专利名称：刻痕硬度测试系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种测试系统，更具体地说是涉及一种刻痕硬度测试系统。
背景技术：
硬度测试已经被证实是有益于材料评估和制造过程的质量控制以及研究和开发尝试的。尽管实际上是根据经验，物体的硬度可能与许多金属的抗拉强度相关，并且提供材料的耐磨性和延展性的指示。一种典型的刻痕硬度测试器利用校准机来将(具有所要求的几何形状的)金刚石刻压机压到待评测材料的表面中。在卸除载荷之后接着用光学显微镜测量刻痕尺寸。测试的材料的硬度然后可以这样来确定，即将施加于刻压机的力除以通过该刻压机产生的持久刻痕的投影面积。
在一种典型的方案中，刻痕硬度测试器的操作人员需要将凹痕以距离不同的部件几何尺寸间距精确地定位到一个部件中。参考附图2和3，操作人员可能需要将一连串均匀地间隔开的5个凹痕302置于例如一个被测试的齿轮102的一部分的齿102A的表面中，该齿轮安装在一个塑料体104内，以形成一个测试组件22。凹痕302可以彼此间隔200微米(±5微米)并且位于齿102A表面的中心。假定齿102A为大致0.5厘米宽、0.5厘米高，并且测试器具有两种放大倍数，即，高放大倍数50×的物镜和200微米宽的视场，以及5×的放大倍数和2000微米宽的视场，并且假定齿102A的图像显示在具有640像素宽度的显示器上，每个像素的宽度在50×放大倍数时为约0.3微米，而在5×放大倍数时为约3.0微米。
在这种测试器中，5×的放大倍数使操作人员只能看到齿顶面的约1/5，而50×的放大倍数使操作人员只能看到齿顶面的约1/50。应该注意的是，这种观察并不能使操作人员精确地得知用于定位测试组件22的工作台(stage)是否位于齿顶面的中心。因此，为了保证刻痕垂直于齿102A顶部并且距离齿102A顶面有一定的间距，常规的软件包已经可以使操作人员将一个“T”形杆沿着一个显示图像定位。通过这种方式，操作人员将会通过移动工作台和旋转“T”形杆的组合而将“T”形杆沿着齿102A的顶部边缘定位。如以上所简述的那样，在5×的放大倍数时操作人员已经很清楚“T”形杆所需的定向，但却没有足够的分辨率来将其定位于该边缘的5微米之内。此外，在50×的放大倍数时，将齿的顶部边缘定位于5微米之内是可能的，但定向却很困难，因为该边缘在此放大倍数时不是直的。
所需要的是这样一种技术，它更容易让刻痕硬度测试器的操作人员适当地将刻压机相对于测试组件定位。
发明内容
本发明总体上涉及一种刻痕硬度测试系统，它包括具有可移动的转台的框架、用于接纳部件的可移动的工作台、照相机、显示器、处理器和存储子系统。所述转台包括一个显微镜第一物镜和一个刻压机，并且可移动的工作台被配置为用于接纳一个待测试的部件。照相机通过显微镜捕捉部件的图像，然后该图像可以在显示器上提供。处理器电连接于转台、可移动工作台、照相机和显示器以及存储子系统。该存储子系统存储当执行时指示处理器执行若干步骤的代码。也就是说，该代码指示处理器利用照相机捕捉并存储一系列部件实时图像。该代码还指示处理器存储与每个图像相关的工作台坐标，并在显示器上显示该部件的合成图像，该图像包括根据相关的工作台坐标而合成的一系列实时图像。
按照本发明的另一实施例，图像以低于所捕捉到的图像的分辨率来存储。按照本发明又一实施例，所述代码指示处理器执行一个附加步骤，即对于还未捕捉到的部件部分在合成图像中显示背景图案。按照本发明的又一个实施例，所述代码指示处理器执行一个附加步骤，即在显示部件的合成图像之前，当通过一个与第一物镜焦距不同的第二物镜捕捉其中的至少一个图像时，对上述一系列实时图像进行标准化。在另一实施例中，所述代码指示处理器执一个附加步骤，即在合成图像中显示部件的轮廓。在合成图像中显示部件轮廓的步骤也可以包括下列步骤检验部件的图像流中的一个帧，来定位部件的边缘，并且沿着平行于部件边缘的方向移动该部件，使边缘保持在下一桢的视场中直到部件轮廓完整。所述代码还可以使处理器执行下列附加的步骤将部件当前的位置图像在合成图像中进行叠加，并且指示当前定位图像的位置。此外，所述代码可以使处理器执行下列附加的步骤将刻痕的位置图叠加在合成图像上，并且显示一个在刻痕轮廓内的建议刻痕位置，它代表一定几何形状和尺寸(基于所期望的刻压机)、刻压机的所期望的定向、所期望的刻压机载荷、以及所期望的部件硬度。
