DE1565539C - Einrichtung zum Steuern der Auftreff spur eines Korpuskularstrahlenbundels auf einem Werkstuck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern der Auftreffspur eines Korpuskularstrahlenbündels.auf einem Werkstück in einer Korpuskularstrahlbearbeitungseinrichtung mit elektrischen Mitteln zum Ablenken des Strahlenbündels quer zur Strahlachse in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, mit einem fotoelektrischen Wandler und mit einem optischen Abbildungssystem, das den leuchtenden Auftreffpunkt des Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche auf das lichtempfindliche Element in dem Wandler abbildet.

Aus der französischen Patentschrift 1 388 356 ist eine Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines Elektronenstrahles bekannt. Das Werkstück ist auf einem Schlitten befestigt und wird mit Hilfe von Spindeln der gewünschten Bearbeitung entsprechend manuell verschoben. Mit Hilfe von optischen und elektrischen Mitteln wird der Auftreffpunkt des Elektronenstrahles auf der Werkstückoberfläche zentralisiert und fokussiert. Eine Auslenkung des Strahles entsprechend einem gewünschten Bearbeitungsprogramm ist bei dieser vorbekannten Einrichtung nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, den Elektronenstrahl automatisch entsprechend einem vorgegebenen Bearbeitungsprogramm über die Oberfläche des Werkstückes zu führen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Lage des auf dem lichtempfindlichen Element durch die Abbildung erzeugten Lichtpunktes relativ zu einem vorgegebenen Bezugspunkt auf dem Element in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiebbar, ist und daß der Wandler ein Steuersignal liefert, das eine Funktion der Abstandskoordinaten des Lichtpunktes von dem Bezugspunkt ist und zur Steuerung der Strahlablenkmittel dient.

Die Erfindung gestattet eine völlig automatische Bearbeitung eines Werkstückes entsprechend einem vorgegebenen Programm, wobei der Elektronenstrahl dem Programm entsprechend ausgelenkt wird, während das Werkstück selbst nicht bewegt wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;

F i g. 2 zeigt vergrößert einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig.4 bis 7 zeigen Schaltbilder zur Erläuterung der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist das Werkstück 10 bei dieser Ausführungsform in einem luftleeren Raum 11 angeordnet. Die Oberfläche 12 des Werkstückes, auf die der Strahl auf treffen soll, wird der Einfachheit halber als eben angenommen und ist als senkrecht zur Ebene des Papiers verlaufend dargestellt. Der Elektronenstrahl 13 wird von einer Elektronenquelle 14 auf die Oberfläche 12 gerichtet und durchläuft dabei Beschleunigungselektroden 15, eine Bündelelektrode 16 und Strahlablenkmittel 17 und 18, die den Strahl in die üblichen orthogonalen Richtungen X und Y ablenken. Alle diese Teile liegen in dem abgeschlossenen Raum 11. · '

Außerhalb des Raumes 11 befindet sich eine bewegliche Steuervorrichtung in Form eines Wagens 20, der parallel zur Abienkrichtung des Strahles in Richtung X und Y in einer Ebene bewegt werden kann, die der Einfachheit halber als parallel zur 5 Oberfläche 12 verlaufend angenommen wird. Dieser Wagen bewegt sich' gegenüber einem Bezugspunkt (nicht dargestellt), der gegenüber dem Raum 11 fest-

. steht. .· · ..■■.-■;■ ·/· - ·■■■ ;,-■:.,■:. --.^- \ ; ■':,.
Auf dem Wagen ist ein fotpelektrischer Wandler

ίο 21 befestigt, der ein lichtempfindliches Element 22 aufweist, das parallel zur Bewegungsebene des Wagens verläuft. Der Wandler ist so ausgebildet, daß, wenn ein Lichtpunkt auf das Element 22 trifft, über die AT-Leitung 23 und die Y-Leitung 24 Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Koordinatenstellung des Lichtpunktes gegenüber einem Bezugspunkt auf dem Element 22, der als sein Mittelpunkt angenommen werden soll, geliefert werden. Die Richtung dieser X- und Y-Koordinate wird als parallel zur Bewegungsrichtung des Wagens angenommen, obwphl sie nicht von Bedeutung ist. Eine geeignete Konstruktion für diesen Wandler wird nachstehend an Hand der Fig. 4 bis 6 beschrieben.
Dem Wagen sind lineare X- bzw. Y-Abtasteinrich- · tungen 31 und 32 in Form von Potentiometern zugeordnet, .die über Leitungen 33 und 34 Gleichstromsignale liefern, die die X- und Y-Koordinate der Stellung des Wagens gegenüber dem feststehenden Bezugspunkt, der anfangs erwähnt wurde, darstellen.

Die Ausgangssignale über die Af-Leitungen 23 und 33 werden über einen Verstärker 35 den X-Ablenkmitteln 17 zugeführt. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale über die Y-Leitungen 24 und 34 über einen weiteren Verstärker 36 den Y-Ablenkmitteln 18 zugeführt.

