DE1110342B - Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungstraegerstrahles - Google Patents

Description

Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Bohrungen oder Profilfräsungen, wird die zu bearbeitende Materialstelle durch Beschüß 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 gleichmäßig abgibt. Die Intensitätsverteilung über den Arbeitsquerschnitt soll dabei möglichst rechteckig sein, d. h., die Intensität soll an den Rändern der bearbeiteten Stelle von dem hohen, zur Bearbeitung notwendigen Wert steil nach Null abfallen.

Mit zunehmender Größe der bearbeiteten Fläche ergibt sich bei diesem bekannten Bearbeitungsverfahren ein immer größerer thermisch beanspruchter Materialbereich um die bearbeitete Stelle herum. 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 ist ein Materialbearbeitungsverfahren 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 unmitttelbar 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. : ._;i

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 Ladungsträger Strahles 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 Entschlüßlern besteht.

Verfahren zur Materialbearbeitung
mittels eines Ladungsträgerstrahles

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dr. Justus Sienknecht, Heidenheim/Brenz,

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen (Württ),

und Dipl.-Phys. Karl Heinz Steigerwald,

Heidenheim/Brenz,
sind als Erfinder genannt worden

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Materialbearbeitungsverfahren anzugeben, das zu seiner Ausübung eine wesentlich weniger aufwendige Einrichtung benötigt und das dennoch in gewissem Umfang an wechselnde Bedingungen bei der Materialbearbeitung angepaßt werden kann.

Es ist schon vorgeschlagen worden, eine Bildvorlage fernsehmäßig abzutasten und die Fernsehanlage so mit einem Gerät zur Materialbearbeitung zu koppeln, daß der Ladungsträgerstrahl entsprechend der Bildvorlage auf dem Werkstück bewegt wird. Dieses Bearbeitungsverfahren hat vom Standpunkt der thermodynamischen Forderungen der Materialbearbeitung gewisse Nachteile. Der wesentlichste Nachteil ist der, daß durch die Rastersteuerung die Ladungsträgerstrahlimpulse zwangläufig in einer eng nebeneinanderliegenden Folge das Objekt treffen und daß somit eine Verteilung der eingestrahlten Intensität nach thermischen Gesichtspunkten nicht möglich ist. Bei Anwendungen, bei denen nur kleine Intensitäten und große Strahlgeschwindigkeiten gebraucht werden, so z. B. bei Oberflächenfräsungen, ist dieser Nachteil nicht so schwerwiegend wie bei der Bearbeitung größerer Materialdicken.

Die vorliegende Erfindung geht von der eben geschilderten Rastersteuerung des Ladungsträgerstrahles aus, hat jedoch das Ziel, die Nachteile einer solchen Steuerung zu vermeiden.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden

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Materialstelle und der synchron mit einem eine Bildvorlage in Form eines Zeilenrasters abfahrenden Abtaststrahl über das Werkstück bewegt wird. Die Erfindung besteht darin, daß der Ladungsträgerstrahl während jedes Abtastvorganges periodisch während einer vorbestimmten Zahl aufeinanderfolgender Impulse entsperrt und -während einer vorbestimmten Zahl darauffolgender Impulse gesperrt wird und daß die bei einem Abtastvorgang zur Wirkung gekommenen Impulse bei den darauffolgenden Abtastvorgängen so lange unterdrückt werden, bis die bei dem betrachteten Abtastvorgang nicht bearbeiteten Bereiche der Bearbeitungsstelle schrittweise mit bearbeiteten Flächenelementen erfüllt sind. Es ist dabei vorteilhaft, die während jedes Abtastvorganges bearbeiteten Flächenelemente in an sich bekannter Weise möglichst weit voneinander entfernt zu wählen.

Die Auswahl der während jedes Abtastvorganges zur Wirkung kommenden Impulse erfolgt zweckmäßig über einen Speicher. Es ist möglich, diesen 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.

