JP5910407B2 - Hardness tester and hardness test method in hardness tester - Google Patents
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Description
この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法に関する。 The present invention relates to a hardness tester for measuring the hardness of a test piece and a hardness test method in the hardness tester.
このような硬さ試験機は、試験片を載置する載置台と、この載置台を互いに直交するX、Y、Z方向(水平方向および鉛直方向)に移動させる移動機構と、試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、試験片における試験位置と対向する位置において圧子をZ方向に移動させることにより圧子を試験片に押しつける負荷機構と、試験片の表面に形成された圧痕を撮影するためのカメラを備えた撮影機構と、載置台をZ方向に移動させることにより撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部とを備え、試験片の表面に形成された圧痕のサイズをカメラにより撮影した圧痕の画像に基づいて測定し、その圧痕のサイズを測定することにより、試験片の硬さを測定する構成となっている。 Such a hardness tester includes a mounting table for mounting a test piece, a moving mechanism for moving the mounting table in X, Y, and Z directions (horizontal direction and vertical direction) orthogonal to each other, and the surface of the test piece. Photographs the indenter for forming an indentation, a load mechanism for pressing the indenter against the test piece by moving the indenter in the Z direction at a position opposite to the test position on the test piece, and the indentation formed on the surface of the test piece And a focusing unit for focusing an image of the test piece taken by the shooting mechanism by moving the mounting table in the Z direction, and formed on the surface of the test piece. The size of the indentation is measured based on the image of the indentation photographed by the camera, and the size of the indentation is measured to measure the hardness of the test piece.
このような硬さ試験機においては、載置台の表面が正確に水平方向を向いていたとしても、試験片の表面が水平方向を向くとは限らない。このため、カメラにより試験片の表面を撮影して圧痕のサイズを測定する場合に、カメラにより撮影した画像を画像処理するとともに、この画像処理結果に基づいて試験片を載置台とともにZ方向に移動させることにより、試験片の画像の焦点合わせ(オートフォーカス)を実行している。 In such a hardness tester, even if the surface of the mounting table is accurately oriented in the horizontal direction, the surface of the test piece is not always oriented in the horizontal direction. For this reason, when the surface of the test piece is photographed by the camera and the size of the impression is measured, the image photographed by the camera is subjected to image processing, and the test piece is moved in the Z direction together with the mounting table based on the image processing result. By doing so, focusing (autofocus) of the image of the test piece is executed.
特許文献1には、試料の傾きや平面度の誤差に依存せず自動試験を実行するために、試料の表面に焦点を合わせるためのAF(Z)ステージを備えた硬さ試験機が開示されている。 Patent Document 1 discloses a hardness tester equipped with an AF (Z) stage for focusing on the surface of a sample in order to perform an automatic test without depending on errors in the sample tilt and flatness. ing.
このような硬さ試験機においては、載置台上に載置された試験片の表面が水平面と平行でない場合、試験位置毎に焦点合わせ動作を実行することが必要となる。このため、硬さ試験を行うために長い時間を要するという問題がある。このような問題は、硬さ試験を試験位置を変更して複数回連続して繰り返す自動試験を行う場合に、特に、顕著な影響を与える。 In such a hardness tester, when the surface of the test piece mounted on the mounting table is not parallel to the horizontal plane, it is necessary to perform a focusing operation for each test position. For this reason, there is a problem that it takes a long time to perform the hardness test. Such a problem has a significant effect particularly when an automatic test is performed in which the hardness test is repeated a plurality of times continuously by changing the test position.
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、硬さ試験を迅速に実行することが可能な硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hardness tester capable of quickly executing a hardness test and a hardness test method in the hardness tester. .
