DE2220335C2 - Verfahren zum Steuern der Bewegung einer Elektronenstrahlkanone - Google Patents

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Impulsschaltung Fensterimpulse erzeugt werden und diese Impulse in dem Augenblick an eine dem Verknüpfungsglied nachgeschaltete Flip-Flop-Schaltung angelegt werden, in dem kein liiformatio/isimpuls erzeugt wird, wenn der Elektronenstrahl die Schweißfuge überquert

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Schließperiode der Fensterimpulsschaltung Fremd- und Geräuschimpulse daran gehindert werden, die Flip-Flop-Schaltung zu triggern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Schutzimpulsschaltung die Bewegungsrichtung der Elektronenstrahlkanone in bezug auf die Schweißfuge bestimmt wird und die Bewegung längs der Schweißfuge in dieser Richtung beibehalten wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewegung einer Elektronenstrahlkanone, bei dem der Elektronenstrahl der Fuge zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken genau folgt, wenn sich der Elektronenstrahl in bezug auf das Werkstück bewegt, wobei die bei einer Abweichung von der Schweißfuge auftretende Differenz der von emittierten sekundären Elektronen abgeleiteten Signale zum Ausrichten der Elektronenstrahlkanone auf die Schweißfuge benutzt wird.

Beim Schweißen mit Elektronenstrahlen kommt es u. a. darauf an, den Elektronenstrahl zunächst auf die Fuge zwischen den zu verschweißenden Werkstücken auszurichten und anschließend längs dieser Fuge zu bewegen. Ein Verfahren zur Bestimmung des Auftreffpunktes eines Elektronenstrahls in bezug auf die Lage der Schweißfuge ist in der DE-OS 19 43 206 beschrieben. Nach diesem Verfahren führt der Elektronenstrahl quer zur Längsrichtung der Schweißfuge eine oszillierende Bewegung aus. Sekundäre Elektronen, die durch das Auftreffen des Strahls auf das Werkstück entstehen, werden aufgefangen und dazu benutzt, die relative Lage des Strahls in bezug auf die Schweißfuge anzuzeigen. Immer dann, wenn der Strahl die Fuge überquert, erhält man einen scharfen Abfall in der Emission sekundärer Elektronen. Ein hieraus abgeleitetes Signal wird auf einem Oszillographen dargestellt. Durch Bewegung der zu verschweißenden Werkstücke quer zur Schweißfuge kann eine Anzeige erzeugt werden, die der minimalen Emission sekundärer Elektronen entspricht. Dies ist dann die Stelle, an der der Elektronenstrahl auf die Schweißfuge auftrifft. Ein solches Verfahren eignet sich zur Vorbereitung einer Schweißung längs einer geraden Linie, um den Elektronenstrahl genau auf die Schweißfuge auszurichten.

In der Literaturstelle »Welding and Metal Fabrication« März 1970, Seiten 96 bis 98, ist in Verbindung mit einer Elektronenschweißmaschine ein Verfahren beschrieben, das dazu dient, dem Elektronenstrahl über die gesamte Länge der Schweißfuge nachzuziehen. Hierbei wird eine Sonde benutzt, die sich längs der Schweißfuge unmittelbar vor dem Elektronenstrahl bewegt. Durch Abtasteinrichtungen werden seitliche Abweichungen in elektrische Signale umgewandelt, die Servo-Motoren steuern, die die zu verschweißenden Werkstücke wieder in die richtige Stellung in bezug auf den Elektronenstrahl ausrichten.

Ein anderes Verfahren, welches dazu dient, beim Elektronenstrahlschweißen ohne manuellen Eingriff das Elektronenbündel auf der Schweißnaht zwischen zwei zu verschweißenden Teile zu halten, ist aus der DE-OS 21 22 282 bekannt Dieses Verfahren basiert ebenfalls auf der Rückstreuung der Elektronen des einfallenden Strahlenbündels. Solange das Bündel die Schweißnaht trifft, ist die Rückstreuung schwach. Entfernt sich dagegen das Bündel nach der einen oder der anderen Seite, nimmt die Intensität der Rückstreuung zu. Für das Auffangen der sekundären Elektronen sind auf beiden Seiten der Schweißnaht Sunden vorgesehen. Die mit Hilfe dieser Sonden erzeugten Signale «erden einem Differentialverstärker zugeführt, der ein Steuersignal liefert, welches dazu benutzt wird, mit Hilfe von Ablenkspulen das Strahlenbündel wieder auf die Schweißnaht zurückzuführen. Bei diesem Verfahren wird ebenso wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren der jeweilige Verlauf der Schweißnaht bei der Steuerung des Elektronenstrahls nicht berücksichtigt Die Einhaltung einer gleichbleibenden Schweißgeschwindigkeit längs der Schweißnaht ist daher nur möglich, wenn diese gradlinig oder annähernd gradlinig verläuft

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten Verfahren zum Steuern der Bewegung einer Elektronenstrahlkanone in bezug auf die miteinander zu verschweißenden Werkstücke zu verbessern und insbesondere dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Kanone auch bei nicht geradlinigem Verlauf der Schweißfuge so gesteuert wird, daß zum einen die Lage des Elektronenstrahls auf der Schweißfuge mit sehr geringen Toleranzen aufrechterhalten wird und sum anderen der Elektronenstrahl längs der Schweißfuge mit einer gewünschten konstanten Geschwindigkeit bewegt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit folgenden Merkmalen gelöst:

a) es wird ein fokussierter Elektronenstrahl geringer Leistungsdichte auf das zu schweißende Werkstück gerichtet und so abgelenkt, daß er eine kreisförmige Bewegung ausführt, bei der er die Schweißfuge während jeder Kreisbahn zweimal überquert,

b) der Elektronenstrahl wird längs zweier normal zum Strahl und zueinander senkrecht stehender Achsen durch sich periodisch ändernde Spannungen abgelenkt, die sich entsprechend den Funktionen sin ivf und cos wt verändern,