Bei dem geschilderten neuen Materialbearbeitungsverfahren wird sich die Bearbeitungszeit gegenüber der normalen Fernsehsteuerung 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 das neue Verfahren zur Materialbearbeitung die Möglichkeit, mit einer verhältnismäßig einfachen Strahlsteuerung Fräsungen hoher Genauigkeit in dickeren Materialien durchzuführen.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird zusätzlich während jedes Abtastvorganges die auf jedes Flächenelement der Bearbeitungsstelle auftreffende Strahlenergie über in der Bildvorlage enthaltene Informationen geregelt. Damit kann also durch entsprechende Gestaltung der Bildvorlage auf sehr einfache Weise eine noch weitergehende Anpassung des neuen Materialbearbeitungsverfahrens an die thermischen Bedingungen der Materialbearbeitung erreicht werden.

Die Regelung der Strahlenergie erfolgt zweckmäßig bei gleichbleibender Strahlmodulation durch Regeln der Geschwindigkeit der Strahlablenkung oder in an sich bekannterWeise durch Regeln des Strahlstromes.

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 der Auftreffquerschnitt auseinandergezogen wird und sich die auftreffende Energiedichte je Flächeneinheit des Auftreffquerschnittes entsprechend verringert. Die Wirkung aller dieser Effekte wird bei dem neuen

ίο Materialbearbeitungsverfahren kompensiert.

Eine weitere Verbesserung des neuen Materialbearbeitungsverfahrens läßt sich dadurch erzielen, daß 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 entsprechende Gestaltung der Bildvorlage der Ladungsträgerstrahl schneller über alle außer-

ao halb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte geführt wird als über die innerhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte.

Die Einrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens besteht aus einem an sich bekannten Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles und einer Vorrichtung zur fernsehmäßigen Abtastung einer Bildvorlage sowie Schaltmitteln zur Kopplung der Ablenkung des Fernsehabtaststrahles mit der Ablenkung des Ladungsträgerstrahles. Die Erfindung besteht in der Verwendung eines mit dem das Videosignal liefernden Ausgang der Fernsehanlage gekoppelten Speichers zur Sperrung und Auftastung des Ladungsträgerstrahlerzeugungssystems entsprechend einem vorgegebenen Programm. Besonders vorteilhaft ist es, die Vorrichtung zur fernsehmäßigen 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 Signal umwandernden Photozelle auszubilden. Eine solche Vorrichtung bietet 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.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Bildvorlage mehrfarbig ausgebildet, und es werden mehrere hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die Farben der Bildvorlage abgestimmte Photozellen vorgesehen. Mit diesen Photozellen sind Schaltmittel gekoppelt, welche zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und/oder des Strahlstromes des Ladungsträgerstrahles dienen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Bildvorlage zweifarbig auszubilden. Durch diese Zweifarbigkeit wird es möglich, insgesamt vier Kommandoimpulse zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und der Strahlenergie zu erzeugen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Bildvorlage einfarbig auszubilden. Die Einfarbigkeit bringt 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 auseinanderliegen bzw. relativ schmale Durchlaßbereiche besitzen und daß sie zum anderen 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 Bearbeitungsstelle auftreffenden Strahlenergie besteht darin, daß am Bildrand der abzutastenden Bildvorlage eine Bildleiste angeordnet wird, 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 bestimmende Kommandoimpulse liefern. Die Bildleisten können aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Hell-Dunkel-Stellen bestehen, sie können jedoch auch aus einer Reihe von aufeinanderfolgenden Farbpunkten gebildet sein. Insbesondere ist es auch möglich, die Bildrandleiste aus einer Folge von Hell-Dunkel-Stellen zu bilden und die Figurenränder farbig auszubilden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine gemäß der Erfindung aufgebaute Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung mit einer zweifarbig ausgebildeten Bildvorlage,

Fig. 3 eine zweifarbig ausgebildete Bildvorlage,

Fig. 4 die Verteilung der Ladungsträgerstrahlimpulse auf einem Teil eines Werkstückes,

Fig. 5 eine mit einer Bildleiste versehene, einfarbig ausgebildete Bildvorlage,

Fig. 6 eine Einrichtung zur Materialbearbeitung, bei welcher zur Strahlsteuerung die in Fig. 5 dargestellte Bildvorlage Verwendung findet,

