硬度测试设备和硬度测试方法与流程

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2015-178173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和硬度测试方法。

背景技术：

众所周知，常规的硬度测试机基于通过采用预定的测试力抵靠着样品(工件)按压压头而形成的压痕的尺寸来测量样品的硬度。例如，维氏硬度测试机测量通过按压四边形棱锥压头到样品的表面中而形成的压痕的对角线的长度，并且基于压痕的对角线的所测量的长度来计算硬度(例如参见日本专利特许公开号2012-78306)。

近年来，在具有相同形状的多个样品通过使用上述硬度测试机而被重复测量的情况下，“零件管理器”已被使用。零件管理器是在重复执行对于一个样品制定的测试图案的程序(零件程序)针对具有相同形状的另一个样品时所使用的功能。例如，图10所示的零件管理器设置屏幕G2包括：零件数量限定器201，其限定沿每个列方向和行方向布置的具有相同形状的样品的数量；和间隔限定器202，其限定在列方向上相邻的样品之间的间隔和在行方向上相邻的样品之间的间隔。通过在零件管理器设置屏幕G2上限定沿每个列方向和行方向存在的样品的数量以及在列和行方向上相邻的样品之间的间隔，对于多个样品可限定相同的测试图案。如图11所示，例如在样品S的方向和间隔规则的情况下，对于多个样品限定测试图案可以通过使用零件管理器而变得很容易。

然而，在样品的方向和间隔不规则的情况下，测试图案不能很容易地采用图10所示的零件管理器设置屏幕G2限定。相反，在限定测试图案之后，需要用户的大量恢复过程，比如校正每个样品的位置和方向。甚至例如当样品的方向和间隔通过使用夹具而变得规则时，样品可能滑出布置，或者样品的数量可能在零件程序被记录的时间和零件程序被执行的时间不同。在这种情况下，当零件程序根据在零件程序被记录的时间所限定的样品的数量而被执行时，测量误差可能发生在不存在样品的测量位置。因此，需要单独的操作来指示省略测量，从而不利地影响可操作性。

技术实现要素：

本发明提供了一种能够在重复测量具有相同形状的多个样品的硬度时提高可操作性的硬度测试机和硬度测试方法。

为了解决上述问题，本发明的一方面是一种通过采用压头在样品上加载预定测试力以在样品的表面上形成压痕来测量样品的硬度、然后执行所述压痕的尺寸的测量和在形成所述压痕时所述压头的按压深度的测量之一的硬度测试机。所述硬度测试机包括：存储器，储存作为零件程序的包括坐标系和测试位置的测量条件的限定，它们关于在执行重复测量具有相同形状的样品的硬度时要被用作标准参照的标准参照样品的图像而被限定；图案搜索器，参照待测量的多个样品，使用基于所述标准参照样品的图像的图案图像来执行图案搜索过程，并且检测具有与所述标准参照样品的形状相同的形状的样品的数量以及具有相同形状的每个样品的位置和角度；图案限定器，基于由所述图案搜索器检测到的具有相同形状的每个样品的位置和角度和储存在所述存储器中的零件程序，对于具有相同形状的每个样品限定坐标系和测试位置；以及测量器，关于已经由所述图案限定器限定了所述坐标系和测试位置的样品执行硬度测试，并且测量样品的硬度。

在本发明的另一方面，在一个样品的硬度由所述测量器测量之后，所述图案限定器为具有相同形状的样品中的待测量的下一个样品限定坐标系和测试位置。

在本发明的另一方面，所述硬度处理器还包括样品计数限定器，限定由所述图案搜索器检测到的具有相同形状的样品的数量作为重复次数，其是相同测试图案为此而重复的样品的数量。

在本发明的另一方面，所述硬度测试机包括计算器，基于对于具有相同形状的每个样品由所述图案限定器所限定的测试位置，计算当对于具有相同形状的所有样品执行单个硬度测试时的最短测试路线。所述测量器基于由所述计算器计算的测试路线执行硬度测试。

本发明的另一方面是一种通过采用压头在样品上加载预定测试力以在样品的表面上形成压痕来测量样品的硬度、然后执行所述压痕的尺寸的测量和在形成所述压痕时所述压头的按压深度的测量之一的硬度测试机的硬度测试方法。所述硬度测试方法包括：执行参照待测量的多个样品的图案搜索过程，通过使用基于在执行重复测量具有相同形状的样品的硬度时要被用作标准参照的标准参照样品的图像的图案图像来执行图案搜索过程，并且检测具有与所述标准参照样品的形状相同的形状的样品的数量以及具有相同形状的每个样品的位置和角度；图案限定，基于在所述图案搜索中检测到的具有相同形状的每个样品的位置和角度和限定关于所述标准参照样品的图像的包括坐标系和测试位置的测量条件的零件程序对于具有相同形状的每个样品限定坐标系和测试位置；以及测量在图案限定中坐标系和测试位置已经为此而被限定的样品的硬度。

