CN1291812C - 利用电子束来处理工件的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子束处理设备的工件供给装置，该装置可以利用一多功能工件夹持装置来缩短工件的交换周期。

Description

利用电子束来处理工件的装置

技术领域

本发明涉及一种用于电子束处理设备的工件供给装置。

背景技术

用于中型和小型工件处理的电子束处理，特别是电子束焊接正在被广泛应用。

电子束焊接(＝EB焊接；EB＝电子束)与其它焊接技术相比，特别是在焊接时引入能量的精确性上具有显著优点，使得电子束焊接成为一种几乎无弯曲且尺寸精确的焊接过程。因此，特别对于这样的工件，如齿轮箱的齿轮或者手动或自动传动部件，它们要求尽可能地实行无弯曲且尺寸精确的焊接，最好采用电子束焊接进行焊接。

对于电子束焊接，在常压或略低于常压下的焊接即所谓的非真空焊接与在真空下的焊接(更确切地，在减小的压力≤10^-2毫巴(mbar)＝半真空或者减小的压力≤10^-4毫巴＝高真空下)之间存在差别。在真空下的电子束焊接具有“清洁”处理的优点，即基本上无污染的环境和基本上恒定的处理参数，如压力、温度、湿度等。

利用真空电子束焊接来制造小批量或大批量工件要求把工件供应给(装载和卸载)真空环境，并在真空环境中处理该工件。在已知的真空焊接设备中，对于每单个工件或一批多个工件来说，将真空室充注到常压，然后卸载已处理的工件并装载未处理的工件，又再将真空室抽空。

由DE19729083C1可知这样一种电子束焊接设备，其中多个工件放在一个交换托盘上，然后利用电子束基本上同时地焊接该多个工件。许多这样的交换托盘排列在一交换板上，该交换板形成为电子束处理的处理室的密封法兰。该处理室(真空室)在每次交换工件时被充注。

由CH426025中可知这样一种电子束焊接设备，其中一电子束枪布置在真空室中。在CH426025的图1和图2中显示的实施例包含一个具有两个开口的真空室；具有指定工件夹持装置的一种锁定装置提供在每个开口处。当交换工件时，锁定装置密封真空室，且工件夹持装置位于锁的外部。工件与工件夹持装置一起移入锁中以进行处理，且通过与工件夹持装置连接的一密封装置密封该锁。然后相对于真空室打开锁，使得可利用电子束对位于该锁内且正与真空室连接的工件进行处理。将电子束枪移到各个锁以进行处理。

更多的电子束处理设备见US3731052和JP62-248583A的专利摘要。

自EP0790330B1可知一种用于传输基片特别是CD基片的设备，其中，利用基片容纳部件的一板相对于锁定室(lock chamber)密封真空室。当在常压下密封锁定室时，降下基片供应部分以将该基片放置在一种转盘上，并将基片传递给该转盘；然后，基片就通过转盘移到它的处理位置。

已知技术导致周期相当长，且由于需要定期进气以获取常压而存在污染真空室的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的工件电子束处理的工件供给装置，该装置大大地减少了上述缺点。

根据本发明，提供一种利用电子束来处理工件的装置，包括：至少一个电子束枪，和工件供给装置，该工件供给装置包括：真空室，该真空室具有至少一个用于每个电子束枪的连接口和至少一个装载/卸载开口，至少两个工件夹持装置，移动装置，该移动装置用于移动每个工件夹持装置到所述至少一个装载/卸载开口处的相应装载/卸载位置和所述用于电子束枪的至少一个连接口处的处理位置，以及在每个装载/卸载开口处的一个工件锁定装置，该工件锁定装置可以选择性地被抽空或接纳常压，其包含一个可关闭的锁开口，其中，所述工件夹持装置和所述移动装置布置在所述真空室中，其中，所述工件夹持装置适合于压力密封关闭所述装载/卸载开口，且所述工件夹持装置通过所述移动装置可选择性地移动进入关闭位置，其中，每个所述工件夹持装置都包括一底盘和一工件夹具，其中，一密封件布置在每个工件夹持装置上或每个装载/卸载开口处，其中，每个所述工件夹持装置适合于在处理位置密封一处理室，该处理室由用于所述电子束枪的所述连接口、所述电子束枪和所述工件夹持装置限定，和其中，所述移动装置包含一升降装置，该升降装置用于在所述装载/卸载位置和所述处理位置升起和降下所述工件夹持装置，从而当所述工件夹持装置被升起时，该工件夹持装置被提升到所述移动装置的夹具的外面，而当所述工件夹持装置被降下时，该工件夹持装置被放下到所述移动装置的所述夹具中。

附图说明

更多的特征和优点由参见附图的实施例描述可知，附图如下：

图1是工件供给装置的第一个实施例的剖面图，和

图2是工件供给装置的第二个实施例的顶视图。

具体实施方式

第一实施例的工件供给装置的剖面图显示在图1中。第一个实施例包括一装载/卸载开口和一用于电子束发生器的连接口，这将在下面进行说明。第二个实施例的顶视图见图2所示，该第二实施例包含两个装载/卸载开口和一个用于电子束发生器的连接口。通常，装载/卸载开口和用于电子束发生器的连接口的数量并不限于所示例子。

现在将对第一个实施例进行描述。图1表示了真空室1。该真空室的内部空间2包括一个装载/卸载开口3和一抽气口4。两个工件夹持装置10、11和一工件夹具移动装置20布置在真空室1中。一工件锁定装置30位于装载/卸载开口3上。抽气口4通过管道5与泵站(未示出)连接。

在第一个实施例中，真空室1基本上形成为具有圆形横截面(与第二实施例一样，见图2)和高度H。

在图1所示的实施例中，真空室1具有一底板6、界定圆形内部空间的一侧壁7以及在顶部界定内部空间2的一盖板8，其中，该底板6包含三个用于连接随后描述的升降旋转装置的开口。该盖板8包括：也是圆形的装载/卸载开口3、用于容纳随后描述的旋转装置轴承的开口和用于电子束发生器40的连接口9。按照已知方式，电子束发生器40通过开口9用法兰41加压密封到真空室1上。按照已知方式，通过一种用于调节电子束处理区域的移动装置42，电子束发生器40可以在开口9的上方移动(见箭头43)。电子束的中轴如图1中的箭头44所示。

工件锁定装置30设置在开口3上或开口3中。工件锁定装置30最好构成为中空圆筒31，且锁32布置在圆筒31的上侧。该锁32包含一盖子33，可以通过一启动部件34移动该盖子33来打开或关闭圆筒31的上部开口。该圆筒31包括一侧开口35，该开口35通过管道36与一泵站连接。该圆筒底部通过装载/卸载开口3向着真空室1的内部空间2敞开。这可以通过将圆筒插入装载/卸载开口3中，与图1所示实施例的情况一样，或选择性地通过将圆筒设置在盖板8上来实现，且在这两种情况下都通过密封连接来实现。

在图1所示的实施例中，装载/卸载开口3和连接开口9相对于盖板8的中轴8a偏离180°。

位于装载/卸载开口3垂直下方的底板6的位置处也具有一开口，通过法兰6a加压密封该开口。法兰6a为升降装置50的升降杆51提供一条加压密封管道，这将在下面进行说明。

近似位于连接开口9垂直下方的底板6的位置处具有一开口，通过连接法兰6b加压密封该开口。该连接法兰6b作为升降旋转装置60的升降旋转杆61的加压密封管道。

在围绕中轴8a通过点(passage point)的位置处，底板6具有另一个开口，该开口被提供用于通过法兰6c容纳旋转装置70的轴承73。在所示实施例中，该旋转装置70具体表现为具有交换连接装置72的电机71。在盖板中的相应开口通过用于容纳旋转装置70的轴承74的法兰8b加压密封。轴承73和74支撑一输出轴75，该输出轴75可以借助于电机71经由齿轮箱72驱动。输出轴75布置成使它的旋转轴与中轴8a重合。

移动装置20的旋转支架21与输出轴75连接以使旋转支架21可以在与中轴8a垂直的平面内围绕中轴8a旋转。旋转支架21可具体表现为具有相当高惯性力矩的圆盘，或者也能具体表现为线性延伸臂。在图1所示的实施例中，旋转支架21包括两个圆孔22，这样形成该两孔，以使它们的中心点与中轴8a的距离都为A。在旋转支架21的面向盖板8的上侧有两个圆形凹进23，该两个圆形凹进23分别围绕着这两个孔22，该凹进23具有斜面倒角且具有预定的直径。该凹进23的预定直径对应于工件夹持装置10、11底盘12外径的必要容许量，该工件夹持装置10、11将在后面描述。

旋转支架21通过螺纹配合(screw-fitting)牢固地与输出轴75的一个台阶连接。轴承73形成为轴向轴承，且支撑在法兰6c内。输出轴75包括另一台阶，使轴承74密封在该台阶上，该轴承74形成为锥形轴承。通过这样的构成，底板6和盖板8抵抗弯曲的刚性大大增强，这种弯曲是由于压力差所产生的力带来的。由此，就可以避免由于这种弯曲导致电子束在工件上的位置可能发生偏移。

升降杆51的中轴和升降旋转杆61的中轴分别布置在中轴8a的相对侧上，且与中轴8a的距离都为A。

这样布置的结果是，可这样设置距离中轴8a也为A的旋转支架21的孔22的中心点，使升降杆51的中轴和升降旋转杆61的中轴分别穿过这些中心点，如图1的剖面图所示。

升降装置50的升降杆51可以通过千斤顶52上升和下降行程H1，如图1所示。

升降旋转装置60的升降旋转杆61可以通过千斤顶62上升和下降对应于行程H1的行程，且也能通过旋转驱动器63围绕杆61的中轴旋转。

所示工件夹持装置10、11是相同的，因此以下只描述工件夹持装置10。如图1所示的优选实施例中，工件夹持装置10由底盘12、安装在底盘12上的密封件13、工件夹具14和心轴15组成。在优选的实施例中，底盘12具有碗形，即一底部和一侧壁界定了一内部空间。该密封件13布置在该侧壁的上面。心轴15形成在底盘12的与密封件相反的一端。底盘12呈圆形，且具有一外径，与已经描述的一样，该外径与凹进23的内径相当。因此，工件夹持装置10可以容纳在旋转支架21的凹进23内，且能被支撑着旋转移动，其中，心轴15向下突出通过孔22。在剖面图中，形成在底盘12的底部中央的心轴15为向下逐渐变细的锥形。心轴15的中央具有一贯通孔。

工件夹具14布置在底盘12的顶侧中央，依靠该工件夹具14夹持工件W。

在图1所示的实施例中，工件W是要被焊接的传动齿轮。这种传动齿轮具有一贯通孔。为了夹住具有这种贯通孔的工件，如下所述，工件夹具14构成为一种所谓的筒夹(collet chuck)。一锥形部分14a布置在杆14d的上部，这样支撑该杆，以使该杆可在心轴15的贯通孔中滑移。锥形结构向着工件夹持装置10的底侧逐渐变细。利用弹簧14c朝向工件夹持装置10的底部偏压锥形部分14a和杆14d的结合体。围绕锥形部分14a放置一可弹性变形环14b，如具有若干槽的一金属环，这些槽从环的一侧起轴向延伸预定深度且允许槽之间的环形片径向移动；当环释放时，环的外径略小于工件W的贯通孔的内径。由此，基本上加压密封通过心轴15的杆14d的通道。