Fig. 7 eine lediglich aus Hell-Dunkel-Stellen bestehende Bildvorlage.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumgefäß bezeichnet, in welchem ein aus der Kathode 2 der Steuerelektrode 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 elektromagnetische Linse, deren Stromversorgungsgerät mit 16 bezeichnet ist, dient zur Fokussierung des Elektronenstrahles auf das zu bearbeitende Werkstück 11. Das Werkstück 11 ist in einer ebenfalls unter Vakuum stehenden Kammer 13 auf einem Tisch 12 angeordnet, welcher mittels einer Spindel 15 von links nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann. Eine weitere Spindel 14 dient zur Verschiebung des Werkstückes 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 besteht beispielsweise aus vier jeweils um 90° gegeneinander versetzten elektromagnetischen Spulen. Diese Spulen sind so ausgebildet, daß sie bei Zu-S führung entsprechender Ablenkströme, beispielsweise sägezahnförmiger Ablenkströme, den Elektronenstrahl 5 so ablenken, daß er ein Raster auf der Oberfläche des Werkstückes 11 schreibt.

In Gerät 17 wird eine Hochspannung von beispielsweise lOOkV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung" und der regelbaren Steuerelektrodenvorspannung. 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 Steuerelektrodenvorspan-

so nung von beispielsweise —101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundärwicklung des Hochspannungs-Isoliertransformators 21 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zur Steuerelektrode 3. Die Steuerelektrodenvorspannung ist so eingestellt, daß im Ruhezustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist. In den ölgefüllten Behälter 20 ragt der Isolatoransatz 23 des das Strahlerzeugungssystem tragenden Isolators, das dreiadrige Hochspannungskabel 19 sowie der Isolatoransatz 22 des Hochspannungs-Isoliertransformators 21.

Der Hochspannungs-Isoliertransformator 21 besteht zweckmäßig aus einem Ringkern feiner Lamellierung, welcher die Primärwicklung trägt. Dieser Ringkern ist in ringförmig vergossenes Gießharz eingebettet, wobei der 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 Gießharzring angeordnete Primärwicklung auf Erdpotential liegt.

Mit 24 ist eine Kathodenstrahlröhre bezeichnet, welche mit Ablenkmitteln 25 versehen ist. Im Generator31 werden die Ablenkströme für die Ablenkmittel 25 erzeugt, so daß der Elektronenstrahl der Röhre 24 auf dem Leuchtschirm ein Zeilenraster schreibt. Der Generator 31 ist so mit dem Ablenksystem 10 verbunden, daß der Elektronenstrahl 5 synchron mit dem Elektronenstrahl der Röhre 24 bewegt wird und somit dasselbe Zeilenraster auf die Oberfläche des Werkstückes 11 schreibt.

Das von dem auf dem Leuchtschirm der Röhre 24 in Form eines Zeilenrasters wandernden Lichtpunkt ausgehende Licht wird im folgenden als »Abtaststrahl« bezeichnet.

Vor der Kathodenstrahlröhre 24 ist eine durchscheinende Bildvorlage 26 angeordnet. Das durch diese Bildvorlage tretende Licht wird mittels einer Linse 27 auf eine Photozelle 28 fokussiert. Diese Photozelle liefert demzufolge ein elektrisches Signal, welches der Bildinformation der Vorlage 26 entspricht.
Die von der Photozelle 28 gelieferten Videoimpulse werden einem Verstärker 29 zugeführt. Von diesem Verstärker gelangen die Videoimpulse zu einem Speicher 32, welcher beispielsweise so eingestellt ist, daß er bei der ersten Abtastung in der ersten Zeile den