c) wenn der Elektronenstrahl die Schweißfuge während seiner kreisförmigen Bewegung überquert, wird ein Stromimpuls erzeugt, der an ein binäres elektronisches Verknüpfungsglied angelegt wird, dessen Ausgangsspannung ein Rechteckwellensignal ist, das sich synchron mit jedem Impuls zwischen zwei Spannungspegeln ändert,

d) die Ausgangsspannung wird integriert und ein Fehlersignal erzeugt, das die Abweichung der Ausgangsstellung des Elektronenstrahls von der Schweißfuge wiedergibt,

e) die Ausgangsspannung wird mit den Ablenkspannungen sin wt und cos wt multipliziert, so daß zwei getrennte Produktspannungen entstehen, die einem Sinus- bzw. Cosinus-Wert eines Winkels θ zwischen der Schweißfuge und einer der Achsen entsprechen,

f) das Fehlersignal wird mit den Produktspannungen sin θ und cos θ multipliziert, um die Stellungsfehlerkomponenten in bezug auf die Achsen zu erhalten, g) eine Analogspannung, die einer gewünschten Tangentialgeschwindigkeit längs der Schweißfuge entspricht, wird mit den vorher erzeugten Produktspannungen sin θ und cos θ multipliziert, um getrennte Spannungen zu erhalten, die den Komponenten der Tangentialgeschwindigkeit entsprechen,

h) die Stellungsfehlerspannungen werden getrennt einmal mit der ^-Komponente und einmal mit der y-Komponente der Tangentialgeschwindigkeit summiert und

i) die so erzeugten Signale werden je einem Servosystem zugeführt, von denen jedes die Elektronenstrahlkanone längs der entsprechenden Achse verschiebt, so daß die Kanone mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit längs eines parallel zu der Schweißfuge verlaufenden Weges bewegt wird.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung wird ein Elektronenstrahl geringer Leistungsdichte auf die zu verschweißenden Werkstücke gerichtet und in eine kreisende Bewegung versetzt, bei der er die Schweißfuge während jeder Kreisbewegung zweimal überquert Die dabei infolge Reflektion entstehenden sekundären Elektronen werden von einer Antenne aufgefangen. Jedesmal, wenn der Elektronenstrahl die Schweißfuge überquert, wird infolge der plötzlichen Verringerung der reflektierten Elektronen ein Impuls erzeugt Sind die Impulse einer Kreisbewegung um 180° voneinander entfernt, bedeutet dies, daß die Kreisbahn des Elektronenstrahls auf die Schweißfuge zentriert ist Verändert sich der Abstand zwischen diesen beiden Impulsen infolge einer Seitenabweichung des Elektronenstrahls, so entsteht ein Fehlersignal, welches dazu benutzt wird, den Antrieb der Kanone oder auch des Werkstückes so zu steuern, daß die Abweichung ausgeglichen wird. Mit einer solchen Steuerung ist es möglich, die Lage des Elektronenstrahls zur Schweißfuge mit einer Toleranz von weniger als 0,125 mm aufrechtzuerhalten.

Um die Schweißgeschwindigkeit bei jedem beliebigen Verlauf der Schweißfuge konstant halten zu können, werden die Steuersignale in X- und V-Komponenten aufgeteilt und zwei Antriebssystemen zugeführt die die Kanone in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen bewegen, womit die Möglichkeit besteht, die Bewegung der Kanone in bezug auf die Werkstücke so einzustellen, daß die Tangentialgeschwindigkeit längs der Schweißfuge, die jeden beliebigen Verlauf haben kann, konstant bleibt

Um den Richtungssinn des System aufrechtzuerhalten, ist es vorteilhaft mit Hilfe einer impulsschaltung Fensterimpulse zu erzeugen und diese Impulse in dem Augenblick an eine einem Verknüpfungsglied nachgeschaltete Flip-Flop-Schaltung anzulegen, in dem kein Informationsimpuls erzeugt wird, wenn der Elektronenstrahl die Schweißfuge überquert. Auch ist es vorteilhaft, Vorkehrungen zu treffen, die Fremd- und Geräuschimpulse daran hindern, die Flip-Flop-Schaltung während der Schließperiode der Fensterimpulsschaltung zu triggern.

Weiterhin wird mit einer zusätzlichen Schutzimpulsschaltung die Bewegungsrichtung der Elektronenstrahlkanone in bezug auf die Schweißfuge bestimmt, um so ihre Bewegung längs der Schweißfuge in der vorgegebenen Richtung einzuhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 Ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Steuern der Bewegung einer Elektronenstrahlkanone,

F i g. 2a bis 2f schematische und symbolische Darstellung von Verknüpfungsgliedern, die in dem Steuersystem benutzt werden,

F i g. 3, 3a und 3b die Form und Phasenlage von Signalen, die in dem Steuersystem erzeugt werden, wenn der Elektronenstrahl auf die Naht zentriert ist,

F i g. 4, 4a und 4b die Form und die Phasenlage von Signalen, die in dem Steuersystem erzeugt werden, wenn der Elektronenstrahl von der Naht abgewichen ist,

Fig.5 graphische Darstellungen, die die Vervielfachung des Ausgangs der Flip-Flop-Schaltung durch die sin wt und cos wf-Signale von dem Kreisgenerator zeigen, um den Cosinus und den Sinus des Winkels zu erhalten, den die Naht in bezug auf die Bezugsachse einnimmt,

1-Wert wird als volle Spannung in den meisten Fällen etwa +20VoIt Gleichspannung in bezug auf das Erdpotential angesehen; als O-Wert wird ein Wert von 0 oder in der Nähe von OVoIt in bezug auf das Erdpotential betrachtet. Bei dem ODER-Schaltkreis, der in Fig. la dargestellt ist, wird beim Anlegen eines positiven Potentials von 20 Volt an einen der Eingänge /, K oder L ein 20 Volt-Signal an dem Ausgang C auftreten. Da das 20-Volt-Eingangssignal mit 1 bezeichnet ist, kann man sagen, daß das beim Anlegen von 1 an einen der Eingänge des ODER-Kreises ein Ausgangssignal von 1 an der Belastung, die zwischen dem Ausgang Cund dem Erdpotential liegt, auftritt.

