DE4142145A1 - Sensoranordnung fuer elektronenstrahlmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für Elek­ tronenstrahlmaschinen mit einem Elektronenstrahlgene­ rator bis 80 Kilowatt und einer Auswerteeinheit, der die von der Sensoranordnung erfaßten Parameter zuführ­ bar sind.

Elektronenstrahlmaschinen mit Elektronenstrahlgenera­ toren im Leistungsbereich bis 80 Kilowatt werden zum Schweißen, Oberflächenbehandeln (Härten, Umschmelzen, Aufschmelzlegieren) und Bohren eingesetzt. Das nahezu verzugsfreie Bearbeiten der Werkstücke ist für den Einsatz von Elektronenstrahlen als Werkzeug charakte­ ristisch und wird daher sehr oft als letzter Arbeits­ gang in der Fertigung berücksichtigt. Dabei muß sicher­ gestellt sein, daß vor oder während der Bearbeitung der Werkstücke die Betriebsparameter und/oder Verfahrens­ parameter der Elektronenstrahlmaschine überprüft werden können, weil nur dann fehlerfreie Ergebnisse erzielt werden können.

Es ist bekannt, die einzelnen Verfahrensparameter der Elektronenstrahlmaschine, die für eine Bearbeitungsauf­ gabe vorgegeben werden, durch Soll-Ist-Vergleiche zu überprüfen. Zum Erfassen der Ist-Werte werden die verschiedenartigsten Sensoren eingesetzt.

So ist aus der DE 24 51 366 C3 eine im Strahlengang vorgesehene Strommeßspule und aus der DE 23 60 829 A1 ein Faraday-Schlitz-Elektronenauffänger als Geber bekannt.

Weiterhin ist aus der DE 17 65 265 A1 ein Sensor mit drei seitlich versetzten Sonden bekannt, die mittels einer Relativbewegung von dem Elektronenstrahl über­ fahren werden. Hinzu kommen noch an sich bekannte Auf­ fänger für rückgestreute Elektronen, die über der Werkstückoberfläche, meist am Elektronenstrahlgene­ rator, befestigt sind und eine Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl aufweisen.

Die bekannten Sensoren eignen sich nicht zum direkten Erfassen aller wesentlichen Parameter einer Elektronen­ strahlmaschine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und die Möglichkeit bietet, die für die Auswertung erforderlichen wesentlichen Parameter der Elektronen­ strahlmaschine zu erfassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Gesamtstromsensor und einen konzentrisch zu dessen Achse im Strahlengang davorliegenden Teilstromsensor, mit einer koaxial zur Strahlachse verlaufenden Öffnung für den Durchtritt des Elektronenstrahles, gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen vorteilhaft gelöst.

Mit der Sensoranordnung werden alle verfahrens- und maschinenrelevanten Parameter einer Elektronenstrahl­ maschine erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeführt, mittels der die erfaßten und die von den erfaßten Parametern abhängigen Werte berechnet und gegebenen­ falls einer Steuerung zum Kalibrieren und/oder einer Vorrichtung zum Anzeigen ermittelter Abweichungen zugeführt werden. Die mit der Sensoranordnung in Ver­ bindung mit einer Auswerteeinheit erfaßten bzw. be­ rechneten Werte sind Strahlparameter, wie Hochspannung, Strahlstrom, Linsenstrom, Ablenkamplitude, Ablenkfre­ quenz und die mechanischen Parameter, wie Achsenbe­ wegungen mit Positionsgenauigkeit und Dynamik, Ma­ schinenverformungen sowie sonstige Parameter, wie Vakuum. Dazu kommen noch Einfluß oder Störgrößen aus der Maschinensteuerung, wie Reglerdriften oder Defekte irgendwelcher Bauteile und sonstige Einflüsse, wie Magnetfelder. Mit den erfaßten Parametern können Elek­ tronenstrahlmaschinen-Zustände dargestellt und entweder Strahlkontrollsysteme überprüft oder der Elektronen­ strahl analysiert werden.

Vorteilhaft wird durch die Sensoranordnung eine Ein­ richtung geschaffen, die bei einer Maximalleistung bis 80 Kilowatt belastbar ist und gleichzeitig auch bei kleinen Strahlströmen sensibel arbeitet. Hinzu kommt, daß durch die Ausbildung einer symmetrischen, vorzugs­ weise ringförmigen, Meßkante die Erfassung der Para­ meter richtungsunempfindlich ist. Die Meßkante wird vorteilhaft durch eine Vergrößerung des Austrittes der Öffnung des Teilstromsensors gebildet, wobei die Ver­ größerung konisch oder zylindrisch ausgebildet werden kann. Ferner kann die Meßkante eine leichte Rundung aufweisen. Die Sensoranordnung kann kostengünstig ausgebildet werden und weist wenig Störquellen auf. Aufgrund der Merkmale des Anspruches 5 ist die Sensor­ anordnung für den Anwender leicht zu bedienen. Sie kann auf der Bearbeitungsvorrichtung einfach in definiertem Abstand vom Elektronenstrahlgenerator und/oder der Bearbeitungsstelle aufgebaut werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Sensor­ anordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Teil­ stromsensors nach der Erfindung.

In der Fig. 1 ist die Sensoranordnung dargestellt, die aus einem Gesamtstromsensor 10 und einem Teilstrom­ sensor 11 besteht. Der Gesamtstromsensor 10 besteht im wesentlichen aus einem Kupferblock 12 mit einer Ver­ tiefung 13, in der der gesamte Strahlstrom aufgefangen wird. Im Außenbereich des Kupferblockes 12 befinden sich Kühlkanäle 14, die vorzugsweise die Vertiefung 13 umgeben und mit einer nicht näher dargestellten Kühl­ mittelpumpe verbunden sind. Der Gesamtstromsensor 10 ist elektrisch isoliert aufgebaut. Oberhalb des Kupfer­ blockes 12 ist ein Halter angeordnet, in dem elektrisch leitende Blenden 15 mit Durchgangsöffnungen 16 befes­ tigt sind. Mit den Blenden werden die rückgestreuten Elektronen erfaßt und ermöglichen somit vorteilhaft eine exakte Messung des Strahlstromes. Ferner wird eine Bedampfung des Teilstromsensors 11 verhindert.