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ersten, zehnten, zwanzigsten usw. Bildpunkt freigibt, Spannung wird im Verstärker 47 verstärkt und gewährend er alle anderen dazwischenliegenden Video- langt zum Generator 31. Dieser Generator wird durch impulse unterdrückt. Bei der zweiten Abtastung wer- den ankommenden Kommandoimpuls veranlaßt, Abden vom Speicher 32 der zweite, elfte, einundzwan- lenkströme zu liefern, welche eine niedrigere Frequenz zigste usw. Bildpunkt freigegeben, während alle ande- 5 haben. Das Strahlerzeugungssystem bleibt weiterhin ren Bildpunkte unterdrückt werden. Die durch den gesperrt. Tritt nun der Abtaststrahl in den grünen Speicher 32 tretenden Impulse werden im,Verstärker Randbereich 36 der Bildvorlage ein, so spricht die 33 verstärkt und gelangen von dort zum Hochspan- Photozelle 42 an. Die von dieser Zelle gelieferte nungs-Isoliertransformator 21. Von dort werden sie Spannung wird im Verstärker 46 verstärkt und geder Steuerelektrode 3 zugeleitet und entsperren das io langt von dort einmal zum Speicher 32 und zum Strahlerzeugungssystem. Es gelangt also bei der Ab- anderen zum Generator 31. Der Speicher 32 wird tastung der Bildvorlage 26 nur eine vorherbestimmte durch den ankommenden Kommandoimpuls einge-Anzahl von Ladungsträgerstrahlimpulsen zum Werk- schaltet, so daß das Strahlerzeugungssystem entsperrt stück 11, wobei diese Impulse an örtlich weit vonein- wird. Der Generator 31 wird durch den ankommenander getrennten Stellen auf die Oberfläche des 15 den Kommandoimpuls veranlaßt, die Frequenz der Werkstückes auftreffen. Wird der Abtastvorgang in von ihm gelieferten Ablenkströme nicht zu ändern, dem geschilderten Beispiel zehnmal wiederholt, so Der Generator 31 und der Speicher 32 sind so aufist schließlich die gesamte Bearbeitungsstelle voll- einander abgestimmt, daß sich aufeinanderfolgende ständig aus einer Vielzahl von bearbeiteten Flächen- Ladungsträgerstrahlimpulse überlappen, solange sich elementen zusammengesetzt. 20 der Abtaststrahl im grünen Bereich 36 der Bildvor-

Der Generator 31 zur Erzeugung der Ablenkströme lage 39 bewegt.

ist so eingestellt, daß er normalerweise Ablenkströme Das Überlappen der Ladungsträgerstrahlimpulse liefert, deren Frequenz wesentlich über der Frequenz kann aus Fig. 4 erkannt werden. Diese Figur zeigt der normalen für Fernsehzwecke verwendeten Ab- einen Teil der Werkstückoberfläche 11 und die auf lenkströme liegt. Sobald jedoch der Abtaststrahl 25 diese Oberfläche auftreffenden Ladungsträgerstrahldurch die Bildvorlage 26 auf die Photozelle 28 trifft, impulse in ihrer zeitlichen und örtlichen Aufeinanderwird über den Verstärker 29 und ein Schaltgerät 30 folge. Der Speicher 32 ist im Fall der Fig. 4 so eindem Generator 31 ein Kommandoimpuls zugeführt, gestellt, daß er jeweils zwei aufeinanderfolgende welcher bewirkt, daß dieser nunmehr Ablenkströme Ladungsträgerstrahlimpulse durchläßt und während einer wesentlich niedrigeren Frequenz liefert. Durch 30 sechs darauffolgender Impulse das Ladungsträgerdiese Maßnahme wird erreicht, daß alle außerhalb der Strahlerzeugungssystem sperrt. Bei der ersten Abeigentlichen Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte tastung werden also nur die ausgezogen gezeichneten wesentlich schneller abgefahren werden als die inner- Impulse auftreffen, während bei der zweiten Abhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte. tastung die gestrichelt gezeichneten, bei der dritten

Fig. 3 zeigt eine zweifarbig ausgebildete Bildvor- 35 Abtastung die durchkreuzt gezeichneten und bei der

lage, welche aus dem nichttransparenten Teil 34, den vierten Abtastung die mit einem Mittelpunkt gezeich-

in Abtastrichtung vor den Rändern der zu bearbei- neten Impulse auf die Werkstückoberfläche 11 auf-

tenden Figur angeordneten roten Streifen 35 und der treffen. Nach der vierten Abtastung ist die gesamte

transparenten kreuzförmigen Figur 38 besteht. Der zu bearbeitende Figur vollständig auf einer Vielzahl

Rand 36 der Figur 38 ist grün eingefaßt, und an den 40 von bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt,

Enden der Kreuzbalken sind grüngefärbte Rechtecke wobei in den grünen Bildbereichen der Bildvorlage

37 angeordnet. 39 eine Energiehäufung auftritt.

Zur Abtastung der in Fig. 3 dargestellten zwei- Sobald der Abtaststrahl durch den weißen Bereich farbigen Vorlage dient die in Fig. 2 gezeichnete Ein- 38 der Bildvorlage 39 fällt, liefern beide Zellen 41 richtung. Diese Einrichtung enthält wiederum die mit 45 und 42 eine Spannung. Diese Spannung wird im Ver-Ablenkmitteln 25 versehene Abtaströhre 24 sowie stärker 45 verstärkt und gelangt einmal zum Speicher den zur Erzeugung der Ablenkströme dienenden 32 und zum anderen zum Generator 31. Der Spei-Generator 31. Das durch die Bildvorlage 39 tretende eher 32 wird durch den ankommenden Kommando-Licht wird über den halbdurchlässigen Spiegel 40 in impuls veranlaßt, sein einmal eingestelltes Programm zwei Anteile aufgespalten. Ein Teil des Lichtes tritt 50 der Strahlmodulation weiterzuführen. Der Generator durch den Spiegel 40 hindurch und gelangt durch den 31 wird dagegen durch den ankommenden Kommando-Farbfilter 44 zur Photozelle 42. Der Filter 44 ist so impuls veranlaßt, Ablenkströme zu liefern, deren Fregewählt, daß die Zelle 42 nur auf Licht anspricht, quenz etwas höher liegt als die Frequenz der im welches durch die grünen Farbbereiche der Bildvor- grünen Bereich 36 der Bildvorlage 39 gelieferten Ablage 39 tritt. Der andere Teil des durch die Bildvor- 55 lenkströme. Dadurch wird der Ladungsträgerstrahl 5 lage tretenden Lichtes wird vom Spiegel 40 reflektiert im weißen Bereich 38 etwas schneller bewegt als im und gelangt durch den Filter 43 zur Photozelle 41. grünen Bereich 36 der Bildvorlage, wobei diese Be-Der Filter 43 ist so ausgebildet, daß die Zelle 41 ledig- wegung so erfolgt, daß aufeinanderfolgende Ladungslich auf Licht anspricht, welches durch die roten Bild- trägerstrahlimpulse sich nicht mehr überlappen sonteile der Vorlage tritt. 60 dem aneinandergrenzen. Auch dies ist ohne weiteres

Die Wirkungsweise der hier dargestellten Einrieb- aus Fig. 4 zu erkennen.

tung ist folgende. Solange kein Licht durch die Bild- Fig. 5 zeigt eine Bildvorlage 48, welche eine Bildvorlage 39 tritt, d. h. solange der Abtaststrahl sich leiste 55 enthält. Diese Bildleiste besteht aus den beiim Bereich 34 der Bildvorlage 39 bewegt, ist das den undurchsichtigen Bereichen 56 sowie aus dem Strahlerzeugungssystem gesperrt und der Generator 65 Hell-Dunkel-Bereich 57. Die eigentliche Bildvorlage 31 liefert Ablenkströme hoher Frequenz. Sobald der enthält den nichttransparenten Teil 57, die trans-Abtaststrahl in den roten Bereich 35 tritt, spricht die parent ausgebildete Fig. 59 sowie den grüngefärbten Photozelle 41 an. Die von dieser Zelle gelieferte Randbereich 58 der Figur 59.

Zur Materialbearbeitung unter Verwendung der in Fig. 5 dargestellten Bildvorlage 48 dient die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung. Bei dieser ist wiederum ein halbdurchlässiger Spiegel 49 vorgesehen, welcher das durch die Bildvorlage 48 tretende Licht in zwei Anteile aufspaltet. Weiterhin sind zwei Photozellen 50 und 51 vorgesehen, wobei die Zelle 51 mittels des vorgeordneten Filters 52 so abgestimmt ist, daß sie lediglich auf den grünen Farbbereich 58 der Bildvorlage 48 anspricht.

