一种标准显微硬度计的制作方法

本发明属于计量领域，具体涉及一种标准显微硬度计。

技术背景

随着现代材料表面工程，如气相沉积、溅射、离子注入、高能束表面改性、热喷涂及微电子、集成微光机电系统等领域的发展,试样本身或表面改性层厚度越来越小,急需测量准确可靠且试验力值较小不会将试验样品打穿的显微硬度计。目前，标准级显微硬度计的力值下限为0.4903n，其试验力值较大，试验时会将具有小、薄等特点的样品打穿。而工作级显微硬度计的力值下限为0.0098n，满足现有试验需求，但由于其各项指标要求很宽松，导致试验结果及试验稳定性偏差较大，无法提供有效的指导意义。故研制一种力值下限为0.0098n的标准显微硬度计是十分迫切的。

技术实现要素：

本发明公开的一种标准显微硬度计要解决的技术问题是：提供一种标准显微硬度计，实现标准显微硬度对显微硬度的测量，测试下限为0.0098n，且具有如下优点：(1)在试验力范围为(0.0098～9.8)n的情况下，力值精度可保证为：试验力值f＞1.961时，试验力误差为±0.1％；试验力值f≤1.961时，试验力误差为±0.5％；(2)聚焦控制精度高，能够避免失焦现象，保证对焦过程中的垂直度。本发明能够为新材料及工艺的发展提供切实有效可靠的技术保障。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种标准显微硬度计，包括试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统、自动聚焦系统、控制模块。试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统、自动聚焦系统均受控于控制模块，试验力加载系统与压痕测量系统通过塔台转换系统连接，且上述三个系统与自动聚焦系统一起安装于设备机体上。

进行硬度试验时，试验力加载系统产生所需试验力值，并通过压头施加在试样表面，自动聚焦系统带动试样完成对焦，通过塔台转换系统的旋转，使得压痕测量系统对准所得压痕进行测量。

塔台转换系统用于力值加载系统与压痕测量系统的转换。

进一步地，试验力加载系统用于实现试验力的变荷及加载，包括载荷装置座、变荷手轮、传动杆、分度盘、载荷主动齿轮、限位器、变向齿轮，扇形齿轮，直齿条、滑板、滚珠直线导轨、载荷碗、砝码组。变荷手轮通过传动杆连接载荷主动齿轮，传动杆上装有分度盘，载荷主动齿轮与限位器相连，载荷主动齿轮与扇形齿轮通过变向齿轮进行啮合，扇形齿轮连接直齿条，直齿条通过滑板与载荷碗进行连接，载荷碗内装有砝码组，滑板与载荷装置座通过滚珠直线导轨连接。

进一步地，压痕测量系统用于压痕图像的采集及测量，包括光源、物镜、物镜安装面、主反光镜、分光镜、成像面、分划板、目镜、转向反光镜、ccd相机靶面及压痕图像测量模块。其中，光源用于照明光场，使观察更加清晰，测量更加准确。物镜安装面为光路成像系统机械筒长的起始基准面，物镜用于放大压痕。主反光镜用于改变成像光路方向。分光镜一方面用于将光源反射至主反光镜从而到达物面，另一方面用于透射主反光镜成像光路光束至成像面。成像面用于接收呈现显微硬度压痕图像，采用ccd相机观察测量时，成像面不参与工作分划板为带有两条平行刻线，并实现旋转360°用于分别测量水平方向与竖直方向压痕对角线长度，采用ccd相机观察测量时，分化板不参与成像工作。目镜为放大目镜镜头，用于观察测量显微硬度压痕对角线长度。转向反光镜根据实际，分为两种情况，采用ccd相机观察测量时，将透过分光镜的成像光束转向投射至ccd相机靶面，采用目镜测量观察时，转向反光镜不参与成像工作。ccd相机靶面用于接收呈现显微硬度压痕图像，压痕图像测量模块用于自动测量压痕并计算得到硬度值。