Das UND-Glied, das auf F i g. 2c dargestellt ist, ist mit seiner Λ-Klemme an eine Spannungsquelle von +2OVoIt angeschlossen. Legt man an einen der Eingänge P, R und S einen O-Wert an, so ergibt sich ein Stromfluß durch die angeschlossene Diode und bringt damit die Ausgangsklemme T in die Nähe des

F i g. 6 graphische Darstellungen von Impulsen eines 20 Erdpotentials oder des 0-Wertes. Wenn die Eingangs-

Sicherheitskreises, der Signale erzeugt, um eine falsche Arbeitsweise infolge eines elektrischen Geräusches oder einer falschen Stellungsinformation zu verhindern, F i g. 7 die relative Lage zwischen den Bezugskoordi-

klemmen P, R und S alle an ein Potential von + 20 Volt angeschlossen werden, hören die Dioden auf, zu leiten, und die Ausgangsklemme Γ wird auf das Potential der Stromquelle gebracht, d.h. +20VoIt in bezug auf das

naten A'und Υχχηά bestimmten Informationen, die in der 25 Erdpotential, was dem Wert 1 entspricht Mit anderen

Steuereinrichtung erzeugt werden, die die Aufgabe hat, Worten, wenn alle Eingänge den Wert 1 haben, hat auch

den Geräuscheffekt zu zählen, der die Richtung der der Ausgang Γ den Wert 1. Wenn einer der Eingänge

Fortbewegung umkehren könnte, wenn es nicht den Wert 0 hat, hat auch der Ausgang den Wert 0. Das in

erwünscht ist, und den Richtungssinn beizubehalten, Fig.2e dargestellte NOR-Gitter wird an seinem

wenn Abtastimpulse für kurze Zeitabschnitte infolge 30 Ausgang A an eine Spannungsquelle mit +20VoIt lokaler Bedingungen längs der Schweißnaht verschwin

den.

angeschlossen und an seiner Klemme Zan eine negative Spannung von 20 Volt Wenn an die Eingangsklemmen P, R und S der Wert 0 angelegt ist, befindet sich der Transistor, der infolge der Spannung von -20VoIt zwischen der Klemme Z und dem Erdpotential unter einer negativen Vorspannung steht, in der Sperrstellung, und es fließt kein Kollektor-Emitter-Strom, so daß die Ausgangsklemme auf dem gleichen Potential von +20 Volt wie die Spannungsquelle, die an die Klemme

Fig.8a bis 8g die Lage des Signals, das an die Quadrantenschaltung angelegt wird, wenn der Elektronenstrahl zuerst die Naht in dem X⁺ oder X-- Quadranten überquert und die Ausgangssignale von den X⁺ und Λ'--Quadrantenschaltungen,

Fig.9 Verknüpfungen zur Erzeugung der Überwachungsimpulse und

F i g. 10 das Verknüpfungssystem zum Bestimmen des 40 A angeschlossen ist, liegt Wenn alle Eingangsklemmen Quadranten, in dem der Elektronenstrahl zuerst die mit + 20 Volt gespeist werden, fließt ein Basis-Emitter-Naht während jeder Kreisbewegung des Strahls strom, der Transistor läßt einen Sättigungsstrom vom überquert Kollektor zum Emitter durch, und das Potential

Die Elemente der Anordnung zum Steuern der zwischen der Ausgangsklemme Nund dem Erdpotential Bewegung der Elektronenstrahlkanone bestehen aus 45 entspricht dem geringeren Spannungsabfall der Transibekannten Verknüpfungsgliedern wie NOR-, ODER- storverbindung, der als 0-Wert angesehen wird. Mit und UND-Gliedern, bistabilen Flip-Flop-Schaltungen, anderen Worten, der Wert 1 an irgendeiner der Verstärkern, Impulsgebern, integrierenden Verstärkern, Eingangsklemmen P, R oder S ergibt einen 0-Wert an Summierverstärkern, Vervielfachern, verschiedenen der Ausgangsklemme N. Ein O-Wert an den Eingangs-Kombinationen von NOR-, ODER-und UND-Gliedern, 50 klemmen P, Rund Sergibt einen 1 -Wert am Ausgang N.

die Auswertsysteme für Signale oder Impulse bilden, und ferner aus in zwei Richtungen arbeitenden Servösysiernen, die die Geschwindigkeit und die Richtung eines Motors in Abhängigkeit von der

Nahtabtastung

Be; dem vorliegender. Verfahren wird die Naht mit einem Elektronenstrahl mit geringer Leistungsdichte Polarität und der Größe von Gleichstrom-Signalen 55 verfolgt, der benutzt wird, um die Naht abzutasten, steuern, die in ihre Eingangskreise eingespeist werden. während er eine Kreisbahn ausführt, die die Naht

,, , _ , ... überquert Immer dann, wenn der Strahl die Naht

Verknupfungsgheder überquert, wird ein Impuls erzeugt, dessen Winkelstel-

Ein typischer ODER-Kreis ist schematisch in F i g. 2a lung auf der Kreisbahn, die von dem Strahl auf dem und symbolisch in Fig.2b, ein typischer UND-Kreis 60 Werkstück markiert wird, in bezug auf ein X-, schematisch in Fig.2c und symbolisch in Fig. 2d und !^Koordinatensystem, dessen Achsen im Mittelpunkt ein typischer NOR-Kreis schematisch in Fig.2e und des Kreises liegen, der von dem Elektronenstrahl symbolisch in Fig.2f dargestellt Viele derartige durchlaufen wird, bestimmt werden kann. Die entste-Verknüpfungsglieder werden als Bauelemente in dem henden Signale werden elektronisch weitergeleitet, um gesamten Steuersystem benutzt jeder Schaltkreis kann £5 die Sinuswerte und die Cosinuswerte des Winkels als ein zweiwertiges Element oder als zweiwertiger zwischen der A"-Achse und der Stellung in dem Kreis mit entweder 0- oder 1-Werten an seinen Kreisbogen, an der der Strahl die Naht überquert, Eingängen oder Ausgängen angesehen werden. Der abzuleiten. Wenn der Mittelpunkt des Kreises von der