Die Wirkungsweise der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung ist folgende. Der Abtaststrahl wandert beim Abtasten der Bildvorlage 48 zunächst über die Bildleiste 55. Solange er sich im schwarzen Bereich 56 dieser Leiste bewegt, enthält keine der Photozellen 50 und 51 Licht, und der Generator 31 liefert lediglich den zur Ablenkung des Abtaststrahles in Bildrichtung notwendigen Ablenkstrom. Dies bedeutet, daß der Ablenkstrahl gar keine Bildzeilen schreibt. Sobald der abtastende Lichtpunkt über den Bereich 57 der Bildleiste 55 wandert, liefert die Zelle 50 einen Kommandoimpuls bestimmter Form, welcher über das Schaltgerät 53 den Generator 31 veranlaßt, nunmehr auch den für die Ablenkung in Zeilenrichtung notwendigen Strom zu liefern. Das Gerät 53 ist mit dem Ablenkgenerator 31 so gekoppelt, daß es automatisch nach einiger Zeit, welche dem Abfahren der Bildleiste 55 entspricht, außer Tätigkeit gesetzt wird. Infolgedessen liefert der Generator 31 auch weiterhin beide Ablenkströme, wenn der Abtaststrahl die Bildleiste 55 im Bereich 57 verlassen und in den schwarzen Bereich 54 der Bildvorlage 48 eintritt. Sobald nun der Abtaststrahl in den grünen Randbereich 58 der Bildvorlage 48 eintritt, erhält die Photozelle 51 Licht. Die von dieser Zelle gelieferte Spannung wird nach Verstärkung im Verstärker 60 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 51 erzeugte Spannung im Verstärker verstärkt und bewirkt das Einschalten des Speichers 32.

Sobald der Abtaststrahl in den weißen Bereich 59 der Bildvorlage 48 gelangt, erhalten beide Zellen 50 und 51 Licht, und es wird demzufolge im Verstärker 61 eine Spannung erzeugt, welche höher ist als die Spannung, welche beim Verweilen des Abtaststrahles im grünen Bildbereich 58 erzeugt wird. Diese Spannung gelangt einmal zum Speicher 32 und bewirkt, daß dieser Speicher weiterhin in Betrieb bleibt. Zum anderen 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 59 bewegt, als wenn sich der Abtaststrahl im grünen Bildbereich 58 bewegt.

Fig. 7 zeigt eine lediglich aus einer Folge von HeIl-Dunkel-Stellen bestehende Bildvorlage 62. Diese Bildvorlange enthält eine Bildleiste 63, welche die beiden Bereiche 64 und 65 umfaßt. In den Bereichen 64 wird der Ladungsträgerstrahl so gesteuert, daß er lediglieh in Bildrichtung bewegt wird, während der Ladungsträgerstrahl im Bereich 65 so gesteuert wird, daß er auch eine Ablenkung in Zeilenrichtung erfährt.

Vor bzw. hinter sämtlichen Rändern der Figur 66 sind Randleisten angeordnet, welche aus einer Folge von Hell-Dunkel-Stellen bestehen. Die Bildleiste 67 bewirkt ein Langsamlaufen des Ladungsträgerstrahles in Zeilenrichtung, während die Bildleiste 68 den zur Inbetriebsetzung des Speichers 32 dienenden Kommandoimpuls liefert. Die Bildleiste 69 liefert einen Kommandoimpuls, welcher die Außerbetriebsetzung des Speichers 32 und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Anfang der nächsten Zeile bewirkt. Die Bildleiste 70 liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 32 außer Betrieb setzt, jedoch den Ladungsträgerstrahl in Zeilenrichtung weiterbewegt. Die in Abtastrichtung am Ende der Figur 66 angeordnete Kombination 71 von Hell-Dunkel-Stellen liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 32 sperrt und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Bildanfang bewirkt.

