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Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines
Ladungsträgerstrahles
Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Boh- rungen oder Profilfräsungen, wird die zu bearbeitende Materialstelle durch Beschuss mit Ladungsträgern hoch erhitzt, so dass das Material an dieser Stelle verdampft.
Um eine für praktische Zwecke verwertbare Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem geschilderten Fall eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen, muss der Ladungsträgerstrahl an der Auftreffstelle auf das Material eine ausreichend hohe Energiedichte aufweisen. Normalerweise wird zu diesem Zweck der Ladungsträgerstrahl so fokussiert. dass er seine Energie über die gesamte Bearbeitungsfläche
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wendigen Wert steil nach Null abfallen.
Mit zunehmender Grösse der bearbeiteten Fläche ergibt sich bei diesem bekannten Bearbeitungsver- fahren ein immer grösserer thermisch beanspruchter Materialbereich um die bearbeitete Stelle. Dies bedeutet, dass unerwünscht grosse Schichten am Rand und unterhalb der bearbeiteten Fläche aufgeschmolzen werden. Dadurch werden die Verluste erhöht und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.
Es. isteinMaterialbearbeitungsverfahren bekannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden Materialstelle die Bearbeitungsstelle bestreicht. Bei diesem Verfahren wird der Ladungsträgerstrahl in vorherbestimmter Weise in Sprüngen derart über die Bearbeitungsstelle bewegt, dass zeitlich unmittelbar nacheinander bearbeitete Flächenelemente durch eine Strecke getrennt sind, die grösser als der Durchmesser eines solchen Flächenelementes ist und über welcher der Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr wenig auf das Material einwirkt. Die gesamte Bearbeitungsstelle wird schliesslich vollständig aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt.
Dieses Bearbeitungsverfahren ist an sich universell verwendbar und kann allen Bedingungen angepasst werden. Eine Einrichtung zu seiner Durchführung ist jedoch sehr aufwendig, da hier zur Steuerung des Ladungsträgerstrahles ein Gerät zur digitalen Steuerung der Ablenkwerte für den Ladungsträgerstrahl und der Betriebswerte für das Strahlerzeugungssystem notwendig ist, welches aus einem Programmspeicher und den zugehörigen Entschlüsslem besteht.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine wesentlich weniger aufwendige Einrichtung zur Ma- terialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles anzugeben, welche dennoch in gewissem Umfang an wechselnde Bedingungen bei der Materialbearbeitung angepasst werden kann.
Die Erfindung betrifft somit eine Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden Materialstelle und die Erfindung Ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur rasterförmigen Abtastung eines Bildes der zu bearbeitendenmaterfalstelle sowie durch die Kopplung des die Ablenkströme liefernden Ausgangs dieser Vorrichtung mit den Ablenkspulen des Ladungsträgerstrahlgerätes und die Kopplung des das Bildsignal liefernden Ausgangs dieser Vorrichtung mit den die Strahlintensität bestimmenden Elementen des Ladungsträgerstrahlgerätes.
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Als Abtaststrahl findet entweder der Abtaststrahl einer Fernsehaufnahmeröhre oder der wandernde
Lichtpunkt eines Fernseh-flying-spot-Abtasters Verwendung. Der zur Materialbearbeitung dienende La- dungsträgerstrahl schreibt also auf dem zu bearbeitenden Objekt ein Raster, welches mit dem vom Abtast- strahl der Femsehanlage geschriebenen Raster synchronisiert ist. Die von der Fernsehanlage gelieferten
Bildimpulse entsprechen der Hell-Dunkel-Verteilung in der zu übertragenden Vorlage, welche ein Muster der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche darstellt. Mittels dieser Bildimpulse wird die Intensität des
Ladungsträgerstrahles gesteuert, so dass also dieser Strahl die Hell-Dunkel-Verteilung der Vorlage auf das zu bearbeitende Objekt überträgt.
Es ist ohne weiteres möglich, die Einrichtung so auszubilden, dass Hell- werte der zu übertragenden Vorlage Hellwerten des Ladungsträgerstrahles entsprechen, d. h. also, dass an diesen Stellen eine Materialbearbeitung stattfindet. Ebenso ist es möglich, die Einrichtung so auszubilden, dass Hellwerte der zu übertragenden Vorlage Dunkelwerten des Ladungsträgerstrahles entsprechen.
Die neue Einrichtung enthält ferner einen mit dem das Bildsignal liefernden Ausgang der Abtastvor- richtung gekoppelten Speicher, welcher das Ladungsträgerstrahlerzeugungssystem derart sperrt und auf- tastet, dass der Ladungsträgerstrahl bei jedem Abtastvorgang innerhalb der Bearbeitungsstelle nur an einer vorherbestlmmtenAnzahl von örtlich voneinander getrennten Stellen zur Wirkung kommt und dass schliess- lich die gesamte Bearbeitungsstelle vollständig aus einer Vielzahl von bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt ist.
Der Ladungsträgerstrahl wird dabei über den Speicher periodisch während einer vorbe- stimmten Zahl von Impulsen entsperrt und während einer vorbestimmten Zahl von darauffolgenden Impulsen gesperrt, wobei die bei einem Abtastvorgang zur Wirkung kommenden Impulse beim nächsten Abtastvorgang unterdrückt werden. Es ist vorteilhaft, die während jedes-Abtastvorgangs bearbeiteten Flächenelemente möglichst weit voneinander entfernt zu wählen.
Es ist möglich, den Speicher so einzustellen, dass er jeweils nur einen Impuls durchlässt und während mehrerer darauffolgender Impulse den Strahl sperrt. Es ist jedoch ebenso möglich, den Speicher so einzustellen, dass ganze Impulsgruppen zusammengefasst und nach einer vorbestimmten Reihenfolge zur Bearbeitung herangezogen werden.
Durch die eben erwähnte Massnahme wird sich die Bearbeitungszeit gegenüber der normalenFernsehsteuerung eines Ladungsträgerstrahles verlängern, doch sind die erzielten Vorteile so erheblich, dass diese Verlängerung ohne weiteres in Kauf genommen werden kann. Diese Vorteile liegen darin, dass die eingestrahlte Energie nach thermischen Gesichtspunkten verteilt werden kann, so dass das Material praktisch schichtweise abgetragen wird, ohne dass die an die eigentliche Materialbearbeitungsstelle angrenzenden Materialbezirke thermisch unzulässig hoch beansprucht werden. Weiterhin lässt sich eine sehr hohe Genauigkeit der Materialbearbeitung erzielen. Damit bietet die neue Einrichtung zur Materialbearbeitung die Möglichkeit, Fräsungen hoher Genauigkeit auch in dickeren Materialien durchzuführen.
Die Einrichtung nach der Erfindung bietet die Möglichkeit, zusätzlich während jedes Abtastvorgangs die auf jedes Flächenelement der Bearbeitungsstelle auftreffende Strahlenergie zu regeln. Zu diesem Zweck ist eine mit der Abtastvorrichtung gekoppelte Anordnung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von bestimmten über die Bildvorlage gelieferten Kommandoimpulsen die Strahlenergie regelt. Damit kann also durch. entsprechende Gestaltung der Bildvorlage auf sehr einfache Weise eine noch weitergehende Anpassung der Materialbearbeitung an die thermischen Bedingungen erreicht werden.
Die Regelung der Strahlenergie erfolgt zweckmässig bei gleichbleibender Strahlmodulation durch Regeln der Vorspannung der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems oder bei der sogenannten flyingspot-Abtastung durch Regeln der Geschwindigkeit der Strahlbewegung. Bei der Abtastung der Bildvorlage mittels einer Fernsehkamera erfolgt zweckmässig die Regelung der Strahlenergie dadurch, dass beim Bearbeitungsvorgang der Fernsehkamera schnell hintereinander mehrere Bilder geboten werden, welche so ausgestaltet sind, dass die Bearbeitung in mehreren, den thermischen Forderungen angepassten Schritten erfolgt.
