用于自动工件试验的装置和方法与流程

本发明涉及一种根据独立装置权利要求的用于确定工件试样机械性能的测量装置以及一种根据独立方法权利要求的用于确定工件试样机械性能的方法。本发明还涉及一种用于确定工件试样机械性能的测量装置的计算机程序产品。

背景技术：

原则上，用于确定工件试样机械性能的测量装置是已知的。在此可以分为无损工件试验和破坏性工件试验。但是，来自现有技术的测量装置具有复杂的且成本高的测量机构，其中，还总是需要操作者的人工介入以便工件试验提供相应定性的测量结果。许多情况下也需要多个结构上分开的测量装置，以便能施加期望的测量方法。在连续制造工作中的所谓的线上测量或在线测量尤其无法以破坏性工件试验进行。但是，无损或低损的工件试验在连续制造工作中仍要保证试验时间短，以便不中断或延迟连续制造过程。

技术实现要素：

本发明的任务是至少部分消除从现有技术中知道的缺点。尤其是本发明的任务是优选在连续制造过程中只利用一个测量装置实现工件试验、尤其是无损和/或低损的工件试验，在这里，相应的测量方法最好基本可以自动化进行。

前述任务通过一种具有独立装置权利要求的特征的测量装置、一种具有独立方法权利要求的特征的方法、一种具有独立软件权利要求的特征的计算机程序产品来完成。本发明的其它的特征和细节来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于本发明的装置所描述的特征和细节显然也与本发明的方法和/或本发明的计算机程序产品相关地是适用的，反之亦然，从而关于各自发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。

通过如从属权利要求所述的措施和技术特征，可以实现在独立权利要求中说明的发明主题的有利改进和改善。

根据本发明，用于(尤其是无损和/或低损)确定或许可被固定在测量装置工件托座中以便试验的工件试样的机械性能的测量装置具有至少一个用于光学确定工件试样工件形状的图像采集单元。另外，在本发明的测量装置中设有至少一个用于在工件试样中产生尤其是机械压痕的机械探头。另外，至少该图像采集单元和机械探头共同形成结构单元。

术语“工件试样”包括所有待检查的试样、尤其是材料试样和原料试样，它们尤其是被检查其材料性能。在此情况下，优选涉及工件试样的机械性能，因为试样或许应该作为半成品来继续加工。术语“机械压痕”是指优选在工件试样表面中产生的凹面，其通过机械探头在工件试样中产生，相似于由冲子产生的冲眼。在此，工件试样可以含有材料，该材料具备各向异性的性能且因此以下也称为“各向异性材料”和/或“各向异性工件试样”。

通过将图像采集单元和机械探头结构整合成结构单元而得到以下优点，即，可以实现对工件试样的全自动测量，优选不使工件试样本身和/或测量装置运动。所述自动测量尤其在相应的测量和试验方法执行期间不需要操作者人工介入。优选地，也可以为了执行该方法而使该测量装置(最好一次性)接近该工件试样，从而未使工件试样运动向测量装置，而是相反地使相应的测量装置运动接近工件试样。特别是尤其在例如借助轧制、拉拔等连续制造过程制造的轧制的、挤压的、铸造的和/或拉拔的工件试样情况下，如前所述的将测量装置引导至(尤其是连续)工件试样是很有利的。因此，也可以想到测量装置和也需要的工件托座彼此在结构上分开，由此可以扩展本发明测量装置的应用可能性。

因此例如可行的是，将本发明的测量装置整合至工件试样的加工过程和/或制造过程中，其中，该测量装置优选通过无线电和/或导线和/或网络将相应确定的工件试样机械性能转送至间离的电子单元(尤其设计成服务器和/或云)，由此形成在工件试样的制造和/或加工过程的控制回路中的反馈。由此，可以在很早的时刻进行工件试样制造和/或加工的优化，从而可以产生较少的废品并且能提高质量。

本发明意义上的工件试样可以是指一个或多个构件、表面层和/或材料试样。工件试样的机械性能此时可以是硬化性能、损伤参数、断裂延伸率、抗拉强度和/或抗压强度、延展性、变形能力、韧性、屈服点、伸展极限、描述蠕变性能的参数、描述材料疲劳的参数、拉伸极限和/或材料硬化。也可以通过本发明确定工件试样的其它材料性能，例如像轧制方向或延伸方向。同样，也可以通过本发明检查各向异性材料或者确定其材料性能。

优选也设有用于固定并试验工件试样的工件托座，它尤其可以通过由图像采集单元和机械探头构成的结构单元的试验框机械连接或固定。因为机械探头向工件试样施加测试力，故有利的是该工件试样以非弯曲的方式尤其被固定在工件托座中。如果工件试样被弯曲地固定在工件托座中，则在所述方法中所需的修正成本增大以获得精确的测量结果。

在此，可以通过本发明的测量装置来(尤其是全自动，即无需人工介入)执行尤其无损的和/或低损的工件试验/材料试验，它尤其可能导致局部工件性能的确定。不同于常见的拉伸和硬度试验，在本发明的用于确定工件试样机械性能的测量中，在工件试样中造成机械压痕，但该机械压痕对于工件试样是低损的或无损的，由此，局部工件性能/参数优选可以通过将(尤其只光学)测量的压痕形貌与在采用材料模型、优化算法和/或人工智能方法、机器学习等情况下基于计算机模拟出的理论压痕形貌相比较来确定。

为此，工件试样可以优选通过卡盘尤其是快速套爪卡盘或者测量装置的固定单元被固定在工件托座中，并且其被图像采集单元如此光学采集，即，可由图像采集单元确定工件试样的工件形状。工件托座也可以无需卡紧工件试样地进行，视它的形状结构(例如在平面平行试样情况下)和预定压痕位置而定。但是，工件托座应该为工件试样形成非弯曲底座，以抵抗机械探头的测试力。在本发明意义上，工件形状此时可以是指尤其是表面形状和/或几何形状尺寸。此时根据本发明可以想到，图像采集单元结合网格以一维、二维和/或三维方式光学采集工件试样。所述测量装置的至少一个机械探头可以(在光学采集之后)通过压痕法借助测试力在工件试样中施加机械压痕。理想地，在每次形成机械压痕后，也进行各自压痕形貌的光学测量和/或接触测量以改善整个方法的精度。

