DE2451366C3

DE2451366C3 - Einrichtung zum Regeln des Strahlstromes in einem technischen Ladungsträgerstrahlgerät

Info

Publication number: DE2451366C3
Application number: DE19742451366
Authority: DE
Inventors: Alfred von Dipl.-Ing. 8000 München Walter
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Filing date: 1974-10-29
Publication date: 1977-10-20

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln des Strahlstromes in einem technischen Ladungsträgerstrahlgerät zur Werkstückbearbeitung, mit einem Strahlerzeugungssystem, das eine die Träger emittierende Trägerstromquelle enthält, ferner mit einer Vorrichtung zum Einschalten und Unterbrechen des auf das Werkstück auftreffenden Ladungsträgerstrahles, einer Meßanordnung zum Bestimmen dei Stromstärke (»Werkstückstrom«) des auf das Werkstück auftreffenden Ladungsträgerstrahles bei desser Einschalten, und einer Regelvorrichtung zum Regelr der Stromstärke des vom Strahlerzeugungssysten abgegebenen Ladungsträgerstrahles.

Aus der DT-PS 21 53 695 ist eine Einrichtung de oben angegebenen Art für ein im Impulsbetriel arbeitendes Ladungsträgerstrahlgerät bekannt, bei den

der Maximalwert des Werkstückstromes während jedes Ladungsträgerstrahlimpulses gemessen, gespeichert und als Strom-Istwert zur Regelung der Stromstärke eines nachfolgenden Ladungsträgerstrahlimpulses verv.endet wird.

Einrichtungen dieser Art haben sich für Ladungsträgerstrahlgeräte gut bewährt, die mit periodi~chen Ladungsträgerstrahlimpulsen arbeiten. Bei unregelmäßigen Impulsfolgen und langen Impulspausen können sich jedoch Schwierigkeiten ergeben, da dann der früher ,₀ gemessene Strom-Istwert für den späteren, aufgrund dieses Istwertes geregelten Strom nicht mehr repräsentativ zu sein braucht.

Bei dem bekannten Ladungsträgerstrahlgerät wird der Strahlstrom durch die Spannung an einer Steuer- ,₅

der StraniSirulll uuiui uii, jponnuug an tiiici jicuci-

elektrode (Wehneltzylinder) im Strahlerzeugungssystem gesteuert. Es sind jedoch auch Ladungsträgerstrahlgeräte bekannt, bei denen das Strahlerzeugungssystem einen kontinuierlichen Ladungsträgerstrahl liefert und der Werkstückstrom dadurch steuerbar ist, daß der Ladungsträgerstrahl zwischen einer Arbeitsposition, in der er auf das Werkstück auftrifft, und einer Ruheposition, bei der er auf eine Auffängeranordnung auftrifft, ein- und ausschaltbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe _J5 zugrunde, eine Strahlstromregeleinrichtung für ein Ladungsträgerstrahlgerät des letzterwähnten Typs anzugeben, die eine Regelung des Strahlstromes auch dann erlaubt, wenn der Strahlstrom in unregelmäßigen und verhältnismäßig langen Abständen ein- und ausgeschaltet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale

gelöst.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine kontinuierliche Regelung des Strahlstromes auch wenn der Werkstückstrom durch Ablenkung des Ladungsträgerstrahles für verhältnismäßig lange Zeitspannen, z. B. in der Größenordnung von Minuten, unterbrochen wird. Durch die Regelung werden insbesondere Änderungen des Emissionsverhaltens derTrägerstromquelle unwirksam gemacht. . . ■ , .

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ladungsträgerstrahlgerätes mit einem Blockschaltbild einer Regeleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung, ...

Fig.2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles eines Reglers für die Regeleinrichtung gemäß F i g.

Fig.3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen, wie sie im Betrieb der Regeleinrichtung gemäß F i g. 1 und 2 auftreten.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten technischen Ladungsträgerstrahlgerät zur Werkstückbearbeitung handelt es sich um ein Elektronenstrahlgerät (»EB-Gerät«) das in bekannter Weise zur Bearbeitung eines Werkstückes 12 dient, also z.B. zum Bohren, Schneiden, Schweißen u. dgl.

Das Elektronenstrahlgerät enthält ein Strahlerzeugungssystem mit einer als Trägerstromquelle (hier Elektronenstromquelle) dienenden Kathode 14, Steuerelektrode 16 (Wehneltzylinder) und Anode 18.