本领域技术人员将通过参考以下的说明、权利要求书和附图进一步理解和认识本发明的这些和其他的特征、优点和目的。
附图中图1为按照本发明一个实施例的示例性刻痕硬度测试器的透视图；图1A为按照本发明一个实施例构造的示例性刻痕硬度测试系统的的电路框图；图2为一个包括安装在塑料体中的齿轮的一部分的测试组件的透视图；图3为图2中的齿轮的齿的一部分的局部放大顶视图，示出所希望的刻痕位置；图4A为以50×放大倍数在现有技术的刻痕硬度测试系统的监视器上显示的图2中的齿轮的齿的一部分的视图；
图4B为以5×放大倍数在现有技术的刻痕硬度测试系统的监视器上显示的图2中的齿轮的齿的另一部分的视图；图5为一个合成图像的视图，包括分别在按本发明一个实施例构造的刻痕硬度测试系统的监视器上显示的图4A和4B的50×和5×放大倍数的区域；图6为一个用于确定各图像在一个部件的合成图像中的位置的示例性数据结构图；图7为一个用于创建部件合成图像的程序流程图；以及图8A-8G为根据本发明一个实施例的刻痕测试系统所提供的示例显示画面。
具体实施例方式
一种根据本发明不同实施例的系统能够使用一种刻痕硬度测试器来实现，它包括光学显微镜、被设置以通过显微镜收集图像的数字照相机、电控的能够移动测试组件的工作台、以及处理器(或计算机系统)，其中所述测试组件为待测试的相关部件或安装在一塑料体内的部件的一部分，至少两个尺寸处于一个垂直于光学显微镜透镜的平面内；所述处理器连接到照相机和工作台，使得所述处理器能够显示在监测和控制工作台及其相关部件的运动时通过照相机获得的图像。
图1示出按照本发明一个实施例的示例性刻痕硬度测试器的局部透视图。该刻痕硬度测试系统10包括一个框架20和一个刻压机18，例如努普或维氏刻压机，所述框架20具有一个附带的电动的转台14，包括物镜16A和16B，它们构成光学显微镜的一部分。应该认识到的是，如果需要的话，附加的物镜可以安装到转台14上。一个工作台12可移动地连接于框架20，使得一个连接于工作台12的测试组件22的不同区域可以被观察到。
图1A示出可以包括在测试系统10定义之内的不同电气部件的示例性电路框图。如其所示，一个处理器40耦连于一个存储子系统42、一个输入设备44(例如操纵杆、旋钮、鼠标和/或键盘)和一个显示器46。一个连接在处理器40和一个照相机52之间的帧接收器48用来捕捉由照相机提供的数字数据帧。照相机52例如可以向帧接收器48提供以30Hz速率数字化的RS-170视频信号。如果希望的话，处理器40也连接于转台电动机54并且控制它来正确和有选择地定位物镜16A和16B及刻压机18(例如带有金刚石尖端的装置)。应该注意的是，如果需要的话，附加的刻压机也可以定位在转台14上。如果需要的话，处理器40还连接到工作台电动机56(例如将工作台沿三维方向移动的三个工作台电动机)，并且向工作台电动机提供命令来使工作台沿两维或三维方向移动，以便捕捉图像和聚焦。如下面进一步讨论的，工作台电动机56还提供工作台的位置坐标，这些位置坐标与照相机52提供的图像相关联。工作台的位置坐标例如可以由与每个工作台电动机56相关联的编码器来提供，并且例如可以经由RS-232接口以大约30Hz的速率提供给处理器40。作为替代，处理器40可以与一个单独的工作台控制器进行通信，所述工作台控制器也包括其自身的输入设备，例如操纵杆。处理器40、存储子系统42输入设备44和显示器46可以集成到个人计算机(PC)内。在这种情况下，帧接收器48表现为插入到与处理器40相关联的母板中的卡的形式。如在这里所使用的那样，术语“处理器”可以包括通用处理器、微控制器(即带内存的、集成在单个集成电路内的执行单元等)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLD)或数字信号处理器(DSP)。