請求項1に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するX、Y、Z方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をZ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をZ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機において、前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより得た3点の位置のZ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算部と、前記方程式演算部により演算した試験片の表面の方程式を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のX、Y座標位置から、その位置における前記試験片の表面のZ座標位置を演算するZ座標演算部と、を備え、前記移動機構は、Z座標演算部により演算した前記試験片の表面のZ座標位置に基づいて、前記載置台をZ方向に移動させることを特徴とする。 In order to form an indentation on the surface of the test piece, the mounting base for mounting the test piece, the moving mechanism for moving the mounting base in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other The indenter, a load mechanism that presses the indenter against the test piece by moving the indenter in the Z direction at a position opposite to the test position of the test piece, and an indentation formed on the surface of the test piece. A hardness tester comprising: an imaging mechanism for focusing; and a focusing unit configured to focus an image of a test piece photographed by the imaging mechanism by moving the mounting table in the Z direction. Equation calculation unit for calculating the equation of the surface of the test piece based on the Z coordinate value of the position of the three points obtained by focusing at three different positions on the surface of the test piece placed on the surface From the X, Y coordinate position of the test position in the test piece based on the equation of the surface of the test piece stored in the storage unit, a storage unit that stores the equation of the surface of the test piece calculated by the equation calculation unit A Z coordinate calculation unit that calculates the Z coordinate position of the surface of the test piece at the position, and the moving mechanism is based on the Z coordinate position of the surface of the test piece calculated by the Z coordinate calculation unit, The mounting table is moved in the Z direction.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記移動機構は前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置するときに、前記載置台をZ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置の表面を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置する。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the moving mechanism moves the mounting table in the X and Y directions to place a test position on the test piece at a position facing the indenter. Sometimes, by moving the mounting table in the Z direction, the surface of the test position of the test piece is placed at the focal point position of the image of the test piece taken by the photographing mechanism.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記移動機構は、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をZ方向に移動させた後にX、Y方向に移動させ、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させた後にZ方向に移動させる。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the moving mechanism is configured such that the movement of the mounting table in the Z direction is a direction in which the surface of the test piece is separated from the indenter. Is moved in the X and Y directions after moving the mounting table in the Z direction, and when the movement of the mounting table in the Z direction is a direction in which the surface of the test piece is close to the indenter, The mounting table is moved in the X direction after moving in the X and Y directions.
請求項4に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するX、Y、Z方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をZ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をZ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機における硬さ試験方法において、前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより、前記3点の位置のZ座標値を測定する座標値測定工程と、前記3点の位置のZ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算工程と、前記方程式演算工程において演算した試験片の表面の方程式を記憶する方程式記憶工程と、前記方程式記憶工程において記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のX、Y座標位置から、その位置における前記試験片の表面のZ座標位置を演算するZ座標演算工程と、前記移動機構により、Z座標演算部により演算した前記試験片の表面のZ座標位置に基づいて前記載置台をZ方向に移動させることにより、試験片における試験位置の表面のZ座標位置を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置するとともに、前記載置台をX、Y方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する移動工程と、前記圧子をZ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける圧痕形成工程と、前記撮影機構により前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための圧痕撮影工程とを備えたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a mounting table for mounting the test piece, a moving mechanism for moving the mounting table in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other, and forming an indentation on the surface of the test piece. The indenter, a load mechanism that presses the indenter against the test piece by moving the indenter in the Z direction at a position opposite to the test position of the test piece, and an indentation formed on the surface of the test piece. In a hardness test method in a hardness tester comprising: an imaging mechanism for focusing; and a focusing unit that focuses an image of a test piece photographed by the imaging mechanism by moving the mounting table in the Z direction A coordinate value measuring step for measuring Z coordinate values of the three points by performing focusing at three different points on the surface of the test piece placed on the mounting table, and the three points In the equation calculation step of calculating the equation of the surface of the test piece based on the Z coordinate value of the position, the equation storage step of storing the equation of the surface of the test piece calculated in the equation calculation step, and the equation storage step Based on the stored equation of the surface of the test piece, from the X and Y coordinate positions of the test position of the test piece, the Z coordinate calculation step of calculating the Z coordinate position of the surface of the test piece at that position, and the moving mechanism By moving the mounting table in the Z direction based on the Z coordinate position of the surface of the test piece calculated by the Z coordinate calculation unit, the Z coordinate position of the surface of the test position in the test piece is The test position on the test piece is moved to the focal position of the image of the test piece to be photographed and the test position on the test piece is moved by moving the mounting table in the X and Y directions. A moving step of disposing the indenter at a position facing the child, an indentation forming step of pressing the indenter against the test piece by moving the indenter in the Z direction, and an indentation formed on the surface of the test piece by the imaging mechanism. And an indentation photographing process for photographing.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記移動工程においては、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する前に、前記載置台をZ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のZ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させ、前記載置台のZ方への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置した後に、前記載置台をZ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のZ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させる。
The invention according to
請求項1、請求項2および請求項4に記載の発明によれば、硬さ試験を行う場合に、焦点合わせ動作を省略することができる。このため、硬さ試験を迅速に実行することが可能となる。また、試験片における試験位置の表面のZ座標位置を一定にすることができることから、試験片の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、圧子を確実に試験片に押しつけることが可能となる。 According to the first, second, and fourth aspects of the invention, the focusing operation can be omitted when the hardness test is performed. For this reason, it is possible to quickly execute the hardness test. In addition, since the Z coordinate position of the surface of the test position in the test piece can be made constant, even when the surface of the test piece has a large crossing angle with respect to the horizontal plane, the indenter can be reliably used as a test piece. It can be pressed.