Das Strahlerzeugungssystem 14-16-18 liefert einen Elektronenstrahl 20, der durch eine magnetische Linse 22 auf das Werkstück 12 fokussiert wird und durch ein magnetisches Ablenksystem 24 zwischen einer unabgelenkten Arbeitsposition, in der er auf das Werkstück 12 auftrifft, und einer abgelenkten, gestrichelt dargestellten Ruheposition, in der er auf einen Auffänger 26 auftrifft, ablenkbar ist.

Zwischen dem Ablenksystem 24 und dem Werkstück 12 ist eine gewöhnlich als Toroidspule ausgebildete Strommeßspule 28 angeordnet, in der beim Umschalten des Elektronenstrahls von der Ruheposition in die Arbeitsposition ein Stromimpuls induziert wird, dessen Maximalwert proportional dem Istwert der Stromstärke des auf das Werkstück auftreffenden Elektronenstrahls 20 in dessen Arbeitsposition ist.

Die Kathode 14 ist mit der negativen Klemme 'einer Hochspannungsquelle 30 verbunden, die eine Gleichspannung in der Größenordnung von z. B. 100 kV liefert. Der positive Pol der Hochspannungsquelle ist über einen Strommeßwiderstand 32 mit Masse verbunden. Auch das Werkstück 12 und der Auffänger 26 liegen auf Masse. Die Steuerelektrode 16 wird durch eine Steuerspannungsquelle 34 mit einer Steuerspannung versorgt, die gewöhnlich negativ bezüglich der Kathodenspannung ist. Die von der Steuerspannungsquelle 34 erzeugte Steuerspannung ist durch einen Regler 36 ι regelbar, der mit einer Stromsollwertsignalquelle 38 verbunden ist.

Das Ablenksystem 24 ist über einen Verstärker 40 mit einer Ablenksignalquelle 42 verbunden. Der beim Einsetzen des Werkstückstromes, also bei der Ablenkung des Elektronenstrahls 20 von der Ruheposition in die Arbeitsposition, entstehende Stromimpuls wird dem Regler 36 zugeführt und dient dort als Maß für den Istwert des Werkstückstroms im Augenblick von dessen Einschaltung.

Soweit beschrieben, ist die Einrichtung im Prinzip

bekannt.

Bei der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung wird dem Regler 36 zusätzlich noch ein vom Strommeßwiderstand 32 abgegriffenes oder anderweitig erzeugtes Emissionsstrom-Istwertsignal über eine Leitung zugeführt. Im Regler 36 wird beim Einsetzen des Werkstückstromes unter Steuerung durch ein Triggersignal von der Ablenksignalquelle 42 der Quotient aus dem momentanen Istwert des Werkstückstroms und dem momentanen Istwert des Emissionsstromes gebildet. Dieser Quotient soll als Strahlstromwirkungsgrad bezeichnet werden und gibt den Bruchteil des Emissionsstromes an, der in der Arbeitsposition des Elektronenstrahls am Werkstück ankommt. Es hat sich gezeigt, daß der Strahlstromwirkungsgrad eines Ladungsträgerstrahlgerätes ziemlich konstant ist, so daß man den Istwert des Werkstückstromes, der wegen der induktiven Messung durch die Strommeßspule nur im Augenblick des Einschaltens bestimmt werden kann, auch längere Zeit nach dem Einschalten dadurch mit guter Genauigkeit ermittelt werden kann, daß man den Emissionsstrom mit dem Strahlstromwirkungsgrad multipliziert. Der Regler enthält also eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahlstromwirkungsgradsignals aus den Momentanwerten des Werkstückstromes und des Emissionsstromes beim Einschalten des Werkstückstromes, sowie eine Anordnung zum kontinuierlichen Bilden des Produktes aus dem Istwert des Emissionsstromes und dem beim Einschalten ermittelten Strahlstromwirkungsgrad. Dieses Produkt steht während der ganzen Einschaltdauer des Elektronenstrahls zur Verfügung und wird im Regler 36 als kontinuierliches Werkstückstrom-Istwertsignal verwendet, mit dem

Stromsollwertsignal verglichen und in üblicher Weise zur Bildung eines Fehlersignals verwendet, das die Steuerspannungsquelle 34 im Sinne einer Herabsetzung des Fehlersignals steuert.

