一种标准显微硬度计制造技术

本发明专利技术公开的一种标准显微硬度计，属于计量领域。本发明专利技术包括依次连接的，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。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；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。本发明专利技术测试下限为0.0098N，且具有如下优点：(1)能够在保证试验测量精度的前提下，扩大试验力测量范围，(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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种标准显微硬度计
本专利技术属于计量领域，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术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.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种标准显微硬度计，其特征在于：包括依次连接的，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；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。

【技术特征摘要】
1.一种标准显微硬度计，其特征在于：包括依次连接的，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；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。2.如权利要求1所述的一种标准显微硬度计，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的一种标准显微硬度计，其特征在于：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)及压痕图像测量模块；其中，光源(21)用于照明光场，使观察更加清晰，测量更加准确；物镜(23)用于放大压痕；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)用于改变成像光路方向；分光镜(19)一方面用于将光源(21)反射至主反光镜(20)从而到达物面，另一方面用于透射主反光镜(20)成像光路光束至成像面(16)；成像面(16)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(16)不参与成像工作；分划板(15)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(14)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(18)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(19)的成像光束转向投射至CCD相机靶面(17)，采用目镜(14)测量观察时，转向反光镜(18)不参与成像工作；CCD相机靶面(17)用于接收呈现显微硬度压痕图像。4.如权利要求3所述的一种标准显微硬度计，其特征在于：压痕测量系统零部件优选尺寸参数及位置关系如下：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(22)20mm；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(16)的另一侧，与成像面(16)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(17)位于转向反光镜(18)光路正上方，距转向反光镜(18)中心点90mm。5.如权利要求3或4所述的一种标准显微硬度计，其特征在于：压痕测量系统的压痕测量模块用于实现压痕尺寸的自动测量，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：石伟，李杨，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11