Der Wandler 21 liefert weiter über eine Leitung 25 ein drittes Ausgangssignal in Form einer Spannung oder eines Stromes, der in unmittelbarer Abhängigkeit von der Intensität eines auf das Element 22 auftreffenden Lichtpunktes schwankt. Dieses Ausgangssignal dient zur Steuerung einer Stufe 41, die ihrerseits Signale an die Beschleunigungselektroden 15 und Bündelelektroden 16 liefert.

Um die Abtasteinrichtungen 31 und 32 gegebenenfalls bei der Ablenkung zu unterstützen, ist ein Generator 42 vorgesehen, der über Leitungen 43 und 44 Abtastsignale in Richtung X und Y als Eingangssignale zu den Verstärkern 35 und 36 liefert. Diese Leitungen gehen über Schalter 45 und 46, die durch eine bistabile Vorrichtung, die einen Teil der Stufe 41 bildet, über einen Kanal 47 gesteuert werden, wodurch gleichzeitig' das Ein- und Ausschalten des Generators 42 gesteuert wird. Eine geeignete Konstruktion für die Stufe 41 wird nachstehend an Hand der Fig. 7 beschrieben.

Die Stellung des Wagens 20 wird durch einen Antrieb 51 in Abhängigkeit von Anforderungssignalen gesteuert, die über einen Kanal 52 eingehen und über Antriebsglieder 53 und 54 weitergegeben werden, um den Wagen in Richtung X und Y zu bewegen. .

Mittels eines optischen Projektionssystems, das in der Zeichnung durch die Spiegel 55 und 56 wiedergegeben ist, wobei die erforderlichen Linsen zur Erzielung einer besseren Übersicht weggelassen wurden, wird ein Abbild der Oberfläche 12 auf den Wagen

...' projiziert, so daß das Abbild des beim Auftreffen

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des Strahles auf die Oberfläche 12 entstehenden Servosystem sehr schnell zentriert. Das dadurch vom

Leuchtpunktes in eine zugeordnete Stellung in der Wandler über die Leitung 25 abgegebene, verhältnis-

Ebene des lichtempfindlichen Elementes 22 des mäßig starke Ausgangssignal bewirkt über die Stufe

Wandlers übertragen wird. 41 das Öffnen der Schalter 45 und 46 und die Ab'

Zum Bearbeiten wird das Werkstück in den Raum 5 schaltung des Generators 42.

11 eingebracht. Nachdem der Raum luftleer gemacht Bei einer anderen Anordnung, die in Fig. 2 darwurde, wird der Strahl eingeschaltet. gestellt ist, bringt der Generator 42 das Abbild des

Die allgemeine Anordnung ist so getroffen, daß leuchtenden Auftreffpunktes dadurch auf das EIe-

unabhängig von der Stellung des Wagens im Ko- ment 22, daß die Stellung des Wagens 20 in Rieh-

ordinatensystem beim Einschalten des Strahles die io tungZ oder Y verändert wird, anstatt den Strahl

von den Abtasteinrichtungen kommenden und über selbst zu verschieben. Das Ausgangssignal des Gene-

die Verstärker 35 und 36 und die Ablenkmittel 17 rators 42 wird über die Schalter 45 und 46 und Lei-

und 18 laufenden X- und Y-Ausgangssignale im tungen 43¹ und 44¹ als Eingangssignal dem Antrieb

Idealfall den Strahl so lenken, daß der Lichtpunkt, 51 zugeführt. Der Generator 42 und die Schalter 45

d. h. das Abbild des Leuchtpunktes an der Angriffs- 15 und 46 werden wieder über den Kanal 47 durch die

stelle des Strahles auf der Oberfläche 12 auf das EIe- Stufe 41 gesteuert.

ment 22 des Wandlers fällt. Daraufhin erzeugt der Wenn eine Abweichung auftritt, so setzt das da-Wandler X- bzw. Y-Fehlersignale in Abhängigkeit durch entstehende Ausgangssignal des Wandlers 21 von dem Abstand des Lichtpunktes vom Bezugs- wie vorher die Stufe 41 in Tätigkeit, die den Genemittelpunkt auf dem Element 22. Durch Übertragung 20 rator 42 einschaltet und die Schalter 45 und 46 dieses Signals über die Leitung 23 bzw. 24 und den schließt. Bei dieser Anordnung wird der Ausgang des Verstärker zu den Strahl ablenkmitteln wird der Generators für den Antrieb des Wagens 20 verwen-Strahl und damit die Stellung des Leucht- oder Auf- det, bis sich das Abbild des Auftreffpunktes auf dem treffpunktes in eine Richtung abgelenkt, in der die Element 22 befindet. Da der eigentliche Punkt des Signale aufgehoben werden, wodurch der Lichtpunkt 25 Strahles während dieser Abtastung auf dem Werkim wesentlichen auf die Mitte der Fläche des EIe- stück festgelegt werden muß, ist es erforderlich, die mentes 22 ausgerichtet wird. Somit wird durch den beiden Abtasteinrichtungen 31 und 32 von den Ab-Auftreffpunkt des Strahles auf dem Werkstück, durch lenkmitteln 17 und 18 zu trennen, da ihre Ausgänge das Abbild dieses Punktes, durch den Wandler 21, entsprechend der Bewegung des Wagens schwanken, durch die Verbindungen von diesem zu den Ablenk- 30 Um dies zu erreichen, sind in den Leitungen von den mitteln und durch den Strahl selbst eine geschlossene Abtasteinrichtungen zu den Verstärkern 35 und 36 Rückkopplung-Servoschleife gebildet. Wie bei Servo- Schalter 57 und 58 vorgesehen,
systemen üblich, werden die Fehlersignale nicht voll- In geschlossenem Zustand verbinden diese Schalter ständig aufgehoben, sondern behalten einen Wert, die Verstärker mit den Abtasteinrichtungen, wähder gerade ausreicht, um die erforderliche Ablenkung 35 rend sie in unterbrochenem Zustand die Verstärker des Strahles aufrechtzuerhalten. statt dessen mit zwei Spannungsquellen in Form von

