CN106525623B

CN106525623B - 硬度测试机

Info

Publication number: CN106525623B
Application number: CN201610808419.9A
Authority: CN
Inventors: 泽健司; 舆水文比古
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: JP6721306B2; DE102016215521A1; US20170074763A1; CN106525623A; US10094753B2; DE102016215521B4; JP2017053732A

Abstract

一种硬度测试机，用于通过采用压头来加载预定测试力而在样品的表面上形成压痕，并且通过使用所述压痕来测量样品的硬度。所述硬度测试机包括：光源，其在样品的表面上发射光，并且形成具有斑点的照明图案；以及控制器，其在当由所述光源形成在样品的表面上的照明图案的斑点的位置被用作测试点时所述压头的顶点的垂线重叠所述测试点的状态下，通过使所述压头与样品接触来形成所述压痕。

Description

硬度测试机

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2015年9月10日提交的日本申请第2015-178032号的优先权，其全部公开内容通过引用明确并入本文。

技术领域

本发明涉及一种硬度测试机。

背景技术

众所周知，硬度测试机通过将压头按压到样品的表面以形成压痕并测量压痕的尺寸或者通过在形成压痕时测量压头的压入深度来测量样品的硬度。在这样的硬度测试机中，在按压压头之前，需要确认按压位置(样品的测试点)是否被直接定位在压头下方。例如，当使用洛氏硬度测试机或布氏硬度测试机时，公知的是在视觉上确认的方法，其中测试点靠近压头同时提升布置在按压机构正下方的竖直台。另外，当使用维氏硬度测试机时，公知的方法是其中使用测量测试机的压痕长度的显微镜，且测试点对准到预定位置同时测量样品的整个表面。然而，在目视确认方法中，在执行使压头靠近样品的任务的同时相对于按压方向倾斜地观察，而不是从正上方观察。因此，目视确认方法可能导致相对于预期位置的定位漂移，并且还要花时间和精力来进行调整。此外，在显微镜确认方法中，样品的近似测试位置必须首先使用低倍率场透镜来识别，然后样品的测试位置需要通过切换到高倍率场透镜来识别，因此要花时间和精力来进行调整。另外，在仅使用高倍率场透镜时，由于视场很窄而难以确定样品的测试位置。

与此相反，日本专利第4750314号例如提出了一种在一项试验中有把握地确定样品测试点的技术。环形照明图案由同心安装在压头柱上的多个光源形成在样品的表面上，并且样品通过精细调整被定位，以使样品的测试点与照明图案的中心对准。

然而，在日本专利第4750314号所描述的装置中，调整样品的测试点，以便通过目测与照明图案的中心对准。因此，所调整的位置仍可能从实际测试点偏移。

发明内容

本发明提供了一种能够容易地调整测试点并且执行实际测试而在所调整的测试点中没有漂移的硬度测试机。

为了解决上述问题，本发明的一个方面是提供了一种硬度测试机，其通过采用压头来加载预定测试力而在样品的表面上形成压痕，并且使用所述压痕来测量样品的硬度。所述硬度测试机包括照明器和控制器。所述照明器在样品的表面上发射光，并且形成具有斑点的照明图案。所述控制器在当由所述照明器形成在样品的表面上的照明图案的斑点的位置被用作测试点时所述压头的顶点的垂线重叠所述测试点的状态下，通过使所述压头与样品接触来形成所述压痕。

在本发明的另一方面，所述硬度测试机包括：样品放置部，样品要被放置在其上；以及位移部，其在水平方向上位移所述样品放置部。所述照明器包括平行于所述压头设置的单个光源，并且大致平行于竖直方向发射光。所述控制器通过使用所述位移部以在水平方向上位移所述样品放置部，以使所述压头的顶点的垂线定位在样品的表面上的测试点。

在本发明的另一方面，所述位移部包括在水平面内沿两个方向能够往复位移所述样品放置部的XY台。所述硬度测试机包括存储器，其储存所述压头的位置和形成有所述照明图案的斑点的位置的相对位置坐标。所述控制器基于储存在所述存储器中的相对位置坐标通过使用所述位移部来位移所述样品放置部。

在本发明的另一方面，所述硬度测试机包括：样品放置部，样品要被放置在其上；以及位移部，其在水平方向上位移所述压头。所述照明器包括平行于所述压头设置的单个光源，并且大致平行于竖直方向发射光。所述控制器通过使用所述位移部以在水平方向上位移所述压头，以使所述压头的顶点的垂线定位在样品的表面上的测试点。