Stellung abweicht, wird ein Fehlersignal erzeugt, das auf Servoverstärker einwirkt, die die Elektronenstrahlkanone oder das Werkstück relativ zueinander längs zweier Achsen, die senkrecht aufeinander stehen, antreiben und eine resultierende Bewegung erzeugen, die senkrecht zur Richtung der Schweißnaht verläuft. Das Fehlersignal wirkt kontinuierlich, um jederzeit die Ruhestellung des Strahls auf der Naht aufrechtzuerhalten. Der Sinus und Cosinus des Winkels der Richtung des Weges in bezug auf die X-Koordinate werden benutzt, um die X- und Y- Komponenten der gewünschten Relativgeschwindigleit längs der Naht zu bestimmen, so daß sich eine konstante Geschwindigkeit der Kanone in bezug auf das Werkstück längs des gewünschten Weges ergibt.

Positionsfehleranzeige

15

In F! g.! ist ein Blockschahbild der Gesamtschaltung dargestellt. Die Elektronenkanone 1, die Mittel zur Erzeugung und Fokussierung eines Elektronenstrahls und entweder elektrostatische oder elektromagnetische Einrichtungen 2 zur Ablenkung des Strahls enthält, erzeugt einen Elektronenstrahl mit niedriger Leistungsdichte durch Einstellen des Beschleunigungspotentials auf beispielsweise 60 kV und einer Strahlstromstärke auf 1 oder 2 mA.

Der Elektronenstrahl wird auf die Naht 3 zwischen den aneinanderliegenden Werkstücken 4 gerichtet. Die Einrichtung 2 zur Ablenkung des Strahls., die Mittel zum Ablenken des Strahls längs zweier zueinander senkrechter Achsen enthält, die rechte Winkel zu dem nicht abgelenkten Weg des Strahls bilden, wird von einem Generator 5 gespeist, in dem sinus- und cosinusförmige periodische Schwingungsströme erzeugt werden, die, wenn sie zu den Ablenkspulen für die X- und V-Achse geleitet werden, dazu führen, daß der Strahl einen kreisförmigen Weg zurücklegt, wobei der Durchmesser der Bahn auf den Werkstücken dutch die Entfernung zwischen der Kanone und dem Werkstück und durch die Stärke des periodischen sinus- und cosinusförmigen Stroms bestimmt wird, der durch die entsprechende Ablenkspule fließt. Wenn der Strahl seine kreisförmige Bewegung ausführt, werden sekundäre und reflektierte Elektronen an dem Punkt erzeugt, an dem der Elektronenstrahl auf das Werkstück auftrifft Die sekundären Elektronen werden durch die Antenne 6 gesammelt, die unterhalb der Fokussierspule angeordnet und von dieser isoliert ist Von den sekundären Elektronen, die gesammelt worden sind, wird ein Strom erzeugt Jedesmal, wenn der Elektronenstrahl die vorauseilende Führungskante der Naht zwischen den beiden Werkstücken überquert wird infolge der plötzlichen Verringerung des reflektierten Signals, das durch die Antenne aufgefanger, wird, ein impuls erzeugt Wenn die Kreisbahn des Elektronenstrahls auf die Naht zentriert ist wie in F i g. 3 dargestellt werden zwei um 180° voneinander entfernte Impulse bei jeder Umdrehung des Strahls erzeugt, wie sich aus F i g. 3a ergibt Wenn das Werkstück in bezug auf die Kanone längs der Naht so bewegt wird, daß der Kreis immer auf der Naht zentriert bleibt, was bedeutet, daß der Strahl, wenn er nicht bewegt würde, die Naht, wie erwünscht, trifft, wurden die erzeugten Impulse alle die gleiche Entfernung voneinander von 180° haben. Eine Betrachtung auf einem Kathodenstrahloszillograph würde ein Bild einer Reihe von Impulsen gemäß Fig.3a zeigen, die den gleichen Abstand voneinander haben. Sollte der Strahl sich in einer Richtung bewegen, die quer zur Naht verläuft, so wäre die Kreisbahn nicht auf der Naht zentriert, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, und die Impulse auf dem Kathodenstrahlanzeigegerät würden nicht den gleichen Abstand voneinander haben, sondern ihr Abstand wäre unterschiedlich, wie es in Fig.4a dargestellt ist. Fig.3 zeigt die Bahn 7 des auf dem Werkstück kreisenden Strahls. Der Strahl bewegt sich kreisförmig im Gegenuhrzeigersinn um den Schnittpunkt der X- und V-Koordinaten, und die Kanone bewegt sich in Richtung des Pfeils in bezug auf das Werkstück, so daß die Λ-Achse längs der Naht verläuft. Der Strahl trifft die Führungskante der Naht bei 0°, dann wieder bei 180° und bei 360° usw. Fig. 4 zeigt einen Zustand, bei dem die Kanone ein Stück in einer Richtung im rechten Winkel zu der Naht verschoben ist. In diesem Fall wird ein Impuls nicht bei 0° erzeugt, sondern bei 30°, dann wieder bei 150° und dies wiederholt sich, solange der Strahl an dieser Stelle rotiert oder längs eines Weges parallel zur Naht entlanggeführt wird.