所述探头、工件托座和/或图像采集单元此时可以设计成是可相对运动，在这里，根据本发明设置有至少一个用于至少部分相对定位所述工件托座、图像采集单元和/或探头的驱动单元。由此，可以放弃在测量时再次夹紧或重新固定工件试样。驱动单元此时可以根据本发明以机械、电动、机电、液压和/或气动的方式被驱动。在此，驱动单元也可以设计成自重和/或弹簧驱动件和/或蓄力器/蓄能器等“被动”形式，从而无需采用主动式驱动机构来使探头相对于工件试样运动。

还可以想到，三个构件(即工件托座、图像采集单元和探头)中的仅一个或者全部的构件设计成可相对运动。优选在本发明的结构单元中将机械探头设计成可相对于图像采集单元运动。也可以想到设置超过一个的驱动单元。该结构单元此时可以具有至少一个驱动单元，用于机械探头和/或图像采集单元的调节或运动。驱动单元也可以定位至少一个构件(即工件托座、图像采集单元和/或探头)，或者所述一个驱动单元驱动且因此至少部分定位超过一个的构件或全部的构件(即工件托座、图像采集单元和/或探头)。所述至少一个驱动单元优选至少用于部分相对定位该工件托座连同固定在其中的工件试样和至少一个探头，从而可在工件试样中产生压痕尤其是机械压痕。此过程也可以被称为硬度试验或压痕过程、尤其是纳米压痕过程。在本发明范围内，工件试样尤其可以具有各向同性材料和/或各向异性材料、尤其是烧结材料和/或硬化材料。

另外可以想到，所述探头、工件托座和/或图像采集单元可更换地安置在该测量装置上。本发明的测量装置因此允许(尤其是完全)可自动化的工件试验，它尤其可被集成到现有的生产系统和/或生产过程中。

因为驱动单元可以由气缸、马达等构成，故合适的是在所述驱动单元和待运动构件(至少是指该图像采集单元、机械探头和/或工件托座)之间设置调节件。该调节件可以包含连杆、传动机构、管道系统、金属丝或绳索。优选采用无间隙的调节件以提高本发明的测量装置的精度。

也可以想到整个结构单元可通过所述驱动单元和所述调节件运动。还可行的是设置多个驱动单元和多个调节件以实现单独构件彼此间的可变可调节性。由此，本发明的测量装置的应用可能性可以明显增多。

为了获得尽量稳定的测量装置而有利的是，将尤其是图像采集单元和/或机械探头相对可调节性的自由度保持得尽量小。为此，在结构单元中可以设置至少一个偏转单元，由此可以偏转图像采集单元的光路。通过所述措施，甚至可以想到该图像采集单元相对于机械探头固定不动地安置在结构单元内，其中，仅测试锥尖设计为是可活动的。为此，在测量方法中在机械探头与图像采集单元之间的可调节性是多余的。

用于光路偏转的偏转单元优选具有至少一个反光镜、最好是至少两个反光镜。也可以想到至少一个反光镜可相对于结构单元运动。优选地，第一反光镜此时可以设计成是固定不动的，第二反光镜设计成是可活动的，由此该光路总体上可被两次偏转，以供图像采集单元实现工件形状的光学确定。

另外，本发明的测量装置允许基本无损的工件试验，在这里，用于确定工件试样机械性能的“操作者”干预可被至少减少或甚至完全避免，在这里，同时可以通过自动化将该方法的或试验的执行速度提高多倍。由此，可以显著改善关于工件试样机械性能所获得的结果，因为可以至少部分或甚至全部避免人工操作失误。因此，也可以明显改善测量方法的可再现性。工件形状的光学确定、工件试样机械压痕的光学确定以及机械压痕的光学采集可以通过至少部分或完全相对定位构件来(自动)实现。因此，可以通过本发明的装置优选全自动地执行一个或多个工件试样的自动试验。由此，该测量方法可以尤其在工件试样的线上加工方法和/或制造方法中很顺畅且准确地进行，从而测量结果的可再现性是出众的。

在本发明范围内，至少所述图像采集单元、探头、驱动单元和工件托座可以安置在试验框上，其中，尤其可以设有可活动的试验台，该工件托座可安置在试验台上。通过至少可在其上安置所述图像采集单元、探头、驱动单元和工件托座的共用试验框，可以获得该测量装置的紧凑结构。在试验框上，所述工件托座、图像采集单元和/或探头可至少部分相互定位，从而尤其可以执行所述工件托座、图像采集单元和/或探头之间的相对运动。所述的相互定位或相对运动此时可以设计成是水平的(在y方向)和/或竖向(在x方向)和/或回转的，其中，尤其设有可活动的试验台，工件托座可安置在试验台上并且设计用于可执行至少部分相互定位。试验台此时可以被如此设计，即，可以将至少一个工件试样或多个工件试样或工件安置在可活动的试验台的工件托座上，并且所述试验台可以水平移动、竖向移动和/或回转移动。根据本发明，该试验框可以呈u形，在这里，该试验台和/或工件托座可安置在其一臂上，而该图像采集单元和/或探头可安置在其另一臂上。所述至少一个驱动单元也可以安置在试验框的其中一臂i上。由此出现由试验框造成的测量装置紧凑结构。