Es ist von besonderem Vorteil, den Ladungsträgerstrahl so zu steuern. dass an den Rändern der Bearbeitungsstelle eine Energiehäufung auftritt. Durch diese Massnahme wird die an diesen Stellen sehr grosse Wärmeableitung kompensiert, so dass also die Herstellung einer einwandfreien Begrenzung der Bearbeitungsstelle ermöglicht wird. Die erwähnte hohe Wärmeableitung an den Rändern der Bearbeitungsstelle tritt infolge des hier sehr grossen Temperaturgradienten auf, welcher bewirkt, dass ein Teil der eingestrahlten Energie durch Wärmeleitung verlorengeht.
Ein weiterer Grund für die hohe Wärmeableitung an den Rändern der Bearbeitungsstelle ist der, dass der Ladungsträgerstrahl an der Wandung einer Profilfräsung in einem spitzen Winkel auftrifft, so dass also die Auftreffstelle auseinandergezogen wird und sich die auftreffende Energiedichte verringert.
Die erwähnte Steuerung des Ladungsträgerstrahles erfolgt dabei vorteilhaft durch entsprechende Aus-
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gestaltung der Bildvorlage oder im einfachsten Fall durch entsprechende Ausbildung der neuen Bearbeitungseinrichtung selbst.
Im letzteren Fall ist es zweckmässig, innerhalb des Ladungsträgerstrahlgerätes u. zw. in Strahlrichtung gesehen hinter dem Strahlerzeugungssystem zwei Blenden vorzusehen, zwischen denen ein Ablenksystem angeordnet ist. Der das Bildsignal liefernde Ausgang der Abtastvorrichtung ist dann über einen Verstärker so mit diesem Ablenksystem gekoppelt, dass der Ladungsträgerstrahl nur dann durch die Öffnung der unteren Blende fällt, wenn der Abtaststrahl auf ein zu übertragendes Bildelement trifft.
Zur Lösung spezieller Aufgaben und zur Erfüllung der thermo-dynamischen Bedingungen beim Fräsen von Profilen ist es vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl im Ruhezustand so abzulenken, dass er nicht durch die untere Blende trifft. Weiterhin ist in diesem Fall die Ausgangsspannung des zur Verstärkung der Bildsignale dienenden Verstärkers so gross gewählt, dass der Ladungsträgerstrahl beim Auftreten eines Bildsignales so weit aus der Ruhelage abgelenkt wird, dass er nach Überstreichen der Blendenöffnung wieder auf die Blende auftrifft und somit gesperrt ist. Es wird also hier erreicht, dass beispielsweise bei der Übertragung einer strichförmigen Vorlage lediglich an den Kanten dieses Striches Ladungsträgerstrahlimpulse auf das zu bearbeitende Objekt auftreffen. Es tritt somit eine Häufung der Energiedichte an den Rändern der Bearbeitungsstelle auf.
Wird die Vorrichtung zur rasterförmigen Abtastung der Bildvorlage aus einer ein Bildraster schreibenden Abtaströhre und einer das von der Abtaströhre ausgehende und durch die Bildvorlage tretende Licht in ein elektrisches Signitl umwandelnden Photozelle ausgebildet, so bietet sich die Möglichkeit, auf verhältnismässig einfache Art die Abtastgeschwindigkeit zu regeln. Zu diesem Zweck ist mit der Fernsehabtastanlage eine Vorrichtung zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit in Abhängigkeit von bestimmten von der Photozelle gelieferten Kommandoimpulsen vorgesehen.
Es Ist dabei besonders vorteilhaft, die Bildvorlage mehrfarbig auszubilden und mehrere hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die Farben der Bildvorlage abgestimmte Photozellen vorzusehen. Mit diesen Photozellen sind Schaltmittel gekoppelt, welche zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und/oder des Strahlsuomes des Ladungsträgerstrahles dienen.
Die Bildvorlage ist zweckmässig zweifarbig ausgebildet. Durch diese Zweifarbigkeit wird es möglich, insgesamt vier Kommandoimpulse zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und der Strahlenergie zu erzeugen.
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den Vorteil einfachster Konstruktion und Verwendbarkeit nahezu jeder Abtaströhre, sie ist jedoch insofern unwirtschaftlich, als man bei Verwendung von zwei photoelektrischen Empfängern nur drei verschiedene Kommandoimpulse erhalten kann.
Bei der Zweifarbigkeit der Bildvorlage müssen die beiden Farben so gewählt werden, dass sie einmal spektral weit genug auseinander liegen bzw. relativ schmale Durchlassbereiche besitzen und dass sie zum andern in der Emission der Leuchtschirmstrahlung enthalten sind. Dabei werden zweckmässig vor den beiden Photozellen Filter angeordnet, welche die Zellen selektiv für die durchgelassenen Farben empfindlich machen.
Ein farbiges Bild hat den Vorzug grösster Einfachheit in der Herstellung der Programme, Solche Bilder können mit sehr einfachen Mitteln von Hilfskräften hergestellt werden und bieten dennoch die Möglichkeit einer sehr weitgehenden Programmierung.
Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der auf jedes Flächenelement der Bearbeltungsstelle auftreffenden Strahlenergie besteht darin, dass am Bildrand der abzutastenden Bildvorlage eine Bildleiste angeordnet ist, welche so ausgebildet ist, dass sie beim Abtasten die Strahlbewegung bestimmende Kommandoimpulse liefert. Es ist dabei zweckmässig, auch die Ränder der in der Bildvorlage enthaltenen Figur mit Bildleisten zu versehen, welche beim Abtasten die Strahlbewegung und/oder die Strahlenergie bestlm- mende Kommandoimpulse liefern. Die Bildleisten können aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Hell-Dunkelstellen bestehen, sie können jedoch auch aus einer Reihe von aufeinanderfolgenden Farbpunkte gebildet sein.
Insbesondere ist es auch möglich, die Bildrandleiste aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen zu bilden und die Figurenränder farbig auszubilden.
Mit Hilfe einer solchen Einrichtung können die sogenannten'Totzeiten*', d. h. also die Zeiten während welcher der Ladungsträgerstrahl über die nicht zur eigentlichen Bearbeitungsfigur gehörenden Teile der Bildvorlage geführt wird, möglichst kurz gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass durch ent- sprechende Gestaltung der Bildvorlage der Ladungsträgerstrahl schneller über alle ausserhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte geführt wird als über die innerhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte.
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Die neue Einrichtung kann weiterhin so ausgebildet werden, dass die von den Übertragungs- und/oder Ablenkelemente hervorgerufenen Fehler ohne weiteres kompensiert werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die zu übertragende Vorlage so auszugestalten, dass sie diese Fehler mit negativen Vorzeichen enthält.
Die neue Einrichtung zur Materialbearbeitung kann neben den schon erwähnten Bearbeitungszwecken mit besonderem Vorteil auch zur Lösung spezieller'Probleme der Schweiss- oder Löttechnik verwendet werden.