Ein Zweck des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist es, den Elektronenstrahl längs des gewünschten Weges entlang der Naht auf dieser zentriert zu halten. Die relative Lage der erzeugten Impulse wird, wie oben erklärt, dazu benutzt, die Größe und die Richtung der Abweichung der Lage zu bestimmen, d. h. die Verschiebung des Mittelpunktes des Strahls in bezug auf die Naht, wenn die Elektronenkanone von dem gewünschten Weg abweichen sollte. Sie wird ferner dazu verwendet die Servoverstärker zu steuern, die die Bewegung der Antriebe für die X- und Y-Achse zum Verschieben der Kanone in bezug auf das Werkstück steuern, um den Elektronenstrahl zur Naht zurückzubringen. Die Positionsabweichung wird in folgender Weise bestimmt: Jeder erzeugte Impuls wird, nachdem er verstärkt und mit einem geeigneten elektronischen Kreis geformt ist einer Flip-Flop-Schaltung zugeführt deren Zustand von 1 auf 0 oder von 0 auf 1 mit jedem Impuls wechselt, der seinem Triggerkreis zugeführt wird. Als Ergebnis erscheint am Ausgang der Flip-Flop-Schaltung, wie in den Fig.3b und 4b dargestellt ist, ein Signal. F i g. 3b zeigt das Ausgangssignal, das sich unter der Bedingung, die in Fig.3a dargestellt ist, ergibt; Fig.4b zeigt das Spannungssignal, das sich unter der Bedingung ergibt, die auf F i g. 4a dargestellt ist. Die Signale, die von der Flip-Flop-Schaltung kommen, werden in dem Integrierverstärker 8 integriert, und man sieht sofort, daß die Integrierung der Wellenform 3b zu einem 0-Signal, während die Integrierung der Wellenform 46 zu einer negativen Ausgangsspannung führen würde. Man kann ferner sehen, daß, wenn die Elektronenkanone in der von F i g. 4 entgegengesetzten Richtung verschoben worden wäre, das Signal 4£ sich umkehren würde, und daß die sich ergebende Anzeige ein positives Fehlersignal für die abweichende Stellung wäre. Diese Fehlersignale werden den Antrieben für die X- und Y-Achse eingespeist und sorgen dafür, daß der Antrieb die Kanone oder das Werkstück in der richtigen Richtung bewegt, so daß die Abweichung ausgeglichen und der Strahl direkt über die Naht gebracht wird. Zu bemerken ist, daß die Bewegung nicht zu einer Geschwindigkeitskomponente längs der Naht beiträgt

Bestimmung und Trennung der
Geschwindigkeitskomponenten

Ein weiteres Ziel des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, die Bewegung der Kanone in bezug auf das Werkstück so einzustellen, daß die

Tangentialgeschwindigkeit längs des gewünschten Weges, der jede beliebige Form entsprechend der Gestalt der Naht zwischen den beiden Werkstücken haben kann, konstant bleibt. Dieser Weg kann kreisförmig, elliptisch oder quadratisch in den Fällen sein, in denen es notwendig ist, Einlagen in Platten einzuschweißen. Die Elektronenkanone wird in bezug auf das Werkstück mittels zweier Antriebssysteme 9 für die X- und 10 für die V-Achse bewegt, die die Kanone zum Werkstück längs Achsen antreiben, die senkrecht aufeinanderstellen. Die gewünschte Bewegungsrichtung muß daher in X- und V-Komponenten aufgeteilt werden, die rechte Winkel zueinander bilden, was zu einer gewünschten konstanten Tangentialgeschwindigkeit längs des gewünschten Weges führt. Dies erreicht man durch folgende Methode:

Das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung 11 wird vervielfacht durch den sin wt und den cos wt-Wert der periodischen Spannungen, die von dem Sinus-Cosinus-Generator 12 den Ablenkspulen zugeleitet werden, um die Kreisbewegung 7 des Strahls hervorzurufen. Wenn man den Fall betrachtet, bei dem der Strahl wie in F i g. 3 orientiert ist, was zu einem Rechteckwellen-Signal an der Flip-Flop-Schaltung führen würde, das in Phase mit sin wt wie in Fig.3b ist, ergibt sich, daß das Produkt des Ausgangs der Flip-Flop-Schaltung FF und der sin wf-Spannung zu einer Spannung führt, die die in F i g. 5c dargestellte Wellenform hat. Diese ruft, wenn sie integriert wird, eine maximale Ausgangsspannung hervor, der man den Wert 1 gibt. Der Ausgang ist proportional dem Cosinus von Theta (cos Θ), d. h. dem Winkel zwischen der X-Achse des kreisenden Strahls und der tatsächlichen Richtung der Naht an diesem Punkt Man sieht ferner, daß die Multiplikation der Ausgangswellenform der Flip-Flop-Schaltung mit cos wt des Stroms, der die Ablenkspulen speist, zu einer Wellenform führt, wie sie in F i g. 5e dargestellt ist und die, wenn sie integriert wird, eine Ausgangsspannung des Wertes 0 hervorruft, die der Sinus von 0° ist. Diese Multiplikation ruft ein Signal hervor, das proportional dem Sinus des Winkels (sin Θ) zwischen der X-Achse des kreisenden Strahls und der Richtung der Naht ist. Wenn man den analogen Wert der gewünschten Geschwindigkeit mit diesen analogen Spannungen des cos θ und des sin θ multipliziert, erhält man zwei Spannungen, von denen eine analog der Geschwindigkeitskomponente längs der X-Achse ist, das ist die, die durch Multiplikation des gewünschten Geschwindigkeits-Steuersignals mit cos θ erhalten wird und die zweite die V-Komponente der Geschwindigkeit ist, die erhalten wird durch Multiplikation des gewünschten Geschwindigkeits-Steuersignals mit sin Θ. Diese Signale steuern die entsprechende Geschwindigkeit des Antriebsysiems 9 für die X-Achse bzw. des Aniriebsysienis 10 für die V-Achse, so daß die Kanone in bezug auf das Werkstück 4 längs des gewünschten Weges mit der gewünschten Geschwindigkeit bewegt wird, wie es durch das Geschwindigkeits-Steuersignal 13 vorgegeben ist Das oben beschriebene System liefert Signale geeigneter Größe und des richtigen Vorzeichens, so daß der Strahl auf der Naht jederzeit gehalten wird und so, daß die Bewegung der Elektronenstrahlkanone in bezug auf das Werkstück in der richtigen Richtung längs der Naht und mit der gewünschten Tangentialgeschwindigkeit erfolgt Sollte ein Fremdimpuls, z. B. ein elektrisches Geräusch, dazu führen, daß die Flip-Flop-Schaltung sich an einem Punkt einschaltet, an dem der Strahl die Naht nicht überquert oder, wenn der erforderliche Impuls nicht in dem Augenblick erzeugt wird, in dem der Strahl die Naht überquert, werden die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltung in Phasenlage mit sin wf und cos wt geschaltet, wobei die festliegenden Signale den Generator 5 für die Kreisbewegung antreiben mit dem Ergebnis, daß die Spannungen, die den Antriebssystemen für die X- und V-Achse zugeführt werden, in ihrer Polarität umgekehrt werden, so daß sich die Antriebe in einer Richtung bewegen, die entgegengesetzt zu der ίο gewünschten Richtung ist.