F i g. 2 zeigt eine digital arbeitende Ausführungsform des Reglers 36, die im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 3 anhand ihrer Arbeitsweise erläutert werden soll:

Das auf einer Leitung 46 von der Strommeßspule 28 zugeführte Werkstückstrom-Istwertsignal wird in einem Verstärker 48 verstärkt und zwei Abtast- und Speicherschaltungen 50 und 52 zugeführt. Der Abtastzeitpunkt wird jeweils durch eine Zeitsteuerschaltung 54 bestimmt, der das Triggersignal von der Ablenksignalquelle 42 über eine Leitung 56 zugeführt ist und die ihrerseits über Leitungen 58 und 60 mit der Abtast- und Speicherschaltung 50 bzw. 52 verbunden ist.

Die Ablenksignalquelle 42 liefert im Zeitpunkt /₀ ein impulsförmiges Triggersignal 62 an die Zeitsteuerschaltung 54. Dieses Triggersignal tastet in einem Zeitpunkt U, der kurz vor dem im Zeitpunkt i2 erfolgenden Einsetzen des Werkstückstromes liegt, die Abtast- und Speicherschaltung 50, um in dieser den Ruhewert des Werkstückstromes zu speichern. In einem Zeitpunkt /3 tastet die Zeitsteuerschaltung 54 über die Leitung 60 die Abtast- und Speicherschaltung 52, in der dadurch der Werkstückstrom-Istwert beim Einschalten gespeichen wird. Die Strommeßspule 28 vermag ja nur einen Stromsprung wahrheitsgetreu zu übertragen, infolge der durch die Induktivität und den Innenwiderstand gebildeten Zeitkonstante dieser Spule fällt der Spulenstrom nach einer e-Funktion ab, wie in F i g. 3 in der dritten Kurve von oben dargestellt ist. Der Zeitpunkt h wird zweckmäßigerweise so gelegt, daß er mit dem Maximum des Strommeßspulensignals zusammenfällt.

Die in den Abtast- und Speicherschaltungen 50 und 52 gespeicherten Signale werden den Eingängen eines Differenzverstärkers 64 zugeführt, der das von der Abtast- und Speicherschaltung 50 erzeugte Werkstückstrom-Ruhewertsignal von dem in der Abtast- und Speicherschaltung 52 erzeugten eigentlichen Werkstückstrom-Istwertsignal abzieht. Das so erzeugte Differenzsignal wird einem Signaleingang eines Analog/Digital-Umwandlers 66 zugeführt. Der Digital-Analog-Umsetzer übernimmt im Zeitpunkt U unter Steuerung durch einen Tastimpuls 68 von der Zeitsteuerschaltung 54 das Differenzsignal vom Differenzverstärker 64 und formt dieses in ein 10-Bit-Wort um, das unter Steuerung durch einen Tasiimpuls 70 im Zeitpunkt (5 parallel in einen Zähler 72 übernommen wird.

Das über die Leitung 44 kontinuierlich zugeführic Emissionsstrom-lstwertsignal wird in einem Spannungs/ Frequenz-Wandler 74 in eine der Spannung proportionale Frequenz f\ umgeformt, die beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 1 MHz liegen kann. Der Ausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 74 ist über eine Torschaltung 76 mit einem Rückwärtszähleingang des Zählers 72 verbunden. Die Torschaltung 76 ist durch einen in einem Zeitpunkt t_b auftretenden Impuls 78 auftastbar und wird durch einen über eine Leitung 80 zugeführlen Sperrimpuls, der vom Zähler 72 erzeugt (>o wird, wenn er den Zählwert 0 erreicht, wieder gesperrt. Der Impuls 78 wird in einem Zeitpunkt k erzeugt, der vorzugsweise mit der Frequenz f\ des Spannungs/Frequenz-Wandlers synchronisiert wird, um die höchstmögliche Genauigkeit zu erzielen. Der Impuls 78 gibt (15 außerdem einen Festfrcquenzgencrator 82 frei, der z. B. aus einem Multivibrator bestehen kann und eine feste Frequenz /j von /.. B. 1 MHz über eine Torschaltung 84 an einen zweiten Zähler 86 liefert. Die Torschaltung 84 wird durch das Sperrsignal auf der Leitung 80 gesteuert und ist so lange offen, wie der Zähler 72 einen Zählwert größer alsO enthält.

Die Zeit 7"die der Zähler 72 benötigt um von seinem durch das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers bestimmten Anfangszählwert auf 0 zurückzuzählen, ist proportional dem im Zeitpunkt f₃ gemessenen Werkstückstrom Iw und umgekehrt proportional der Frequenz f\. Es ist also:

τ ~ JiL ~ 2üL

/rist der Emissionsstrom.