Der Gesamtstromsensor hat eine definierte Lage zu dem Teilstromsensor 11 und zu dem nicht näher dargestellten Elektronenstrahlgenerator.

In der Fig. 1 sind isolierte Zentriermittel 17 schema­ tisch dargestellt, die in paßgenauen Befestigungs­ mitteln des Werkstücktisches 18 angeordnet sind. Der Werkstücktisch 18 ist in fest vorgegebener Lage zu dem Elektronenstrahlgenerator angeordnet. Der Gesamtstrom­ sensor 10 ist so dimensioniert, daß er den gesamten Strahlstrom fortwährend ohne Beschädigung aufnehmen kann. Über einen nicht näher dargestellten elektrischen Anschluß wird der Strahlstrom gemessen und einer Aus­ werteeinheit 34 zugeführt.

Auch der Teilstromsensor 11 ist isoliert aufgebaut und in Strahlrichtung vor dem Gesamtstromsensor 10, bei­ spielsweise mittels eines Stützkörpers 19, angeordnet. Die Isolatoren sind in Fig. 2 dargestellt und mit 33 bezeichnet. Der Teilstromsensor 11 ist über Zentrier­ mittel 20 in mechanisch definierter Lage zu dem Elek­ tronenstrahlgenerator auf dem Werkstücktisch 18 befes­ tigt und konzentrisch zu Achse 21 des Gesamtstromsen­ sors 10 angeordnet. Der Teilstromsensor 11 weist eine koaxial zur Strahlachse 22 verlaufende symmetrische Öffnung 23 für den Durchtritt des Elektronenstrahles 24 auf. Die im Querschnitt vorzugsweise ringförmige und in ihrer Ausdehnung zylindrisch verlaufende Öffnung 23 weist vorzugsweise eine konische Strahleintrittsöffnung 25 und vorzugsweise eine konische Strahlaustritts­ öffnung 26 auf. Am Übergang zwischen der zylindrischen Öffnung 23 und dem Austritt 26 ist eine Meßkante 27 ausgebildet, die sich durch die Vergrößerung der Öff­ nung 23 bildet. Die Meßkante 27 kann eine geringfügige Rundung aufweisen. Die Öffnung 23 mit dem Ein- und Austritt 25, 26 ist Bestandteil eines Metallblockes 28 (Fig. 2), der in einem Halter 29 angeordnet ist. An den Austritt 26 schließt sich ein Abschirmrohr 30 an, das in dem Halter 29 befestigt ist. Der Metallblock 28 ist von Kühlkanälen 31 umgeben, die in dem Halter ausge­ bildet sind. Die Kühlkanäle 31 werden über an sich bekannte Dichtmittel 32, beispielsweise O-Ringe, abge­ dichtet.

Der am Metallblock 28 erfaßte Teilstrom wird über einen nicht näher dargestellten elektrischen Anschluß ge­ messen und einer Auswerteeinheit zugeführt.

Die Öffnung 23 ist so ausgebildet, daß der nicht ab­ gelenkte Elektronenstrahl sie ohne zu berühren durch­ treten kann.

Vorteilhaft ist die Meßkante 27 als Kreis ausgebildet, wodurch eine Meßung in beliebigen Richtungen in der Ebene senkrecht zum Elektronenstrahl in einfacher Weise ermöglicht wird. Selbstverständlich ist es auch mög­ lich, eine andere geometrische Ausbildung wie z. B. Dreieck, Quadrat, usw. zu verwenden. Vorteilhaft sind die Meßkanten als geometrisch regelmäßige Gebilde ausgebildet.

Durch den rotationssymmetrischen Aufbau der gesamten Sensoranordnung ist ein Austausch einzelner Komponenten einfach und ohne Neujustage möglich. Durch die Kombina­ tion von Gesamtstrom- und Teilstromsensor und deren geometrische Anordnung ist die Messung über das gesamte Leistungsspektrum möglich, wobei eine hohe Meßempfind­ lichkeit und Unterdrückung von Störungen erreicht wird.

Claims (6)

1. Sensoranordnung für Elektronenstrahlmaschinen mit einem Elektronenstrahlgenerator bis 80 Kilowatt und einer Auswerteeinheit, der die von der Sensoran­ ordnung erfaßten Parameter zuführbar sind, gekennzeichnet durch einen Gesamtstromsensor (10) und einem konzentrisch zu dessen Achse (21) im Strahlengang davorliegenden Teilstromsensor (11), mit einer koaxial zur Strahl­ achse verlaufenden Öffnung (23) für den Durchtritt des Elektronenstrahles.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (23) des Teilstromsensors (11) symmetrisch, vorzugsweise ringförmig, ausgebildet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstromsensor (11) eine vorzugsweise zylindrisch verlaufende Öffnung mit vergrößertem Austritt (26) für den Elektronenstrahl aufweist.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Übergang zwischen der zy­ lindrischen Öffnung (23) und dem Austritt (26) eine Meßkante (27) ausgebildet ist.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensoren Zentriermittel (17, 20) zugeordnet sind, durch die eine definierte Lage der Meßkante (27) zu dem Elektronenstrahlgenerator festgelegt ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gesamtstromsensor Mittel (14, 31) zum Kühlen zugeordnet sind.