DE4142144A1 - Verfahren zum erfassen von elektronenstrahlmaschinen-zustaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Elektronenstrahlmaschinen-Zuständen.

Elektronenstrahlmaschinen mit Elektronenstrahlgene­ ratoren im Leistungsbereich von 1 bis 80 Kilowatt werden zum Schweißen, Oberflächenbehandeln (Härten, Umschmelzen, Aufschmelzlegieren) und Bohren eingesetzt. Das nahezu völlig verzugsfreie Bearbeiten der Werk­ stücke ist für den Einsatz von Elektronenstrahlen als Werkzeug charakteristisch und wird daher sehr oft als letzter Arbeitsgang in der Fertigung berücksichtigt. Dabei muß sichergestellt sein, daß immer, wenn die Produktion einer bestimmten Werkstückfamilie wiederholt wird, sich die Elektronenstrahlmaschine in exakt glei­ chem Zustand befindet, weil nur dann reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können.

Es ist bekannt, die einzelnen Parameter der Maschine durch Soll-Ist-Vergleiche zu überprüfen. Dabei werden als Soll-Werte die für das Verfahren benötigten Para­ meter verwendet.

So ist in der DE 24 51 366 C3 eine Strahlstromregelung offenbart, die aus den Werten des Emissionsstromes und des Werkstückstromes ein Produktsignal bildet, das mit einem Werkstückstrom-Soll-Wert-Signal verglichen wird.

Die DE 23 60 829 A1 offenbart ein Meß- und Stabili­ sierungsverfahren für den Brennfleckdurchmesser auf einem Werkstück bei einer Elektronenstrahlschweißanlage sowie eine automatische Einrichtung zu dessen Verwirk­ lichung. Hierbei soll in Abhängigkeit von der auf einen Geber auftreffenden Elektronenmenge ein Brennfleck-Ist-Signal erzeugt werden, das mit einem Soll-Bezugssignal verglichen wird.

Die DE 17 65 265 A1 offenbart ein Prüfverfahren für die Fokussierung. Dabei wird das Energiedichteprofil des Elektronenstrahles angezeigt, wobei durch Einstellung des Stromes der Fokussierspule der Elektronenstrahl­ maschine es ermöglicht wird, eine gewünschte Verteilung der Strahlenergie zu erzielen.

Ein weiteres Verfahren zur Elektronenstrahlfokussierung ist in der DE 37 18 177 A1 beschrieben. Hierbei werden die vom zu schweißenden Werkstück rückgestreuten Elek­ tronen als Ist-Signal für die Regelung des Fokussie­ rungsstromes verwendet.

Darüber hinaus ist es aus der DE 19 59 901 A1 bekannt, die Formänderungen des Werkstückes zu erfassen und in Anzeige- oder Steuergrößen umzuwandeln. Mit diesem Verfahren und der Vorrichtung sollen die Bearbeitungs­ parameter, insbesondere der Fokussierungszustand des zu bearbeitenden Strahles eingestellt oder korrigiert werden.

Neben diesen, die Verfahrensparameter der Elektronen­ strahlmaschine in einem Soll-Ist-Vergleich anzeigenden oder regelnden Verfahren, gibt es noch eine Vielzahl von Nachführregelungen des Elektronenstrahles beim Schweißen von Werkstücken. Es wird hierzu auf die DE 37 32 880 C1, DE 30 43 635 C1, DE 30 14 010 A1 und DE 29 01 148 A1 verwiesen.