还可以想到该探头具有测试锥尖，其中，该测试锥尖含有至少一种矿物或硬金属。也可以根据工件试样的不同想到其它材料用于测试锥尖。该测试锥尖本身优选可通过卡盘且尤其是快速套爪卡盘是可更换的。尤其是该测试锥尖可以具有规定的测试锥尖形状。根据本发明，矿物可以是金刚石或红宝石。硬金属能以烧结碳化物硬金属形式构成，由此可以获得高的硬度和耐磨强度。优选地，硬金属可以至少含有碳化钨和/或钴。另外可以想到该测试锥尖尤其在金属材料中含有碳化钛、碳化钽、碳化铬和/或碳化钒。可由此获得高硬度和耐磨强度，因此可以长时间允许相似的、尤其是保持不变的工件试样机械压痕。另外，这种硬金属和矿物的磨损轻微。测试锥尖形状此时可以设计成球面形、圆锥形、球锥形或球丸状。优选如此设计该测试锥尖的形状，即，可以获得在工件试样机械压痕区域内的材料扩展。尤其优选的是将测试锥尖形状设计成是旋转对称的，从而各向同性工件试样(含各向同性材料)的机械压痕的光学采集具有旋转对称走向。与此相应，可以例如按照角度步值、优选每隔1°至5°地沿着机械压痕来求平均。在各向异性工件试样情况下，一般没有出现旋转对称走向，而是例如出现三叶草状走向。

有利地，可以设有尤其用于探头的深度计(以及或许测力计)，由此，探头的尤其是测试锥尖在工件试样中的至少一个压痕深度(也称为压入深度)可被测量。该测量过程优选以预定的试验条件例如预定的力和/或压痕深度来执行。通过已知的测试锥尖形状和针对压入力和压入距离所确定的测量数据，可以对接触面和进而前述材料参数/性能求平均。本发明的深度计例如可以是平板式电容器、尤其是驱动板式电容器，其被安装在例如扫描式力显微镜上，并且在施加力以便在工件试样中产生机械压痕时可以测量平板式电容器中的电容变化。由此可以一方面测量所需的力和相应的压入深度，由此也能推断工件参数/性能。

探头的尤其是测试锥尖的压痕深度或压入深度可以根据本发明在约1微米至约3000微米之间，优选在约10微米至约500微米之间，尤其优选在约50微米至约250微米之间。小的压痕深度容许工件试样的基本无损的工件试验，同时可以通过测量装置来测量金属、合金以及某些塑料。与此相应，相比于例如通常造成试样损伤的已知拉力试验，工件试样或构件在本发明测量方法中是几乎完好无损的。

在本发明范围内可以设有光源，在这里，尤其是该光源可被集成在图像采集单元里。根据本发明，光源用于(最佳)照亮工件试样或工件试样中的机械压痕。因此，图像采集单元中的光源可以被设计成光学传感器的一部分并因此也属于测量方法(例如像干涉仪)。光源可以如此照亮工件试样的表面形状以及机械压痕的压痕形状，即，通过该图像采集单元可以光学采集所述工件形状和压痕形状。根据本发明，光源可被如此调节，即，光强度例如可以适配于现有的光线情况，从而可以基本上防止反射。光源例如可以是具有至少一个(内置)红外光源、led光源和/或oled光源的光学传感器。优选地，由光源产生至少一个可被控制的光点或线性光带。因此，光可以被发射至工件试样机械压痕的规定部位，由此可以明显改善光学测量。也可以想到，现有光源大面积地且尤其均匀地照亮整个工件试样。

该图像采集单元可以设计成共焦显微镜或彩色白光传感器(优选是白光干涉仪)。也可以想到立体物镜以便能以光学方式特别准确地采集工件试样机械压痕的三维结构。附加地或可选地，可以设有尤其基于变焦的不同传感器(例如用于激光三角测量、用于激光扫描或用于共焦显微镜、轮廓仪、扫描式力显微镜或者呈共焦传感器、变焦传感器形式)以及白光传感器(点传感器)，用于采集测量数据(带有或不带附加光源)。工件试样机械压痕的被测数据作为数字式(产生)的压痕形貌被存储在控制单元和/或电子单元中的存储器内，例如作为3d形状或点云或xyz三元坐标或数据阵列，以便或许随后能与在采用材料模型情况下基于计算机模拟出的理论压痕形貌相比较。由此，随后可以(尤其是间接)确定工件试样的机械性能，例如像硬化性能、损伤参数、断裂延伸率、抗拉强度、延展性、变形能力、韧性、屈服点、伸展极限、描绘蠕变性能的参数、描述材料疲劳的参数、拉伸极限和/或材料硬化。

在本发明范围内还可以想到，设置有可活动的工具转台，可在其上至少安置所述探头和图像采集单元。工件转台此时按照可回转运动和/或平移运动的方式尤其是安置在该试验框的一臂上。与此相应，所述探头和/或图像采集单元可以回转地和/或平移地通过工件转台来定位。另外可以想到，工件转台具有至少一个活门，活门具有用于探头和/或图像采集单元的开口。另外可以想到可在工具转台上布置至少一个本发明的光源。该工具转台实现了测量装置的紧凑构型，在这里，通过工具转台的运动、尤其是工具转台的转动运动，可以实现在测量过程期间在构件之间且至少在探头与图像采集单元之间的切换。因此基于紧凑的结构空间得到了可自动化的试验方法，由此，测量装置能被更简单集成在生产系统和/或生产过程中。与此相应地可以想到，在工具转台的至少一个开口和/或活门处设置带有尤其是测试锥尖的探头，并且在另一个开口处布置所述图像采集单元。另外可以规定，在另一个活门处可以设置本发明的光源，在这里，通过活门可以放行和/或封闭所述图像采集单元、探头和/或光源。

还在本发明范围内可以想到，该测量装置可以布置在支承臂尤其是机械臂上和/或可运动。因此，该测量装置可以如在前所述的那样被移近工件试样，以便在那里执行该测量方法。适当地，在该测量装置中该结构单元可以通过试验框被连接至工件托座。固定的底座也可以用作工件托座，工件试样尤其无间隙地可安放在其上。也可以想到该结构单元单独地且进而在结构上与工件托座分开地构成。适当地，可以设置至少一个固定单元，用于优选在测量过程中将测量装置可靠固定在工件试样处。由此，应该提高特别是安置在托架上的测量装置的稳定性。