請求項3および請求項5に記載の発明によれば、載置台をZ方向に移動するときの移動方向により、載置台のX、Y方向の移動とZ方向の移動のいずれを先に実行するかを選択することから、試験片の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、試験片と圧子とが衝突することを未然に防止することが可能となる。 According to the third and fifth aspects of the invention, either the X or Y direction movement or the Z direction movement of the mounting table is executed first depending on the moving direction when the mounting table is moved in the Z direction. Therefore, even when the surface of the test piece has a large crossing angle with respect to the horizontal plane, it is possible to prevent the test piece and the indenter from colliding with each other.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。また、図2は、載置台12を昇降するための昇降機構の概要図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a hardness tester according to the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of an elevating mechanism for elevating the mounting table 12.
この硬さ試験機は、テーブル11と、このテーブル11上に配置され試験片100を載置する載置台12とを備える。載置台12は、試験片100をX方向(図1における左右方向)およびY方向(図1における紙面に垂直な方向)に移動させるためのものである。この載置台12には、試験片100をX方向に移動させるためのモータ13と、試験片100をY方向に移動させるためのモータ14とが付設されている。また、載置台12は、図2に示す昇降機構の作用により、上下方向(Z方向)に昇降する構成となっている。すなわち、載置台12を支持する支持部51は、その側面にラック53が形成された昇降部材52により支持されている。この昇降部材52におけるラック53は、モータ15の駆動により回転するピニオン54と噛合している。このため、載置台12は、モータ15の駆動により昇降する。
The hardness tester includes a table 11 and a mounting table 12 that is placed on the table 11 and on which a
また、この硬さ試験機は、試験片100を目視により観察するための接眼レンズ16と、試験片100を撮影するためのカメラ17と、圧子21および対物レンズ23、24等を支持して回転するレボルバ20とを備える。このレボルバ20は、つまみ26を操作することにより、あるいは、後述するモータ30の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、この硬さ試験機は、入力部および表示部としても機能するタッチパネル式の液晶表示部59を備える。
The hardness tester also supports an
図3は、レボルバ20に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the arrangement of the objective lens and the like supported by the
レボルバ20には、載置台12上に載置された試験片100に押し込まれる一対の圧子19、21と、5倍の対物レンズ22、10倍の対物レンズ23、40倍の対物レンズ24および100倍の対物レンズ25とが配設されている。これらの圧子19、21および対物レンズ22、23、24、25は、レボルバ20の回転中心を中心とした円上に配置されている。なお、対物レンズ22、23、24、25の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。
The
再度、図1を参照して、この材料試験機は、試験片100の表面の像を表示するためのCRT等の表示部55と、各種のデータを入力するための入力手段として機能するキーボード57およびマウス58と、本体56とから構成されるコンピュータ50と接続されている。
Referring to FIG. 1 again, this material testing machine includes a
図4は、圧子19および圧子21に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片100に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。なお、図4は、図3において一点鎖線で示す位置における断面を示している。
FIG. 4 is a schematic diagram of a load mechanism for applying a test force to the
この硬さ試験機は、圧子19、21の先端を試験片100に対して押し込むための試験力を圧子19、21に対して付与する負荷機構と、載置台12上に載置された試験片100を照明するとともに圧痕を観察するための光学系とを備える。
The hardness tester includes a load mechanism that applies a test force to the
図4に示すように、レボルバ20は、軸筒27がベアリング29を介して回転軸28に接続されており、つまみ26を操作することにより、あるいは、後述するモータ30の駆動により、鉛直方向を向く回転軸28を中心に回転する。図4においては、レボルバ20の回転により負荷伝達軸36を介して圧子21に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子21が図1に示す試験片100と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子19に対して試験力を付与する場合には、圧子19が、図4に示す圧子21の位置に配置される。
As shown in FIG. 4, the
負荷機構は、水平方向を向く軸31を中心に揺動可能なレバー32を備える。レバー32の一端には、中空の押圧部35が配設されている。この押圧部35は、レバー32の揺動に伴って、圧子21に連結した負荷伝達軸36の端部に付設された当接部37を押圧する構成となっている。また、レバー32の他端には、永久磁石33が付設されている。この永久磁石33の外部には、電磁コイル34が配設されている。この永久磁石33と電磁コイル34とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル34に流れる電流を制御することにより、負荷伝達軸36の先端に配設された圧子21による試験片100への試験力を制御することが可能となる。
The load mechanism includes a
なお、この実施形態においては、この時の試験力を、例えば、2kgf、1kgf、0.5kgf、0.3kgf、0.2kgf、0.1kgf、0.05kgf、0.025kgf、0.01kgfと、段階的に変化させることができる構成となっている。 In this embodiment, the test force at this time is, for example, 2 kgf, 1 kgf, 0.5 kgf, 0.3 kgf, 0.2 kgf, 0.1 kgf, 0.05 kgf, 0.025 kgf, 0.01 kgf, It can be changed in stages.