在本发明的另一方面，所述照明器包括在相互接近的方向上发射光的两个光源。所述硬度测试机配置为允许所述压头的顶点的垂线定位在从所述两个光源发射的光相交的斑点上。所述控制器控制所述样品的高度位置，以允许从所述两个光源发射的光的交点和样品的表面重叠。

在本发明的另一方面，从所述两个光源发射的光具有带状。

在本发明的另一方面，所述照明器包括发射激光的光源。

根据本发明，测试点的调整可以很容易地进行，并且可以在所调整的测试点没有漂移的情况下来进行实际的测试。

附图说明

下面参照附图，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，在详细描述中对本发明进行说明，其中在若干附图中，相同的附图标记表示类似的部件，其中：

图1是根据本发明的硬度测试机的整体图。

图2是示出根据第一实施例的硬度测试机的控制结构的框图；

图3是示出图2的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图；

图4示出了样品的位移；

图5是示出根据第二实施例的硬度测试机的控制结构的框图；

图6是示出图5的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图；

图7是描述根据第一和第二实施例的硬度测试机的变形例的示意图；

图8是示出根据第三实施例的硬度测试机的控制结构的框图；

图9是示出图8的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图；

图10示出了图8的测试机主体的相关部分的结构；以及

图11示出了根据第三实施例的硬度测试机的变形例。

具体实施方式

本文示出的细节是通过示例呈现的，并且仅用于本发明实施例的说明性讨论的目的，被认为是本发明的原理和概念方面的最有用且最容易理解的描述。在这方面，没有试图更详细地示出比对于本发明的基本理解所必要的本发明的结构细节，对于本领域技术人员而言，结合附图的描述使得本发明的形式可以如何在实践中实施是显而易见的。

下面参照附图，对本发明的实施例进行说明。

第一实施例

下面，参照附图对本发明的第一实施例进行详细地说明。图1是根据第一实施例的硬度测试机的整体图。图2是图1的硬度测试机的控制结构的框图。图3是示出图2的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图。

如图1至3所示，硬度测试机100配置为包括硬度测试机主体10、控制器17、控制台18和监视器19。例如，硬度测试机100是洛氏硬度测试机。此外，在以下的描述中，在图1和3中，X方向是左右方向，Y方向是前后方向，Z方向是上下方向。另外，X-Y平面是水平平面。

例如，硬度测试机主体10配置为包括：光源(照明器)11，其在样品S发射光；XY台12(位移部或位移器)，其在水平方向上位移样品S；竖直台13，其升降XY台12；以及压头柱14，其具有在样品S上形成压痕的压头14a。

例如，光源11包括LD(激光二极管)，产生并发射激光。光源11(其设置成平行于压头柱14)在Z方向(即基本平行于压头柱14的位移方向的方向)上发射光，并且在位于下方的样品S发射光。斑点状照明图案由光源11显示在置于XY台12上的样品S的单点。在本实施例中，由光源11形成在样品S表面上的斑点的位置是测试点。另外，从创建低成本设备配置的观点出发，如上所述，产生激光的光源被用作光源11。可替代地，例如可以使用光源比如卤素或LED(发光二极管)。

XY台12是样品S可被放置在顶表面上的样品放置部(样品放置平台)121，并且具有已知的结构，其包括可在X方向上位移的第一台12a和可在Y方向上位移的第二台12b。XY台12响应于由控制器17输出的控制信号而被驱动，并且沿X-Y方向滑动位移放置在XY台12的顶上的样品S。因此，样品S可被位移，以允许样品S的表面上的测试点与压头14a的顶点的垂线重叠。

竖直台13响应于由控制器17输出的控制信号而被驱动，并且在Z方向上位移XY台12。

压头柱14随负载机构朝向样品S位移，该机构响应于由控制器17输出的控制信号而被驱动。压头14a(设置在压头柱14的前沿端上)采用预定的测试力按压在样品S的表面上。因此，压痕形成在样品S的表面上。所使用的压头14a的示例可以包括具有0.2毫米的尖端半径和120度的尖端角的锥形钻石压头；使用1/16英寸、1/8英寸等的钢球的压头；等等。

控制器17配置为包括CPU(中央处理单元)171、RAM(随机存取存储器)172和存储器173。控制器17通过执行储存在存储器173中的预定程序来执行预定硬度试验的性能的操作控制。