Durch Bewegung des Wagens kann die Lage des Potentiometern 59 und 60 verbinden, die von Hand Auftreffpunktes des Strahles auf dem Werkstück verstellbar sind, um den Strahl in der richtigen Stelnach Belieben verändert werden. Die Nachführung lung zu halten. Die Schalter sind normalerweise geist schnell genug, um das Abbild des Punktes auf 40 schlossen, werden dann geöffnet und unterbrechen der lichtempfindlichen Fläche des Elementes 22 zu die Verbindung von den Abtasteinrichtungen zu den halten. Wenn dem Antrieb 51 über den Kanal 52 ein Ablenkmitteln über die Stufe 41, indem sie einen Signal zugeführt wird, in das ein Programm für eine Hilfskanal 47¹ benutzen, während die Stufe 41 gleichgeforderte Lage des Auftreffpunktes eingeschlüsselt zeitig die Schalter 45 und 46 schließt und den Geneist, so wird der Wagen durch die Antriebsglieder 53 45 rator 42 einschaltet. Nach Beendigung der Abtastung und 54 angetrieben und bewirkt dadurch das Auf- werden die Schalter 57 und 58 durch die Stufe 41 treffen des Strahles an einer Stelle des Werkstückes betätigt und damit die Abtasteinrichtungen wieder entsprechend dem Programm. mit den Verstärkern verbunden.

In der Praxis kann hauptsächlich -wegen un- Die Stufe 41 dient außerdem zur Steuerung einer vermeidlicher Nichtlinearität der Strahlenablenk- 5o Energiekenngröße des Strahles, wie beispielsweise mittel 4er Umstand eintreten, daß die von den Ab- dessen Schärfe oder Beschleunigung, in Abhängigkeit tasteinrichtungen 32 und 31 kommenden Signale von der Stärke des vom Wandler 21 über die Leibeim Einschalten des Strahles das Abbild des Auf- tung 25 aufgenommenen Signals, um die an den treffpunktes nicht auf das Element 22 bringen, so Auftreffpunkt auf dem Werkstück abgeführte Enerdaß die Servoschleife nicht arbeiten kann. In diesem 55 gie auf ein Höchstmaß zu bringen. Dieses Funktions-Fall ist der Ausgang des Wandlers gleich null oder merkmal beruht auf der Tatsache, daß die Helligkeit zumindest ein bestimmbares Minimum, und die Stufe des Auf treffpunktes auf dem Werkstück und damit 41 ist so ausgelegt, daß sie auf ein derartiges Signal dessen Abbild auf dem Element 22 in direkter Bein der Weise anspricht, daß sie über die bistabilen ziehung zu der abgeführten Energie stehen, und die Stufen und den Kanal 47-den Generator 42 in Tätig- ^6o Stärke des Ausgangssignals des Wandlers steht in keit setzt und die Schalter 45 und 46 einschaltet, so direkter Beziehung zu der Helligkeit des Lxchtdaß die Abtastsignale des Generators 42 dem Strahl punktes.

zugeleitet werden. Dadurch wird der Strahl so lange Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 fehlt der

über die Werkstückoberfläche 12 geführt^ bis das Wagen, der Wandler 21 steht fest, und die beweg-

Abbild des Auftreffpunktes des Strahles schließlich ⁶S liehe Steuereinrichtung ist als optische Vorrichtung, auf das Element 22 des Wandlers fällt. Nachdem beispielsweise als Spiegel, ausgebildet, der einen Teil

das Abbild des Auftreffpunktes einmal auf das EIe- des optischen Systems darstellt und um orthogonale

ment 22 gebracht worden ist, wird es durch das Achsen im Winkel bewegbar gelagert ist, um das

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Abbild des Auftreffpunktes auf das lichtempfindliche in ausreichender Entfernung vom Werkstück anzu-