負荷伝達軸36は、上下の板バネ61を支持部材62を介してレボルバ20の軸筒27に固定したロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。負荷伝達軸36には、この負荷伝達軸36の移動量を検出する差動トランス式の変位検出器60が接続されている。この変位検出器60は、支持部材63を介してレボルバ20の軸筒27に接続され、レボルバ20の回転により負荷伝達軸36と同期して移動する。なお、この変位検出器60は、試験片100の表面の検出に使用される。すなわち、圧子21を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子21の移動が停止したときに圧子21が試験片100の表面と当接したと判断している。
The
光学系は、LED光源41と、LED光源41からの光を水平方向に導く光筒42と、試験片100を上から照明するために光筒42により導かれた光を押圧部35の中空部に導光するとともに、試験片100の表面からの反射光をカメラ17側に透過させるハーフミラー43と、ハーフミラー43を透過した試験片100の表面からの反射光を接眼レンズ16およびカメラ17に分割するハーフミラー44とを備える。対物レンズ22が図4における負荷伝達軸36の位置、すなわち試験片100に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試験片100の表面からの反射光が、押圧部35の中空部、対物レンズ22、ハーフミラー43、44を介して、接眼レンズ16およびカメラ17に入射する。これにより、接眼レンズ16により試験片100の拡大像を観察することができるとともに、カメラ17により撮影した拡大像をコンピュータ50における表示部55に表示することができる。その他の対物レンズ23、24、25が圧痕の観察位置に配置された場合も、対物レンズ22による場合と同様である。
The optical system includes an
図5は、圧子21により試験片100に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図であり、図6は、試験片100に形成された圧痕を示す平面図である。
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing how the
一対の圧子19、21のうち、圧子21は、硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するためのものであり、その先端は四角錐形状となっている。この圧子21は、図5に示すように、図4に示す負荷機構の作用により試験片100の表面に深さhだけ押し込まれる。次に、その試験力を解除し、図1に示すレボルバ20を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片100と対向する位置に移動させる。そして、対物レンズおよびカメラ17を介して得られた試験片100の表面に形成された圧痕(くぼみ)の画像から、圧痕の対角線長さd[d=(dx+dy)/2]を測定する(図6参照)。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子21と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。そして、圧痕の対角線長さd(mm:ミリメートル)から求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出される。
Of the pair of
ここで、試験力をF(N:ニュートン)とした場合に、ビッカース硬さHVは、下記の式で表される。 Here, when the test force is F (N: Newton), the Vickers hardness HV is expressed by the following equation.
HV = 0.1891(F/d2)
なお、一対の圧子19、21のうち、他方の圧子19としては、例えば、ヌープ硬さ試験に使用される菱形のピラミッド型の圧子が使用される。
HV = 0.1891 (F / d 2 )
In addition, as the
図7は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。 FIG. 7 is a block diagram showing a main control system of the hardness tester according to the present invention.