Der Zähler 86 zählt unter Steuerung durch die Torschaltung 84 eine der Zeit Γ entsprechende Anzahl der Perioden der vom Festfrequenzgenerator 82 erzeugten Frequenz /j und der auf diese Weise ermittelte Zählwert, der aus einem 10-Bit-Wort besteht, wird unter Steuerung durch den Sperrimpuls vom Zähler 72 in einen Speicher 88 übernommen. Dieser Digitalwert im Speicher 88 ist dem Strahlstromwirkungsgrad IV= Iwlli- proportional und wird einem multiplizierenden Digital/Analog-Umformer 90 als das eine Faktorensignal zugeführt. Das andere Faktorensignal besteht aus dem über die Leitung 44 zugeführten Emissionsstrom-lstwertsignal. Das Ausgangssignal des Digital/Analog-Umformers ist das aufgrund des als konstant angenommenen Strahlstromwirkungsgrades errechnete, während der ganzen Einschaltdauer des Werkstückstromes zur Verfügung stehende analoge Werkstückstrom-Istwertsignal, das einem PI-Regelgerät 92 zugeführt wird. Das PI-Regelgerät 92 erhält ferner das Stromsollwertsignal von der Stromsollwertsignalquelle 38. Das Stromsollwertsignal kann konstant sein oder einen durch eine Programmsteuerung u. dgl. vorgebbaren Verlauf haben.

Das PI-Regelgerät liefert ein Steuersignal an die Steuersignalquelle 34, das die Steuerspannung im Sinne einer Verringerung der Differenz zwischen Werkstückstrom-Sollwert und Werkstückstrom-Istwert beeinflußt.

Der sich auf diese Weise ergebende geschlossene Regelkreis hat eine Regelzeitkonstantc, die nach unten praktisch nur durch die Zeitkonstante der Steuerspan· nungsvcrstellung bestimmt wird, also ohne Schwierigkeiten auf etwa 10 bis 100 ms reduziert werden kann Die Regelzeitkonstantc ist dagegen nicht abhängig vor der Häufigkeit der durch die Strommeßspule 2i gelieferten MelJsignalc. In der Praxis ändert sich del oben definierte Strahlstromwirkungsgrad W im Lauf« der normalerweise etwa 1,5 Stunden dauernden Auf wärmphase eines Strahlerzcugungssystems übliche Bauart nur um ca. 10%, während sich der Emissions strom um den Faktor 2 und mehr ändern kann. Wcde «.ine Regelung die nur auf dem irmissionsstrom-lstwer basiert, noch eine Regelung die allein auf der Werkstückstrom-Istwcrt im Zeitpunkt des Einschalten basiert, kann also die Genauigkeit und kurze Rcgclzeil konstante der vorliegenden Regeleinrichtung erreichet Bei der vorliegenden Einrichtung ist eine Regelgenauif kcit bis zu IO-³ ohne besondere Schwierigkeite erreichbar.