本发明的测量装置适用于测量和检测金属制成的工件试样。在此情况下，工件试样可以优选含有铝、镁、铅、铁、不锈钢、金、钼、镍、铜、银、钒、钨、锌、锡、钛和/或合金例如像黄铜。特别是在含有镁(即镁含量超过材料总量的10％)的工件试样中特别有经济优势的是，在制造过程中已经可以无损地确定机械性能。另外，可以在质量保障范围内针对每个所制造的且被进一步加工的工件确定并记录下所确定的机械性能。由此可获得连续的质量保障。

尤其在被轧制、挤压、铸造或拉拔的工件试样中，可以在制造过程中通过本发明来确定机械性能。在此情况下，尤其可以例如在各向异性工件试样情况下确定方向相关的材料性能(机械性能)。

根据本发明可行的是，设有至少一个控制单元，用于控制和/或调整和/或分析图像采集单元的和驱动单元的数据，尤其是该测量装置具有至少一个接口，用于将图像采集单元的和驱动单元的数据传输至设于远处的电子单元。根据本发明的控制单元用于控制和/或调整和/或分析测量装置的数据，其中，尤其可通过控制单元来调节用于确定材料性能或材料参数的参数。与此相应，可以通过该控制单元来控制和/或调节至少压入深度、压入力和/或工件试样中要执行的机械压痕数量。另外，可以通过控制单元来获得例如图像采集单元的、驱动单元的、尤其是探头的、测试锥尖和/或深度计和/或测力仪的测量数据。为此该控制单元可以具备用于数据存储的存储器。同样，该控制单元可以具备至少一个计算单元(微处理器)，用于能在使用材料模型情况下计算基于计算机模拟出的理论压痕形貌，并且或许能将之与所产生的压痕形貌(来自存储器)相比较，或者从数据库中调取它或者通过神经元网络来映射它。

还可以想到，该测量装置具有至少一个(连线或无线)接口，用于传输图像采集单元的和驱动单元的数据至间离的电子单元、尤其是服务器、云、计算机、平板电脑、智能手机和/或智能手表。接口此时可以作为插接传输方式、连线传输方式和/或无线传输方式来设计。与此相应，接口可布置在测量装置尤其是测量装置的试验框上，从而可以执行在测量装置和间离的电子单元之间的数据传输、尤其是接收和/或发送。在本发明范围内可以想到，该接口且尤其是数据接口被设计成蓝牙接口、nfc接口、无线lan接口和/或gsm接口。所述图像采集单元的、驱动单元的、探头的尤其是深度计的数据的传输此时可以设计成是双向的，从而不仅可以接收数据，也可以发送数据。数据传输也可以加密进行，以防干扰和篡改。根据前述的选项而可以想到，可以自间离的电子单元传输数据、尤其是有关规定试验条件如测试力和/或压入深度的数据。另外，图像采集单元的数据例如工件形状和尤其是压痕形状或压痕形貌可被传输至间离的电子单元，以便在那里能根据在采用材料模型情况下基于计算机模拟出的理论压痕形貌来计算所述数据，并且或许可以将其与所产生的压痕形貌相比较，或者从数据库中调用所述数据或能通过神经元网络映射所述数据。通过使用间离的电子单元，可以在执行该方法时获得显著的时间收益，这尤其在线上测量时是相当有意义的，因为否则必需中断生产过程。

根据本发明的另一方面，要求保护一种根据独立方法权利要求的用于确定工件试样机械性能的方法。本发明的方法带来与关于本发明的装置所明确描述的一样的优点。该方法具有至少一个下述步骤或全部下述步骤：

a)光学测量和/或接触测量该工件试样的工件形状，

b)通过按照规定的试验条件将探头尤其是测试锥尖压入工件试样来产生尤其是机械压痕，

c)光学测量和/或接触测量在工件试样中所产生的压痕的压痕形貌，

d)在采用优选用于各向异性材料的材料模型尤其是弹塑性模型情况下尤其基于计算机模拟(压痕的)理论压痕形貌，

e)将模拟的和所产生的压痕形貌相比较，

f)依据步骤a)至e)确定工件试样的机械性能。

当工件试样的形状因为在先信息而是已知的且未出现波动时，步骤a)是多余的。为了提高该方法的精度而建议也执行步骤a)。也可以至少自动进行所述步骤a)至c)，优选自动进行所有步骤a)至f)，由此可避免人工操作失误。尤其是，这些方法步骤可以至少部分(或也全部)同时或先后进行。优选重复和/或迭代地进行所述步骤d)和e)，直至在步骤e)的比较中几乎无法识别到差异。接着可以进行步骤f)，该步骤因此确定很准确的(工件试样机械性能相关)数据。也可以每次在步骤e)之后进行步骤f)。