Es ist bekannt, zwei Werkstücke mittels eines Ladungsträgerstrahles miteinander zu verschweissen oder zu verlöten, wobei der Strahl entlang der Schweissstelle geführt wird. Soll nun z. B. eine undurchsichtige Deckplatte mit einem darunterliegenden Bauelement beliebiger Gestalt verschweisst werden, so ist es erforderlich, den Ladungsträgerstrahl entsprechend den Konturen des Bauelementes auf der Deckplatte zu fUhren. Dies wird zweckmässig dadurch erreicht, dass eine Röntgen-Durchstrahlungsaufnahme der zu verschweissenden Bauteile als Bildvorlage für die Fernsehanlage verwendet wird. In diesem Fall wird also der Ladungsträgerstrahl entsprechend der durch die Röntgenaufnahme gegebenen Vorlage so gesteuert, dass er nur dann Energie abgibt, wenn unterhalb seines Auftreffpunktes auf der Deckplatte das andere Bauelement liegt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-10 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. l ein gemäss der Erfindung aufgebautes Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles in schematischer Darstellung ; Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gerätes ; Fig. 3a eine zu übertragende Vorlage ; Fig. 3b das mit einem Gerät nach Fig. 2 von der Vorlage der Fig. 3a vom Ladungsträgerstrahl auf dem zu bearbeitenden Objekt geschrieben Bild ; Fig. 4o ein gemäss der Erfindung aufgebautes Gerät zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl, bei welchem zur Abtastung der Bildvorlage ein sogenannter flying-spot-Abtaster dient :
Fig. 5 einen Teil des in Fig. 4 dargestellten Gerätes mit einer zweifarbig ausgebildeten Bildvorlage ; Fig. 6 eine
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; Fig.ein Gerät zur Materialbearbeitung, bei welchem zur Strahlsteuerung die in Fig. 8 dargestellte Bildvorlage Verwendung findet ; Fig. 10 eine lediglich aus Hell-Dunkelstellen bestehende Bildvorlage.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumgefäss bezeichnet, in welchem ein aus der Kathode 2, dem Wehneltzylinder 3 und der Anode 4 bestehendes Strahlerzeugungssystem angeordnet ist. Zur weiteren Formung des Elektronenstrahles 5 dient eine Blende 6, welche mittels der Knöpfe 7 und 8 justiert werden kann. Eine
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des Elektronenstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück 11. Das Werkstück 11 ist in einer ebenfalls unter Vakuum stehendenKammer 13 auf einem Tisch 12 angeordnete welcher mittels einer Spindel 15 von links nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann. Eine weitere Spindel 14 dient zur Verschiebung des Werkstücks senkrecht zur Papierebene.
Zwischen der elektromagnetischen Linse 9 und dem Werkstück 11 ist ein elektromagnetisches Ablenksystem 10 angeordnet, welches zur Ablenkung des Elektronenstrahles 5 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene dient. Das Ablenksystem 10 besteht beispielsweise aus vier jeweils um 900 gegeneinander versetzten elektromagnetischen Spulen. Diese Spulen sind so ausgebildet, dass sie bei Zuführung entsprechender Ablenkströme beispielsweise sägezahnförmiger Ablenkströme, den Elektronenstrahl 5 so ablenken, dass er ein verzeichnungsfreies Raster auf der Oberfläche des Werkstücks 11 schreibt.
Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Wehneltzylinderspannung. Diese Spannungen werden über ein mit einem Erdmantel versehenes dreiadriges Hochspannungskabel 19 in den ölgefüllten Behälter 20 eingeführt. Die beispielsweise auf-100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Kathode 2 zugeleitet. Die Wehneltzylinderspannung von beispielsweise-101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundär- wicklung des Hochspannungs-Isolier-Transformators 21 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zum Wehneltzylinder 3. Die Wehneltzylinderspannung ist so eingestellt, dass im Ruhezustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.
In den ölgefüllten Behältern 20 ragt der Isolatoransatz 23 des das Strahlerzeugungssystem tragenden Isolators, das dreiadrige Hochspannungskabel 19 sowie der Isolatoransatz desHochspannungs-Isolier-Trans- formators 21.
Der Hcchspannungs-Isolier-Transformator 21 besteht aus einem Ringkern feiner Lamination, welcher die Primärwicklung trägt. Dieser Ringkern ist in ringförmig vergossenes Giessharz eingebettet, wobei der
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Giessharzring die Sekundärwicklung des Transformators trägt. Die Primär-und Sekundärwicklung des Transformators 21 sind somit hochspannungsmässig voneinander isoliert. d. h. die Sekundärwicklung kann auf der dem Strahlerzeugungssystem zugeführten Hochspannung liegen, während die auf dem Giessbarzring angeordnete Primärwicklung auf Erdpotential liegt.
Mit 27 ist eine Fernsehkamera bezeichnet, welcher von der Zentrale 28 die notwendigen Betriebsspannungen zugeführt werden. Das von der Kamera 27 gelieferte Videosignal gelangt zur Zentrale 28 und wird dort verstärkt. Die Zentrale 28 liefert über die Leitung 29 die zur Zeilenablenkung dienenden Ab-
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liefert werden. Über die Leitung 31 gelangt das verstärkte Videosignal zu einem Sichtgerät 32, welchem auch die notwendigenAblenkströme zugeführt werden. Das Sichtgerät 32 liefert also das von der Fernseh- kamera 27 aufgenommene Bild.
Die Ablenkströme werden einem Verstärker 34 zugeführt und gelangen von dort zu den Ablenkspulen des Ablenksystems 10. Die Videosignal werden einem Verstärker 33 zugeführt und gelangen von dort zur Primärwicklung des Isolier-Transformators 21.
Die Wirkungsweise des hier dargestellten Gerätes ist folgende : Mittels einer Lampe 25 und eines optischen Systems 26 wird ein Bild 24 beleuchtet, welches auf das Werkstück 11 übertragen werden soll. Das Bild 24 wird von der Fernsehkamera 27 in elektrische Signale umgesetzt, welche ihrerseits im Sichtgerät 32 wieder in Bildsignale umgesetzt werden. Über die Leitungen 29 und 30 werden die Ablenkströme dem Ablenksystem 10 zugeführt, so dass also der Elektronenstrahl 5 auf der Oberfläche des Werkstücks 11 ein Raster schreibt, welches genau dem vom Abtaststrahl der Fernsehaufnahmeröhre geschriebenen Raster entspricht.
Liefert die Fernsehkamera 27 ein Videosignal, so wird dieses über den Verstärker 33 dem Isolier- Transformator 21 zugeführt. Über diesen Transformator gelangt das Videosignal zur Wehneltelektrode 3 und setzt entsprechend seiner Stärke die Vorspannung dieser Elektrode herab. Dadurch wird das Strahlerzeugungssystem entsperrt und es gelangt ein Elektronenstrahl 5, dessen Intensität durch die Grösse des Videosignals festgelegt ist, zum Werkstück 11. An der durch die dem Ablenksystem 10 zugeführten Ablenkströme festgelegten Stelle ruft der Elektronenstrahl 5 einen Bearbeitungseffekt hervor.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Intensität des auf das Werkstück 11 auftreffenden Ladungs- trägerstrahles von der Amplitude des Videosignals abhängt. Aus diesem Grunde gelingt es, mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung die Werkstückoberfläche reliefartig zu bearbeiten.
Das zu übertragende Bild 24 ist beispielsweise in Fig. 3a dargestellt. Wie diese Figur zeigt, besteht das Bild aus einem hellen Linienzug 35 auf dunklem Untergrund. Bei der Übertragung des Bildes auf das Werkstück 11 wird also auf der Werkstückoberfläche eine Bearbeitungsfigur erzeugt, welche genau dem Linienzug 35 des Bildes 24 entspricht. Die Bearbeitung kann dabei beispielsweise in einer schichtweisen Abtragung des Materials bestehen.
Soll die in Fig. l dargestellte Einrichtung nicht zur Übertragung von Grauwerten verwendet werden,
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Verstärkerbeim Auftreten eines Videosignals beliebiger Stärke einen Impuls konstanter Amplitude liefert. An Stelle des Thyratrons kann auch eine an sich bekannte Schaltung zur Begrenzung der Amplituden der Videoimpulse auf einen konstanten Wert vorgesehen sein.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung sind an Stelle der in Fig. l mit 6 bezeichneten Blende hinter der Anode 4 zwei Blenden 37 und 38 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 39,40, 41 und 42 justierbar sind. Mit der oberen Blende 37 ist ein Ablenkplattenpaar 43 verbunden, welches zur Ablenkung des Elektronenstrahles 5 über die untere Blende 38 dient.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das im Verstärker 33 verstärkte Videosignal direkt dem Ablenkplattenpaar 43 zugeführt. Dieses Ablenkplattenpaar liegt nicht auf Hochspannung, so dass also in diesem Fall der Hochspannungs-Isolier-Transformator 21 entfällt.