この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部80を備える。この制御部80は、後述するように、載置台12をZ方向に移動させることによりカメラ17により撮影した試験片100の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部82と、載置台12上に載置された試験片100の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより得た3点の位置のZ座標値に基づいて、試験片100の表面の方程式を演算する方程式演算部83と、この試験片100の表面の方程式に基づいて、試験片100における試験位置のX、Y座標位置から、その位置における試験片100の表面のZ座標位置を演算するZ座標演算部84とを備える。
This hardness tester includes a
また、この制御部80は、上述したカメラ17、液晶表示部59、LED光源41、変位検出器60、電磁コイル34、コンピュータ50、レボルバ20を回転させるためのモータ30および載置台12をX、Y、Z方向に移動させるためのモータ13、14、15と接続されている。さらに、この制御部80は、方程式演算部83により演算した試験片100の表面の方程式を記憶する記憶部81とも接続されている。
In addition, the
なお、上述した焦点合わせ部82は、試験片100を載置台12とともにZ方向に移動させ、そのときにカメラ17により撮影した試験片100の表面の画像を画像処理することにより、合焦点となる試験片100の表面の位置を認識するものである。この焦点合わせ部82は、最初に試験片100を高速広範囲でZ方向に移動させて焦点の粗位置合わせをした後、試験片100を低速狭範囲で移動させて焦点の精密位置合わせを行う構成を有している。これにより、高速かつ高精度に焦点合わせを実行することが可能となる。
The focusing unit 82 described above moves the
次に、以上のような構成を有する硬さ試験機を使用して、硬さ試験を行う場合の動作について説明する。図8は、この発明に係る硬さ試験機における硬さ試験方法のフローチャートである。 Next, an operation when a hardness test is performed using the hardness tester having the above-described configuration will be described. FIG. 8 is a flowchart of a hardness test method in the hardness tester according to the present invention.
硬さ試験を行う場合には、最初に、載置台12上に試験片100を載置する。そして、焦点合わせ部82の作用により載置台12上に載置された試験片100の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより、これらの3点の位置のZ座標値を測定する(ステップS1)。このときには、対物レンズ22、23、24、25のいずれかを試験片100と対向する位置に配置する。そして、載置台12をX、Y方向に移動させて3点の測定点のうちのいずれかを対物レンズ22、23、24、25と対向する位置に配置する。しかる後、載置台12をZ方向に移動させてカメラ17により撮影した試験片100の画像の焦点が合う位置に試験片100の表面を配置することにより、焦点合わせを行う。この焦点合わせは、焦点合わせ部82の作用により実行される。そして、そのときのZ座標値が記憶部81に記憶される。この動作は、測定点を変更して、合計3回実行される。
When performing a hardness test, first, the
次に、座標測定工程(ステップS1)で求めた3点の位置のZ座標値に基づいて、試験片100の表面の方程式を演算する(ステップS2)。
Next, an equation of the surface of the
図9は、試験片100の表面の方程式の演算方法を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a method for calculating the equation of the surface of the
この図に示すように、座標測定工程で求めた3点の測定点A、B、Cの座標がA(Ax,Ay,Az)、B(Bx,By,Bz)、C(Cx,Cy,Cz)であったとする。また、このときの試験片100の表面の方程式が下記の式(1)で表され、ベクトルABとベクトルACの外積が下記の式(2)で表されるものとする。
As shown in this figure, the coordinates of the three measurement points A, B, and C obtained in the coordinate measurement process are A (Ax, Ay, Az), B (Bx, By, Bz), C (Cx, Cy, Cz). In addition, the equation of the surface of the
ax+by+cz+d=0 ・・・(1)
ベクトルAB×ベクトルAC=(a,b,c) ・・・(2)
このときには、ベクトルABおよびベクトルACは、下記の式(3)および式(4)で表される。
ax + by + cz + d = 0 (1)
Vector AB × Vector AC = (a, b, c) (2)
At this time, the vector AB and the vector AC are expressed by the following equations (3) and (4).
ベクトルAB=(Bx−Ax,By−Ay,Bz−Az) ・・・(3)
ベクトルAC=(Cx−Ax,Cy−Ay,Cz−Az) ・・・(4)
従って、上記a、b、c、dは、以下の式(5)、式(6)、式(7)、式(8)のとおりとなる。
Vector AB = (Bx−Ax, By−Ay, Bz−Az) (3)
Vector AC = (Cx−Ax, Cy−Ay, Cz−Az) (4)
Therefore, a, b, c, and d are as shown in the following formulas (5), (6), (7), and (8).
a=(By−Ay)(Cz−Az)−(Cy−Ay)(Bz−Az) ・・・(5)
b=(Bz−Az)(cx−Ax)−(Cz−Az)(Bx−Ax) ・・・(6)
c=(Bx−Ax)(Cy−Ay)−(Cx−Ax)(By−Ay) ・・・(7)
d=−(aAx+bAy+cAz) ・・・(8)
これにより、試験片100の表面の方程式を特定することが可能となる。この方程式は、記憶部81に記憶される(ステップS3)。なお、この方程式に基づいて、試験片100における試験位置のX、Y座標が設定された場合には、その試験位置のZ座標は、下記の式(9)により表されることになる。
a = (By-Ay) (Cz-Az)-(Cy-Ay) (Bz-Az) (5)
b = (Bz-Az) (cx-Ax)-(Cz-Az) (Bx-Ax) (6)
c = (Bx-Ax) (Cy-Ay)-(Cx-Ax) (By-Ay) (7)
d = − (aAx + bAy + cAz) (8)
Thereby, it becomes possible to specify the equation of the surface of the
Z=−(ax+by+d)/c ・・・(9)
この状態で試験片100における試験位置のX座標およびY座標が入力されるのを待つ(ステップS4)。この場合、異なる試験位置において複数回の硬さ試験を実行する場合には、複数の試験位置が予め記憶部81に記憶されており、この試験位置のX座標およびY座標が制御部80により読み出される。
Z = − (ax + by + d) / c (9)
In this state, it waits for the X coordinate and Y coordinate of the test position in the
試験片100における試験位置のX座標およびY座標が入力されれば、このX座標値およびY座標値が上記の式(9)に入力され、その試験位置における試験片100の表面のZ座標値が演算される(ステップS5)。
If the X coordinate and the Y coordinate of the test position in the
次に、モータ15の駆動により載置台12を試験片100とともにZ方向に移動させ、試験片100の表面を先に演算したZ座標値の高さに配置するとともに、モータ13およびモータ14の駆動により、載置台12を試験片100とともにX方向およびY方向に移動させ、試験片100における試験位置を圧子19または圧子21と対向する位置に配置する。なお、このときには、モータ30の駆動によりレボルバ20が回転し、対物レンズ22、23、24、25のいずれかにかえて圧子19または圧子21が、予め、試験片100における試験位置と対向し得る位置に配置されている。
Next, the mounting table 12 is moved in the Z direction together with the
この場合においては、試験片100の表面のZ方向の移動が圧子19または圧子21に近接する方向の移動であるのか離隔する方向の移動であるのかにより、Z方向の移動とX、Y方向の移動とのいずれを先に実行するかが異なる。
In this case, the movement in the Z direction and the movement in the X and Y directions depend on whether the movement in the Z direction on the surface of the
すなわち、試験片100の表面を圧子19または圧子21から離隔する方向に移動させる必要がある場合においては(ステップS6)、最初に試験片100を載置台12とともにZ方向に移動させた後(ステップS71)、X、Y方向に移動させる(ステップS72)。一方、試験片100の表面を圧子19または圧子21に近接する方向に移動させる必要がある場合においては(ステップS6)、最初に試験片100を載置台12とともにX、Y方向に移動させた後(ステップS73)、Z方向に移動させる(ステップS74)。
That is, when it is necessary to move the surface of the
これにより、試験片100の表面と圧子19または圧子21とが衝突することを防止することが可能となる。すなわち、試験片100の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においては、載置台12を試験片100とともにX、Y方向に移動させたときに、圧子19または圧子21の下端部と試験片100の表面とが衝突する可能性がある。しかしながら、この硬さ試験機においては、試験片100がZ方向に移動するときの移動方向に応じて,試験片100を先にZ方向に移動させるか、X、Y方向に移動させるかを選択することができることから、試験片100の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、試験片100と圧子19または圧子21とが衝突することを未然に防止することが可能となる。
Thereby, it becomes possible to prevent the surface of the
そして、このような構成を採用することに起因して、試験片100における試験位置の表面のZ座標位置を一定にすることができることから、圧子19または圧子21を確実に試験片100に押しつけることが可能となる。すなわち、試験片100の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においては、圧子19または圧子21を下降させても、そのストロークが小さな場合には、圧子19または圧子21の先端が試験片100の表面に到達しない可能性もある。しかしながら、この硬さ試験機においては、試験片100における試験位置の表面のZ座標位置を一定にすることができることから、試験片100の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、圧子19または圧子21を確実に試験片100に押しつけることが可能となる。
And since the Z coordinate position of the surface of the test position in the
試験片100の移動が完了すれば、図4に示す負荷機構の作用により、圧子19または圧子21をZ方向に移動させ、圧子19または圧子21を試験片100に押しつける。これにより、試験片100の表面に圧痕が形成される(ステップS8)。
When the movement of the
そして、カメラ17により試験片100の表面に形成された圧痕を撮影する(ステップS9)。このときには、試験片100の表面のZ軸座標値は、既に合焦点位置と一致していることから、焦点合わせ動作を実行することなく、圧痕を撮影することが可能となる。これにより、硬さ試験を効率的に実行することができる。
And the impression formed on the surface of the
但し、焦点をより高精度に合わせるために、再度、焦点合わせ動作を実行するようにしてもよい。この場合においても、試験片100の表面のZ軸座標値を合焦点位置に合わせていることから、試験片100のZ軸方向の移動量は極めて小さなものとなり、焦点合わせ動作を短時間で完了することができる。このときには、上述した試験片100を高速広範囲でZ方向に移動させて焦点の粗位置合わせを行う動作と、試験片100を低速狭範囲で移動させて焦点の精密位置合わせを行う動作のうち、精密位置合わせ動作のみを実行すればよい。
However, the focusing operation may be executed again in order to adjust the focus with higher accuracy. Even in this case, since the Z-axis coordinate value of the surface of the
試験片100の表面に形成された圧痕の撮影が完了すれば、この圧痕のサイズを測定することにより、試験片100の硬さを演算する(ステップS10)。
When imaging of the indentation formed on the surface of the
11 テーブル
12 載置台
13 モータ
14 モータ
15 モータ
16 接眼レンズ
17 カメラ
19 圧子
20 レボルバ
21 圧子
22 対物レンズ
23 対物レンズ
24 対物レンズ
25 対物レンズ
26 つまみ
27 軸筒
28 回転軸
29 ベアリング
30 モータ
31 軸
32 レバー
33 永久磁石
34 電磁コイル
35 押圧部
36 負荷伝達軸
41 LED光源
42 光筒
43 ハーフミラー
44 ハーフミラー
50 コンピュータ
53 ラック
54 ピニオン
55 表示部
56 本体
57 キーボード
58 マウス
59 液晶表示部
60 変位検出器
61 板バネ
62 支持部材
63 支持部材
80 制御部
81 記憶部
82 焦点合わせ部
83 方程式演算部
84 Z座標演算部
100 試験片
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより得た3点の位置のZ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算部と、
前記方程式演算部により演算した試験片の表面の方程式を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のX、Y座標位置から、その位置における前記試験片の表面のZ座標位置を演算するZ座標演算部と、
を備え、
前記移動機構は、Z座標演算部により演算した前記試験片の表面のZ座標位置に基づいて、前記載置台をZ方向に移動させることを特徴とする硬さ試験機。 A mounting table for mounting the test piece, a moving mechanism for moving the mounting table in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other, an indenter for forming an indentation on the surface of the test piece, and a test on the test piece A load mechanism for pressing the indenter against the test piece by moving the indenter in a Z direction at a position opposite to the position; an imaging mechanism for photographing an indentation formed on the surface of the test piece; In a hardness tester comprising: a focusing unit that performs focusing of an image of a test piece photographed by the photographing mechanism by moving in the Z direction,
The surface equation of the test piece is calculated based on the Z coordinate values of the three points obtained by focusing at three different points on the surface of the test piece placed on the mounting table. An equation calculator to
A storage unit for storing an equation of the surface of the test piece calculated by the equation calculation unit;
Based on the equation of the surface of the test piece stored in the storage unit, from the X and Y coordinate positions of the test position in the test piece, a Z coordinate calculation unit that calculates the Z coordinate position of the surface of the test piece at that position; ,
With
The movement mechanism moves the mounting table in the Z direction based on the Z coordinate position of the surface of the test piece calculated by the Z coordinate calculation unit.