Mit diesen Regelverfahren und Einrichtungen ist es nicht möglich, die Funktionsfähigkeit der gesamten Elektronenstrahlmaschine zu beurteilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Elektronenstrahlmaschine bezüg­ lich ihrer Funktionsfähigkeit überprüft werden kann, wobei die Funktionen der anzusteuernden Elektronen­ strahlmaschinenbauteile und der Betriebszustände in einfachster Art und Weise angezeigt und gegebenenfalls kontrolliert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Unter Funktionsfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine wird hierbei ein in festgelegten Toleranzen vorgege­ bener Zustand verstanden, mittels dem eine ordnungs­ gemäße Bearbeitung von vorzugsweise Werkstücken ermög­ licht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in einfachster Art und Weise möglich, die Funktion der gesamten Elektronenstrahlmaschine zu überprüfen. Aus den sich ergebenden Meßergebnissen wird vorzugsweise ein Funktionswert gebildet, der die Funktionsfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine anzeigt. Damit wird in einfachster Art und Weise sichergestellt, daß reprodu­ zierbare Bearbeitungsergebnisse mit der Elektronen­ strahlmaschine erreicht werden können. Es müssen keine von der Bedienungsperson durchgeführten Vergleichs­ gegenüberstellungen von einzelnen Meßwerten durchge­ führt werden. Die Anzeige der Funktionsfähigkeit bzw. Funktionsunfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine kann beispielsweise auf eine farblich unterschiedliche Anzeige beschränkt werden.

Durch das Anlegen von Meßspannungen können Betriebszu­ stände und/oder Funktionen einzelner Elektronenstrahl­ maschinenbauteile erzeugt werden, die das gesamte Spektrum der Elektronenstrahlmaschine einschließlich der später einzustellenden Verfahrensparameter simu­ lieren. Die ermittelten Elektronenstrahlmaschinen- Normalien sind objektivierte Meßwerte, die keinen Bezug zu einem Verfahrens-Soll-Wert einer Bearbeitungsaufgabe haben.

Vorteilhaft läßt sich durch die Erfindung eine Ver­ gleichsaussage über die Funktionsfähigkeit der Elek­ tronenstrahlmaschine auf den einen Funktionswert zu­ rückführen: "Die Elektronenstrahlmaschine befindet sich heute in einem Zustand, wie bei einer zurückliegenden Vergleichsmessung".

Dieser Funktionswert für den Elektronenstrahlmaschinen- Zustand kann entweder einmal und unveränderbar, bei­ spielsweise bei Maschinenabnahme gesetzt werden oder Funktionswerte sind vom Anwender zu beliebigen Zeitpunkten neu, mittels des ablaufenden Meßprogrammes und Übernahme des ermittelten Funktionswertes, setzbar.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann als unabhängige Baueinheit ausgebildet werden. Vorteilhaft ist sie jedoch in die Elektronenstrahlmaschinen-Steuerung integriert, wodurch Veränderungen in den Steuer- und Regelkreisen erkannt werden. Die Vorrichtung ist für handgesteuerte wie auch für rechnergesteuerte (z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen oder CNC-Steue­ rungen) Elektronenstrahlmaschinen verwendbar.

Die Überprüfung des Elektronenstrahlmaschinen-Zustandes kann so automatisiert werden, daß entweder zu bestimm­ ten Zeiten oder bei bestimmten Bearbeitungsaufgaben vor und/oder nach der Bearbeitung die Elektronenstrahlma­ schine automatisch auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft wird.

In der Zeichnung ist ein Schema zum Erfassen von Elektronenstrahlmaschinen-Zuständen dargestellt, das eine Elektronenstrahlmaschine 1 sowie Einrichtungen zum Eingeben 2 von Meßspannungen und Erfassen 3 von Meß­ werten aufweist.

Die Einrichtung zum Eingeben 2 ist mit einer, ein Meß­ programm enthaltenen Steuerung 4 verbunden, über die die Meßspannungen für die verschiedenen Betriebszu­ stände und/oder Funktionen bzw. Zustände der einzelnen Elektronenstrahlmaschinenbauteile vorgegeben werden. Dabei können der Steuerung 4 für jeden Meßdurchlauf stochastisch unterschiedliche Werte vorgegeben werden. Durch das Meßprogramm werden die verschiedenen Be­ triebszustände und/oder Funktionen der einzelnen Elek­ tronenstrahlmaschinenbauteile simuliert, wodurch Änderungen im Zustand der Elektronenstrahlmaschine erfaßt werden.