Im Ruhezustand, d. h. also bei Ausbleiben eines Videosignals wird mittels eines Gerätes 44 an dasAb- lenkplattenpaar 43 eine solche Spannung angelegt, dass der Elektronenstrahl 5 nicht durch die Öffnung 45 der Blende 38 trifft. Beim Auftreten eines Videosignals wird der Elektronenstrahl 5 mittels des Ablenk- plattenpaare 43 so abgelenkt, dass er, wie in Fig. 2 dargestellt, durch die Öffnung 45 der Blende 38 fällt und somit auf das zu bearbeitende Werkstück 11 auftrifft. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, gelingt es mit der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung bei der angegebenen Wahl der Ablenkspannung lediglich SchwarzWeiss-Signale zu übertragen.
Es ist möglich und in vielen Fällen vorteilhaft, die Ausgangsspannung des Verstärkers 33 so gross zu wählen, dass der Elektronenstrahl 5 beim Auftreten eines Videosignals so weit aus der in Fig. 3 dargestellten Ruhelage abgelenkt wird, dass er nach Überstreichen der Blendenöffnung 45 wieder auf die Blende 38
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auftrifft und somit gesperrt ist. In diesem Fall werden also beim Übertragen eines strichförmigen Bildes lediglich an den Bildrändern Ladungsträgerstrahlimpulse ausgelöst.
Wird-mit dem beschriebenen Übertragungsverfahren beispielsweise das in Fig. Sa dargestellte Bild 24 auf das Werkstück 11 übertragen, so schreibt der Elektronenstrahl 5 auf der Werkstückoberfläche 11 einen Linienzug 46, welcher lediglich aus den Randlinien des Bildes 35 besteht. Dazu ist es allerdings erforderlich, das Bild 24 so anzubringen, dass sich der Abtaststrahl der Fernsehaufnahmeröhre in Pfeilrichtung darüberbewegt.
Durch die aus Fig. 3b ersichtliche Energiekonzentration an den Rändern der Bearbeitungsstelle wird den thermodynamischen Bedingungen der Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl Rechnung getragen. Es entsteht in diesem Fall bei einer etwa dem vierfachen Strahldurchmesser entsprechenden Stärke der Linie 35 eine gleichmässige Bearbeitung auch des Gebietes innerhalb der Randlinie 46, da die eingestrahlte Energie durch Wärmeleitung bevorzugt in dieses Gebiet gelangt.
Es ist auch mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung möglich, den thermodynamischen Bedingungen Rechnung zu tragen. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, dem Bild 24 die in Fig. 3b dargestellte Form einer geschlossenen Randlinie 46 zu geben. Bei der Übertragung des Bildes auf die Oberfläche des Werkstückes 11 entsteht sodann aus den oben angegebenen Gründen eine Bearbeitungsspur, welche dem Linienzug 35 der Fig. 3a entspricht.
Eine weitere Anpassung an die thermodynamischen Bedingungen der Materialbearbeitung ist dadurch möglich, dass nicht nur ein einzelnes Bild 24 verwendet wird, sondern dass mehrere entsprechend den speziellen Bedingungen ausgebildete Vorlagen nacheinander zur Übertragung kommen. In diesem Fall ist es lediglich erforderlich, das in Fig. l dargestellte Gerät zur Beleuchtung des Bildes 24 und die Fernsehkamera 27 durch eine an sich bekannte Fernseh-Filmabtastanlage zu ersetzen. Mittels einer solchen Anlage können schnell aufeinander folgende Bilder mit höchster Genauigkeit abgetastet und auf das Werkstück 11 übertragen werden.
In den Fig. l und 2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Fernsehkamera 27 und ein Gerät zur Beleuchtung des zu übertragenden Bildes 24 gezeichnet. Es ist natürlich möglich, diese Elemente durch einen handelsüblichen Fernseh-Diabtaster zu ersetzen.
In Fig. 4 ist mit 50 eine Kathodenstrahlröhre bezeichnet, welche mit Ablenkmitteln 51 versehen ist.
Im Generator 52 werden die Ablenkströme für die Ablenkmittel 51 erzeugt, so dass der Elektronenstrahl der Röhre 50 auf dem Leuchtschirm ein Zeilenraster schreibt. Der Generator 52 ist so mit dem Ablenksystem 10 verbunden, dass der Elektronenstrahl 5 synchron mit dem Elektronenstrahl der Röhre 50 bewegt wird und somit dasselbe Zeilenraster auf die Oberfläche des Werkstückes 11 schreibt.
Das von dem auf dem Leuchtschirm der Röhre 50 in Form eines Zeilenrasters wandernden Lichtpunkt ausgehende Licht wird im folgenden als"Abtaststrahl"bezeichnet.
Vor der Kathodenstrahlröhre 59 ist eine durchscheinend Bildvorlage 53 angeordnet. Das durch diese Bildvorlage tretende Licht wird mittels einer Linse 54 auf eine Photozelle 55 fokussiert. Diese Photozelle liefert demzufolge ein elektrisches Signal, welches der Bildinformation der Vorlage 53 entspricht.
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ist, dass er bei der ersten Abtastung in der ersten Zeile den ersten, zehnten, zwanzigsten usw. Bildpunkt freigibt, während er alle andern dazwischenliegenden Videoimpulse unterdrückt. Bei der zweiten Abtastung werden vom Speicher 57 der zweite, elfte, einundzwanzigste usw.
Bildpunkt freigegeben, während alleandernBildpunkte unterdrückt werden. Die durch den Speicher 57 tretenden Impulse werden im Verstärker 58 verstärkt und gelangen von dort zum Hochspannungs-Isolier-Transformator 21. Von dort werden sie der Steuerelektrode 3 zugeleitet und entsperren das Strahlerzeugungssystem. Es gelangt also bei der Abtastung der Bildvorlage 53 nur eine vorherbestimmte Anzahl von Ladungsträgerstrahlimpulsen zum Werkstück 11, wobei diese Impulse an örtlich weit voneinander getrennten Stellen auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffen. Wird der Abtastvorgang in dem geschilderten Beispiel zehnmal wiederholt, so ist schliesslich die gesamte Bearbeitungsstelle vollständig aus einer Vielzahl von bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt.
Der Generator 52 zur Erzeugung der Ablenkströme ist so eingestellt, dass er normalerweise Ablenkströme liefert, deren Frequenz wesentlich über der Frequenz der normalen für Fernsehzwecke verwendeten Ablenkströme liegt. Sobald jedoch der Abtaststrahl durch die Bildvorlage 53 auf die Photozelle 55 trifft, wird über den Verstärker 56 und ein Schaltgerät 59 dem Generator 52 ein Kommandoimpuls zugeführt, welcher bewirkt, dass dieser nunmehr Ablenkströme einer wesentlich niedrigeren Frequenz liefert. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass alle ausserhalb der eigentlichen Bearbeitungsstelle gelegenen Raster-
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57 und zum andern zum Generator 52. Der Speicher 57 wird durch den ankommenden Kommandoimpuls veranlasst, sein einmal eingestelltes Programm der Strahlmodulation weiterzuführen.