因此，步骤d)、e)和f)实际上可以在重复过程中形成同一个(比较)步骤。

1.总是又模拟(或者从数据库获得模拟形状)并与真实形状相比较，由此可以获得平方误差(fehlerquadrat)。

2.平方误差通过总是“更拟合的”模拟被减少。

3.如果平方误差很小，则该方法可被中断。

随后，由步骤f)输出结果。

本发明的方法此时可以具有基本三个就其性能而言明显不同的压痕(i.至iii.)。在此情况下，它至少是根据方法步骤b)机械产生的压痕(i.)，其可通过按照规定的试验条件将探头尤其是测试锥尖压入工件试样来产生。另外，可以如此限定压痕(ii.)，即，能以光学和/或接触方式测量、尤其通过图像采集单元测量机械产生的压痕。在此情况下，通过光学测量和/或接触测量来执行在工件试样中机械产生的压痕的压痕形貌。另一个第三压痕(iii.)是根据方法步骤d)的模拟压痕，在这里，尤其可以基于计算机模拟在工件试样中可机械产生的压痕的理论压痕形貌。此时，所模拟的理论压痕形貌可以在采用优选用于各向异性材料的一个(或多个)(理论)材料模型、尤其是弹塑性模型情况下来进行，其中，该材料模型尤其可基于所规定的试验条件数据并在采用算法和/或试探法的情况下被确定。该材料模型此时可以基于弹塑性、粘弹塑性或塑性。在步骤e)中，与此相应地，模拟的、尤其基于计算机的且因而理论的压痕或压痕形貌和机械执行的且由尤其是图像采集单元通过光学测量和/或接触测量所确定的压痕形貌相比较。基于至少三个压痕模型、由探头尤其是测试锥尖机械产生的压痕、以光学和/或接触方式采集的且机械产生的压痕、以及模拟压痕、尤其是所产生的和采集的以及模拟的压痕形貌，可以在步骤f)中确定工件试样机械性能。在光学测量和/或接触测量在工件试样中产生的压痕的压痕形貌时，优选确定在工件试样中机械产生的压痕的3d高度图。在基于计算机模拟理论压痕形貌时，也模拟出理论压痕的3d高度图。接着，两个3d高度图被相互比较，由此可以推断出机械性能、尤其是硬化性能、损伤参数、断裂延伸率、抗拉强度、延展性、变形能力、韧性、屈服点、伸展极限、描绘蠕变性能的参数、描绘材料疲劳的参数等参数。在产生机械压痕和进而在工件试样中产生压痕形貌时，优选用预定的试验条件/参数例如测试力和/或试验深度在工件试样中产生压痕。

在“各向同性”工件试样的各向同性材料中可以采用简化的材料模型，因为一般在工件试样中存在由所产生的压痕造成的旋转对称的压痕形貌。与此不同，对于所有各向异性材料，必须将变化的材料模型纳入计算机模拟中，优选为此采用弹塑性材料模型，其具备其它的模型参数，以便也能确定工件试样的方向相关性能。

理想地，在步骤d)中在采用材料模型情况下执行理论压痕形貌的至少一个fem模拟(有限元模拟)。通过使用fem模拟，可以依据模拟很准确地确定工件试样机械性能。另外，研发出对于fem模拟经过优化的数学方法，以便可在尽量短的时间步长中完成基于计算机的模拟。

优选规定，在步骤c2)中，在当前采集在工件试样中产生的压痕的压痕形貌时，考虑自步骤a)采集到的工件试样材料形状。通过附加步骤c2)，可以提高现有测量方法的精度，因为特别是在连续工件试样中存在着在其长度或宽度范围内不同的表面构造。因此，也可以测量连续的工件试样。由此，尤其可以在工件试样的长度或宽度范围内消除弯曲或挠曲，以便能精确确定测量结果或待确定的机械性能。

还可以想到，在步骤c)中采集在工件试样中产生的压痕的尤其完整的压痕形貌。这是指不是仅以光学和/或接触方式测量压痕形貌的一部分，而是测量整个压痕形貌。这尤其在各向异性材料情况下是相当有意义的。在完全测量之后，可以优选通过确定至少一个或多个对称轴线来进行在工件试样中产生的压痕的压痕形貌的几何划分。通过按照几何形状将压痕形貌划分为若干分块，可以提高方法精度，另一方面，也可以将基于计算机的模拟缩减至相应的分块，由此可以在方法过程中获得显著的时间收益。所述分块可以具有角度为45°、90°或180°的优选角度块，视对称轴线的布置而定。此时可以想到，可通过依据对称轴线镜像或翻转分块来求平均值和进而改善测量精度。另外，因此可以将步骤e)中的比较限制到压痕形貌的相应分块。

也可以在本发明范围内想到，对于每个步骤d)执行一个步骤c)，随后可分别进行一个步骤e)和/或步骤d)。在此情况下，也可以在同一个部位检查以不同的试验力或压入深度执行的压痕形貌，以提高该方法的测量精度。

为了加速该方法，在步骤c)中以光学和/或接触方式采集的压痕形貌可以与来自数据库的预存的压痕形貌相比较，在这里，在步骤e)的比较结果中具有最小差异的预存的压痕形貌可被考虑用来确定工件试样机械性能。因此可以规定，在步骤e)中采用预模拟的压痕形貌的数据。优选地，所述数据可以被存储在存储器和/或数据库中，它们尤其是设置在间离的电子单元中。

还可以想到，至少对于方法步骤d)和/或e)采用人工智能。由此，一方面可以在本发明方法中获得时间收益，另一方面也提高方法精度。但是，因使用人工智能方法，用于相应控制单元学习的准备阶段中的成本显著提高。还可以想到采用学习方法且优选是深度学习法和/或神经元网络方法。有利地，尤其如此研发出所述学习方法，即，它们也能被用在高难度且复杂的应用方法中，就像特别是在本方法中那样。

也可行的是，在另一个步骤g)中进行在采集的压痕形貌和模拟的压痕形貌之间的修正，以便消除例如基于材料模型中错误假设的测量误差。另外，可以借此改善现有测量方法的精度。

理想地，所述方法也用在各向异性工件试样中。在此，尤其是可以依据各自方向确定工件试样的方向相关性能，例如像屈服极限/伸展极限、抗拉强度、压延性和/或断裂延伸率。

因此，本发明的方法也可以被用在轧制的、挤压的、铸造的和/或拉拔的工件试样中，由此可以测量材料的方向相关性能。

有利地，可以在步骤b.2)中至少再一次将探头尤其是测试锥尖压入工件试样。优选地，在此情况下可以使用相同的预定试验条件尤其是测试力和/或压入深度。还可以想到，在工件试样中的机械压痕的位置或所在地点可被确定或选择。优选地，可以在工件的至少两个、最好三个不同的位置执行测量，以能(即通过求平均值而更耐用地且)更准确地确定所得出的工件试样机械性能。与此相应，可以全自动地和/或通过操作者来确定用于探头尤其是测试锥尖再次压入工件试样的位置。此时可以想到，在工件试样的相同的(测试)部位和/或彼此不同的部位/位置多次执行再次压入。在试验条件、尤其是压痕深度和/或测试力保持不变时，因此可以确定在探头尤其是测试锥尖再次压入工件试样时的变化。由此可以在确定工件试样机械性能时，考虑在材料中的不均匀性以及或许出现的探头尤其是测试锥尖的移动。因此，可以获得更一致的测量结果，由此可以获得很“耐用的”测量方法。也可以想到在工件试样的不同位置存在不同的材料性能，因此，通过使探头尤其是测试锥尖多次压入工件试样的不同位置，可以改善机械性能确定结果。尤其是在测量方法中，材料堆积和压痕形状组合成压痕形貌。因此通过试验测定的工件试样压痕和模拟模型可以被用来定量确定材料堆积的和进而压痕形貌的高度差。

也尤其有利的是，每个工件试样的测量方法的一次测量(一次测量的时间)持续不到14秒、最好不到12秒且尤其优选不到8秒时间。在此，一次测量的时间通过起始步骤来限定：(i)将工件试样布置和固定在测量装置中，执行所述测量，和(ii)结束确定工件试样机械性能(直至其存在)。因此，可以将测量装置最佳整合至工件试样的制造和加工过程中(而不会出现时间延迟)。尤其是可以借此针对工件试样的整个加工和制造过程作出适时反馈。

在本发明范围内，可以确定在压入和/或移出期间内作用于探头的力(测试力)和/或探头的移动，由此尤其可以确定载荷压入过程。载荷压入过程此时可以被用来确定在工件试样内机械产生压痕期间的载荷压入曲线。载荷压入过程或载荷压入曲线进一步表明了工件试样的机械性能，在这里，可以将测得的载荷压入过程或测得的载荷压入曲线与模拟的载荷压入过程或模拟的载荷压入曲线相比较。

有利地，还可以根据载荷压入过程和测试锥尖形状来确定工件试样机械性能。测试锥尖形状此时可以优选呈旋转对称构成和/或具有圆锥形、球面形和/或球锥形和/或球丸形走向。根据尤其在探头或测试锥尖压入和/或移出期间的载荷压入过程和测试锥尖形状，可以尤其是针对所确定的测量数据来求平均，从而提高测试的质量。另外可以想到，在确定工件试样机械性能时和/或在基于计算机模拟理论压痕形貌时，考虑工件试样材料的e模量。为此，可以在采用呈e模量形式的附加参数情况下改善测量结果或其精度，从而在确定机械性能时给算法或试探法在计算中提供至少另一个常数。

有利地，测试载荷可以在10克至约3000公斤、最好是约1000克至约1000公斤、尤其优选是约10公斤至约500公斤之间。还有利地，压痕深度可以在约1微米至约3000微米(或仅1000微米)、优选是约10微米至约500微米、尤其优选是约50微米至约250微米之间。

在本发明范围内，测量数据和/或工件试样机械性能可以被存储在数据库中。该数据库可供其它工件试验使用，并且此时可以被考虑用于比照在规定的试验条件/参数情况下已确定的材料参数。另外，可以在使用数据库情况下内插测量结果，从而可以获得更好的测量精度。借此所确定的且存储在数据库中的测量数据可以被用来分析和优化现有的产品和工艺过程。与质量标准的极小偏差因此可以在生产系统或生产过程中被提前识别，因此在加工中更快速作出反应。因此可以提供保持不变的测试质量以确定材料性能。

根据本发明的另一方面，要求保护一种用于确定工件试样机械性能的测量装置的计算机程序产品。尤其是本发明的计算机程序产品设计用于根据独立装置权利要求的本发明测量装置。该计算机程序产品在此具有由电子单元和/或控制单元处理的算法和/或试探法，在此，所述算法和/或试探法实施根据独立方法权利要求的本发明方法。与此相应，对于本发明的计算机程序产品得到了与关于本发明装置和本发明方法所明确描述的一样的优点。

改进本发明的其它措施来自以下对如图示意性所示的本发明几个实施例的说明。所有来自权利要求书、说明书或附图的特征和/或优点包含结构细节、空间布置和方法步骤在内地不仅可以单独地、也可以在各不同组合中对本发明是重要的。此时要注意，附图仅具有描述特性而不应认为以任何方式限制本发明。

附图说明

在以下的图中，相同的附图标记被用于即便是不同实施例的相同技术特征。

在前的实施方式说明只在例子范围内描述了本发明。显然，实施方式的各自特征只要在技术上有意义就可以相互自由组合，而没有超出本发明的范围，其中：

图1示出本发明的测量装置的第一实施方式，

图2示出本发明的测量装置的另一实施方式，

图3示出本发明的测量装置的另一实施方式，

图4示出本发明的探头以及借此可在工件试样中产生的机械压痕，

图5示出在工件试样中机械产生的压痕，

图6示出具有用于图像采集单元光路的偏转装置的本发明测量装置的示意图，

图7示出具有相对于机械探头倾斜布置的图像采集单元的本发明测量装置的示意图，

图8示出具有用于图像采集单元的附加光源的相似于图7的测量装置的示意图，

图9示出具有可调式图像采集单元和可调式机械探头的本发明测量装置的示意图，

图10示出具有机械探头和可摆动的测试锥尖用测试臂的本发明测量装置的示意图，

图11示出具有相对于机械探头横置的图像采集单元的本发明测量装置的示意图，

图12示出在具有各向异性材料性能的工件试样中的当前压痕形貌的俯视示意图，

图13a示出例如图12的所采集压痕形貌的示例性三维高度图，

图13b示出将图13a的三维高度图转换为具有附加高度信息的二维高度图。

具体实施方式

在以下图中，对于即便是不同实施例的相同技术特征也采用相同的附图标记。

在图1中示出根据本发明的用于确定工件试样100机械性能的测量装置10的第一实施方式。此时工件试样100布置在测量装置10的工件托座11中以便试验。另外，测量装置10具有用于光学确定工件试样100工件形状的图像采集单元12。可选地或补充地，也可以设置用于以接触方式确定工件试样100工件形状的深度计t。图像采集单元12在此情况下在机械探头13区域内安置在试验框15之内或之上。此时图像采集单元12可以如此与探头13间隔地或相邻地布置，即，允许工件试样100的光学采集。还可以想到，图像采集单元12和/或机械探头13可平移和/或回转运动地安置在试验框15上。与此相应，机械探头13和/或图像采集单元12可被如此相对定位或定位在试验框15上，即，在工件试样100中产生压痕101并在工件试样100中产生压痕101之后和/或之前如此定位图像采集单元12，即，以光学方式可测量工件形状和/或所产生的压痕101的形貌。还在测量装置10的试验框15上设置有驱动单元14，由此可以至少部分执行所述工件托座11、图像采集单元12和/或探头13的相对定位。探头13以及图像采集单元12安置在工具转台17上，从而借助驱动单元14，该探头13和/或图像采集单元12优选回转安置在工具转台17上。与此相应，探头13和/或图像采集单元12可以通过转动运动如此被定位在工件试样100上方，即，机械压痕101可以由探头13尤其是测试锥尖13.1执行，或是工件试样100的或压痕101的形状和/或形貌可被测量。测试锥尖13.1安置在探头13上且具有测试锥尖形状13.2，其中，测试锥尖形状13.2优选具有球锥形走向，它尤其在工件试样100中产生旋转对称的压痕101。在图1中，试验框15还具有试验台16，试验台16可水平和/或竖向运动地尤其通过驱动单元14被定位。与此相应，驱动单元14可以使工具转台17、尤其是带有测试锥尖13.1的探头13运动向试验台16(带有设置在工件托座11中的工件试样100)，和/或试验台16通过驱动单元14运动向工具转台17，从而工件试样100中的机械压痕101可通过探头13尤其是测试锥尖13.1执行。测量装置10还具有安置在试验框15上的控制单元18，其中，通过控制单元18可控制和/或调整和/或分析图像采集单元12的和驱动单元14的数据。

图2示出本发明的测量装置10的另一个实施方式。在此，测量装置10具有大体躺放u形的试验框15。在试验框15上安置有控制单元18，用于控制和/或调整和/或分析图像采集单元12的和驱动单元14的数据。另外，测量装置10在图2中具有工具转台17，其具有安置在其上的图像采集单元12和光源12.1。另外，优选可转动运动的、尤其可通过驱动单元14被驱动的工具转台17具有探头13连同安置在其上的测试锥尖13.1。测试锥尖13.1此时具有圆锥形的测试锥尖形状13.2，借此可以在工件试样100中产生尤其是旋转对称的压痕101。工件试样100为此在工件托座11中固定安置在试验台16上，在这里，试验台16尤其可被驱动单元14驱动地可水平和/或竖向运动地安置在试验框15上。另外在图2中，接口19.1布置在测量装置10上，由此，图像采集单元12的和驱动单元14的数据可被传输至间离的电子单元19。间离的电子单元19在图2中是计算机，其例如通过蓝牙接口、wlan接口或相似的电磁传输接口(例如rs232或usb)与测量装置10通信连接。

图3示出本发明的测量装置10的另一个实施例。测量装置10此时具有试验框15。在试验框15上安置有控制单元18、工具转台17以及驱动单元14。通过驱动单元14，试验台16和/或工具转台17和/或图像采集单元12可以平移运动和/或回转运动，尤其是水平运动和/或竖向运动。图像采集单元12在图3中活动安置在试验框15的外表面上，其中，图像采集单元12可如此在试验框15上运动，即，图像采集单元12尤其是相对于试验台16和/或工具转台17可水平和/或竖向运动。为此，例如可以通过轨道和/或活动臂将图像采集单元12安置在试验框15上，从而尤其可以执行沿着轨道和/或沿着活动臂的导向运动。图像采集单元12可以借助光源12.1被照亮以便光学采集工件形状和/或压痕形貌103，其中，光源12.1例如可以是光学传感器、红外传感器、led和/或oled。工具转台17具有带有测试锥尖13.1的探头13，其中，测试锥尖13.1设计成球丸状并可以在工件试样100中产生机械压痕101。此时工件试样100在工件托座11上安置在设计成可活动的试验台16上。试验台16此时可以设计成尤其水平和/或竖向平移还可回转，并且通过驱动单元14被驱动。与此相应，驱动单元14可以允许试验台16连同安置在其上的工件托座11和容纳在工件托座中的工件试样100运动向工具转台17和进而探头13和安置在探头上的具有测试锥尖形状13.2的测试锥尖13.1。

图4示出本发明的探头13，其具有测试锥尖13.1的球锥形测试锥尖形状13.2。图4还示出工件试样100连同压痕101，压痕101通过具有测试锥尖形状13.2的测试锥尖13.1来产生。在此情况下，压痕101具有压痕形貌103，其通过具有测试锥尖形状13.2的测试锥尖13.1来产生。压痕形貌103为此具有压痕深度102和压痕101周向上的堆积。表征的压痕形貌103尤其是压痕形貌103的材料堆积根据本发明用于确定工件试样100的机械性能。

图5放大示出工件试样100中的压痕101。在此情况下，压痕101具有压痕深度102和相应的压痕形貌103。压痕形貌103一方面由压痕深度102或由测试锥尖所塑造的压痕101以及在压痕101周向上形成的材料堆积来得出。压痕101的压痕形貌103用于确定工件试样100的材料参数。为了确定材料参数，根据本发明，压痕深度102以及工件试样100的材料堆积高度被予以考虑。

在其它的图6-11中示出了本发明的测量装置10的示意性设计，尤其在使用呈连续设计的尤其是呈辊材、杆材等形式的工件试样时。在所述图中尤其涉及在结构单元b中图像采集单元12和机械探头13的不同布置可能性。结构单元b位于工件试样100上方且接纳有图像采集单元12和机械探头13。此外，也可设有偏转单元u，用于调节和调整反光镜21、22，它们能使图像采集单元12的光路l转向。除了集成在图像采集单元12中的光源12.1外，也可以在本发明的测量装置10中采用外部光源12.1。