In der Einrichtung zum Erfassen 3 werden die durch Simulation der verschiedenen Betriebszustände und/oder der Funktionen der Elektronenstrahlmaschinenbauteile gebildeten Meßwerte empfangen und zu einer Verknüpfungs­ einheit 5 geführt, in der alle Meßwerte vorzugsweise zu einem die Funktionsfähigkeit oder die Funktionsunfähig­ keit der Elektronenstrahlmaschine 1 darstellenden Funktionswert verknüpft werden. Dabei sind die über das Meßprogramm durch Anlegen von Meßspannungen und Simu­ lation der Betriebszustände und/oder der Funktion der Elektronenstrahlmaschinenbauteile gebildeten Meßwerte unabhängig von den bei der Werkstückbearbeitung vor­ gegebenen Verfahrensparametern. Der damit ebenfalls unabhängige oder objektivierte Funktionswert wird einer Vorrichtung zum Anzeigen 6 zugeführt, die als Bild­ schirm oder im einfachsten Fall als LED-Anzeige mit farblich unterschiedlichen Leuchtfeldern für den Zu­ stand "Elektronenstrahlmaschine funktionsfähig" oder "Elektronenstrahlmaschine funktionsunfähig" ausgebildet ist.

Ein erster Funktionswert wird gebildet, nachdem ein erstes Werkstück mit vorgegebenen Elektronenstrahl­ maschinenparametern bearbeitet wurde, wobei durch Erfassen und zufriedenstellender Beurteilung des Be­ arbeitungsergebnisses die Funktionsfähigkeit der Elek­ tronenstrahlmaschine 1 bestätigt wird. Danach werden über das Meßprogramm die verschiedenen Betriebszustände und/oder Funktionen der Elektronenstrahlmaschinenbau­ teile durch Anlegen von Meßspannungen simuliert und über die Verknüpfung der entstehenden Meßwerte der erste Funktionswert gebildet. Dieser wird im Speicher 7 abgespeichert.

Bei späterer Bearbeitung eines dem ersten Werkstück entsprechenden zweiten Werkstückes wird erneut vor Beginn der Bearbeitung über das Meßprogramm der Elek­ tronenstrahlmaschinen-Zustand überprüft und ein zweiter Funktionswert gebildet.

Im Vergleicher 8 wird der erste und der zweite Funk­ tionswert miteinander verglichen und beim Vorliegen einer tolerierten Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Funktionswert die Funktionsfähigkeit der Elek­ tronenstrahlmaschine 1 bestätigt. Die Bearbeitung des zweiten Werkstückes wird freigegeben.

Durch das Verfahren nach der Erfindung ist es in weiterer Ausbildung vorteilhaft möglich, einen Erst- bzw. Auslieferungszustand der Elektronenstrahlmaschine zu dokumentieren.

Dem gebildeten Funktionswert und/oder den Einzel-Meßwerten sind bestimmte Toleranzfelder zugeordnet. Die Toleranzfelder können variabel oder fest abgelegt sein.

Ergibt ein Vergleich des ersten Funktionswertes mit dem zweiten Funktionswert eine Funktionsunfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine 1, können, wie dies durch die gestrichelten Leitungen schematisch dargestellt ist, von der Verknüpfungseinheit 5 die Meßwerte einzeln oder in einer vorgegebenen, gegenüber dem Funktionswert aufgelösteren Verknüpfung abgerufen und dem Speicher 7 zur Abspeicherung oder dem Vergleicher 8 zum Ver­ gleichen mit im Speicher 7 vorher abgelegten Meßwerten zugeführt werden. Die sich aus dem Vergleich der Ein­ zel-Meßwerte ergebenden Differenzwerte können auf der Vorrichtung 6 angezeigt werden. Dabei wird es durch immer differenziertere Auflösung der Verknüpfung mög­ lich, außerhalb der Toleranzfelder liegende Elektronen­ strahlmaschinen-Zustände zu ermitteln.