Der Generator 52 wird dagegen durch den ankommenden Kommandoimpuls veranlasst, Ablenkströme zu liefern, deren Frequenz etwas höher liegt als die Frequenz der im grünen Bereich 63 der Bildvorlage 65 gelieferten Ablenkströme. Dadurch wird der Ladungsträgerstrahl 5 im weissen Bereich 62 etwas schneller bewegt als im grünen Bereich 63 der Bildvorlage, wobei diese Bewegung so erfolgt, dass aufeinanderfolgende Ladungsträgerstrahlimpulse sich nicht mehr überlappen, sondern aneinandergrenzen. Auch dies ist ohne weiteres aus Fig. 7 zu erkennen.
Fig. 8 zeigt eine Bildvorlage 74, welche eine Bildleiste 75 enthält. Diese Bildleiste besteht aus den beiden undurchsichtigen Bereichen 76, sowie aus dem Hell-Dunkelbereich 77. Die eigentliche Bildvorlage enthält den nichttransparenten Teil 78, den transparent ausgebildeten Bereich 79 sowie den grüngefärbten Randbereich 80.
Zur Materialbearbeitung unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Bildvorlage 74 dient die in Fig. 9 dargestellte Einrichtung. Bei dieser ist wiederum ein halbdurchlässiger Spiegel 81 vorgesehen, wel-
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cher das durch die Bildvorlage 74 tretende Licht in zwei Anteile aufspaltet. Weiterhin sind zwei Photo- zellen 82 und 83 vorgesehen, wobei die Zelle 83 mittels des vorgeordneten Filters 84 so abgestimmt ist, dass sie lediglich auf den grünen Farbbereich 80 der Bildvorlage 74 anspricht.
Die Wirkungsweise der in Fig. 9 dargestellten Einrichtung ist folgende. Der Abtaststrahl wandert beim
Abtasten der Bildvorlage 74 zunächst über die Bildleiste 75. Solange er sich im schwarzen Bereich 76 die- ser Leiste bewegt, enthält keine der Photozellen 82 und 83 Licht und der Generator 52 liefert lediglich den zur Ablenkung des Abtaststrahles in Bildrichtung notwendigen Ablenkstrom. Dies bedeutet, dass der Ablenkstrom gar keine Bildzeile schreibt. Sobald der abtastende Lichtpunkt über den Bereich 77 der Bild- leiste 75 wandert, liefert die Zelle 82 einen Kommandoimpuls bestimmter Form, welcher über das Schalt- gerät 85 den Generator 52 veranlasst, nunmehr auch den für die Ablenkung in Zeilenrichtung notwendigen
Strom zu liefern.
Das Gerät 85 ist mit dem Ablenkgenerator 52 so gekoppelt, dass es automatisch nach einer Zeit, welche dem Abfahren der Bildleiste 75 entspricht, ausser Tätigkeit gesetzt wird. Infolgedessen liefert der Generator 52 auch weiterhin beide Ablenkströme, wenn der Abtaststrahl die Bildleiste 75 im Bereich. 77 verlassen hat und in den schwarzen Bereich 78 der Bildvorlage 74 eintritt. Sobald nun der Ab- taststrahl in den grünen Randbereich 80 der Bildvorlage 74 eintritt, erhält die Photozelle 83 Licht.
Die von dieser Zelle gelieferte Spannung wird nach Verstärkung im Verstärker 86 dem Gerät 18, welches zur Erzeugung der Vorspannung der Steuerelektrode 3 dient, zugeführt. Der ankommende Kommandoimpuls bewirkt, dass die Vorspannung der Steuerelektrode herabgesetzt wird, so dass also der Strahlstrom des Ladungsträgerstrahles 5 einen bestimmten vorgegebenen Betrag erreicht.
Zugleich wird die von der Zelle 83 erzeugte Spannung im Verstärker verstärkt und bewirkt das Einschalten des Speichers 57.
Sobald der Abtaststrahl in den weissen Bereich 79 der Bildvorlage 74 gelangt, erhalten beide Zellen 82 und 83 Licht und es wird demzufolge im Verstärker 87 eine Spannung erzeugt, welche höher Ist als die Spannung, welche beim Verweilen des Abtaststrahles im grünen Bildbereich 80 erzeugt wird. Diese Spannung gelangt einmal zum Speicher 57 und bewirkt, dass dieser Speicher weiterhin in Betrieb bleibt. Zum andern gelangt diese Spannung zum Gerät 18 und bewirkt eine Herabsetzung der Vorspannung der Steuerelektrode 3. Infolgedessen ist die Stromstärke der Ladungsträgerstrahlimpulse kleiner. solange sich der Abtaststrahl im weissen Bildbereich 79 bewegt als wenn sich der Abtaststrahl im grünen Bildbereich 80 bewegt.
Fig. 10 zeigt eine lediglich aus einer Folge vonHell-Dunkelstellen bestehende Bildvorlage 88. Diese Bildvorlage enthält eine Bildleiste 89, welche die beiden Bereiche 90 und 91 umfasst. In den Bereichen 90 wird der Ladungsträgerstrahl so gesteuert, dass er lediglich in Bildrichtung bewegt wird, während der Ladungsträgerstrahl im Bereich91so gesteuert wird, dass er auch eine Ablenkung inZeilenrichtung erfährt.
Vor bzw. hinter sämtlichen Rändern des Bildes 92 sind Randleisten angeordnet, welche aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen bestehen. Die Bildleiste 93 bewirkt ein Langsamlaufen des Ladungsträgerstrahles in Zeilenrichtung, während die Bildleiste 94 den zur Inbetriebsetzung des Speichers 57 dienenden Kommandoimpuls liefert. Die Bildleiste 95 liefert einen Kommandoimpuls, welcher die Ausserbetriebsetzung des Speichers 57 und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Anfang der nächsten Zeile bewirkt. Die Bildleiste 96 liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 57 ausser Betrieb setzt, jedoch den Ladungsträgerstrahl in Zeilenrichtung weiterbewegt.
Die in Abtastrichtung am Ende des Bildes 92 angeordnete Kombination 97 von Hell-Dunkelstellen liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 57 sperrt und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Bildanfang bewirkt.
Es Ist ohne weiteres klar, dass die in Fig. 10 dargestellten Randleisten beliebig abgewandelt werden können, solange sie für den Abtaststrahlnochlesbare und unterscheidbar Kommandoimpulse liefern. Es ist auch möglich, an Stelle der in Fig. 10 dargestellten, aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen bestehenden Randleisten solche Leisten zu wählen, welche aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Farbpunkten bestehen.
Wie die obigen Ausführungen erkennen lassen, ist durch entsprechende Ausbildung der Bildvorlage eine sehr weitgehende Programmierung des Bearbeitungsvorganges möglich. Schon mit sehr einfachen Mitteln, wie z. B. im Falle der Fig. 6, lässt sich eine Programmierung erreichen, welche weitgehend den thermischen Bedingungen der Materialbearbeitung angepasst Ist.
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Device for material processing by means of a
Charge carrier beam
During material processing with charge carrier beams, for example when producing bores or profile millings, the material point to be processed is heated up by bombardment with charge carriers, so that the material evaporates at this point.
To obtain a useful rate of evaporation for practical purposes, i.e. H. so to achieve a sufficient drilling speed in the case described, the charge carrier beam must have a sufficiently high energy density at the point of impact on the material. The charge carrier beam is normally focused in this way for this purpose. that he uses his energy over the entire working area
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agile value drop sharply to zero.
As the size of the machined surface increases, this known machining method results in an ever larger thermally stressed material area around the machined area. This means that undesirably large layers at the edge and below the machined surface are melted. This increases the losses and the desired work effect is disturbed.
It. a material processing method is known in which an intermittently effective charge carrier beam, the working cross section of which is smaller than the area of the material point to be processed, sweeps the processing point. In this method, the charge carrier beam is moved in a predetermined manner in jumps over the processing point in such a way that surface elements processed immediately one after the other are separated by a distance that is greater than the diameter of such a surface element and over which the beam is switched off or only very slightly the material acts. The entire processing point is finally composed entirely of a large number of adjacent processed surface elements.