Sicherheitsimpulssystem

Um diese Art der Betätigung zu verhindern, sind Einrichtungen, die Informationsimpulse zulassen, die der Flip-Flop-Schaltung nur während eines kurzen Intervalls in jedem Halbzyklus zugeführt werden und Einrichtungen zum Ersetzen fehlender Impulse in der Gesamtschaltung vorgesehen. Das Verfahren, mit dem dieses erfolgt, kann am besten unter Bezugnahme auf Fig.6 verstanden werden, die die Tätgkeit in der Fensterimpulsschaltung und dem Impulssicherungssystem zeigt. F i g. 6a zeigt eine Reihe von Impulsen, die von dem Abtasten der Naht durch den Elektronenstrahl stammen, wie sie nach der Verstärkung und Formung auftreten. Diese Impulse werden der Fensterimpulsschaltung 15 zugeführt, die das Signal, das in Fig.6b dargestellt ist, an das Verknüpfungsglied 14 weiterleitet, das zwischen dem Impulsverstärker sowie dem Formgebungskreis 25 und der Flip-Flop-Schaltung 11 liegt. Während der durch den oberen Abschnitt der Fensterimpulse der Fig.6b dargestellten Periode, die etwa 5 Millisekunden beträgt, werden alle Geräuschimpulse, die erzeugt werden können, daran gehindert, einen Triggerimpuls hervorzurufen, der die Flip-Flop-Schaltung 11 schalten würde. Die Fensterimpulsschaltung 15 wird offen gehalten für einen Zeitraum von ungefähr 3 Millisekunden, der auf die Schließperiode folgt Wenn ein Informationsimpuls von den in Fig.6c dargestellten Impulsen ankommt, während die Fensterimpulsschaltung offen ist, wird ein Triggerimpuls erzeugt, der sofort bewirkt, daß die Flip-Flop-Schaltung 11 ihren Zustand ändert Sollte ein Informationsimpuls nicht auftreten, bleibt die Fensterimpulsschaltung offen und ein Sicherheitsimpuls, der in der Sicherheitsimpulsschaltung 16 etwa 10 Millisekunden nach jedem Triggerimpuls erzeugt wird, an das Verknüpfungsglied 14 geliefert und erzeugt einen Triggerimpuls, der die Flip-Flop-Schaltung 11 schaltet, um sie in der richtigen Phasenbeziehung mit sin wizu halten.

so Die oben beschriebene Methode, Sicherheitsimpulse zu liefern, erlaubt es, den Richtungssinn des Systems aufrechtzuerhalten, auch wenn ein Fehlimpuls gelegentlich auftritt Damit das Steuersystem seinen Richtungs-

wenn tdiiiiipuiae

Zeitabschnitte ganz verschwinden, wird eine Schutzimpulsschaltung benutzt, die wie folgt arbeitet:

Richtungsüberprüfung

Die Schutzimpulsschaltung ist ein System zum Bestimmen der Richtung, die die Kanone in bezug auf ein vorher eingerichtetes Bezugssystem einnimmt und die sicherstellt, daß die Kanone dem Weg genau folgt, wenn sie in einer bestimmten Richtung gestartet ist Der Kreis, der von dem sich drehenden Elektronenstrahl beschrieben wird, ist in vier Quadranten eingeteilt, die sich leicht überlappen Wenn man den sin wt des Generators für die Kreisbewegung als Bezugsgröße nimmt, wird der Quadrant von etwa —50° bis +50° als