Nach einer Weiterbildung gemäß der Erfindung können diese ermittelten "Fehler" bzw. von dem Normal ab­ weichende Zustände zum Kalibrieren der Elektronen­ strahlmaschine oder zum Regeln der Elektronenstrahl­ maschine 1 verwendet werden.

Vorteilhaft sind Einrichtungen zum Eingeben 2 und Empfangen 3 sowie der Vergleicher 8 und die Vorrichtung zur Anzeige 6 Bestandteil der Steuerung der Elektronen­ strahlmaschine, wodurch Veränderungen in den Steuer- und Regelkreisen der Elektronenstrahlmaschinen in einfacher Art und Weise kostengünstig erfaßt werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erfassen von Elektronenstrahl­ maschinen-Zuständen, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Meßprogramm in der Elektronenstrahl­ maschine (1) verschiedene Betriebszustände und/oder Funktionen einzelner Elektronenstrahlmaschinenbau­ teile durch Anlegen von Meßspannungen erzeugt und die jeweils entstehenden Meßwerte erfaßt und vor­ zugsweise zu einem die Funktionsfähigkeit der Elek­ tronenstrahlmaschine (1) dokumentierenden Funktions­ wert verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswert einer Vorrichtung (6) zum Anzeigen zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Funktionsfähigkeit der Elektronenstrahl­ maschine (1) anzeigende Funktionswert abgespeichert und mit einem später gebildeten zweiten Funktions­ wert verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

• a) die Bearbeitung eines ersten Werkstückes mit vorgegebenen Elektronenstrahlmaschinenparametern
• b) das Erfassen und Beurteilen der Qualität des Bearbeitungsergebnisses
• c) das Bilden eines ersten Funktionswertes über die Funktionsfähigkeit der Maschine mittels des Meßprogrammes nach zufriedenstellender Beurtei­ lung des Bearbeitungsergebnisses
• d) das Abspeichern des gebildeten ersten Funktions­ wertes
• e) das Bilden eines zweiten Funktionswertes vor und/oder nach einer Bearbeitung eines dem ersten Werkstück entsprechenden zweiten Werkstückes
• f) das Vergleichen der abgespeicherten ersten und zweiten Funktionswerte
• g) das Freigeben der Bearbeitung beim Vorliegen einer tolerierten Abweichung zwischen dem ersten und zweiten Funktionswert

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anzeigen einer Funktionsunfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine die Einzel-Meßwerte der ersten Messung mit den Einzel-Meßwerten der zweiten Messung verglichen werden und der oder die Diffe­ renzwert(e) auf der Vorrichtung angezeigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem gebildeten Funktionswert und/oder den Ein­ zel-Meßwerten bestimmte Toleranzfelder zugeordnet sind und die Differenzwerte gebildet werden, wenn der gebildete Funktionswert außerhalb des Toleranz­ feldes liegt.

7. Elektronenstrahlmaschine mit einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektronenstrahlmaschine (1) eine Vor­ richtung zum Erfassen von Elektronenstrahlmaschinen- Zuständen anschließbar ist, die Einrichtungen zum Eingeben (2) von Meßspannungen und Erfassen (3) der aus erzeugten Betriebszuständen und/oder Funk­ tionsweisen einzelner Elektronenstrahlmaschinenbau­ teile entstehenden Meßwerte aufweist, die unter Zwischenschaltung einer Verknüpfungseinheit (5) an eine Anzeigevorrichtung (6) zum Anzeigen eines die Funktionsfähigkeit der Elektronenstrahlmaschine angeschlossen ist.

8. Elektronenstrahlmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Speicher (7) aufweist.