Element des Wandlers zu bringen. Die Abtasteinrich- ordnen, denn die erforderlichen Bewegungen des

tungen arbeiten in Abhängigkeit von den Winkel- Lichtpunktes in Richtung X und Y in der Ebene des

bewegungen des Spiegels. Elementes 22 sind den entsprechenden Winkelbewe-

Wie vorher ist das Werkstück 10 in dem geschlos- 5 gungen des Spiegels um die Achsen A und B pro-

senen luftleeren Raum 11 angeordnet, in dem der portional.

von der Elektronenquelle 14 erzeugte Elektronen- Im Falle einer falschen Ausrichtung, bei der die

strahl 13 über die Beschleunigungselektroden 15, die Signale der Abtasteinrichtungen beim Einschalten des

Bündelelektroden 16 und die Strahlablenkmittel 17 Strahles dessen Abbild nicht auf die Fläche des EIe-

und 18 läuft und auf die Oberfläche 12 des Werk- io mentes 22 bringen, setzt der dann vom Wandler 21

Stückes auftrifft. kommende Null- oder Minimumausgang wie vorher

Wie bereits erwähnt wurde, ist der fotoelektrische die Stufe 41 in Tätigkeit und schaltet den Generator

Wandler 21 ortsfest angeordnet, und die Bewegung 42 und die Schalter 45 und 46 ein. Der Ausgang des

des Lichtpunktes auf dem Element 22 des Wandlers Generators wird dem Antrieb 51 zugeführt und ver-

21 erfolgt durch entsprechende Winkelbewegungen 15 anlaßt den Spiegel mit dem Lichtpunkt die Ebene

des Spiegels 61. des lichtempfindlichen Elementes 22 abzutasten, bis

Zu diesem Zweck ist der Spiegel 61, der sich der Lichtpunkt auf diese Ebene trifft, worauf der außerhalb des Raumes 11 befindet, in einem Kardan- Lichtpunkt wie bereits beschrieben zentriert wird, system 62 gelagert, so daß er um die orthogonalen Über den Hilfskanal 47¹ werden die Schalter 65 und Achsen A und B im Winkel bewegt werden kann. 20 66 durch die Stufe 41 geöffnet, um die Abtast-Die Winkelverstellungen des Spiegels um diese einrichtungen während der Abtastung von den AbAchsen gegenüber feststehenden Bezugsrichtungen lenkmitteln zu trennen.

werden durch Abtasteinrichtungen 63 und 64 ge- An Stelle eines Spiegels, wie vorstehend beschrie-

messen. Diese Abtasteinrichtungen sollen im folgen- ben, kann auch eine optische Vorrichtung, wie ein

den als die X- bzw. Y-Abtasteinrichtung bezeichnet 25 Prisma oder ein Prismasatz, als Steuereinrichtung

werden, da die Winkelbewegungen des Spiegels um verwendet werden.

seine Achse A und B Bewegungen des Lichtpunktes Eine einfache, nicht dargestellte Konstruktion für in den Richtungen X und Y in der Ebene des licht- den Wandler 21 besteht aus einem viereckigen Pyraempfindlichen Elementes 22 hervorrufen. Die Aus- midenreflektor, der so ausgelegt ist, daß er den Lichtgänge dieser Abtasteinrichtungen werden über die 30 punkt in vier Richtungen zu vier Fotozellen aufteilt, Verstärker 35 und 36 den Strahlablenkmitteln 17 und so daß der unterschiedliche Ausgang von zwei ein-18 zugeführt. Die Verbindungen von den Abtast- ander gegenüberliegenden Zellen die Verschiebung einrichtungen zu den Verstärkern laufen über Schal- des Strahles in der einen Richtung anzeigt, während ter 65 bzw. 66, die durch die Stufe 41 über den Hilfs- der unterschiedliche Ausgang der anderen beiden kanal 47¹ betätigt werden. 35 Zellen die Verschiebung in der Richtung im rechten

Die Wirikelverstellungen des Spiegels um die Winkel zu dieser Richtung anzeigt. Der zusammen-Achsen A und B werden durch den Antrieb 51 über gefaßte Ausgang aller vier Zellen bildet der der die Antriebsglieder 53, 54 gesteuert. Die Anordnung Stufe 41 über die Leitung 25 zuzuführende Gesamtist so getroffen, daß durch die Winkelbewegungen ausgang.

des Spiegels die Ebene des lichtempfindlichen EIe- 40 An Hand der F i g. 4 bis 6 wird eine weitere Kon-

mentes 22 mit dem Lichtpunkt abgetastet wird. struktion des Wandlers beschrieben.