前記移動機構は前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置するときに、前記載置台をZ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置の表面を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置する硬さ試験機。 The hardness tester according to claim 1,
The moving mechanism moves the mounting table in the X and Y directions and moves the mounting table in the Z direction when the test position of the test piece is arranged at a position facing the indenter. The hardness tester which arrange | positions the surface of the test position in in the focus position of the image of the test piece image | photographed with the said imaging mechanism.
前記移動機構は、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をZ方向に移動させた後にX、Y方向に移動させ、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させた後にZ方向に移動させる硬さ試験機。 In the hardness tester according to claim 2,
When the movement of the mounting table in the Z direction is a direction in which the surface of the test piece is separated from the indenter, the moving mechanism moves the mounting table in the Z direction and then moves the mounting table in the X and Y directions. When the movement of the mounting table in the Z direction is a direction in which the surface of the test piece is close to the indenter, the mounting table is moved in the X and Y directions and then moved in the Z direction. Hardness tester.
前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる3点の位置で焦点合わせを行うことにより、前記3点の位置のZ座標値を測定する座標値測定工程と、
前記3点の位置のZ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算工程と、
前記方程式演算工程において演算した試験片の表面の方程式を記憶する方程式記憶工程と、
前記方程式記憶工程において記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のX、Y座標位置から、その位置における前記試験片の表面のZ座標位置を演算するZ座標演算工程と、
前記移動機構により、Z座標演算部により演算した前記試験片の表面のZ座標位置に基づいて前記載置台をZ方向に移動させることにより、試験片における試験位置の表面のZ座標位置を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置するとともに、前記載置台をX、Y方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する移動工程と、
前記圧子をZ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける圧痕形成工程と、
前記撮影機構により前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための圧痕撮影工程と、
を備えたことを特徴とする硬さ試験機における硬さ試験方法。 A mounting table for mounting the test piece, a moving mechanism for moving the mounting table in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other, an indenter for forming an indentation on the surface of the test piece, and a test on the test piece A load mechanism for pressing the indenter against the test piece by moving the indenter in a Z direction at a position opposite to the position; an imaging mechanism for photographing an indentation formed on the surface of the test piece; In a hardness test method in a hardness tester equipped with a focusing unit that performs focusing of an image of a test piece photographed by the photographing mechanism by moving in the Z direction,
A coordinate value measuring step of measuring the Z coordinate value of the three points by performing focusing at three different points on the surface of the test piece placed on the mounting table;
An equation calculation step of calculating an equation of the surface of the test piece based on the Z coordinate value of the position of the three points;
An equation storage step for storing an equation of the surface of the test piece calculated in the equation calculation step;
Based on the equation of the surface of the test piece stored in the equation storage step, the Z coordinate calculation step of calculating the Z coordinate position of the surface of the test piece at that position from the X and Y coordinate positions of the test position in the test piece When,
By moving the mounting table in the Z direction based on the Z coordinate position of the surface of the test piece calculated by the Z coordinate calculation unit by the moving mechanism, the Z coordinate position of the surface of the test position in the test piece is A moving step of arranging the test position on the test piece at a position facing the indenter by moving the mounting table in the X and Y directions while arranging the focal position of the image of the test piece taken by the photographing mechanism. When,
An indentation forming step of pressing the indenter against the test piece by moving the indenter in the Z direction;
An indentation imaging step for imaging the indentation formed on the surface of the test piece by the imaging mechanism;
A hardness test method in a hardness tester, comprising:
前記移動工程においては、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する前に、前記載置台をZ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のZ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させ、前記載置台のZ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をX、Y方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置した後に、前記載置台をZ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のZ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させる硬さ試験機における硬さ試験方法。
The hardness tester according to claim 4,
In the moving step, when the movement of the mounting table in the Z direction is a direction in which the surface of the test piece is separated from the indenter, the mounting table is moved in the X and Y directions to move the testing table. Before placing the test position at the position opposite to the indenter, move the mounting table in the Z direction, and the Z coordinate position of the surface of the test position on the test piece is imaged by the imaging mechanism. When the movement of the mounting table in the Z direction is the direction in which the surface of the test piece is close to the indenter, the testing table is moved in the X and Y directions. After the test position of the test piece is arranged at a position facing the indenter, the Z-coordinate position of the surface of the test position of the test piece is taken by the imaging mechanism by moving the mounting table in the Z direction. Move to focus position Hardness test method in hardness tester to.
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