再参考图2，测试组件22包括一个待测试的部件、即齿轮102的一部分，它安装在测试用材料104、例如酚醛树脂中。参考图3，齿轮102的齿102A典型地可具有一个尺寸约为0.5cm*0.5cm的表面，其中刻痕要以所期望的刻痕图案定位于该表面中。如图3中所示，示出了5个均匀间隔开的凹痕302。在一种典型的方案中，要经受刻痕硬度测试的部件经常以厘米来测量，而刻痕的尺寸一般在100微米至5000微米的范围内。如前面所讨论的那样，并且分别参照图4B和4A，一个带有5×和50×的物镜的常规刻痕硬度测试器使系统的操作人员可以在5×放大倍数时看到典型齿的顶部的大约1/5，而在50×放大倍数时只能看到齿的顶部的大约1/50。如上所述，对于操作人员来说通常难以知道在放大倍数设置为50×时工作台是否定位于齿面的中心。根据本发明并如图5中所示，合成图像500提供了一个较宽的视场来让操作人员更加精确地确定凹痕要定位在齿上的位置。
按照本发明的一个实施例，当操作人员手动往复移动部件时，处理器40收集一系列实时图像和工作台坐标。这样做时，处理器40执行一个程序，它将数据组合为，即呈现为一个合成(或全景)图像，它显示出部件已经在显微镜物镜下通过的那些部分，所述物镜安装在测试系统的转台上。如果考虑到存储限制的话，需要注意的是，不管所提供的图像的放大倍数如何，合成图像可以以低分辨率存储，例如每个像素大约5微米的分辨率。
参考图6，描绘了数据结构图600，它用于将数据与合成图像关联起来。如由图6所看到的那样，示例性存储机制是基于树形网络设计的。为了关联来自于照相机52的图像，处理器40将图像存储到时间标记的(time-stamped)图像队列中，例如先入先出(FIFO)缓冲器，并且工作台位置被记录在时间标记的位置队列中，例如另一先入先出(FIFO)缓冲器，这些缓冲器位于存储子系统46中。对于队列中每个所给出的图像执行一个程序，它搜索工作台位置和关于围绕图像被获取的时间的时期的速度信息。然后，使用插值法，处理器40准确地确定在获得图像时工作台12在哪里。这种技术允许将一个给定的图像在合成图像中准确定位。此外，由于在捕捉其中一个给定的图像时部件的方向和速度是已知的，可以用快速傅立叶变换(FFT)技术或其他图像处理技术来使图像变得清晰。
参考图7，描绘了一个程序700，它基于所选择的物镜16A或16B及工作台12的速度记录一个给定图像的数据质量。通过这种方式，当计算出的质量不是很差而操作人员重新追踪部件的一部分时，新的图像数据只替换旧的图像数据。在步骤702中，开始程序700，在该点控制转交给步骤702。接着，在步骤704中，处理器400从工作台电动机56接收工作台位置，并且经由帧接收器48从照相机52接收时间标记的图像。接着，在步骤706中，处理器40对工作台位置进行插值运算来确定图像被捕捉时的工作台位置。所得到的图像然后使用不同的方法进行处理，例如去交织、去模糊、阴影校正和伸展/收缩。在处理图像后，在步骤708中，处理器40在判定步骤710中确定一个特定图像的质量(例如通过工作台速度和当前的物镜来确定)是否已经得到改善。如果图像的质量已经改善，则控制转移给步骤711，在这里旧的图像用一个新的图像代替。否则，控制从步骤710转移给步骤712，在这里处理器40保留旧图像并且将其用于在显示器46上显示合成图像。
与对于单个大尺寸图像所需的存储器相比，根据本发明创建的合成图像很适合于使用最少量的计算机存储器来进行高速修正和检索。这是通过将合成图像存储为一系列离散尺寸的二维平铺的形式来实现的，根据工作台位置组织到一个二叉树结构中(见图6)。接着，在判定步骤714中，处理器确定操作人员是否已经完成了图像收集过程。如果是这样的话，控制转移给步骤716，程序700结束。否则，控制转移给步骤704，处理器40继续接收和存储工作台位置及时间标记的图像。
按照本发明的一个实施例，部件尚未被测定的位置以对比色或图案，例如轻微阴影的非灰色颜色指示出来，而透镜的位置，即当前的活动视图，嵌入到合成图像中，并相对于其在部件上的当前位置定位。活动视图例如可以通过一个叠加在合成图像上的细线矩形指示出来。按照本发明的另一个实施例，为了加速捕捉部件的图像，提供了一个程序，它可以使整个部件的轮廓在图像捕捉过程期间自动往返移动。