X+ bezeichnet. Der danebenliegende Quadrant im Gegenuhrzeigersinn von 40° bis 140° wird als Y+ und die folgenden Quadranten als X— und Y— bezeichnet, wobei jeder 90° überdeckt, zuzüglich einer Überlappung, wie es in F i g. 7 dargestellt ist. Auf dieser Figur sind zwei mögliche Wege dargestellt, die die zu schweißende Naht anzeigen und längs denen die Elektronenstrahlkanone daher bewegt werden soll. Der Weg, der durch die durchgehende Linie 17 bezeichnet ist, längs der die Kanone in Richtung des Pfeiles bewegt werden soll, wird von dem kreisenden Strahl nach ungefähr 30° einer Bewegung im Gegenuhrzeigersinn von der 0°-Bezugslinie längs der X-Achse überquert. Wenn der Strahl die Naht trifft, wird, wie in Fig.8b dargestellt, ein Informationsimpuls erzeugt, der negativ gerichtet ist und, wenn der Impuls in den Ausgangszustand 1 zurückkehrt, springt die Flip-Flop-Schaltung von 0 in den 1-Zustand um. Die gestrichelte Linie 18 auf F i g. 7 zeigt eine Naht, der die Kanone in der Richtung des danebenliegenden Pfeiles folgen soll. Der Elektronenstrahl erzeugt, nachdem er die Naht während seiner Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn getroffen hat, einen Impuls, der in F i g. 8e dargestellt ist Der erste der vorstehend erwähnten Impulse wurde in dem X⁺ -Quadranten erzeugt, der zweite in dem X--Quadranten. Um den Quadranten abzutasten, in dem ein Impuls erzeugt werden kann, werden vier Quadrantenschaltungen 19 benutzt, die mit X+, Y+, X— und Y— bezeichnet werden. Die vier Quadrantenschaltungen (Fig. 10) werden nacheinander gleichlaufend mit dem kreisenden Strahl geöffnet, wenn dieser die Quadranten während eines Weges überquert Jede Quadrantenschaltung besteht aus einem NOR-Glied, dessen Ausgang 0 ist, wenn an irgendeinen der drei Eingänge eine positive Spannung angelegt ist Wenn alle drei Eingänge gleichzeitig auf 0 gebracht werden, hat das NOR-Glied einen Ausgang 1. Der Vierphasengenerator 20 des Blockschaltbildes der F i g. 10 liefert Spannungen, die in F i g. 8a dargestellt sind an jede Quadrantenschaltung, die der Reihe nach einen negativen Eingang haben, wobei die X⁺ -Quadrantenschaltung offen bleibt während der Periode, während der der Strahl den X-Quadranten überquert und die Y⁺ -Quadrantenschaltung nur während der Zeit offen bleibt, während der der Strahl den Y⁺ -Quadranten überquert usw. der Reihe nach für die X- und die y-Schaltungen. Wenn eine der NOR-Quadrantenschaltungen an einem der Eingänge negativ gehalten wird und die Flip-Flop-Schaltung einen 0-Wert an die Schaltungen liefert, wie in F i g. 8c, und ein Informationsimpuls an der Schaltung ankommt, liefert die Quadrantenschaltung, die schon zwei Eingänge auf 0 hat, einen 1-Impuls an ihrem Ausgang. Wenn der Elektronenstrahl den Punkt 21 der Naht kreuzt, tritt ein Ausgangsimpuls von der X⁺ -Quadrantenschaltung auf (Fig.8d), der an einen integrierenden Verstärker geliefert wird, der nach der Integrierung mehrerer Impulse die Schutzimpulsschaltung öffnet, wodurch ein 6-Schutzimpuls an die Löschschaltung geliefert wird, die einen Impuls an die Flip-Flop-Schaltung liefert, der diese so löscht, daß sie in der richtigen Stellung für den nächsten ankommenden Impuls ist, der erzeugt wird, wenn der Elektronenstrahl die Naht an dem Punkt 22 überquert Die Schutzimpulse, die oben erwähnt sind, werden in einem Schutzimpulsgenerator (Fig.9) erzeugt, der vier gesonderte Impulse erzeugt, die mit a, b, c und d bezeichnet sind, wobei der a-Impuls, wenn sin wt durch 0 geht, der i-Schutzimpuls bei 90°, der c-Schutzimpuls bei 180° und der cf-Schutzimpuls bei 270° erzeugt wird.

Auf F i g. 9 ist schematisch ein Verknüpfungsglied für ein System dargestellt, das benutzt werden kann, um die Schutzimpulse zu erzeugen. Das System eignet sich zur Erzeugung von Schutzimpulsen a und c, die in bezug auf die sin wf-Spannungswelle um 180° voneinander entfernt sind. Das System enthält für NOR-Schaltungen, die, wie dargestellt, miteinander verbunden sind. Im Ruhezustand haben die Ausgänge c und e der

ίο NOR-Schaltungen den Wert 1, sofern die Eingänge beider NOR-Schaltungen den Wert 0 haben. Wenn eine Sinuswelle mit einem Wert von 200 V von Spitze zu Spitze an die Eingangsklemme der NOR-Schaltung A und an Masse angelegt wird, geht die NOR-Schaltung A, deren Ausgang den Wert 1 hat, auf 0, wenn ihr Eingang 0 ist, da die positiv verlaufende Sinuswelle, die an den Eingang angelegt ist, durch 0 geht. Der Ausgang der NOR-Schaltung 5 geht auf 1, der Kondensator Ci lädt sich schnell durch den Eingangswiderstand in der NOR-Schaltung C auf, und die NOR-Schaltung C erzeugt während der Aufladung einen negativ gerichteten Ausgangsimpuls. Wenn der Ausgang b, der zur NOR-D-Schaltung geliefert wird, den Wert 1 hat, ist der Ausgang der NOR-Schaltung D=O und der der Schaltung fbleibt bei 1.

Wenn die positive Halbperiode der Sinuswelle sich 0 nähert, wird der NOR-/4-Ausgang 1, der NOR- B-Ausgang 0, der NOR-C-Ausgang bleibt bei 1, die NOR-D-Schaltung, die mit 0 von B gespeist wird, geht am Ausgang in den Wert 1 über, und während der Ladung von C2 sättigt der Ladestrom den Transistor in der NOR-F-Schaltung, so daß diese einen negativen, nach 0 verlaufenden Impuls für einen kurzen Zeitraum liefert. Auf diese Weise ist ein negativ gerichteter Ausgangsimpuls an der NOR-C-Schaltung bei 0° der sin -tVi-Spannungswelle geliefert worden und ein negativ gerichteter Ausgangsimpuls an der NOR-E-Schaltung, wenn sich sin wt 180° nähert, wodurch Schutzimpulse a und c bei 0° und 180°, wie in F i g. 7 angedeutet, erzeugt werden. Die Schutzimpulse d und b werden dadurch erzeugt, daß an einen ähnlichen Kreis eine Eingangsspannung von cos wt angelegt wird, die eine Spitze zu Spitze-Größe von 200 V hat Auf diese Weise werden die vier getrennten negativ gerichteten Steuerimpulse erzeugt, die in bezug auf das Erdpotential an den Ausgangsklemmen ihrer NOR-Schaltung auftreten.