作为进一步优选，压痕测量系统零部件优选尺寸参数及位置关系如下：光源为由15个晶片组成的5w多点led面光源。物镜为机械筒长160mm，数值孔径0.65、放大倍数40倍的平场物镜镜头。物镜安装面为光路成像系统机械筒长的起始基准面。主反光镜与物镜安装面夹角55°，其中心点距物镜安装面20mm。分光镜与物镜安装面夹角55°，其中心点距主反光镜中心点22mm。成像面垂直于主反光镜光路方向，距主反光镜中心点140mm。分划板位于成像面的另一侧，与成像面紧紧相连。目镜为放大倍数为10倍的目镜镜头。转向反光镜与物镜安装面夹角55°，其中心点距主反光镜中心点50mm。ccd相机靶面位于转向反光镜光路正上方，距转向反光镜中心点90mm。

进一步地，压痕测量系统的压痕测量模块用于实现压痕尺寸的测量，实现方法包括如下步骤：

第一步，将试样上的正四棱锥投影的接近正四边形的压痕像通过光学镜筒投影到ccd上。

第二步，将得到的压痕图像，定义为256级的灰度像图，划分0-255灰度级。0为黑，255为白，中间值为不同灰度。

第三步，由于压痕部分通常较背景暗，所以根据设定灰度域值通过灰度级明暗对比，将第二步得到的256级灰度像处理成0-1的二元化的黑白像。

第四步，识别压痕和背景杂物，根据第三步所得二元化的黑白像，对一个像的x/y长度进行比较辨别。如果x/y的差值小于10％，即判定该像为是压痕，其余舍之。

第五步，对第四步判定的压痕，根据精度需要选定一个扫描区间。根据精度需要用黄色框线给予划定扫描区间，并进行目标小区域测量。

第六步，对第五步得到的框线区域内目标小区域进行逐点逐行扫描，即获得此压痕的x和y的对角线像素点的数目，xpixel和ypixel

第七步，预先对整个荧光屏的像素和长度的因子标定。即x轴：1像素点(pixel)＝lx(长度)、y轴：1像素点(pixel)＝ly(长度)

第八步，根据预先对整个荧光屏的像素和长度的因子标定，对xpixel和ypixel进行对应运算，即得到d1和d2的真实长度

第九步，将d1和d2的平均值d代入hv＝1.8544f/d²，其中，f为试验力/kgf,d压痕对角线的平均值/mm，得到硬度值hv。

进一步地，自动聚焦系统用于压痕的自动聚焦，用于提高手动聚焦控制精度，保证升降垂直度，避免失焦现象；自动聚焦系统包括：工作台、调焦齿轮、小带轮、升降电机座、步进电机、连接轴、传送带、大带轮、手轮、方向导轨、方向轴承、调焦基座、滚珠轴承、45°螺旋齿轮、螺旋齿轮、调焦轴套、调焦轴、驱动箱、自动聚焦模块。

根据实际使用情况分为手动模式或自动聚焦模式，手动模式：手轮带动调焦齿轮进行转动，调焦齿轮经过与45°螺旋齿轮的啮合转向使调焦轴进行上下运动，从而带动调焦轴上方的工作台上下运动完成对焦。自动模式：自动聚焦模块控制驱动箱，驱动箱驱动步进电机旋转，从而带动通过连接轴与步进电机相连接的小带轮的转动，进一步带动通过传送带与小带轮进行连接的大带轮的转动，大带轮带动调焦齿轮进行转动，调焦齿轮经过与45°螺旋齿轮的啮合转向使调焦轴进行上下运动，从而带动调焦轴上方的工作台上下运动完成对焦。

自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制，实现方法包括如下步骤：

第一步，对打压后的压痕进行初次压痕图像聚焦采集，通过计算找到下一个更为准确的聚焦范围；所述初次压痕步距为(±10～±400)μm。

第二步，在初次聚焦后得到的更为准确的聚焦范围内，进行的二次压痕图像聚焦采集，得到准确的聚焦范围；所述二次压痕步距为(±1～±9)μm。

第三步，在二次聚焦后得到的准确聚焦范围内焦平面，进行最终压痕图像的聚焦采集，以得到最终精确清晰可测量的压痕图像。所述最终压痕步距为(±0.4～±0.9)μm。

第四步，找到第三步所得焦平面，得到精确清晰可测量的压痕图像后，将状态调至欠焦状态，后调回齐焦状态，即工作台先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，保证上下移动的调焦轴的螺纹下沿始终在调焦轴套的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象。