根据本发明，当操作人员放大合成图像的任何部分时，工作台自动移动到那个位置，并且一个活动图像嵌入到合成图像中。在一个实施例中，当物镜设置为50×放大倍数时，活动图像在细线矩形内的分辨率约为每个像素0.3微米，而在细线矩形外的分辨率约为每个像素5微米。如上所述，系统可以有利地配置为使操作人员可以用操纵杆或其他输入设备手动地移动工作台。当系统被启动，使程序正在控制工作台的运动时，工作台的运动可以以多种方式来指示。例如，一个活动图像可以被固定使部件可以通过物镜透镜，或者作为替代，合成图像可以被固定而活动图像的位置可以移动。
如前面所讨论的那样，常规的刻痕硬度测试系统已经允许操作人员沿着待测试部件的表面定位一个“T”形杆，以保证刻痕垂直于齿轮的齿的顶面并且离顶面有一定的距离。然而，如前所述，在5x放大倍数时，操作人员相当清楚“T”形杆所需的定向，但是没有足够的分辨率来将其定位在边缘的5微米之内。此外，在50×放大倍数时，能够将边缘定位在5微米之内，但是“T”形杆的定向是很困难的，因为在这个放大倍数水平时边缘不是直的。对此问题的一种解决方案是，在5×放大倍数时旋转“T”形杆，并且在50×放大倍数时将其定位在边缘上。另一种产生更精确的旋转角的解决方案涉及到使“T”形杆大于任何物镜的视场，并使用一个合成图像来准确地定位“T”形杆。如前所述，这可以使操作人员放大部件的任何位置，并且部件那部分的活动图像可以以所需要的分辨率来提供。
常规的刻痕硬度测试系统已经在一个单独的窗口中显示出所希望的凹痕的图案。在这些系统中，操作人员已可以对图案窗口中的刻痕位置加以控制，然后指示系统在部件中形成凹痕。然而，如前面所讨论的那样，对于操作人员来说难以将在图案窗口中的所建议的刻痕位置与如在活动图像中所看到的部件上的精确位置关联起来。有利地，本发明的实施例允许一个图案窗口叠加在合成图像上面。因此，操作人员可以相对于部件的大尺寸特征和相对于低分辨率合成图像来定位凹痕。通过这种方式，操作人员然后能够通过一个嵌入的活动图像放大并观看刻痕位置来微调刻痕位置。此外，在一个这样构成的系统中，屏幕显示区域只作为一个所需的窗口被保留。即，不需要分别显示数据的一个不同层的多个窗口，因为对于根据本发明构成的刻痕硬度测试系统，部件的合成图像可以被显示在一个窗口中。然而应该理解，如果需要的话，根据本发明构成的刻痕测试系统也可以采用多个窗口，每个窗口分别显示一个合成图像并可单独调整尺寸、缩放和平移。按照一个实施例，本发明可以省去常规的“T”形杆，或者代之以一个改进的类似“T”形杆，其顶部是伸长的，并且能够很容易地与部件对准，其底部由所建议的刻痕位置构成。然而，应该理解的是，也可以根据应用而采用不同于“T”形的形状，例如线段和已知半径的圆。
图8A示出了在跟踪、即捕捉到齿轮102的边缘802的图像之后，齿轮102的合成图像的显示画面800。如图所示，该显示画面800包括一个嵌入的活动图像804，其中齿轮102尚未被捕捉到的部分用背景图案806来标记。图8B示出一个显示画面，它描绘了齿102A的一个放大的视图，该视图包括嵌入的活动图像804和一个“T”形的形状811，根据本发明该形状便于刻痕位置的设置。图8C示出一个显示画面920，它是显示画面810中所示的齿102A的合成图像的进一步放大的视图，该显示画面还包括活动视图804和用于定位刻痕位置的“T”形形状811的腿。图8D-8F分别示出了显示画面830、840和850，它们描绘了“T”形与齿102A的对准，以便于刻痕位置的设置。图8G示出了显示画面860，它描绘了叠加在合成图像上的所建议的刻痕位置813和一个当前的活动图像804A。本发明的各实施例有利地允许对刻痕位置813进行控制。亦即，利用一个适当的输入设备，即鼠标、键盘等，可以对刻痕位置813进行增加或去除、移动到一个新的位置、和/或作为一个整体旋转/平移。
因此，在此已经描述了许多方法，它们有利地使刻痕硬度测试系统的操作人员能够很容易地将刻痕位置定位在待进行硬度测试的部件中。
