende Verfahren angewandt werden, bei dem eine Meßsoll­ position optisch inspiziert und bestimmt wird, ein Eindruck an der Meßposition ausgebildet wird, das Bild des Eindruckes aufgenommen und die Härte an dieser Stelle durch Aufnahme des Bildes berechnet wird und das Verfahren für andere Soll­ positionen wiederholt wird. Statt der Anordnung der Laserbe­ strahlungseinheit 70 am X Tisch 32 und ihrer zweidimensio­ nalen Versetzung kann auch ein Abtastmechanismus vorgesehen sein, der einen von einer festen Laserbestrahlungseinheit 70 ausgesandten Lichtstrahl abtastet, wenn das Prüfmaterial nicht so groß ist. In diesem Fall arbeitet der Abtastmecha­ nismus als Bewegungsmechanismus für den Lichtstrahl.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung, bei dem eine Laserbestrahlungseinheit an einer herkömmlichen Härteprüfvorrichtung vorgesehen ist, um eine Meßsollposition mittels eines Markierungslichtstrahles sichtbar zu machen. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird das Prüfmaterial auf einem XYZ Tisch 301 angeordnet und ist ein Drehkopf 302, der drehbar oben so angeordnet ist, daß er dem Tisch 301 zugewandt ist, mit einem Objektiv 303, einer Eindruckeinrichtung 304 und einer Laserbestrahlungseinrich­ tung 305 versehen. Ein Okular 306 bildet gemeinsam mit dem Objektiv 303 ein Mikroskop und ein CCD Bildaufnahmeelement nimmt die Bilder der Oberfläche des Prüfmaterials auf.

Im folgenden wird der Arbeitsvorgang bei der Messung der Härte eines Prüfmaterials mittels der in Fig. 4 darge­ stellten Härteprüfvorrichtung beschrieben. Der Drehkopf 302 wird so gedreht, daß die Laserbestrahlungseinheit 305 dem Prüfmaterial zugewandt ist, und es wird ein dünner Laser­ lichtstrahl auf das Prüfmaterial geworfen. Eine Person, die mit der Messung befaßt ist, bewegt den XYZ Tisch 301 während sie optisch den Lichtfleck auf dem Prüfmaterial beobachtet, derart, daß der Laserstrahl auf die Meßsollposition fällt. Nachdem die Meßposition bestimmt ist, wird der Drehkopf 302 so gedreht, daß das Objektiv 303 der Sollposition zugewandt ist, wird das Mikroskop auf diese Position scharf einge­ stellt und wird die Oberfläche des Prüfmaterials betrachtet. Wenn die Position nicht auf kristalline Grenzen fällt, wird der Drehkopf 302 so gedreht, daß die Eindruckeinrichtung 304 der Meßposition zugewandt ist und wird mittels der Eindruck­ einrichtung 304 ein Eindruck ausgebildet.

Da bei der in Fig. 4 dargestellten Härteprüfvorrichtung die Sollmeßposition durch einen sichtbaren Lichtstrahl ange­ zeigt wird, ist es außerordentlich einfach, diese Position zu bestimmen.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel entsprechen die X Tischeinheit 30 und die Y Tischeinheit 20 einem Versetzungs­ mechanismus, entspricht der erste Z Tisch 40 einem ersten Trennmechanismus und entspricht der zweite Z Tisch 50 einem davon unabhängigen zweiten Trennmechanismus.

Claims (9)

1. Härteprüfvorrichtung gekennzeichnet durch einen Probenhalter (90), der ein Prüfmaterial in Stellung bringt, eine Eindruckeinrichtung (55a), die eine Last auf das Prüf­ material überträgt, eine Überwachungseinheit (45), die das Prüfmaterial überwacht, und einen Versetzungsmechanismus, der die Eindruckeinrichtung (55a) und die Überwachungsein­ heit (45) gemeinsam hält und die Eindruckeinrichtung (55a) und die Überwachungseinheit (45) zweidimensional in der Ebene des Probenhalters (90) versetzt.

2. Härteprüfvorrichtung gekennzeichnet durch einen Probenhalter (90), der ein Prüfmaterial in Stellung bringt, eine Eindruckeinrichtung (55a) die eine Last auf das Prüfma­ terial überträgt, eine Überwachungseinheit (45), die das Prüfmaterial überwacht, einen ersten Trennmechanismus, der die Überwachungseinheit (45) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, einen zweiten Trennmecha­ nismus, der die Eindruckeinrichtung (55a) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, und eine Steuereinheit (201), die den ersten und den zweiten Trenn­ mechanismus unabhängig voneinander ansteuert.

3. Härteprüfvorrichtung gekennzeichnet durch einen Probenhalter (90), der ein Prüfmaterial in Stellung bringt, eine Eindruckeinrichtung (55a) die eine Last auf das Prüfma­ terial überträgt, eine Überwachungseinheit (45), die das Prüfmaterial überwacht, eine Bestrahlungseinheit (70), die einen Lichtstrahl auf eine willkürliche Position des Prüfma­ terials wirft, und einen Versetzungsmechanismus, der die Position, auf die der Lichtstrahl fällt, zweidimensional in der Ebene des Probenhalters (90) versetzt.

4. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Trennmechanismus, der die Überwachungs­ einheit (45) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, einen zweiten Trennmechanismus, der die Eindruckeinrichtung (55a) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, und eine Steuereinheit (201), die den ersten und den zweiten Trennmechanismus unabhängig voneinander ansteuert.

5. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bestrahlungseinheit (70), die einen Lichtstrahl auf eine beliebige Position des Prüfmaterials wirft, wobei der Versetzungsmechanismus die Position, auf die der Licht­ strahl fällt, zweidimensional in der Ebene des Probenhalters (90) versetzt.

6. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Bestrahlungseinheit (70), die einen Lichtstrahl auf eine beliebige Position des Prüfmaterials wirft, und einen Versetzungsmechanismus, der die Position, auf die der Lichtstrahl fällt, zweidimensional in der Ebene des Proben­ halters (90) versetzt.

7. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Trennmechanismus, der die Überwachungs­ einheit (45) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, einen zweiten Trennmechanismus, der die Eindruckeinrichtung (55a) zum Probenhalter (90) hin und vom Probenhalter (90) weg bewegt, eine Steuereinheit (201), die den ersten und den zweiten Trennmechanismus unabhängig von­ einander ansteuert, und eine Bestrahlungseinheit (70), die einen Lichtstrahl auf eine beliebige Position des Prüfmate­ rials wirft, wobei der Übertragungsmechanismus die Position, auf die der Lichtstrahl fällt, zweidimensional in der Ebene des Probenhalters (90) versetzt.

8. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Richtung, in die sich der erste und der zweite Trennmechanismus bewegen, einen rechten Winkel mit der Fläche des Probenhalters (90) einschließt.

9. Härteprüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Übertragungsmechanismus die Eindruck­ einrichtung (55a), die Überwachungseinheit (45) und die Bestrahlungseinheit (70) gemeinsam hält.