Anstelle der anhand von F i g. 2 und 3 beschriebene digitalen Schaltungsanordnung können selbstverstäm lieh auch andere digitale Rcgelschaltungen oder auc analog arbeitende Regelschaltungcn verwendet werde die die eingangs erläuterten Funktionen zu erfülle vermögen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Regeln des Strahlstromes in einem technischen Ladungsträgerstrahlgerät zur 5, Werkstückbearbeitung, mit einem Strahlerzeugungssystem, das eine die Ladungsträger emittierende Trägerstromquelle enthält, ferner mit einer Vorrichtung zum Einschalten und Unterbrechen des auf das Werkstück auf treffenden Ladungsträger-Strahles, einer Meßanordnung zum Bestimmen der Stromstärke des auf das Werkstück auftreffenden Ladungsträgerstrahles (»Werkstückstrom«) und einer Regelvorrichtung zum Regeln der Stromstärke des vom Strahlerzeugungssystem abgegebenen Ladungsträgerstrahles, für ein Ladungsträgerstrahlgerät, bei dem das Einschalten und Unterbrechen des auf das Werkstück auftreffenden Ladungsträgerstrahles durch dessen Ablenken zwischen einer Arbeitsposition, in der er auf das Werkstück auftrifft, und einer Ruheposition, in der er auf eine Auffängeranordnung auftrifft, erfolgt, gekennzeichnet durch eine zweite Meßanordnung (32, 74) zum fortlaufenden Bestimmen des Emissionsstromes der Trägerquelle (14); eine Dividier- und Speicherschaltung (48—88) zur Bildung und Speicherung eines Quotientensignals aus den Werten des Emissionsstromes und des Werkstückstromes beim Einsetzen des letzteren; einer Multiplizierschaltung (90) zum fortlaufenden Bilden eines Produktsignals aus dem gespeicherten Quotientensignal und dem fortlaufend erzeugten Emissionsstrom-lstwertsignal; und einer Anordnung zum Vergleichen des Produktsignals mit einem Werkstückstrom-Sollwertsignal unter Erzeugung eines Fehlersignals, das der Regelvorrichtung (92, 34) im Sinne einer Verringerung des Fehlersignals zugeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (50—64) zum Erzeugen eines korrigierten, den Werkstückstrom bei dessen Einsetzen darstellerden Werkstückstromsignals durch Subtraktion eines kurz vor dem Einschalten des Werkstückstromes gemessenen Werkstückstrom-Istwertsignals von einem kurz nach dem Einschalten des Werkstückstromes gemessenen Werkstückstrom-Istwertsignals.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Abtast- und Speicherschaltung (50, 52), deren Eingänge jeweils mit der Werkstückstrom-Meßanordnung (28) gekoppelt sind; eine Zeitsteuerschaltung, die an die erste Abtast- und Speicherschaltung (50) kurz vor dem Einsetzen des Werkstückstromes einen den Abtast- und Speichervorgang auslösenden Impuls und an die zweite Abtast- und Speicherschaltung (52) kurz nach dem Einsetzen des Werkstückstromes einen den Abtast- und Speichervorgang auslösenden Impuls liefert; eine Differenzverstärkerschaltung mit einem subtrahierenden und einem summierenden Eingang, die mit dem Ausgang der ersten bzw. zweiten Abtast- und Speicherschaltung (50 bzw. 52) gekoppelt ist; einen durch die Zeitsteuerschaltung (54) gesteuerten Anaiog/Digitai-Umseizer (66) zur Erzeugung eines dem Ausgangssignal des Differenz-Verstärkers proportionalen Digitalwertes; einem ersten Zähler (72), in dem der vom Analog/Digital-Umsetzer erzeugte Digitalwert unter Steuerung durch die Zeitsteuerschaltung (54) speicherbar ist und der ein Sperrsignal erzeugt, wenn sein Zählwert 0 oder kleiner als 0 ist; einem Spannungs/Frequenz-Wandler (74), dessen Eingang mit der Emissionsstrom-Meßanordnung gekoppelt ist und dessen Ausgang eine Spannung mit einer dem Istwert des Emissionsstromes proportionalen Frequenz liefert; eine Torschaltung (76), mit einem Signaleingang, der mit dem Ausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers (74) gekoppelt ist, einem Signalausgang, der mit einem Rückwärtszähleingang des Zählers (72) gekoppelt ist, einem Auftasteingang, der mit der Zeitsteuerschaltung (54) gekoppelt ist und einem Sperreingang, dem das Sperrsignal vom ersten Zähler (72) zugeführt ist; einem Festfrequenzgenerator (82), der eine Spannung fester Frequenz (f₂) an einen Signaleingang einer zweiten Torschaltung (84) liefert, die einen Signalausgang hat und durch das einem Sperreingang zugeführte Sperrsignal vom ersten Zähler (72) sperrbar ist; einen mit dem Signalausgang der zweiten Torschaltung (84) gekoppelten zweiten Zähler (86) zum Zählen der Perioden der Ausgangsspannung des Festfrequenzgenerators während der erste Zähler von dem in ihm gespeicherten Anfangszählwert unter Steuerung durch das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers auf 0 zurückzählt; einen mit dem Ausgang des zweiten Zählers (86) gekoppelten Speicher, der beim Auftreten des Sperrsignals vom ersten Zähler (72) den im zweiten Zähler enthaltenen Zählwert speichert; eine Multiplizierschaltung mit zwei Faktoreneingängen, deren einer mit der Emissionsstrom-Meßanordnung (32) und deren anderer mit dem Ausgang des Speichers (86) gekoppelt ist und einem Ausgang, der ein Signal liefert, das dem Produkt aus Emissionsstrom-Istwert und dem im Speicher (88) gespeicherten Zählwert entspricht; und einem Regelgerät (92) mit einem Sollwert- und einem Istwert-Eingang, denen ein Werkstückstiom-Sollwertsignal bzw. das Ausgangssignal der Multiplizicrschaltung (90) zugeführt ist und das den Emissionsstrom im Sinne einer Verringerung der Differenz zwischen den seinen Eingängen zugeführten Signalen steuert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Signalausgang der ersten Torschaltung (76) ein dritter Zähler mit einer Zählwertanzeigevorrichtung gekoppelt ist.