以上的描述只考虑了那些优选的实施例。本领域技术人员和实施或使用本发明的那些人将会想到本发明的改进。因此可以理解，附图中所示的和以上描述的实施例仅仅是用于说明的目的，而不是要限制本发明的保护范围，本发明的保护范围通过随后的权利要求书来限定，如按照专利法的原则进行解释的那样，包括等效原则。
权利要求
1.一种刻痕硬度测试系统，包括包括一附带的可移动转台的框架，其中该转台包括一个构成显微镜的一部分的第一物镜和一个刻压机；可移动的工作台，用于接纳一个连接于框架的部件；照相机，用于通过显微镜捕捉部件的图像；显示器；处理器，它电连接于转台的至少一部分、可移动工作台、照相机和显示器；以及连接于处理器的存储子系统，该存储子系统存储在执行时指示处理器执行以下步骤的代码-捕捉并存储部件的一系列实时图像，其中这些实时图像由照相机提供；-存储对于实时图像相关的工作台坐标，其中所述工作台坐标由工作台提供；以及-显示部件的合成图像，其中所述合成图像包括按照相关的工作台坐标合成的一系列实时图像，并且其中所述合成图像包括一个对于尚未被捕捉到的部件部分的一个背景图案。
2.一种刻痕硬度测试系统，包括包括一附带的可移动转台的框架，其中该转台包括一个构成显微镜的一部分的第一物镜和一个刻压机；可移动的工作台，用于接纳一个连接于框架的部件；照相机，用于通过显微镜捕捉部件的图像；显示器；处理器，它电连接于转台的至少一部分、可移动工作台、照相机和显示器；以及连接于处理器的存储子系统，该存储子系统存储在执行时指示处理器执行以下步骤的代码-捕捉并存储部件的一系列实时图像，其中所述实时图像由照相机提供；-存储对于实时图像相关的工作台坐标，其中所述工作台坐标由工作台提供；以及-显示部件的合成图像，其中所述合成图像包括按照相关的工作台坐标合成的一系列实时图像，并且其中所述合成图像包括一个对于尚未被捕捉到的部件部分的一个背景图案；-将部件的一个当前的位置图像叠加在合成图像中；以及-指示当前的位置图像的一个位置。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述的一系列实时图像以低于所捕捉到的图像的分辨率来存储。
4.如权利要求1或2所述的系统，其中所述代码指示处理器执行下列附加的步骤在显示部件的合成图像之前，在其中至少一个实时图像通过一个与第一物镜焦距不同的第二物镜被捕捉到时，对所述的一系列实时图像进行标准化。
5.如权利要求1或2所述的系统，其中所述代码指示处理器执行下列附加的步骤在合成图像中显示部件的轮廓。
6.如权利要求5所述的系统，其中在合成图像中显示部件的轮廓的步骤包括以下的步骤检验部件的图像流中的一个帧，以定位部件的边缘；以及沿着平行于部件边缘的方向移动该部件，使边缘保持在下一帧的视场中，直至部件的轮廓完整。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述代码指示处理器执行下列附加的步骤将部件的一个当前的位置图像叠加在合成图像中；以及指示当前的位置图像的一个位置。
8.如权利要求1或2所述的系统，其中所述代码指示处理器执行下列附加的步骤将部件的一个当前的位置图像叠加在合成图像中；以及通过一个刻痕轮廓显示一个所建议的刻痕位置，它代表了基于一个所期望的刻压机、一个所期望的刻压机定向、一个所期望的刻压机负载和一个所期望的部件硬度的几何形状和尺寸。
全文摘要
一种刻痕硬度测试系统，包括具有一可移动转台的框架、用于接纳部件的可移动工作台、照相机、显示器、处理器和存储子系统。转台包括一个显微镜的物镜和一个刻压机，并且可移动的工作台被配置为用于接纳待测试部件。照相机通过显微镜捕捉部件的图像，该图像然后能够在显示器上显示出来。处理器连接于转台、可移动的工作台、照相机和显示器以及存储子系统。存储子系统存储了可执行的代码，它指示处理器使用照相机捕捉并存储部件的一系列实时图像，存储由工作台提供的关于图像的相关工作台坐标，并显示一个合成图像，该图像包括按照相关工作台坐标合成的部件的一系列实时图像。
文档编号G01N3/08GK101034049SQ20071008989
公开日2007年9月12日 申请日期2003年10月16日 优先权日2002年10月18日
发明者迈克尔·豪克, 戴维·A·巴福特 申请人:莱克公司