Wenn die vorauseilende Kante der Naht in dem X⁺ -Quadranten ist, hält der X⁺-Integrierverstärker einen 0-Eingang an den NOR-Schaltungen B und D aufrecht, in dem Augenblick, in dem der kreisende Strahl die 90°-Stellung in dem benachbarten Y+ -Quadranten überquert, wird der Schutzimpuls b erzeugt, läuft durch die Schutzimpulsschaltung und wird durch die Lösch-ODER-Schaltung der Flip-Flop-Schaltung zugeführt und bringt diese in die Löschstellung. Wenn der Strahl in seiner Bewegung im Gegenuhrzeigersinn fortfährt, überquert er die Naht an dem Punkt 22, an dem ein Informationsimpuls erzeugt wird, der den Flip-Flop-Schalter in die Schaltstellung bringt Wenn der Strahl den 270°-Punkt in dem Y- -Quadranten überquert, wird ein d-Impuls erzeugt, der über die Schutzimpulsschaltung durch die Steuerschaltung der Flip-Flop-Schaltung zugeführt wird. Auf diese Weise gelangt diese in den Steuerzustand, wenn sie durch ein Geräusch getriggert wird und vom Steuerzustand in den Löschzustand während des Zeitraumes zwischen dem Punkt 22 und der 270°-Stellung oder, wenn der Impuls, der hätte erzeugt werden sollen, an dem Punkt 22 nicht

erzeugt worden ist.

Ein ähnlicher Vorgang und die Erzeugung von Schutzimpulsen tritt auf, wenn die Kanone sich in dem X-Quadranten bewegt, wie durch die gebrochene Linie in Fig.7 angedeutet ist. In diesem Fall läuft ein d-Schutzimpuls durch die Löschschaltung und liefert einen Impuls an die Löschseite der Flip-Flop-Schaltung in dem Augenblick, in dem der Strahl durch die 270°-Stellung geht und ein ö-lmpuls wird durch die Steuerschaltung der Flip-Flop-Schaltung zugeführt, um diese in der Steuerstellung zu halten, wenn der kreisende Strahl durch den 90°-Punkt geht Auf diese Weise wird die Flip-Flop-Schaltung synchron mit der Stellung des Strahls in seiner Kreisbewegung gehalten, um die Bewegung der Elektronenstrahlkanone in der richtigen Stellung zur Naht zu halten.

Das oben beschriebene System erzeugt Signale, die, wenn sie den Steuersystemen für die X- und V-Achse zugeführt werden, dafür sorgen, daß die Elektronenstrahlkanone genau der zu schweißenden Naht folgt Durch Verwendung von X- und i^-Achsen-Codierern an den Wagen für die X- und Y-Achsen, können die X- und y-Koordinaten der Stellung der Kanone kontinuierlich verschoben werden mit einer Genauigkeit von z. B. Vio ooo inch. Diese Daten können einem Computer eingegeben und in einem geeigneten Speichersystem gespeichert und dann dazu benutzt werden, eine geradlinige Interpolation des Weges mit einer vorgegebenen Abweichungstoleranz zu erhalten. Diese Information kann in einem magnetischen Speicher zurückgehalten und dazu benutzt werden, die Lage eines zweiten Strahls einer Elektronenstrahlkanone zu steuern, die hinter der Kanone angeordnet wird, die benutzt wird, die Naht »abzutasten und ihr zu folgen, wobei man die Differenz der Stellung der zwei Kanonen berücksichtigt

is Die Information in dem Computerspeicher kann dazu benutzt werden, die gleiche Kanone, die die Naht abfährt, so auszurichten, daß sie während des Schweißens dieser Naht folgt wie es angezeigt wird durch die Information, die von dem Computer geliefert worden

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern der Bewegung einer Elektronenstrahlkanone, bei dem der Elektronenstrahl der Fuge zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken genau folgt, wenn sich der Elektronenstrahl in bezug auf das Werkstück bewegt, wobei die bei einer Abweichung von der Schweißfuge auftretende Differenz der von emittierten Sekunda- to ren Elektronen abgeleiteten Signale zum Ausrichten der Elektronenstrahlkanone auf die Schweißfuge benutzt wird, gekennzeichnetdurch folgende Merkmale:

15

a) es wird ein fokussierter Elektronenstrahl geringer Leistungsdichte auf das zu schweißende Werkstück gerichtet und so abgelenkt, daß er eine kreisförmige Bewegung ausführt, bei der er die Schweißfuge während jeder Kreisbahn zweimal überquert,

b) der Elektronenstrahl wird längs zweier normal zum Strahl und zueinander senkrecht stehender Achsen durch sich periodisch ändernde Spannungen abgelenkt, die sich entsprechend den Funktionen sin tvfundcos «^verändern,

c) wenn der Elektronenstrahl die Schweißfuge während seiner kreisförmigen Bewegung überquert, wird ein Stromimpuls erzeugt, der an ein binäres elektronisches Verknüpfungsglied angelegt wird, dessen Ausgangsspannung ein Rechteckwellensignal ist, das sich synchron mit jedem Impuls zwischen zwei Spannungspegeln ändert,

d) die Ausgangsspannung wird integriert und ein Fehlersignal erzeugt, das die Abweichung der Ausgangsstellung des Elektronenstrahls von der Schweißfuge wiedergibt,

e) die Ausgangsspannung wird mit den Ablenkspannungen sin wt und cos wt multipliziert, so daß zwei getrennte Produktspannungen entstehen, die einem Sinus- bzw. Cosinus-Wert eines Winkels θ zwischen der Schweißfuge und einer der Achsen entsprechen,

f) das Fehlersignal wird mit den Produktspannungen sin6 und cos θ multipliziert, um die Stellungsfehlerkomponenten in bezug auf die Achsen zu erhalten,

g) eine Analogspannung, die einer gewünschten Tangentialgeschwindigkeit längs der Schweißfuge entspricht, wird mit den vorher erzeugten Produktspannungen sine und cos θ multipliziert, um getrennte Spannungen zu erhalten, die den Komponenten der Tangentialgeschwindigkeit entsprechen,

h) die Stellungsfehlerspannungen werden getrennt einmal mit der X- Komponente und einmal mit der V-Komponente der Tangentialgeschwindigkeit summiert und

i) die so erzeugten Signale werden je einem Servosystem zugeführt, von denen jedes die Elektronenstrahlkanone längs der entsprechenden Achse verschiebt, so daß die Kanone mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit längs eines parallel zu der Schweißfuge verlaufenden Weges bewegt wird.