具体地，CPU171检索储存在存储器173中的处理程序，然后打开并执行RAM172中的处理程序。CPU171从而执行硬度测试机100的总体控制。

RAM172打开RAM172内的程序储存区域中的由CPU171执行的处理程序，并且将输入数据储存在数据储存区域中，处理在执行处理程序期间所产生的结果等。

例如，存储器173包括储存程序、数据等的记录介质。存储器173储存各种数据、各种处理程序、以及通过运行允许CPU171执行硬度测试机100的整体控制的程序所处理的数据。例如，相对位置坐标被预先储存在存储器173中，相对位置坐标属于照明图案的斑点由来自光源11的光和位于压头14a的顶点的垂线上的位置而形成在样品放置部121的顶表面上的位置。CPU171基于所述坐标来位移XY台12。

控制台18配置有键盘、鼠标等。控制台18在硬度测试过程中接收由用户的输入操作。当控制台18接收由用户执行的预定输入操作时，相应于输入操作的预定操作信号产生并被输出到控制器17。例如，控制台18接收用户在采用硬度测试机100执行硬度试验时输入要被使用的测试条件的操作。测试条件值是这样的值，例如比如样品S的材料、由压头14a加载于样品S上的测试力(N)、或光源11和压头14a的位置坐标。

监视器19由显示装置构成，例如比如LCD(液晶显示器)。监视器19显示输入到控制台18的硬度试验的试验条件和硬度试验的结果等。

接着，对根据本实施例的硬度测试机100的测试点对准方法进行说明。首先，使用者把要进行硬度测试的样品S放置在XY台12的顶表面上，并且从光源11在样品S发射光。另外，光的斑点状照明图案被用作指标，并且进行精细调整，以允许样品S的所期望的测试点匹配图案。因此，斑点的位置是测试点P。在该状态下，当用户给出指令以开始测试时，如图4所示，控制器17基于储存在存储器173中的位置坐标来位移XY台12。因此，样品S的测试点P重叠压头14a的顶点的垂线L的位置。此后，控制器17通过操作压头14a在样品S表面的测试点形成压痕，并且执行预定的数据分析来计算样品S的硬度。

如上所述，根据本实施例，硬度测试机100通过采用压头14a加载预定的测试力在样品S的表面上形成压痕，并且通过使用该压痕来测量样品的硬度。硬度测试机100包括光源11和控制器17。光源11在样品S的表面上发出光，并且形成具有斑点的照明图案。控制器17在测试点重叠压头14a的顶点的垂线的状态下，通过使压头14a接触到样品S来形成压痕，测试点是在样品S的表面上由光源11形成的照明图案的斑点的位置。因此，在斑点状光在样品S的期望的测试点发射和测试点得到确认之后，可以通过在确认的测试点形成压痕同时进行简单地调整来进行测试，并且在测试之前未从所调整的测试点漂移。

另外，根据本实施例，硬度测试机100包括样品S被放置在其上的样品放置部121和样品放置部121沿水平方向在其上位移的XY台12。光源11(设置成平行于压头14a)是发射基本上平行于竖直方向的光的单一光源。控制器17通过使用XY台12以在水平方向上位移样品放置部，以允许压头14a的顶点的垂线定位在样品S的表面上的测试点。因此，由于光源11和压头14a不重叠的配置，可以便于测试点的确认。

根据本实施例，XY台12还能够在水平面内的两个方向上往复位移样品放置部121，并且包括存储器173，其储存压头14a的位置和形成照明图案的斑点的位置的相对位置坐标。控制器17基于储存在存储器173中的相对位置坐标通过使用XY台12来位移样品放置部121。因此，可以在测试之前未从所调整的测试点漂移的情况下进行测试。

根据本实施例，光源11是发射激光的激光光源。因此，该设备可以采用低成本进行配置。

第二实施例

下面，对本发明的第二实施例进行说明。此外，相同的附图标记用于与第一实施例类似的结构，省略了其中的详细说明。图5是示出根据第二实施例的硬度测试机的控制结构的框图。图6是示出图5的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图。

如图5和6所示，硬度测试机200配置为包括测试机主体20、控制器27、控制台18、以及监视器19。

代替第一实施例的XY台12，测试机主体20包括样品台22，该样品台22配置为在样品S放置在样品台22的状态下可在左右方向上移动。另外，测试机主体20的其他结构与第一实施例的测试机主体10相同。

样品台22包括样品S放置在其上的样品放置部22a和样品放置台22b，其从下面支撑样品放置部22a并且在左右方向上滑动位移样品放置部22a。

控制器27配置为包括CPU271、RAM272和存储器273。CPU271、RAM 272和存储器273的基本结构和功能分别与CPU171、RAM 172和存储器173完全相同。在本实施例的存储器273中，在X方向上的相对距离被预先储存，相对距离位于照明图案的斑点在样品放置部22a的顶部表面上由来自光源11的光形成的位置与压头14a的顶点的垂线穿过的位置之间。CPU271可以在水平方向上位移样品S，以通过基于该相对距离来驱动位移台22b，允许压头14a的顶点的垂线定位在样品S的表面上的测试点。

下面，对根据本实施例的硬度测试机200的测试点对准方法进行说明。首先，用户将样品S放置在样品台22的样品放置部22a的顶表面上，并且执行精细调整以允许光的斑点状照明图案在样品S处光从光源11射出的状态下与样品S的所期望的测试点对准。因此，斑点的位置成为测试点。在这种状态下，当用户给出指令以开始测试时，通过将位移台22b仅位移储存在存储器273中的距离，控制器27位移样品放置部22a，并且允许样品S的所期望的测试点和压头14a彼此面对。此后，控制器27通过操作压头14a在样品S的表面上的测试点形成压痕，并且使用预定的数据分析来计算样品S的硬度。

如上所述，根据本实施例，硬度测试机200设置有样品台22，该样品台包括其上放置有样品S的样品设置部22a和能够在从下方支撑样品放置部22a的状态下在水平面内的一个方向上往复位移的位移台22b。因此，在通过在样品S的所期望的测试点发射光来确认测试点之后，可以在所确认的测试点精确地形成压痕。

另外，在上述的第二实施例中，样品台22被描述为示意了样品放置部22a由位移台22b位移的配置。然而，其中用户手动位移样品放置部22a的配置是可能的。虽然未在图中示出，但例如这样的情况可以配置为由在左右预定位置具有挡块的台支撑样品放置部22a，并且允许用户在台上滑动位移样品放置部22a。在此配置中，用户首先将样品S放置在样品放置部22a上，其中第一挡块抵接着样品放置部22a。在样品S处光从光源11发射的状态下，用户进行精细调整，以使光的照明图案和样品S的所期望的测试点对准。然后用户在台上滑动位移样品放置部22a，以便与第二挡块接触。

此外，上述的第一和第二实施例被描述为示意了其中样品S(XY台12或样品台22)在水平面内位移的配置。然而，在样品S与光源11和压头14a之间的相对位置关系可以改变的情况下，样品S(XY台12或样品台22)可被固定，且光源11和压头14a可以配置成在水平面内位移。

采用这种配置，例如如图7所示，测试机主体20A包括样品S被置于其中的样品放置部28和在水平方向上位移压头14a的转台(位移部或位移器)29。另外，转台29还包括平行于压头14a设置的单个光源11，并且发射基本上或大致平行于竖直方向的光。通过在样品S的表面从光源11发射斑点状的光来确认测试点之后，控制器27通过转动转台29以在水平方向上位移压头14a来允许压头14a的顶点的垂线定位在测试点。

第三实施例

下面，对本发明的第三实施例进行说明。此外，相同的附图标记用于与第一实施例相类似的结构并且省略其详细说明。图8是示出根据第二实施例的硬度测试机的控制结构的框图。图9是示出图8的硬度测试机的硬度测试机主体的示意图。图10示出了根据本实施例的测试机主体的相关部分的结构。

如图8和9所示，硬度测试机300配置为包括测试机主体30、控制器37、控制台18以及监视器19。

例如，测试机主体30配置为包括在样品S发射光的两个光源(照明器)31和32、样品S被放置在其中的样品台33、升降样品台33的竖直台34以及具有在样品S上形成压痕的压头14a的压头柱14。

两个光源31和32例如包括LD等，并且产生和发射激光。如图10所示，两个光源31和32安装有在相互接近的方向上倾斜的光源的底端。从两个光源31和32发出的光在相互接近的方向上延伸，并且被限定为以便在压头14a的顶点的垂线(在压头14a的正下方)相交。