由于这样的布置，当底盘12位于其适当位置上时，通过自下方施加给杆14d且沿杆14d纵向的力，可纵向向上移动杆14d和锥部14a的结合体。

在图1所示的实施例中，工件锁定装置30的圆柱形内部空间的横截面形成具有直径d1的圆形。底盘12的侧壁具有相应的直径，以使布置在侧壁上部的密封件13具有一比d1更大的外径。

升降杆51和升降旋转杆61中每个的上部分别包括具有锥形内部凹进51a、61a的突出部分。该内部凹进的锥形与突出部分15的锥形相匹配。控制杆53布置在升降杆51内，从而可通过驱动装置54沿控制杆53的中轴移动该控制杆53。

现在将描述图1所示的实施例的操作，该操作通过未显示的控制装置控制。

经由开口4抽空真空室1的内部空间2。在这点上，利用工件夹持装置10密封装载/卸载开口3，如图1的左边的分开的横断面的右边的工件夹持装置10的横断面所示。那时，升降装置50的升降杆51被升起行程H1。这样，心轴15与内部的凹进51A啮合。工件夹持装置10向上升起行程h(参考图1左边的工件夹持装置10的横断面的左边和右边的对比)，且装载/卸载开口3被密封件13和心轴15的杆14d的密封段密封。通过升起它，工件夹持装置10被举起到旋转支架21的凹进23的外面。

利用驱动装置54向上移动控制杆53，且该控制杆53克服弹簧14c的弹簧力向上推动杆14d。这样，没有相当大的力施加在弹性环14b上，使得它的外径小于工件W的贯通孔的内径。工件锁定装置30的内部空间被充注到常压。在这种情况下，盖子33被举起，且工件W如传动齿轮被放置在弹性环14b的上面。

然后，关闭盖子33，经由开口35和管道36抽空内部空间到真空室1的内部空间2的压力水平。抽空后，升降杆51下降行程H1且控制杆53缩回。

通过缩回控制杆53，锥形部分14a由于弹簧14c力的作用而朝向工件夹持装置10的底部移动，以使弹性环14b变形并推压工件W的贯通孔的内侧。按照这种方式，夹紧该工件W。而且，通过降下升降杆51，将工件夹持装置10放入旋转支架21的凹进23中。这种情况可以在图1左边的工件夹持装置10的分开的两部分的横断面中看出。

因为工件锁定装置30的内部空间被抽空到与内部空间2相同的压力水平，降下工件夹持装置10不会引起内部空间2的真空状态发生任何变化。

当通过上述操作将第一个工件W引入真空室时，通过用旋转装置70将旋转支架21旋转180°，就可以将该第一个工件W从装载/卸载位置(图1的左边)移到处理位置(图1的右边)。

在那里，升起升降旋转杆61。因为工件夹持装置11显示在图1的右边，现在将参考工件夹持装置11描述其操作。

因为没有向上推动杆14d，工件W仍然由于弹簧14c的力而被夹紧。

因为心轴15的锥形和升降旋转杆61内部凹进的锥形适合于彼此匹配，在它们之间形成了一摩擦力，该摩擦力足够用来旋转驱动和工件W一起的工件夹持装置11。

接着，对应于处理工件的指定状态，通过旋转工件夹持装置11和/或向侧向移动电子束轴44来完成工件W的焊接。

同时，利用升降杆51在装载/卸载位置再一次升起工件夹持装置10，这样，通过首先卸载已处理的工件W然后装载要经处理的新工件W，可再次执行前述操作。因为真空室1被向上推动的工件夹持装置10密封，所以在处理位置的处理可以在真空条件下同时完成。

明显地，由于采用了工件锁定装置30，要被注入和被抽出的体积量急剧减少，从而大大缩短了必要抽吸时间。另外，工件交换可以与处理同时进行，因此也急剧地缩短了周期。

特别地，由于工件夹持装置10、11的多功能性，其可以同时完成：密封真空室1和工件锁定装置30，夹持和释放工件。另外，这样的结构也使得工件在处理位置可以移动。

在此优选实施例中，工件夹持装置10的碗形具有的显著优势在于：为进行密封所必要的行程移动大大减少。如图1所明示，只需要行程h，但引入室内的工件W的高度也显著伸长。

然而，如果用电子束处理工件的处理时间比交换工件所必需的时间短，那么可利用第二个装载/卸载开口来进一步缩短装载和卸载的周期。

具有两个装载/卸载开口的优选实施例示意地显示在图2的顶视图中。

在图1的实施例中，连接口和装载/卸载开口被设置成围绕中轴8a(工件移动的旋转轴)间隔180°。在图2的实施例中，两个装载/卸载开口3a、3b和一个连接口9以间隔120°布置(即，围绕中轴8a均匀地分配)。

采用这样的布置，可进一步明显缩短交换工件所必需的周期，因为不需要在每个位置都进行装载和卸载；而是，在每一位置只需要进行装载或卸载。

那就意味着，仅通过提供另一个工件交换站，就可以更有效地利用电子束发生器和真空室，而这些都是相当昂贵的。

在可供选择的办法中，当然工件移动装置可以以另外的方式构成。为了这个目的，用线性移动替代旋转移动是可以想到的。在那样的情况下，用于电子束发生器的连接口可以定位在卸载开口和装载开口之间。

同在开始时已经提到的一样，可以采用具有两个或更多电子束发生器，以及每个电子束发生器具有一个或两个装载/卸载开口的其它布置。

在图1中，只表示了一个垂直布置的电子束发生器。当然，也可以在侧边布置一个电子发生器。

图1所示实施例旨在使行程h最小化。

在一种更优选的实施例中，密封件13并不提供在多功能工件夹持装置10、11上，而是在真空室1上或在围绕装载/卸载开口的工件锁30的下边缘上。除了减少密封件的数量外，这种布置的显著优势在于：该密封件不接近电子束。特别地，如果该密封件由绝缘材料制成，将会发生静电荷形成电弧的危险。

如果尽可能小的行程h并不如此重要，且如果将更多的重点放在进一步减少真空室的内部空间2的污染上，那么底盘并不用形成为碗形，而是形成为平面形。这样，在交换工件时可能被外界污染的表面面积大大减少。

根据上述实施例的一种优选改进型式，能用相应的电子装置来替代这里采用如液压装置的升降装置50和升降旋转装置60。这种电子升降装置和电子升降旋转装置布置在真空室中，且与在所述的第一实施例中一样，它们不是部分地在外面。根据再一种优选改进型式，这些电子装置每个都显示了一个计算机数值控制器的电轴，其中旋转装置70也优选地作为一显示该计算机数值控制器的又一个电轴的电子伺服系统。

根据上述实施例的又一种优选改进型式，这样形成用于处理工件的处理室，以使工件夹持装置11在处理位置时(图1的右边)被举起，从而通过位于开口9上方的电子束发生器40的一部分和工件夹持装置11一起界定一空间，该空间对于剩余的真空室1来说是密封的。用碗形工件夹持装置与用平面形工件夹持装置都可以，而不用再费力。形成这种在工件处理期间相对于剩余真空室密封的处理室的优点在于：防止了在电子束处理期间产生的X射线逸出处理室，并且在焊接期间不可避免产生的污染物如焊接颗粒、金属蒸汽等不能进入剩余的真空室1中，但却能被吸出真空室。

根据上述实施例和改进型式的另一种优选改进型式，通过齿状系统(toothed systems)如所谓的Hirt啮合来完成工件夹持装置10、11分别与升降杆51和升降旋转杆61之间的连接，以代替锥形突出部分15和相应的锥形内部凹进51A、61A。在取向对于电子束处理而言较重要的情况下，这种啮合可以准确的相对定位分别交换和定位工件。

在上述的第一个实施例中，工件锁定装置30的内部空间被抽空到与内部空间2相同的压力水平。根据进一步的改进型式，如果内部空间2的体积比工件锁定装置30的内部空间的体积大得多，如5倍、10倍、20倍、30倍或更多，那么优选的是工件锁定装置30的内部空间仅被抽空到几乎与内部空间2相同的压力水平。在这点上，几乎同样的压力水平意味着工件锁定装置30的内部空间的压力可以比内部空间2的压力水平高的倍数是比相应体积倍数小的倍数，如相应体积倍数的1/2或1/4或1/8或更小(即，1/4×5＝1.25)。

上述工件夹持装置夹持了一个工件。根据一种改进型式，单独一个工件夹持装置可以夹持多于一个的工件，如三个工件。那么，优选形成为利用同一工件夹持装置单独地即独立于其它工件地夹持单个工件。

Claims (7)

1.一种利用电子束来处理工件的装置，包括：

至少一个电子束枪(40)，和

工件供给装置，该工件供给装置包括：

真空室(1)，该真空室(1)具有至少一个用于每个电子束枪(40)的连接口(9)和至少一个装载/卸载开口(3；3a；3b)，

至少两个工件夹持装置(10，11)，

移动装置(20，51，61)，该移动装置(20，51，61)用于移动每个工件夹持装置(10，11)到所述至少一个装载/卸载开口(3；3a；3b)处的相应装载/卸载位置和所述用于电子束枪(40)的至少一个连接口(9)处的处理位置，以及

在每个装载/卸载开口(3；3a；3b)处的一个工件锁定装置(30)，该工件锁定装置(30)可以选择性地被抽空或接纳常压，其包含一个可关闭的锁开口，

其中，所述工件夹持装置(10，11)和所述移动装置(20，51，61)布置在所述真空室(1)中，

其中，所述工件夹持装置(10，11)适合于压力密封关闭所述装载/卸载开口(3；3a；3b)，且所述工件夹持装置(10，11)通过所述移动装置(20，51，61)可选择性地移动进入关闭位置，

其中，每个所述工件夹持装置(10，11)都包括一底盘(12)和一工件夹具(14)，

其中，一密封件(13)布置在每个工件夹持装置上或每个装载/卸载开口处，

其中，每个所述工件夹持装置适合于在处理位置密封一处理室，该处理室由用于所述电子束枪(40)的所述连接口(9)、所述电子束枪(40)和所述工件夹持装置(11)限定，和

其中，所述移动装置包含一升降装置(51，61)，该升降装置(51，61)用于在所述装载/卸载位置和所述处理位置升起和降下所述工件夹持装置，从而当所述工件夹持装置被升起时，该工件夹持装置被提升到所述移动装置的夹具(21)的外面，而当所述工件夹持装置被降下时，该工件夹持装置被放下到所述移动装置的所述夹具中。

2.根据权利要求1所述的工件供给装置，其特征在于：

所述密封件布置在所述装载/卸载开口(3；3a；3b)处，以用于与所述底盘的边缘相协作。

3.根据权利要求2所述的工件供给装置，其特征在于：

所述底盘(12)具有碗形形状，其中所述工件夹具(14)适合于在所述碗形形状内夹持工件W。

4.根据权利要求1所述的工件供给装置，其特征在于：

所述密封件(13)布置在所述底盘(12)的边缘，以用于与所述装载/卸载开口(3；3a；3b)的边缘相协作。

5.根据权利要求4所述的工件供给装置，其特征在于：

所述底盘(12)具有碗形形状，其中所述工件夹具(14)适合于在所述碗形形状内夹持工件W。

6.根据权利要求5所述的工件供给装置，其特征在于：

所述移动装置(21，70)适合于在所述装载/卸载位置和所述处理位置之间的平面内移动所述工件夹持装置(10，11)。

7.根据权利要求6所述的工件供给装置，其特征在于：

所述移动装置(21，70)包含一旋转支架(21)，该旋转支架(21)对于每个工件夹持装置(10，11)具有一个容纳装置(22，23)。

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