Es ist ohne weiteres klar, daß die in Fig. 7 dargestellten Randleisten beliebig abgewandelt werden können, solange sie für den Abtaststrahl noch lesbar und unterscheidbare Kommandoimpulse liefern. Es ist auch möglich, an Stelle der in Fig. 7 dargestellten, aus einer Folge von Hell-Dunkel-Stellen 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. 3, läßt sich eine Programmierung erreichen, welche weitgehend den thermischen Bedingungen der Materialbearbeitung angepaßt ist.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden Materialstelle und der synchron mit einem eine Bildvorlage in Form eines Zeilenrasters abfahrenden Abtaststrahl über das Werkstück bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl während jedes Abtastvorganges periodisch während einer vorbestimmten Zahl von aufeinanderfolgenden Impulsen entsperrt und während einer vorbestimmten Zahl darauffolgender Impulse gesperrt wird und daß die bei einem Abtastvorgang zur Wirkung gekommenen Impulse bei den darauffolgenden Abtastvorgängen so lange unterdrückt werden, bis die bei dem betrachteten Abtastvorgang nicht bearbeiteten Bereiche der Bearbeitungsstelle schrittweise mit bearbeiteten Flächenelementen erfüllt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich während jedes Abtastvorganges die auf jedes Flächenelement der Bearbeitungsstelle auftreffende Strahlenenergie über in der Bildvorlage enthaltene Informationen geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Strahlenenergie bei gleichbleibender Strahlmodulation durch Regehi der Geschwindigkeit der Strahlablenkung oder in an sich bekannter Weise durch Regehi des Strahlstromes erfolgt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl so gesteuert wird, daß an den Rändern der Bearbeitungsstelle eine Energiehäufung auftritt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl schneller über alle außerhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte geführt wird als über die innerhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem an sich bekannten Gerät zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl, einer Vorrichtung zur fernsehmäßigen Abtastung einer Bildvorlage sowie Schaltmitteln zur Kopplung der Ablenkung des Fernsehabtaststrahles mit der Ablenkung des Ladungsträgerstrahles, gekennzeichnet durch einen mit dem das Videosignal liefernden Ausgang (29) der Fernsehanlage (24, 25, 28) gekoppelten Speicher (32) zur Sperrung und Auftastung des Ladungsträgerstrahlerzeugungssystems (2, 3, 4) nach einem vorbestimmten Programm.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur fernsehmäßigen Abtastung der Bildvorlage (26) aus einer ein Bildraster schreibenden Abtaströhre (24) und einer das von der Abtaströhre ausgehende und durch die Bildvorlage tretende Licht in ein elektrisches Signal umwandelnden Photozelle (28) besteht und daß eine Vorrichtung (30) zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit in Abhängigkeit von bestimmten von der Photozelle gelieferten Kommandoimpulsen vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine mit dem das Videosignal liefernden Ausgang der Fernsehanlage (24, 25, 49, 50, 51) gekoppelte Vorrichtung (60, 61) zur Änderung der Vorspannung der Steuerelektrode (3) des Strahlerzeugungssystems in Abhängigkeit von bestimmten, von der Fernsehanlage gelieferten Kommandoimpulsen.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet durch eine mehrfarbig ausgebildete Bildvorlage (39, 48), durch mehrere hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die Farben der Bildvorlage abgestimmte Photozellen (41, 42 bzw. 50, 51) sowie durch mit diesen Photozellen gekoppelte Schaltmittel (45, 46, 47 bzw. 60, 61) zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und/oder des Strahlstromes des Ladungsträgerstrahles.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine am Bildrand der abzutastenden Bildvorlage (48, 62) angeordnete Bildleiste (55, 63), welche so ausgebildet ist, daß sie beim Abtasten die Strahlbewegung bestimmende Kommandoimpulse liefert.

11. Einrichtung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Ränder der in der Bildvorlage (39, 48, 62) enthaltenen Figur mit Bildleisten (35, 36 bzw. 58 und 67 bis 71) versehen sind, welche beim Abtasten die Strahlbewegung und/oder die Strahlenenergie bestimmende Kommandohnpulse liefern.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildleisten (67 bis 71) aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Hell-Dunkel-Stellen bestehen.

13. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildleisten (35, 36) aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Farbpunkten bestehen.

14. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildrandleiste (55) aus einer Folge von Hell-Dunkel-Stellen besteht und daß die Figurenränder (58) farbig ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1053 691.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 109 620/369 6.61