Der Ausgang des Generators 42 wird wie in F i g. 2 Es soll angenommen werden, daß die Fotozelle in

wieder über die Schalter 45 und 46 und Leitungen bekannter Weise so ausgeführt ist, daß der Licht-

43¹ und 44¹ dem Antrieb 51 als Eingang zugeführt. punkt zunächst auf eine Fotokathode fällt und die

Dieser Eingang kann wahlweise zu dem Eingang 45 von dieser ausgesandten Elektronen in Form eines

über den Kanal 52 erfolgen. Der Generator 42 und Elektronenabbildes in einer Bildebene innerhalb der

die Schalter 45 und 46 werden wieder über den Zelle gesammelt werden. Diese Ebene ist mit einer

Kanal 47 von der Stufe 41 gesteuert. runden Öffnung versehen, durch die die Elektronen

Unter normalen Betriebsverhältnissen sind die hindurchgehen und zu einer Dynode gelangen, an die

Schalter 65 und 66 geschlossen, die Schalter 45 und 5° sich eine Ausgangsanode anschließt. Durch Ablenk-

46 offen, und der Generator 42 ist außer Funktion. spulen kann das Elektronenabbild des Lichtpunktes

Unabhängig davon, welche Stellung der Spiegel in Richtung X und Y über diese Öffnungen bewegt in bezug auf seine Winkelachsen gerade einnimmt, werden. Zur Vereinfachung ist in F i g. 4 von der wenn der Strahl eingeschaltet wird, wird der Strahl Zelle lediglich die Öffnung 71 in der Zelle 72 mit daher im Idealfall durch das Ausgangssignal X 55 der X-Ablenkspule 73 und der Y-Ablenkspule 74 bzw. Y der Abtasteinrichtung 63 bzw. 64, das über dargestellt. Die Öffnung 71 entspricht der vorgenannden geschlossenen Schalter 65 bzw. 66, den Ver- ten lichtempfindlichen Fläche der Zelle, und die stärker 35 bzw. 36 und den Ablenkmitteln 17 bzw. Spulen sollen als so ausgelegt angenommen werden, 18 übertragen wird, so gerichtet, daß das Abbild daß sie das Abbild des Lichtpunktes wie nachstehend des an der Auftreffstelle des Strahles auf der Ober- 60 beschrieben über die Öffnung bewegen können,
fläche 12 des Werkstückes entstehenden Leucht- Aus den Gegenphasenausgängen eines Zeitimpulspunktes innerhalb des Bereiches des Elementes 22 gebers in Form eines Multivibrators 75 werden in des Wandlers fällt. Sägezahngeneratorstufen 77 und 78 dreieckige X- und

Durch die Zuführung eines Signals über den Kanal Y-Ablenksignale erzeugt, die der Ablenkspule 73

52 an den Antrieb 51 kann die Winkelstellung des 65 bzw. 74 zugeführt werden.

Spiegels verändert werden, so daß der Strahl ent- Der Ausgang der Zelle wird über eine Leitung 81

sprechend dem gewünschten Programm auf das einem Verstärker 82 für Wechselstrom, einem Gleich-

Werkstück auftrifft. Es ist zweckmäßig, den Spiegel richter 83 und einem Verstärker 84 für Gleichstrom

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zugeführt und liefert über die aus Fig: 1 ersichtliche zum Punkt P. Auf Grund der Y-Schwingung 113 des

Leitung 25 das Signal, dessen Intensität in Abhängige Signals (b) geht der nächste Weg des Lichtpunktes

keit von der Intensität des Lichtpunktes schwankt; dann in der negativen Y-Richtung bis zum Punkt

Zwischen den Verstärkern 84 und 82 ist eine Selbst- 114 außerhalb der Öffnung 71 und von dort zurück.

Verstärkungssteuerung, vorgesehen, die die Verstär- 5 In gleicher Weise führt die negative X-Schwingung

kung vom Verstärker 84 zum Verstärker 82 zurück- 115 den Lichtpunkt zum Punkt 116 und zurück,

leitet. ■ Darauf folgt die positive Y-Schwingung zum Punkt

Der Ausgang der Zelle wird nach Verstärkung, 118 und zurück. Danach wiederholt sich dieser Begrenzung und Umwandlung in Rechteckform in Zyklus. ....',.,;.,..:,... . ,..
einer Stufe 85 außerdem als Eingang Und-Schaltun- io Die Welle (c) zeigt die Auswirkung dieser Ausgen 87 und 88 zugeführt, deren anderer Eingang je- Wanderungen des Lichtpunktes auf den Ausgang der weils mit einem Gegenpljasenausgang einer durch Zelle nach der Begrenzung und Abgleichung durch den Multivibrator 75 gesteuerten bistabilen Stufe 89 die Stufe 85. Solange sich der Lichtpunkt innerhalb verbunden ist. der Öffnung 71 befindet, liefert die Zelle ein gleich-

Der Ausgang der Und-Schaltung 87 wird als Ein- 15 bleibendes Ausgangssignal, das auf null (oder auf

gang zwei weiteren Und-Schaltungen 91 und 92 zu- ein anderes konstantes Minimum) abfällt, sobald

geführt, während der Ausgang der Und-Schaltung 88 der Lichtpunkt auf seinem Weg zu einem der Punkte

den Und-Schaltungen 93 und 94 als Eingang züge- 112, 114, 116 oder 118 aus der Öffnung austritt,

führt wird. Die anderen Eingänge der Und-Schaltun- So wird, wie durch die Welle (c) dargestellt ist,

gen 91 und 93 sind mit dem einen Ausgang einer 20 durch jede Auswanderung ein Impulspaar gleicher

bistabilen Stufe 95 verbunden, die durch den einen Breite erzeugt, das die Auswärts- und Einwärts-