在图6-11中，测量装置10可以通过支承臂40或机械臂40被引导至工件试样100。理想地，支承臂40被直接固定在试验框15上以获得高稳定性。此外，固定单元50可选地设置在测量装置10处，由此它可与工件试样100固定在一起。通过固定单元50，工件试样可以被夹紧或夹入在工件托座11之间，以便可靠避免在测量过程中测量装置10与工件试样100之间的相对运动。

以下，描述在图6-11中的本发明测量装置10的不同设计的区别。

在图6中设有用于光路l偏转的偏转单元u，从而图像采集单元12和机械探头13能相互固定不动地安置，并且形成结构单元b。在此，第一反光镜21可以固定安置在结构单元b或测量装置10上。可通过偏转单元u而运动的第二反光镜22可以通过驱动单元14借助调节件v转动至测试锥尖13.1下方以完成光学测量。此时反光镜22可以纵向移动，或者通过转动而运动(见箭头)。在产生压痕101时，反光镜22必须布置在测试锥尖13.1的作用范围外，而在光学测量压痕形貌103时，第二反光镜22要布置在测试锥尖13.1下方，以便能相应使光路l偏转，以使图像采集单元12能完成压痕形貌103的光学测量。在图6中可以使机械探头13完整带有测试锥尖13.1地竖向移动，或者可以设计成，仅测试锥尖13.1通过调节件v(如气缸)从探头13移出。

在图7中，图像采集单元12相对于机械探头13倾斜地布置在结构单元b内。为此，图像采集单元12未获得所产生的压痕形貌的直接俯视图，而是轻微斜视图，其在其它方法中必须被压缩以获得准确的测量结果。还在图7中示出了显示单元23以及输入单元24。显示单元23可以由尤其具有触屏功能的显示器构成。通过显示单元23，例如可以显示测量装置10的故障状态或测量结果并通过输入装置24来干预。也单纯示意性地在图7中示出了呈外部服务器或计算机形式的间离的电子单元20。

在图8中，不同于图7地采用附加光源12.1，其未被集成在图像采集单元12中。图像采集单元12和光源12.1都相对于机械探头13倾斜地安置在结构单元b上。

在图9中，机械探头13和图像采集单元12都可以通过驱动单元14借助相应的调节件v被移动。也可以想到图像采集单元12与机械探头13之间的相对运动。相应构件的运动可以一方面线性进行，或另一方面通过转动运动和/或摆动运动进行。也可以想到整个结构单元b设计成可通过线性移动和/或转动或摆动移动而运动，以便一方面产生压痕形貌103且另一方面可以通过光学方式和/或接触方式在俯视图中采集它。

在图10中，机械探头13具有测试臂13.3，在测试臂13.3的底侧上安置有测试锥尖13.1。测试臂13.3能可转动或可摆动和/或可线性调节，以便因此能在工件试样100中产生机械压痕形貌103。一旦当前的压痕形貌103通过压痕101建立，则机械探头13可以使在压痕101上方的测试臂13.3摆动开，从而图像采集单元12获得压痕形貌103的俯视图。

在图11中，不同于图6的测量装置10地采用以下偏转单元u，其仅具有一个反光镜22以偏转光路l。为此，图像采集单元12至少相对于机械探头13倾斜地或如在这里那样转动90°地安置在结构单元b上。反光镜22可以通过偏转单元u如图6所示地转动、通过调节件v被摆动或者被线性移动。

在图6-11中，不同的平移的、在转动和摆动方向上的运动可能性由相应箭头表示。通过所述运动可能性，压痕101能以其当前压痕形貌103在工件试样100中产生，随后进行光学测量和/或接触测量。在图6、图10和图11中示意性示出了用于活动引导测量装置10至工件试样100的支承臂40或机械臂40。

在另一图12中，单纯示意性地示出了在各向异性工件试样100中的压痕形貌103的俯视图。它尤其是没有就像在图5中针对各向同性材料所示出的旋转对称结构。在这里，压痕101的压痕形貌103在俯视图中近似于三叶草。压痕形貌103总共具有两个对称轴线s1和s2，由此可以形成分块i-iv。在此要说明，也可以仅设有一个对称轴线s1或多个对称轴线。另外示出了点p1.1-p1.4，它们具备压痕形貌103的相同高度信息，并且通过翻转或镜像而在分块中互相重合。这在图12中在分块ii-iii中由翻转箭头表示，它们可通过依据对称轴线s1将分块ii和iii上翻至分块i和iv来产生。

在图13a和13b中，从步骤c)中获得的测量数据布置在三维坐标系中。压痕101已开设在铝合金构成的工件试样100中。由此清楚的是，每个二维点p都存有一个高度信息，从而在图13a中利用点p1和p2得到压痕形貌的三维模型。在图13b中示出了具有点p1和p2的相应的二维模型，在这里，这些点除了其x坐标和y坐标外也还具有高度信息，以便因此能数学显示三维压痕形貌103。高度信息在图13a和13b中通过不同的灰度来表达。

在前的实施方式说明只在例子范围内描述本发明。显然，本发明的各自特征只要在技术上有意义就可以相互自由组合，而没有脱离本发明/权利要求书的范围。

附图标记列表

10测量装置

11工件托座

12图像采集单元

12.1光源

13探头

13.1测试锥尖

13.2测试锥尖形状

13.3测试臂

14驱动单元

15试验框

16试验台

17工具转台

18控制单元

19电子单元

19.1至19的接口

20间离的电子单元，例如外部服务器和/或云

21反光镜，尤其固定不动

22反光镜，尤其是可通过u来调节

23显示单元，显示器

24输入单元，键/触屏

30数据通信，无线或连线

40机械臂或支承臂

50固定单元

100工件试样

101压痕

102压痕深度

103压痕形貌

b结构单元

v调节件

u偏转单元

l光路

s1,s2103的对称轴线

i-iv103的分块

r1,r2方向

px.y点，尤其是在分块中的103的测量点。