作为优选，为消除对焦换向过程中的螺距间隙，空行程，便于控制，换向后步进电机需先进行预设步进的对焦操作。预设步进的方法如下：螺距为αμm，电机控制对焦时的放大倍数为x倍，马达一圈360°的脉冲数为β，故马达每一个脉冲对应的距离δ为δ＝α/(x·β)，螺距导致的空行程间隙为γμm，为消除该间隙，需要γ/δ＝a个脉冲。

进一步地，试验力加载系统与压痕测量系统通过塔台连接，并共同搭载在主板上。

进一步地，自动聚焦系统与试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统共同搭载在机体上。

进一步地，控制模块用于控制设备运行。

有益效果：

1、本发明公开的一种标准显微硬度计，提供一种标准显微硬度计，实现标准显微硬度对标准显微硬度的测量，能够在保证试验测量精度的前提下，扩大试验力测量范围，经过试验验证，试验力范围为(0.0098～9.8)n，力值精度为：试验力值f＞1.961时，试验力误差为±0.1％；试验力值f≤1.961时，试验力误差为±0.5％。压痕测量精度为±0.2μm，硬度示值误差±3％。

2、本发明公开的一种标准显微硬度计，在试验力加载系统中，增加直尺条及滚珠直线导轨，使现有设备采用杠杆结构进行曲线变荷的方式，变为直线变荷，改变由于变荷导致砝码组内各砝码不同心的情况，从而减小试验力误差，增加试验力加载系统稳定性。

3、本发明公开的一种标准显微硬度计，在压痕测量系统中，选用机械筒长为160mm的标准物镜，解决目前显微硬度计压痕测量系统只能使用机械筒长为210mm非标准物镜镜头的难题，提高成像的质量并减小生产成本。

4、本发明公开的一种标准显微硬度计，在压痕测量系统中，增加自动聚焦模块解决手动聚焦控制精度差，以及因操作人员带来的误差，利用压痕自动测量模块，完成压痕尺寸的自动测量；使用自动聚焦模块避免失焦现象；在聚焦轴上增加方向导轨及固定方向轴承以确保聚焦机构的垂直度。

5、本发明公开的一种标准显微硬度计，在压痕测量系统中，光源由现有的50w卤素灯，变为由15个晶片组成的5w多点led面光源，其亮度高、光的直线度好，从而使视场变的更加清晰，提高成像质量；并且本发明中使用的5w多点led面光源其功率小、能够消除主板被打穿的故障，增加使用寿命。

附图说明

图1是本发明的一种标准显微硬度计的结构示意图；

图2是本发明的一种标准显微硬度计的试验力加载系统结构示意图；

图3是本发明的一种标准显微硬度计的压痕测量系统结构示意图；

图4是本发明的一种标准显微硬度计的自动聚焦系统结构示意图a；

图5是本发明的一种标准显微硬度计的自动聚焦系统结构示意图b；

图6是本发明的一种标准显微硬度计的自动聚焦系统结构示意图c；

图7是本发明的一种标准显微硬度计所产生的硬度压痕示意图；

图8是本发明的一种标准显微硬度计所产生的硬度压痕的二元化黑白像；

图9是本发明的一种标准显微硬度计所产生的带有背景杂物的压痕示意图，其中：图9a为带有划痕的压痕示意图、图9b为带有划痕的压痕二元化黑白像、图9c为带有锈斑的压痕示意图、图9d为带有锈斑的压痕二元化黑白像；