Ausgang der Stufe 89 gesteuert wird. Der andere bewegung des Lichtpunktes über die Öffnung 71 darT

Ausgang der Stufe 95 steht mit den Und-Schaltungen stellt und durch einen Raum getrennt ist, der den

92 und 94 in Verbindung. dazwischenliegenden Zeitraum darstellt, in dem der

Der Ausgang der Und-Schaltung 91 wird, nach 25 Impuls außerhalb ist und die Zelle infolgedessen ein

Umkehrung ihrer Polarität durch einen Verstärker Minimum-Ausgangssignal liefert. Wegen des Ab-

101, über einen Verstärker 102 und den linearen Standes des Punktes? vom Mittelpunkte? der Öff-

Verstärker35 (Fig. 1) den X-Ablenkmitteln 17 des nung bleibt der Lichtpunkt während der positiven

Hauptstrahles zugeführt. Der Ausgang der Und- Auswanderungen in Richtung X länger innerhalb der

Schaltung 92 wird dem Verstärker 102 direkt als 30 Öffnung 71 als während der Auswanderungen in der

zweiter Eingang zugeführt. Ein zweiter Eingang des entgegengesetzten Richtung. Daher ist jeder X-Impuls

Verstärkers 35 steht mit der ^-Abtasteinrichtung 31 121 des Signals (c) infolge der positiven Schwingun-

(F i g. 1) in Verbindung. gen 111 des Signals (a) erheblich breiter als jeder

Für die Y-Ablenkmittel sind entsprechende An- X-Impuls 122 unter der Einwirkung der negativen

Ordnungen getroffen worden. Die Und-Schaltung 93 35 Schwingungen 115.

ist über einen Verstärker 103 mit einem Verstärker Da der Punkt P sich auf der X-Achse befindet,

104 verbunden, dessen anderer Eingang direkt mit haben die Y-Impulse 123 dagegen infolge der posi-

der Und-Schaltung 94 verbunden ist, ohne daß der tiven Y-Schwingungen 117 des Signals (b) die gleiche

Eingang umgekehrt wird. Breite wie die unter der Einwirkung der entgegen-

Der Ausgang des Verstärkers 104 wird zusammen 40 gesetzten Schwingungen 113 stehenden Impulse 124.

mit dem Signal der Y-Abtasteinrichtungen 32 über Die Wirkung der übrigen Einrichtung gemäß

den linearen Verstärker 36 den Y-Ablenkmitteln 18 F i g. 4 besteht darin, daß für jede Richtung X und Y

zugeführt. ein Fehlersignal erzeugt wird, dessen Richtung und

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung soll nun an Größe von dem Unterschied in der Breite der Im-

Hand der Signalwellenformen der Fig. 5 beschrie- 45 pulse 121 und 122 für die X-Achse und der Impulse

ben werden. 123 und 124 für die Y-Achse abhängig sind, wobei

Die Wellenform der dreieckigen Ablenksignale X diese Fehlersignale dazu verwendet werden, den und Y, die von den Stufen 77 und 78 zur Ablenkung Lichtpunkt in den Mittelpunkt O der Öffnung 71 zu des Lichtpunktes abgegeben werden, sind bei (α) bringen. Bei dem vorliegenden Beispiel zeigt die Tat-, und (b) dargestellt. Ihre Auswirkung auf die Lage 5P sache, daß die Y-Impulse 123 und 124 die gleiche des Lichtpunktes gegenüber den Koordinaten X Breite haben, an, daß sich der Lichtpunkt in bezug und Y, die den Mittelpunkt der Öffnung 71 der Foto- auf die Y-Achse bereits in der richtigen Stellung zelle als Ursprung haben, ist in Fig. 6 dargestellt. befindet. Daher wird nur für die X-Achse ein Fehler-Essoll angenommen werden, daß die mittlere Stel- signal erzeugt. , ....·■ lung P des Lichtpunktes, die durch die Ausgänge der 55 Im einzelnen erzeugt die Stufe 89 Gegenphasen-Abtasteinrichtungen 31 und 32 (Fig. 1) bestimmt Rechteckwellenausgänge (d) und (e), deren positive wird, auf der X-Achse, aber etwas in der negativen Halbperioden mit den X-Schwingüngen der Welle (a) Richtung liegt. Die Hin- und Herbewegung des Licht- bzw. den Y-Schwingungen der Welle (b) zusammen-i Punktes, die durch die Zuführung der Dreieck- fallen. Durch die Vereinigung der Signale (c) und (d) schwingungen der Wellen (α) und (b) an die Ablenk- ⁶° an der Und-Schaltung 87, die auf positive Eingänge spulen 73 und 74 der Zelle (vgl. F i g. 4) entsteht, anspricht, werden aus dem Signal (c) alle X-Impulse ist gestrichelt dargestellt, wobei die Ausgänge und ausgesondert, wie bei (f) dargestellt ist.
die Rückwege zur besseren Übersicht im Abstand . In gleicher Weise werden durch die Vereinigung voneinander dargestellt sind. der Signale (c) und (e) an der UndrSchaltung 88 die,