样品台33是形成在水平面上的台，样品S可以放置在顶表面上，并且样品台33由竖直台34支撑。

竖直台34响应于由控制器37输出的控制信号而被驱动，并且在Z方向上位移样品台33。竖直台34调整样品台33的高度，以允许从两个光源31和32发射的光的交点定位在样品S的表面上。因此，斑点状照明图案显示在放置于样品台33上的样品S的一个点上。

控制器37配置为包括CPU371、RAM372以及存储器373。CPU371、RAM372和存储器373的基本结构和功能分别类似于CPU171、RAM172和存储器173。样品S表面的高度(样品S的厚度)在测试之前事先储存在根据本实施例的存储器373中。基于该高度，CPU371调节竖直台34的高度，并且将斑点状照明图案显示在样品S的表面上。

下面，对根据本实施例的硬度测试机300的测试点的对准进行说明。首先，用户将样品S放置在样品台33的顶表面上。接下来，根据用户的指令，控制器37从两个光源31和32在样品S发射光。控制器37通过使用竖直台34在Z方向上位移样品台33，并且将斑点状照明图案显示在放置于样品台33上的样品S的单点。在该状态下，用户执行精细调整以允许光的照明图案与样品S的所期望的测试点对准。此后，根据用户的指令，控制器27通过操作压头14a在样品S的测试点形成压痕。控制器37通过使用预定的数据分析来计算样品S的硬度。

根据如上所述的本实施例，硬度测试机300包括在相互接近的方向上发光的两个光源31和32。硬度测试机300配置成将压头14a的顶点的垂线定位在从这两个光源31和32发射的光相交的斑点上。控制器37控制样品S的高度位置，以允许从两个光源31和32发射的光的交点重叠测试点。因此，在通过在样品S的所期望的测试点发射斑点状光来确认测试点之后，可以在所确认的测试点形成压痕。因此，采用简单的调整，可以在测试之前在不从调整的测试点漂移的情况下进行测试。

上述的第三实施例被描述为示例了从两个光源31和32发射线状光的配置。然而，如图11所示，带状激光从两个光源31和32发射的配置是可能的。采用这种配置，高度限制得到缓和，光线相交于在高度方向上具有特定宽度的部分，交点(斑点)可被定义为测试点。

此外，在上述的第一至第三实施例中，洛氏硬度测试机被描述为示例性的。然而，例如，维氏硬度测试机可以替代地用作本发明可应用于的硬度测试机。

除非另外指出，表示在本说明书和权利要求书中所用的成分等的量的所有数字应被理解为在所有情况下由术语“约”修饰。如本文中所使用的术语“大致”和“大约”应理解为允许变化同时仍保持本发明功效的近似值。因此，除非有相反的指示，在本说明书及所附权利要求书中阐述的数值和几何参数及关系是可根据设法通过本发明获得的所期望的性质而变化的近似。最起码并且不是试图限制等同于权利要求范围的教导的应用，每个数值和几何参数及关系应根据有效数字和普通四舍五入方法的数值而解释。

应当指出，上述示例仅用于解释的目的，不以任何方式被解释为限制本发明。虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了说明，但应当理解的是，本文中所用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。在所附权利要求的范围之内，可以如所述和所修改的那样进行变化，而不在这些方面背离本发明的范围和精神。虽然已经参照具体的结构、材料和实施例对本发明进行了说明，但本发明并不旨在被限定于本文所公开的细节；相反，本发明延伸到所有功能上等同的结构、方法和用途，比如在所附权利要求的范围之内。

本发明并不限定于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims

1.一种硬度测试机，用于通过采用压头来加载预定测试力而在样品的表面上形成压痕，并且通过使用所述压痕来测量样品的硬度，所述硬度测试机包括：

照明器，其配置为在样品的表面上发射光，并且形成具有斑点的照明图案；以及

控制器，其配置为在当由所述照明器形成在样品的表面上的照明图案的斑点的位置被用作测试点时所述压头的顶点的垂线重叠所述测试点的状态下，通过使所述压头与样品接触来形成所述压痕，并且

其中，所述照明器包括配置为在相互接近的方向上发射光的两个光源，

所述压头的顶点的垂线配置为定位在从所述两个光源发射的光相交的斑点，并且

所述控制器还配置为控制所述样品的高度位置，以允许从所述两个光源发射的光的交点和样品的表面重叠。

2.根据权利要求1所述的硬度测试机，其中，从所述两个光源发射的光是带状的。

3.根据权利要求1所述的硬度测试机，其中，所述照明器包括配置为发射激光的光源。