图10是本发明的一种标准显微硬度计自动测量时，显示扫描测量区间的压痕示意图，其中：图10a为扫描测量区间的压痕示意图、图10b为扫描测量区间的压痕二元化黑白像。

其中：1—载荷装置座、2—变荷手轮、3—传动杆、4—分度盘、5—载荷主动齿轮、6—限位器、7—变向齿轮、8—扇形齿轮、9—直齿条、10—滑板、11—滚珠直线导轨、12—载荷碗、13—砝码组、14—目镜、15—分划板、16—成像面、17—ccd相机靶面、18—转向反光镜、19—分光镜、20—主反光镜、21—光源、22—物镜安装面、23—物镜、24—工作台、25—调焦齿轮、26—小带轮、27—升降电机座、28—步进电机、29—连接轴、30—传送带、31—大带轮、32—手轮、33—方向导轨、34—方向轴承、35—调焦基座、36—滚珠轴承、37—45°螺旋齿轮、38—螺旋齿轮、39—调焦轴套、40—调焦轴。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种标准显微硬度计，包括试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统、自动聚焦系统、控制模块。试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统、自动聚焦系统均受控于控制模块，试验力加载系统与压痕测量系统通过塔台转换系统连接，且上述三个系统与自动聚焦系统一起安装于设备机体上。

进行硬度试验时，试验力加载系统产生所需试验力值，并通过压头施加在试样表面，自动聚焦系统带动试样完成对焦，通过塔台转换系统的旋转，使得压痕测量系统对准所得压痕进行测量。

塔台转换系统用于力值加载系统与压痕测量系统的转换。

试验力加载系统与压痕测量系统通过塔台连接，并共同搭载在主板上。

自动聚焦系统与试验力加载系统、压痕测量系统、塔台转换系统共同搭载在机体上。

控制模块用于控制设备运行。

如图2所示，试验力加载系统用于实现试验力的变荷及加载，包括载荷装置座1、变荷荷手轮2、传动杆3、分度盘4、载荷主动齿轮5、限位器6、变向齿轮7，扇形齿轮8，直齿条9、滑板10、滚珠直线导轨11、载荷碗12、砝码组13。变荷手轮2通过传动杆3连接载荷主动齿轮5，传动杆3上装有分度盘4，载荷主动齿轮5与限位器6相连，载荷主动齿轮5与扇形齿轮8通过变向齿轮7进行啮合，扇形齿轮8连接直齿条9，直齿条9通过滑板10与载荷碗12进行连接，载荷碗12内装有砝码组13，滑板10与载荷装置座1通过滚珠直线导轨11连接。

如图3所示，压痕测量系统用于压痕图像的采集及测量，包括光源21、物镜23、物镜安装面22、主反光镜20、分光镜19、成像面16、分划板15、目镜14、转向反光镜18、ccd相机靶面17。其中，光源21为由15个晶片组成的5w多点led面光源。物镜23为机械筒长160mm，数值孔径0.65、放大倍数40倍的平场物镜镜头。物镜安装面22为光路成像系统机械筒长的起始基准面。主反光镜20，与物镜安装面22夹角55°，其中心点距物镜安装面2220mm。分光镜19，与物镜安装面22夹角55°，其中心点距主反光镜20中心点22mm。成像面16垂直于主反光镜20光路方向，距主反光镜20中心点140mm。分划板15位于成像面的另一侧，与成像面紧紧相连。目镜14为放大倍数为10倍的目镜镜头。转向反光镜18与物镜安装面22夹角55°，其中心点距主反光镜20中心点50mm。ccd相机靶面位于转向反光镜光路正上方，距转向反光镜中心点90mm。

压痕测量系统的压痕测量模块用于实现压痕尺寸的测量，具体实现步骤如下：

第一步，如图7所示，将试样上的正四棱锥投影的接近正四边形的压痕像通过光学镜筒投影到ccd上。

第二步，将得到的压痕图像，定义为256级的灰度像图，划分0-255灰度级。0为黑，255为白，中间值为不同灰度。

第三步，由于压痕部分通常较背景暗，所以根据设定灰度域值通过灰度级明暗对比，将第二步得到的256级灰度像处理成0-1的二元化的黑白像，如图8所示。

第四步，如图9所示，识别压痕和背景杂物，根据第三步所得二元化的黑白像，对一个像的x/y长度进行比较辨别。如果x/y的差值小于10％，即判定该像为是压痕，其余舍之。

第五步，如图10所示，对第四步判定的压痕，根据精度需要选定一个扫描区间。根据精度需要用框线给予划定扫描区间，并进行目标小区域测量。

第六步，对第五步得到的框线区域内目标小区域进行逐点逐行扫描，即获得此压痕的x和y的对角线像素点的数目，xpixel和ypixel。

第七步，预先对整个荧光屏的像素和长度的因子标定。即x轴：1像素点(pixel)＝lx(长度)、y轴：1像素点(pixel)＝ly(长度)。

第八步，根据预先对整个荧光屏的像素和长度的因子标定，对xpixel和ypixel进行对应运算，即得到d1和d2的真实长度。

第九步，将d1和d2的平均值d代入hv＝1.8544f/d²，其中，f为试验力/kgf,d压痕对角线的平均值/mm，得到硬度值hv。

如图4、5、6所示，自动聚焦系统用于压痕的自动聚焦，用于提高手动聚焦控制精度，保证升降垂直度，避免失焦现象；自动聚焦系统包括工作台24、调焦齿轮25、小带轮26、升降电机座27、步进电机28、连接轴29、传送带30、大带轮31、手轮32、方向导轨33、方向轴承34、调焦基座35、滚珠轴承36、45°螺旋齿轮37、螺旋齿轮38、调焦轴套39、调焦轴40、驱动箱、自动聚焦模块。

根据实际使用情况分为手动模式或自动聚焦模式，手动模式：手轮32带动调焦齿轮25进行转动，调焦齿轮25经过与45°螺旋齿轮37的啮合转向使调焦轴40进行上下运动，从而带动调焦轴40上方的工作台24上下运动完成对焦。自动模式：自动聚焦模块控制驱动箱，驱动箱驱动步进电机28旋转，从而带动通过连接轴29与步进电机28相连接的小带轮26的转动，进一步带动通过传送带30与小带轮26进行连接的大带轮31的转动，大带轮31带动调焦齿轮25进行转动，调焦齿轮25经过与45°螺旋齿轮37的啮合转向使调焦轴40进行上下运动，从而带动调焦轴40上方的工作台24上下运动完成对焦。

自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制，具体实施步骤如下：

第一步，对打压后的压痕进行步距为±10μm的初次压痕图像聚焦采集，通过计算找到下一个较为准确的聚焦范围。

第二步，在初次聚焦后得到的较为准确的聚焦范围内，进行步距为±1μm的二次压痕图像聚焦采集，得到准确的聚焦范围。

第三步，在二次聚焦后得到的准确聚焦范围内，进行步距为±0.4μm的最终压痕图像的聚焦采集，以得到精确清晰可测量的压痕图像。

第四步，找到第三步所得焦平面，得到精确清晰可测量的压痕图像后，先将状态调至欠焦状态，后调回至第三步所找到的齐焦状态，工作台24先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，保证上下移动的调焦轴40的螺纹下沿始终在调焦轴套39的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象，得到最终不会出现失焦现象的精确清晰可测量的压痕图像。

为消除对焦换向过程中的螺距间隙，换向后电机都要先进行27个脉冲步进后对焦，以减小由于换向后螺距间隙导致的空行程对后续对焦的影响。

经检测，本实施例公开的一种标准显微硬度计的技术指标如下：

试验力值检测数据表

压痕测量系统检测数据表

硬度计示值检测数据表

试验结果表明，本实施例公开的一种标准显微硬度计完全满足相关检定规程要求，试验力范围为(0.0098～9.8)n，力值精度为：试验力值f＞1.961时，试验力误差为±0.1％；试验力值f≤1.961时，试验力误差为±0.5％。压痕测量精度为±0.2μm，硬度示值误差±3％。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。