So führt die positive X-Schwingung 111 des Si- 65 Y-Impulse ausgesondert [vgl. Wellenform ($)]. "..;'.,

gnals (a) den Lichtpunkt von dem Punkt P in der Nun ist es erforderlich, die Impulse noch weiter

positiven Richtung längs der X-Achse zu idem Punkt aufzuteilen, indem die durch die positiven Schwin·:

112 außerhalb der Öffnung 71 und von dort zurück gungen der Ablenksignale entstehenden Impulse von

.... .. . . ..." ... 009584/158

den durch die negativen Schwingungen entstehenden Impulsen getrennt werden. Zu diesem Zweck erzeugt die Stufe 95 aus dem Ausgangssignal (e) der Stufe 89 Gegenphasen-Rechtecksignale der halben Frequenz [vgl. die Wellenformen (ή) und (i)]. Wie ersichtlich, fallen die positiven Halbperioden des Signals (K) nur mit den AT-Impulsen 121 zusammen, die durch die positiven Schwingungen des Ablenksignals entstehen, sowie mit den Y-Impulsen 124, die durch die negativen Schwingungen entstehen. Die übrigen X- und F-Impulse 122 und 123 fallen mit den positiven Schwingungen des Signals (i) zusammen.

Durch die Vereinigung der Signale (/) und (K) an der Und-Schaltung 91 werden somit die X-Impulse 121 [vgl. Welle (/)] gewonnen, während die anderen ^-Impulse 122 an der Und-Schaltung 92 aus den Signalen (/) und (i) gewonnen werden [vgl. Welle (&)].

Die Γ-Signale werden in gleicher Weise getrennt, indem das Signal (g) mit den Signalen (K) und (1) an den Und-Schaltungen 93 und 94 vereinigt wird [vgl. die Wellenformen (J) und (m)].

Nachdem die beiden X-Impulsreihen 121 und 122 somit getrennt wurden, ist es nun erforderlich, ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Unterschied in ihrer Breite zu erzeugen. Dies geschieht in dem Verstärker 102, nachdem die Polarität der Impulse 121 durch den Verstärker 101 umgekehrt wurde, so daß eine Subtraktion erfolgt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 102 ist somit ein Gleichstrom-Fehlersignal, dessen Richtung und Wert durch den Unterschied in der Impulsbreite bestimmt wird und somit das Maß und die Richtung des Abstandes der mittleren Stellung P des Lichtpunktes von dem Mittelpunkt O der Öffnung 71 in Richtung der AT-Achse wiedergibt. In dem Verstärker 35 wird dieses Fehlersignal mit dem Signal von der X-Abtasteinrichtung 31 vereinigt, um die Z-Ablenkmittel 17 zu erregen.

Das gleiche geschieht mit der Y-Koordinate: Die Verstärker 103 und 104 gewinnen das Y-Fehlersignal — in diesem Fall null — in Abhängigkeit von dem Unterschied in der Breite zwischen den Impulsen 123 und 124, wobei das Signal von der Abtasteinrichtung 32 am Verstärker 36 hinzugefügt wird, ehe die Weitergabe an die Y-Ablenkmittel 18 erfolgt.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform des Wandlers 21 kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 verwendet werden.

Die Stufe41 kann wie in Fig. 7 dargestellt ausgebildet sein. Bei dieser Anordnung wird die der Elektrode 15 zugeführte Beschleunigungsspannung konstant gehalten. Daher wird sie von einem Potentiometer 131, das unter Spannung steht, abgenommen, und zwar über einen Schieber 132, der von Hand verstellbar ist, um den benötigten Grad der Beschleunigung zu erzielen.

Die Fokussierungsspannung für die Elektrode 16 wird von einem unter Spannung stehenden Potentiometer 133 über einen Schieber 134 abgenommen, der •durch einen Motor 135 verstellbar ist.

Ein Oszillator 136 verleiht der Fokussierungsspannung über einen Kondensator 137 und einen zentralen Abgriff am Potentiometer 133 periodische Veränderungen. Die Ausgabe des Oszillators wird außerdem einem phasenabhängigen Gleichrichter 141 zugeführt, um ein Bezugsphasensignal zu erzeugen; das mit der! durch die periodischen Schwankungen in der intensität des Lichtpunktes entstehenden Wechselstromkomponente des Überlagerungssignals von der Photozelle verglichen wird. Dieses Signal geht über die Leitung 25 ein und wird nach Abzug der Wechselstromkomponente über einen Kondensator 142 der Stufe 141 zugeführt.