This machining process can be used universally and can be adapted to all conditions. A device for its implementation is very expensive, however, since a device for digital control of the deflection values for the charge carrier beam and the operating values for the beam generation system is required here to control the charge carrier beam, which device consists of a program memory and the associated decoder.
It is the aim of the present invention to provide a significantly less complex device for material processing by means of a charge carrier beam which can nevertheless be adapted to a certain extent to changing conditions during material processing.
The invention thus relates to a device for material processing by means of an intermittently controlled charge carrier beam whose working cross section is smaller than the area of the material point to be processed and the invention is characterized by a device for raster-shaped scanning of an image of the material point to be processed and by the coupling of the output supplying the deflection currents this device with the deflection coils of the charge carrier beam device and the coupling of the output of this device which supplies the image signal with the elements of the charge carrier beam device which determine the beam intensity.
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Either the scanning beam of a television pickup tube or the wandering one is used as the scanning beam
Light point of a television flying spot scanner use. The charge carrier beam used for material processing therefore writes a raster on the object to be processed which is synchronized with the raster written by the scanning beam of the television system. The ones supplied by the television system
Image pulses correspond to the light-dark distribution in the original to be transferred, which represents a pattern of the workpiece surface to be processed. The intensity of the
Charge carrier beam controlled, so that this beam transfers the light-dark distribution of the original to the object to be processed.
It is easily possible to design the device in such a way that brightness values of the original to be transmitted correspond to brightness values of the charge carrier beam, ie. H. so that material processing takes place at these points. It is also possible to design the device in such a way that light values of the original to be transmitted correspond to dark values of the charge carrier beam.
The new device also contains a memory coupled to the output of the scanning device delivering the image signal, which blocks and scans the charge carrier beam generation system in such a way that the charge carrier beam only takes effect at a predetermined number of spatially separated locations during each scanning process within the processing point and that finally the entire processing point is composed entirely of a large number of processed surface elements.
The charge carrier beam is periodically unblocked via the memory during a predetermined number of pulses and blocked during a predetermined number of subsequent pulses, the pulses that take effect during one scanning process being suppressed during the next scanning process. It is advantageous to choose the surface elements processed during each scanning process as far apart from one another as possible.
It is possible to set the memory so that it only lets through one pulse at a time and blocks the beam during several subsequent pulses. However, it is also possible to set the memory in such a way that entire groups of pulses are combined and used for processing in a predetermined sequence.
As a result of the measure just mentioned, the processing time will be lengthened compared to normal television control of a charge carrier beam, but the advantages achieved are so considerable that this lengthening can easily be accepted. These advantages are that the radiated energy can be distributed according to thermal aspects, so that the material is practically removed in layers without the material areas adjacent to the actual material processing point being subjected to inadmissibly high thermal stress. Furthermore, a very high accuracy of the material processing can be achieved. The new equipment for material processing offers the possibility of milling with high precision even in thicker materials.
The device according to the invention offers the possibility of additionally regulating the beam energy impinging on each surface element of the processing point during each scanning process. For this purpose, an arrangement coupled to the scanning device is provided which regulates the beam energy as a function of certain command pulses supplied via the original image. So it can get through. Corresponding design of the original image, an even more extensive adaptation of the material processing to the thermal conditions can be achieved in a very simple manner.
The regulation of the beam energy is expediently carried out with constant beam modulation by regulating the bias voltage of the control electrode of the beam generation system or in the so-called flyingspot scanning by regulating the speed of the beam movement. When scanning the original image by means of a television camera, the beam energy is expediently regulated by providing several images in rapid succession during the processing of the television camera, which are designed so that processing takes place in several steps adapted to the thermal requirements.
It is particularly advantageous to control the charge carrier beam in this way. that an accumulation of energy occurs at the edges of the processing point. This measure compensates for the very large heat dissipation at these points, so that it is possible to produce a perfect delimitation of the processing point. The aforementioned high heat dissipation at the edges of the processing point occurs as a result of the very large temperature gradient here, which means that part of the radiated energy is lost through heat conduction.
Another reason for the high heat dissipation at the edges of the processing point is that the charge carrier beam hits the wall of a profile milling at an acute angle, so that the point of impact is pulled apart and the energy density that hits it is reduced.
The aforementioned control of the charge carrier beam is advantageously carried out by appropriate
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design of the original image or, in the simplest case, by appropriate design of the new processing device itself.
In the latter case, it is useful to u within the charge carrier beam device. Between two diaphragms, seen in the beam direction, behind the beam generation system, between which a deflection system is arranged. The output of the scanning device supplying the image signal is then coupled to this deflection system via an amplifier so that the charge carrier beam only falls through the opening of the lower diaphragm when the scanning beam hits a picture element to be transmitted.
To solve special tasks and to meet the thermodynamic conditions when milling profiles, it is advantageous to deflect the charge carrier beam in the resting state so that it does not hit the lower screen. Furthermore, in this case the output voltage of the amplifier used to amplify the image signals is selected to be so high that the charge carrier beam is deflected from the rest position when an image signal occurs to such an extent that it strikes the aperture again after passing over the aperture and is thus blocked. What is achieved here is that, for example, when a line-shaped template is transferred, charge carrier beam pulses only impinge on the object to be processed at the edges of this line. There is thus an accumulation of the energy density at the edges of the processing point.
If the device for raster-shaped scanning of the original is constructed from a scanning tube that writes a picture raster and a photocell that converts the light emanating from the scanning tube and passing through the original into an electrical signal, there is the possibility of regulating the scanning speed in a relatively simple way. For this purpose, a device for regulating the scanning speed as a function of certain command pulses supplied by the photocell is provided with the television scanning system.
It is particularly advantageous to design the original image in multiple colors and to provide several photocells which are matched to the colors of the original image with regard to their spectral sensitivity. Switching means are coupled to these photocells, which serve to regulate the scanning speed and / or the beam size of the charge carrier beam.
The original image is expediently designed in two colors. This two-color scheme makes it possible to generate a total of four command pulses for regulating the scanning speed and the beam energy.
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the advantage of the simplest construction and usability of almost any scanning tube, but it is uneconomical in that only three different command pulses can be obtained when using two photoelectric receivers.
In the case of the two-tone original image, the two colors must be selected so that they are spectrally far enough apart or have relatively narrow transmission ranges and that they are included in the emission of the fluorescent screen radiation. In this case, filters are expediently placed in front of the two photocells, which make the cells selectively sensitive to the colors allowed through.
A colored picture has the advantage of the greatest simplicity in the production of the programs. Such pictures can be produced with very simple means by assistants and still offer the possibility of a very extensive programming.
A further possibility for regulating the beam energy impinging on each surface element of the processing point is that an image bar is arranged at the edge of the image to be scanned, which is designed so that it delivers command pulses that determine the beam movement during scanning. It is expedient here to also provide the edges of the figure contained in the original image with image strips which, when scanned, deliver command pulses that determine the beam movement and / or the beam energy. The image bars can consist of a series of light-dark areas which follow one another in the scanning direction, but they can also be formed from a series of consecutive color points.
In particular, it is also possible to form the image border from a sequence of light and dark areas and to color the figure borders.
With the help of such a device, the so-called 'dead times *', i.e. H. that is, the times during which the charge carrier beam is guided over the parts of the original image that do not belong to the actual processing figure are kept as short as possible. This is achieved by the fact that the charge carrier beam is guided more quickly over all raster points located outside the processing point than over the raster points located inside the processing point by means of a corresponding design of the original.
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The new device can furthermore be designed in such a way that the errors caused by the transmission and / or deflection elements are readily compensated for. For this it is only necessary to design the template to be transmitted in such a way that it contains these errors with negative signs.
In addition to the processing purposes already mentioned, the new device for material processing can also be used with particular advantage for solving special problems in welding or soldering technology.
It is known to weld or solder two workpieces to one another by means of a charge carrier beam, the beam being guided along the welding point. Should z. If, for example, an opaque cover plate is welded to an underlying component of any shape, it is necessary to guide the charge carrier beam according to the contours of the component on the cover plate. This is expediently achieved in that an X-ray radiograph of the components to be welded is used as an image template for the television system. In this case, the charge carrier beam is controlled in accordance with the template given by the X-ray exposure so that it only emits energy when the other component is below its point of impact on the cover plate.
The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1-10 showing the exemplary embodiments. 1 shows a device constructed according to the invention for material processing by means of a charge carrier beam in a schematic representation; 2 shows another exemplary embodiment of a device according to the invention; 3a shows an original to be transmitted; FIG. 3b shows the image written with a device according to FIG. 2 of the original in FIG. 3a of the charge carrier beam on the object to be processed; 4o a device constructed according to the invention for material processing by means of a charge carrier beam, in which a so-called flying-spot scanner is used to scan the original image:
FIG. 5 shows part of the device shown in FIG. 4 with a two-color original image; FIG. Fig. 6 a
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; FIG. 1 shows a device for material processing in which the original image shown in FIG. 8 is used for beam control; FIG. 10 shows an image template consisting only of light and dark areas.
In Fig. 1, 1 denotes a vacuum vessel in which a beam generating system consisting of the cathode 2, the Wehnelt cylinder 3 and the anode 4 is arranged. An aperture 6, which can be adjusted by means of buttons 7 and 8, is used to further shape the electron beam 5. A
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of the electron beam onto the workpiece 11 to be processed. The workpiece 11 is arranged in a chamber 13, which is also under vacuum, on a table 12 which can be moved from left to right or vice versa by means of a spindle 15. Another spindle 14 is used to move the workpiece perpendicular to the plane of the paper.
An electromagnetic deflection system 10 is arranged between the electromagnetic lens 9 and the workpiece 11, which serves to deflect the electron beam 5 in the plane of the paper and perpendicular to the plane of the paper. The deflection system 10 consists, for example, of four electromagnetic coils offset from one another by 900. These coils are designed so that when appropriate deflection currents, for example sawtooth-shaped deflection currents, are supplied, they deflect the electron beam 5 in such a way that it writes a distortion-free grid on the surface of the workpiece 11.
A high voltage of 100 kV, for example, is generated in the device 17 and fed to the device 18 by means of a high-voltage cable provided with an earth jacket. This device is used to generate the adjustable heating voltage and the adjustable Wehnelt cylinder voltage. These voltages are introduced into the oil-filled container 20 via a three-core high-voltage cable 19 provided with an earth jacket. The heating voltage, for example at -100 kV, is fed directly to the cathode 2. The Wehnelt cylinder voltage of -101 kV, for example, is fed through the insulator attachment of the secondary winding of the high-voltage insulating transformer 21 and from there goes directly to the Wehnelt cylinder 3. The Wehnelt cylinder voltage is set in such a way that the jet generation system is blocked when idle.
The insulator attachment 23 of the insulator carrying the beam generating system, the three-core high-voltage cable 19 and the insulator attachment of the high-voltage isolating transformer 21 protrude into the oil-filled containers 20.
The high-voltage isolating transformer 21 consists of a toroidal core of fine lamination, which carries the primary winding. This toroidal core is embedded in a ring-shaped cast resin, the
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Cast resin ring carries the secondary winding of the transformer. The primary and secondary windings of the transformer 21 are thus isolated from one another in terms of high voltage. d. H. the secondary winding can be at the high voltage supplied to the beam generation system, while the primary winding arranged on the cast iron ring is at ground potential.
A television camera is designated by 27, to which the necessary operating voltages are supplied from the control center 28. The video signal supplied by the camera 27 reaches the control center 28 and is amplified there. The control center 28 supplies the deflection used for line deflection via the line 29.
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will be delivered. The amplified video signal reaches a viewing device 32 via the line 31, to which the necessary deflection currents are also fed. The viewing device 32 thus delivers the image recorded by the television camera 27.
The deflection currents are fed to an amplifier 34 and from there pass to the deflection coils of the deflection system 10. The video signals are fed to an amplifier 33 and from there pass to the primary winding of the isolating transformer 21.
The mode of operation of the device shown here is as follows: A lamp 25 and an optical system 26 illuminate an image 24 which is to be transferred to the workpiece 11. The image 24 is converted by the television camera 27 into electrical signals, which in turn are converted into image signals again in the viewing device 32. The deflection currents are fed to the deflection system 10 via the lines 29 and 30, so that the electron beam 5 writes a raster on the surface of the workpiece 11 which corresponds exactly to the raster written by the scanning beam of the television pickup tube.
If the television camera 27 supplies a video signal, this is fed to the isolating transformer 21 via the amplifier 33. The video signal reaches the Wehnelt electrode 3 via this transformer and reduces the bias voltage of this electrode according to its strength. As a result, the beam generating system is unlocked and an electron beam 5, the intensity of which is determined by the size of the video signal, reaches the workpiece 11. At the point determined by the deflection currents supplied to the deflection system 10, the electron beam 5 produces a processing effect.
It is readily apparent that the intensity of the charge carrier beam impinging on the workpiece 11 depends on the amplitude of the video signal. For this reason it is possible to process the workpiece surface in relief with the device shown in FIG.
The image 24 to be transmitted is shown, for example, in FIG. 3a. As this figure shows, the image consists of a light line 35 on a dark background. When the image is transferred to the workpiece 11, a processing figure is generated on the workpiece surface which corresponds exactly to the line 35 of the image 24. The processing can consist, for example, of removing the material in layers.
If the device shown in Fig. 1 is not to be used for the transmission of gray values,
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Amplifier delivers a pulse of constant amplitude when a video signal of any strength occurs. Instead of the thyratron, a circuit known per se for limiting the amplitudes of the video pulses to a constant value can also be provided.
In the exemplary embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 2, two diaphragms 37 and 38, which can be adjusted by means of buttons 39, 40, 41 and 42, are arranged behind the anode 4 instead of the diaphragm denoted by 6 in FIG. A pair of deflection plates 43 is connected to the upper diaphragm 37 and serves to deflect the electron beam 5 via the lower diaphragm 38.
In the exemplary embodiment shown here, the video signal amplified in the amplifier 33 is fed directly to the pair of deflection plates 43. This pair of deflection plates is not at high voltage, so that in this case the high-voltage isolating transformer 21 is not required.
At rest, i.e. H. In other words, if there is no video signal, a device 44 is used to apply such a voltage to the pair of deflection plates 43 that the electron beam 5 does not strike through the opening 45 of the diaphragm 38. When a video signal occurs, the electron beam 5 is deflected by means of the deflection plate pair 43 in such a way that, as shown in FIG. 2, it falls through the opening 45 of the aperture 38 and thus strikes the workpiece 11 to be processed. As is readily apparent, the device shown in FIG. 2 only succeeds in transmitting black and white signals with the specified selection of the deflection voltage.
It is possible and in many cases advantageous to select the output voltage of amplifier 33 so high that when a video signal occurs, electron beam 5 is deflected from the rest position shown in FIG. 3 to such an extent that, after passing over aperture 45, it returns to the Aperture 38
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occurs and is therefore blocked. In this case, when a line-shaped image is transmitted, charge carrier beam pulses are triggered only at the image edges.
If, for example, the image 24 shown in FIG. 3 a is transferred to the workpiece 11 with the described transfer method, the electron beam 5 writes a line 46 on the workpiece surface 11, which consists only of the edge lines of the image 35. To do this, however, it is necessary to attach the image 24 in such a way that the scanning beam of the television pickup tube moves over it in the direction of the arrow.
The energy concentration at the edges of the processing point, which can be seen from FIG. 3b, takes into account the thermodynamic conditions of material processing by means of a charge carrier beam. In this case, when the line 35 is approximately four times the diameter of the beam, the area within the edge line 46 is also processed uniformly, since the radiated energy preferably reaches this area by conduction.
It is also possible with the device shown in FIG. 1 to take the thermodynamic conditions into account. For this purpose it is only necessary to give the image 24 the shape of a closed edge line 46 shown in FIG. 3b. When the image is transferred to the surface of the workpiece 11, for the reasons given above, a processing track is then created which corresponds to the line 35 of FIG. 3a.
A further adaptation to the thermodynamic conditions of the material processing is possible in that not only a single image 24 is used, but that several templates designed according to the special conditions are transmitted one after the other. In this case it is only necessary to replace the device shown in FIG. 1 for illuminating the image 24 and the television camera 27 by a television film scanning system known per se. By means of such a system, images following one another can be quickly scanned with the highest accuracy and transferred to the workpiece 11.
In FIGS. 1 and 2, a television camera 27 and a device for illuminating the image 24 to be transmitted have been drawn for reasons of clarity. It is of course possible to replace these elements with a commercially available television slide scanner.
In FIG. 4, reference numeral 50 denotes a cathode ray tube which is provided with deflection means 51.
The deflection currents for the deflection means 51 are generated in the generator 52, so that the electron beam of the tube 50 writes a line raster on the fluorescent screen. The generator 52 is connected to the deflection system 10 in such a way that the electron beam 5 is moved synchronously with the electron beam of the tube 50 and thus writes the same line raster on the surface of the workpiece 11.
The light emanating from the point of light traveling on the fluorescent screen of the tube 50 in the form of a line raster is referred to below as the "scanning beam".
A translucent original 53 is arranged in front of the cathode ray tube 59. The light passing through this original image is focused on a photocell 55 by means of a lens 54. This photocell consequently supplies an electrical signal which corresponds to the image information of the original 53.
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is that during the first scan in the first line it releases the first, tenth, twentieth, etc. image point, while it suppresses all other video pulses in between. On the second scan, the memory 57 stores the second, eleventh, twenty-first, etc.
Pixel released while all other pixels are suppressed. The pulses passing through the memory 57 are amplified in the amplifier 58 and from there reach the high-voltage insulating transformer 21. From there they are fed to the control electrode 3 and unlock the beam generating system. When the original image 53 is scanned, only a predetermined number of charge carrier beam pulses reach the workpiece 11, these pulses impinging on the surface of the workpiece at locations far apart from one another. If the scanning process is repeated ten times in the example shown, the entire processing point is finally composed entirely of a large number of processed surface elements.
The generator 52 for generating the deflection currents is set so that it normally supplies deflection currents whose frequency is significantly higher than the frequency of the normal deflection currents used for television purposes. However, as soon as the scanning beam hits the photocell 55 through the original 53, a command pulse is fed to the generator 52 via the amplifier 56 and a switching device 59, which causes it to now deliver deflection currents of a significantly lower frequency. This measure ensures that all grid frames located outside the actual processing point
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57 and on the other hand to the generator 52. The memory 57 is caused by the incoming command pulse to continue its once set program of the beam modulation.
The generator 52, on the other hand, is caused by the incoming command pulse to supply deflection currents, the frequency of which is somewhat higher than the frequency of the deflection currents supplied in the green area 63 of the original image 65. As a result, the charge carrier beam 5 is moved somewhat faster in the white area 62 than in the green area 63 of the original image, this movement taking place in such a way that successive charge carrier beam pulses no longer overlap but rather adjoin one another. This can also be seen without further ado from FIG.
FIG. 8 shows an image template 74 which contains an image bar 75. This image bar consists of the two opaque areas 76 as well as the light-dark area 77. The actual image template contains the non-transparent part 78, the transparent area 79 and the green-colored edge area 80.
The device shown in FIG. 9 is used for material processing using the image template 74 shown in FIG. 8. In this again a semi-transparent mirror 81 is provided, which
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cher splits the light passing through the original image 74 into two parts. Furthermore, two photo cells 82 and 83 are provided, the cell 83 being coordinated by means of the upstream filter 84 in such a way that it only responds to the green color area 80 of the original image 74.
The operation of the device shown in Fig. 9 is as follows. The scanning beam wanders at
The original image 74 is first scanned via the image bar 75. As long as it moves in the black area 76 of this bar, none of the photocells 82 and 83 contain light and the generator 52 only supplies the deflection current necessary to deflect the scanning beam in the image direction. This means that the deflection current does not write any image line. As soon as the scanning light point wanders over the area 77 of the image bar 75, the cell 82 delivers a command pulse of a certain form, which via the switching device 85 causes the generator 52, now also the one necessary for the deflection in the line direction
To deliver electricity.
The device 85 is coupled to the deflection generator 52 in such a way that it is automatically put out of action after a time which corresponds to the movement of the picture bar 75. As a result, the generator 52 continues to provide both deflection currents when the scanning beam hits the image bar 75 in area. 77 has left and enters the black area 78 of the original image 74. As soon as the scanning beam now enters the green edge area 80 of the original image 74, the photocell 83 receives light.
The voltage supplied by this cell is, after amplification in the amplifier 86, fed to the device 18 which is used to generate the bias voltage of the control electrode 3. The incoming command pulse has the effect that the bias voltage of the control electrode is reduced, so that the beam current of the charge carrier beam 5 thus reaches a certain predetermined amount.
At the same time, the voltage generated by the cell 83 is amplified in the amplifier and causes the memory 57 to be switched on.
As soon as the scanning beam reaches the white area 79 of the original image 74, both cells 82 and 83 receive light and a voltage is generated in the amplifier 87 which is higher than the voltage which is generated when the scanning beam remains in the green image area 80. This voltage reaches the memory 57 once and has the effect that this memory remains in operation. On the other hand, this voltage reaches the device 18 and causes a reduction in the bias voltage of the control electrode 3. As a result, the current strength of the charge carrier beam pulses is smaller. as long as the scanning beam moves in the white image area 79 than when the scanning beam moves in the green image area 80.
10 shows an image template 88 consisting only of a sequence of light and dark areas. This image template contains an image bar 89 which comprises the two areas 90 and 91. In the areas 90, the charge carrier beam is controlled in such a way that it is only moved in the image direction, while the charge carrier beam in area 91 is controlled in such a way that it is also deflected in the line direction.
In front of or behind all the edges of the image 92, edge strips are arranged which consist of a sequence of light and dark areas. The image bar 93 causes the charge carrier beam to move slowly in the direction of the line, while the image bar 94 supplies the command pulse used to start the memory 57. The image bar 95 supplies a command pulse which causes the memory 57 to be switched off and the charge carrier beam to return immediately to the beginning of the next line. The image bar 96 delivers a command pulse which puts the memory 57 out of operation, but moves the charge carrier beam further in the line direction.
The combination 97 of light-dark areas arranged in the scanning direction at the end of the image 92 delivers a command pulse which blocks the memory 57 and causes the charge carrier beam to immediately return to the beginning of the image.
It is immediately clear that the edge strips shown in FIG. 10 can be modified as desired, as long as they deliver command pulses that are still readable and distinguishable for the scanning beam. It is also possible, instead of the edge strips shown in FIG. 10 and consisting of a sequence of light and dark areas, to choose strips which consist of a series of color points following one another in the scanning direction.
As the above explanations reveal, a very extensive programming of the machining process is possible through a corresponding design of the original image. Even with very simple means, such as B. in the case of FIG. 6, a programming can be achieved which is largely adapted to the thermal conditions of the material processing.
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