根据本发明，在重复测量具有相同形状的多个样品的硬度时的可操作性可以得到提高。

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是示出根据本发明的硬度测试机的整体结构的透视图；

图2是示出根据本发明的硬度测试机的测试机主体的示意图；

图3是示出根据本发明的硬度测试机的硬度测量器的示意图；

图4是示出根据本发明的硬度测试机的控制结构的框图；

图5是示出根据本发明的硬度测试机的过程的流程图，其中重复测量具有相同形状的样品的硬度；

图6示出了示例性图案图像；

图7示出了对于每个样品坐标系被限定的示例性格式；

图8是示出了根据变形例的硬度测试机的整体结构的透视图；

图9是示出了根据变形例的硬度测试机的控制结构的框图；

图10示出了示例性零件管理器设置屏幕；以及

图11示出了多个样品的方向和间隔具有有序排列的示例性格式。

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详细地说明。此外，在以下的说明中，在图1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平面是水平面。

例如，硬度测试机100是维氏硬度测试机，其包括具有正方形平面形状的压头14a(参照图3)。如图1至4所示，硬度测试机100配置为包括测试机主体10、控制器6、控制台7和监视器8。

如图2所示，测试机主体10包括测量样品S硬度的硬度测量器1；其上放置有样品S的样品台2；位移样品台2的XY台3；能够聚焦在样品S的表面上的AF台4；以及升降样品台2(XY台3和AF台4)的升降机构5。

如图3所示，硬度测量器1配置有照射样品S表面的照明装置11；捕获样品S表面的图像的CCD照相机12；以及转台16。转台16包括压头柱14(其包括压头14a)和场透镜15。转台16能够通过旋转在压头柱14与场透镜15之间切换。

照明装置11发出光来照射样品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以及场透镜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照相机12通过捕获样品S表面的图像以及由压头14a形成在样品S表面上的压痕来获得图像数据。CCD照相机12然后经由帧抓取器17将所获取的图像数据输出至控制器6，该帧抓取器能够同时积累和储存图像数据的多个帧。

压头柱14由负载机构(图中未示出)朝向放置在样品台2上的样品S位移，该机构响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。设置在压头柱14的前沿端上的压头14a采用预定的测试力压靠着样品S的表面。本实施例使用四边形锥体维氏压头(具有136±0.5°的相对角)作为压头14a。

场透镜15是聚光透镜，每个透镜配置有不同的放大率。多个场透镜15保持在转台16的底表面上。场透镜15通过转动转台16而位于样品S的上面。由此，由照明装置11发出的光均匀地照射样品S的表面。

转台16配置为使得压头柱14和多个场透镜15能够附接到其底表面。转台16还配置为能够通过转动绕Z轴方向定心的转台16将压头柱14和多个场透镜15中的任何一个定位在样品S的上方。具体地，压痕可以通过将压头柱14定位在样品S的上方而形成在样品S的表面上，并且所形成的压痕可以通过将场透镜15定位在样品S的上方而被观察。

样品S放置在样品台2的上表面上，并且采用样品保持器2a而被固定在适当位置。XY台3由响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动的驱动机构(图中未示出)驱动。XY台3然后在垂直于压头14a的位移方向(Z方向)的方向(X和Y方向)上位移样品台2。AF台4响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。AF台4然后基于由CCD照相机12捕获的图像数据微微升降样品台2以聚焦在样品S的表面上。升降机构5响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。升降机构5然后通过在Z方向上位移样品台2(XY台3和AF台4)来改变样品台2和场透镜15之间的相对距离。此外，升降机构5可以配置成一体地包括AF台4。既不包括AF台4也不包括升降机构5的配置也是可能的。在这种情况下，硬度测量器1可以配置为可在Z方向上向上和向下运动。具体地，通过硬度测量器1在Z方向上的向上和向下运动，样品台2与场透镜15之间的相对距离发生变化，从而能够实现聚焦在样品S的表面上的自动聚焦。

控制台7配置有键盘71和鼠标72。控制台7在硬度测试过程中接收由用户输入的操作。另外，当控制台7接收由用户执行的预定输入操作时，对应于输入操作的预定操作信号产生并输出到控制器6。具体地，控制台7接收用户选择确定压痕的聚焦位置的条件的操作。控制台7还接收用户指定样品台2(升降机构5和AF台4)的位移范围(样品台2与场透镜15之间的相对距离的范围)的操作。此外，控制台7接收在采用硬度测试机100进行硬度测试时用户输入要被使用的测试条件值的操作。所输入的测试条件值被发送到控制器6。在此，测试条件值是这样的值，例如比如样品S的材料、由压头14a加载在样品S上的测试力(N)或场透镜15的放大率。此外，控制台7接收用户选择手动图案(压痕的聚焦位置手动确定)和自动图案(自动地进行确定)中的一个的操作。控制台7还接收用户在进行硬度试验时对要被使用的测试位置进行编程的操作。

监视器8由显示装置构成，例如比如LCD。例如，监视器8显示在控制台7上输入的硬度测试设置、硬度测试的结果、以及由CCD照相机12捕获的样品S表面和形成在样品S表面上的压痕的图像。

如图4所示，控制器6配置为包括CPU61、RAM62和存储器63。控制器6通过执行储存在存储器63中的预定程序来进行预定的硬度测试的性能的操作控制。

CPU61检索储存在存储器63中的处理程序，然后打开并执行RAM62中的处理程序，从而执行硬度测试机100的总体控制。RAM62打开在RAM62内的程序储存区域中由CPU61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的过程中产生的结果等。存储器63例如包括储存程序、数据等的记录介质(图中未示出)。例如，记录介质配置有半导体存储器。此外，存储器63储存各种数据、各种处理程序以及通过运行允许CPU61执行硬度测试机100的总体控制的程序所处理的数据。此外，存储器63储存布置在样品S之一上的测试图案的程序(零件程序)。

接着，对根据本实施例的硬度测试机100的操作进行说明。首先，对用户创建和注册零件程序的过程进行说明。通过使用CCD照相机12，用户首先捕获主工件S0的形状的图像并获取主工件S0的图像，其是在执行重复测量具有相同形状的样品S的硬度时要被用作标准参照的参照样品。接着，用户限定关于主工件S0的所获取的图像的坐标系。然后，用户采用所限定的坐标系勾画出测试图案作为参照，并且将该测试图案注册为零件程序。连同测量程序一起，除了测试位置之外，零件程序记录手动限定的测量条件，比如关于要使用的压头14a的数据(转台16的放置、压头14a的形状)和测试力。注册的零件程序储存在存储器63中。因此，存储器63是本发明中的存储器。以上完成了零件程序注册过程。

接着，参照图5中的流程图对在根据本实施例的硬度测试机100中重复测量具有相同形状的样品S的硬度的过程进行说明。该过程始于检测到由用户的指令操作来启动自动测试时。

首先，控制器6的CPU61执行零件程序中的“工件识别命令”；执行参照待测量的多个样品S的图案搜索过程，CPU61基于主工件S0的图像通过使用图案图像G1(参照图6)来执行图案搜索过程；并且检测具有与主工件S0的形状相同的形状的样品S的数量以及具有相同形状的每个样品S的位置和角度(步骤S101：图案搜索)。具体地，CPU61是本发明中的图案搜索器。

接着，CPU61限定具有在步骤S101中检测到的相同形状的样品的数量作为“重复次数”，这是对于相同测试图案被重复的样品S的数量(步骤S102)。具体地，CPU61是本发明中的样品计数限定器。

接着，CPU61执行零件程序中的“工件偏移命令”；基于：在步骤S101中检测到的具有相同形状的每个样品S的位置和角度，和储存在存储器63中的零件程序，产生关于每个样品S的坐标系数据；然后对于待测量的样品S限定坐标系和测试图案(测试位置)(步骤S103：图案限定)。具体地，CPU61是本发明中的图案限定器。图7示出了对于每个样品S坐标系C1被限定的示例性格式。

接着，CPU61关于在步骤S103中已被限定了坐标系和测试位置的样品S执行硬度测试(图案测试)；并且测量样品S的硬度(步骤S104：测量)。更具体地，硬度测试是通过采用压头14a加载预定测试力以在样品S的表面上的每个测试位置形成压痕来测量样品S的硬度然后测量压痕尺寸的过程。具体地，CPU61是本发明中的测量器。

接着，CPU61确定测量是否已经被执行达在步骤S102中所限定的重复次数(步骤S105)。在CPU61确定测量已经被执行达重复次数(步骤S105：是)的情况下，CPU61确定所有的测量已被执行，该过程结束。同时，在CPU61确定测量未被执行达重复次数(步骤S105：否)的情况下，CPU61确定至少一个样品S的测量尚未执行，移动到步骤S103，然后对于待测量的样品S限定坐标系和测试位置。通过上述过程，可以执行具有相同形状的样品S的硬度的重复测量。

如上所述，根据本实施例的硬度测试机100包括：存储器(存储器63)，其储存作为零件程序的包括坐标系和测试位置的测量条件的限定，它们关于标准参照样品(主工件S0)的图像而被限定，其是在执行重复测量具有相同形状的样品S的硬度时要被用作标准参照的参照样品；图案搜索器(CPU61)，其执行参照待测量的多个样品S的图案搜索过程，图案搜索器通过使用基于标准参照样品的图像的图案图像来执行图案搜索过程，并且检测具有与标准参照样品的形状相同的形状的样品的数量以及具有相同形状的每个样品的位置和角度；图案限定器(CPU61)，其基于由图案搜索器检测到的具有相同形状的每个样品S的位置和角度来限定具有相同形状的每个样品S的坐标系和测试位置；以及测量器(CPU61)，其关于由图案限定器限定了坐标系和测试位置的样品S执行硬度测试，并且测量样品S的硬度。因此，采用本实施例的硬度测试机100，当重复测量具有相同形状的多个样品S的硬度时，可以自动进行测量，而不论样品S的数量和方向(姿势)。这对用户来说避免需要执行恢复任务或操作来省略测量，并且可以改善可操作性。此外，以阵列布置多个样品S的夹具是不必要的，因此可以降低成本。

另外，根据本实施例的硬度测试机100，在一个样品S的硬度由测量器测量之后，图案限定器对于具有相同形状的样品S中的待测量的下一个样品S限定坐标系和测试位置。因此，采用本实施例的硬度测试机100，通过对于待测量的样品S连续地限定坐标系和测试位置，可以根据需要进行限定坐标系和测试位置的任务。因此，例如在发生错误且用户希望中途结束测量的情况下，可以省略对于未被测量的样品S限定坐标系和测试位置的任务，并且可以有效地进行测量而无浪费。

另外，根据本实施例的硬度测试机100包括样品计数限定器(CPU61)，其限定由图案搜索器检测到的具有相同形状的样品的数量作为重复次数，其是相同测试图案为此而重复的样品S的数量。因此，采用根据本实施例的硬度测试机100，可以省略通过用户来限定重复次数的操作，因此可以进一步改善可操作性，并且可以更有效地进行测量任务，且涉及测量任务的时间可以减少。

在上文中，基于根据本发明的实施例，给出了具体的描述。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行修改。

变形例

另外，在上述实施例中，维氏硬度测试机被描述为示例了硬度测试机100。然而，本发明并不局限于此。例如，图8和9示出了洛氏硬度测试机200作为变形例。此外，为了简化描述，相同的附图标记用于实施例中类似的结构，并省略其详细说明。

如图8至9所示，硬度测试机200配置为包括测试机主体210、控制器6、控制台7和监视器8。

如图8所示，测试机主体210包括测量样品S硬度的硬度测量器201；其上放置有样品S的样品台202；位移样品台202的XY台203；以及升降样品台202(XY台203)的升降机构205。

硬度测量器201配置为包括捕获样品S表面的图像的图像捕获器212和设置有压头214a的压头柱214。

图像捕获器212布置在沿左右方向(X方向)从压头柱214偏移的位置。压头柱214的中心与图像捕获器212的中心之间的偏移量被预先确定。图像捕获器212配置为例如包括：照射样品S表面的照明装置；捕获样品S表面的图像并获取图像数据的CCD照相机；布置在图像捕获器212的底表面上并且由样品S的表面反射的光从其穿过的场透镜；以及引导光穿过场透镜至CCD照相机的光学系统。图像捕获器212将样品S表面的所获取的图像数据输出到控制器6。

压头柱214由负载机构(图中未示出)朝向放置在样品台202上的样品S位移，该机构响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。设置在压头柱214的前沿端上的压头214a采用预定的测试力压靠着样品S的表面。在变形例中，使用具有120°的点角度的洛氏金刚石锥形压头或球压头(例如，直径为1/16英寸、1/8英寸、1/4英寸或1/2英寸的压头)。

样品S放置在样品台202的上表面上。XY台203由响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动的驱动机构(图中未示出)驱动。XY台203然后在垂直于压头214a的位移方向(Z方向)的方向(X和Y方向)上位移样品台202。XY台203具有的冲程兼顾压头柱214的中心与图像捕获器212的中心之间的偏移量。升降机构205响应于由控制器6输出的控制信号而被驱动。升降机构5然后通过在Z方向上位移样品台202(XY台203)来改变样品台202与图像捕获器212的场透镜之间的相对距离。此外，该配置还可以包括AF台，其能够通过基于由图像捕获器212捕获的图像数据微微升降样品台202以聚焦在样品S的表面上。此外，升降机构205可以配置成一体地包括AF台。不包括升降机构205的配置也是可能的。在这种情况下，硬度测量器201可以配置为可在Z方向上向上和向下运动。具体地，通过硬度测量器201在Z方向上的向上和向下运动，样品台202与图像捕获器212的场透镜之间的相对距离发生变化，从而能够实现聚焦在样品S的表面上的自动聚焦。

根据本变形例的硬度测试机200通过首先采用压头214a将初始测试力施加到样品S的表面，然后施加真实测试力(其将额外测试力增加到初始测试力)，然后再次恢复到初始测试力来进行测量。硬度测试机200基于在初始测试力的第一和第二施加期间(洛氏硬度测试)按压压头214a的深度差来测量样品S的硬度。

根据本变形例的硬度测试机200通过采用图像捕获器212获取样品S表面的图像数据来识别样品S的形状。当图像捕获器212获取图像数据时，XY台203从压头柱214的中心在X方向上向右偏移。硬度测试机200的CPU61基于样品S的所识别的形状自动打开测试图案。当执行硬度测试(图案测试)时，CPU61通过将XY台203的偏移恢复到其原始状态来执行测试。

此外，在根据该变形例的硬度测试机200中，例如通过使用控制台7和监视器8来执行布置测试图案(零件程序注册过程)的任务，如在实施例中那样。此外，因为根据本变形例的硬度测试机200执行类似于图5所示的实施例的过程，所以省略了重复测量具有相同形状的样品S的硬度的过程的描述。

如上所述，采用根据该变形例的硬度测试机200(洛氏硬度测试机)，当重复测量具有相同形状的多个样品S的硬度时，可以自动地进行测量，而不论样品S的数量和方向(姿势)。因此，可以获得类似于根据实施例的硬度测试机100(维氏硬度测试机)的效果。

其他变形例

另外，在上述实施例中，在图5的步骤S103中，对于具有相同形状的样品S中的待测量的下一个样品S，坐标系和测试位置被限定。然而，本发明并不局限于此。例如，可对于具有相同形状的所有样品S限定坐标系和测试位置，而不是仅对于待测量的下一个样品S。

另外，在上述实施例中，在图5的步骤S102中，在步骤S101中检测到的具有相同形状的样品的数量被限定为重复次数，其是相同测试图案为此而重复的样品S的数量。然而，本发明并不局限于此。例如，在步骤S101中检测到的具有相同形状的样品的数量可以显示在监视器8上，并且检查显示内容的用户可以将该显示内容与样品的实际数量进行比较，在此之后，用户可以手动地限定重复次数。因此，例如即使在样品的实际数量不同于样品的检测到的数量的情况下，可以限定重复的正确数量，因此可以更加可靠地避免测量误差。

另外，在上述实施例中，在图5的步骤S104中，对于每个样品S执行硬度测试。然而，本发明并不局限于此。例如，在测试位置对于具有相同形状的所有样品S被提前限定的状态下，可以基于所限定的测试位置计算当对于具有相同形状的所有样品S执行单个硬度测试时的最短测试路线。在这种情况下，CPU61是本发明中的计算器。因此，可以尽量减小执行硬度测试所花费的时间量，从而可以采用甚至更高的效率来执行测量任务。

另外，在上述实施例中，在图5的步骤S101中，当执行图案搜索过程时，使用基于主工件S0的整体图像的图案图像。然而，本发明并不局限于此。例如，这样的配置是可能的，其中只有特征部分是从主工件S0的形状提取的，通过使用基于所提取的特征部分的图像的图案图像来执行图案搜索过程。例如，在主工件S0具有齿轮形状的情况下，这样的配置是可能的，其中仅具有一个或多个齿的部分被提取，并且通过使用基于一个或多个齿的图像的图案图像来执行图案搜索过程。

另外，在上述实施例中，维氏硬度测试机被说明为示出了硬度测试机100。然而，本发明并不局限于此。本发明可以应用于具有已知形状的压头的任何硬度测试机。例如，本发明还可以应用于具有四角锥金字塔金刚石压头的努氏硬度测试机。

此外，在不偏离本发明实质的范围内，还可以对配置硬度测试机100的每个部件的详细结构和操作进行适当的修改。

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。