Der Ausgang des Gleichrichters 141 wird über einen Verstärker 143 dem Motor 135 zugeführt. '

Die Leitung 25 ist außerdem an eine bistabile Stufe 144 angeschlossen, um dieser ein Triggersignal zuzuführen. . Ein Ausgang der Stufe 144 wird den Kanälen 47 und 47¹ zugeführt.

Die Wirkungsweise beruht auf der Tatsache, daß die Helligkeit des Lichtpunktes zu der Fokussierungsspannung in einer Beziehung steht, die durch eine Kurve ausgedrückt werden kann, die an einer Stelle, an der die Fokussierungsspannung einen Optimalwert hat, über einen Maximalwert verläuft. Da nun die Fotozelle so ausgelegt ist, daß ihr Ausgang in direkter Abhängigkeit von der Intensität des Lichtpunktes schwankt, so kann das Fotozellensignal durch eine ähnliche Kurve mit der Fokussierungsspannung in Beziehung gebracht werden.

Wenn die Fokussierungsspannung den Optimalwert hat, so liegen die ihr durch den Oszillator 136 vermittelten Schwankungen in dem fast ebenen Teil der Kurve. Infolgedessen ist in dem Signal von der Fotozelle keine wesentliche Wechselstromkomponente vorhanden.

Wenn die Fokussierungsspannung dagegen von dem Optimalwert erheblich abweicht, so treten die Schwankungen im abfallenden Teil der Ansprechkurve auf. Infolgedessen erscheint in dem Signal der Zelle eine Wechselstromkomponente, die je nachdem, ob die mittlere Fokussierungsspannung unter oder über dem Optimalwert liegt, mit dem Bezugssignal vom Oszillator 136 in Phase oder in Gegenphase liegt. Auf dieses Wechselstromsignal hin wird im Gleichrichter 141 ein Ausgangssignal erzeugt, das nach Verstärkung im Verstärker 143 dem Motor 135 zugeführt wird, der daraufhin den Schieber 134 so verstellt, daß der Optimalwert der Fokussierungsspannung erzielt wird.

Die Stufe 144 wird jedesmal getriggert, wenn das Signal der Leitung 25 auf einen vorbestimmten Minimalwert abfällt. Wenn die Stufe 144 in dieser Weise getriggert ist, liefert sie über den Kanal 47 und gegebenenfalls den Hilfskanal 47¹ die Schaltsignale, die erforderlich sind, um den Generator 42 in Tätigkeit zu setzen.

Die Antriebsglieder 53 und 54 der F i g. 1 können als Servosystem in Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet sein, wobei der eigentliche Antrieb in X- und Y-Richtung durch einen umsteuerbaren Servomotor erfolgt, der durch ein Fehlersignal eingeschaltet wird, das durch Vergleich der Anforderungssignale des Kanals 52 mit den Meßsignalen, die die augenblickliche Stellung des Wagens angeben, erhalten wird.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Steuern der Auf treffspur eines Korpuskularstrahlenbündels auf einem Werkstück in einer Korpuskularstrahlbearbei-

tungseinrichtung mit elektrischen Mitteln zum Ablenken des Strahlenbündels quer zur Strahlachse in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, mit einem fotoelektrischen Wandler und mit einem optischen Abbildungssystem, das den leuchtenden Auftreffpunkt des Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche auf das lichtempfindliche Element in dem Wandler abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des auf dem lichtempfindlichen Element (22) durch die Abbildung erzeugten Lichtpunktes relativ zu einem vorgegebenen Bezugspunkt auf dem Element (22) in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiebbar ist und daß der Wandler (21) ein Steuersignal liefert, das eine Funktion der Abstandskoordinaten des Lichtpunktes von dem Bezugspunkt ist, und zur Steuerung der Strahlablenkmittel (17,18) dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (22) auf einem in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiebbaren Wagen angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu die Abstandskoordinaten des Lichtpunktes bestimmenden Einrichtungen des Wandlers (21) Abtasteinrichtungen (31, 32) vorgesehen sind, die die Stellung des Wagens (20) relativ zu einem festen Raumpunkt feststellen und ebenfalls Steuersignale zur Steuerung der Strahlablenkmittel (17, 18) liefern.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (22) fest im Raum angeordnet ist und zur Verschiebung des Lichtpunktes ein kardanisch aufgehängter Spiegel (61) in dem optischen Abbildungssystem dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu die Abstandskoordinaten des Lichtpunktes bestimmenden Einrichtungen des Wandlers (21) Abtasteinrichtungen (63, 64) vorgesehen sind, die die Winkelstellung des Spiegels (61) relativ zu einer vorgegebenen Ausgangslage feststellen und ebenfalls Steuersignale zur Steuerung der Strahlablenkmittel (17, 18) liefern.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein zweites, der Intensität des Lichtpunktes proportionales Steuersignal liefert, das zur Steuerung der Strahlerzeugungsmittel (15, 16) dient.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein wahlweise zuschaltbarer, die Strahlablenkmittel (17, 18) beeinflussender Generator (42) vorgesehen ist, der den Strahl so lange über das Werkstück führt, bis der Lichtpunkt auf dem Wandler erscheint.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen