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Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines
Ladungsträgerstrahles
Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Boh- rungen oder Profilfräsungen, wird die zu bearbeitende Materialstelle durch Beschuss mit Ladungsträgern hoch erhitzt, so dass das Material an dieser Stelle verdampft.
Um eine für praktische Zwecke verwertbare Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem geschilderten Fall eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen, muss der Ladungsträgerstrahl an der Auftreffstelle auf das Material eine ausreichend hohe Energiedichte aufweisen. Normalerweise wird zu diesem Zweck der Ladungsträgerstrahl so fokussiert. dass er seine Energie über die gesamte Bearbeitungsfläche
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wendigen Wert steil nach Null abfallen.
Mit zunehmender Grösse der bearbeiteten Fläche ergibt sich bei diesem bekannten Bearbeitungsver- fahren ein immer grösserer thermisch beanspruchter Materialbereich um die bearbeitete Stelle. Dies bedeutet, dass unerwünscht grosse Schichten am Rand und unterhalb der bearbeiteten Fläche aufgeschmolzen werden. Dadurch werden die Verluste erhöht und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.
Es. isteinMaterialbearbeitungsverfahren bekannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden Materialstelle die Bearbeitungsstelle bestreicht. Bei diesem Verfahren wird der Ladungsträgerstrahl in vorherbestimmter Weise in Sprüngen derart über die Bearbeitungsstelle bewegt, dass zeitlich unmittelbar nacheinander bearbeitete Flächenelemente durch eine Strecke getrennt sind, die grösser als der Durchmesser eines solchen Flächenelementes ist und über welcher der Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr wenig auf das Material einwirkt. Die gesamte Bearbeitungsstelle wird schliesslich vollständig aus einer Vielzahl von aneinandergrenzenden bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt.
Dieses Bearbeitungsverfahren ist an sich universell verwendbar und kann allen Bedingungen angepasst werden. Eine Einrichtung zu seiner Durchführung ist jedoch sehr aufwendig, da hier zur Steuerung des Ladungsträgerstrahles ein Gerät zur digitalen Steuerung der Ablenkwerte für den Ladungsträgerstrahl und der Betriebswerte für das Strahlerzeugungssystem notwendig ist, welches aus einem Programmspeicher und den zugehörigen Entschlüsslem besteht.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine wesentlich weniger aufwendige Einrichtung zur Ma- terialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles anzugeben, welche dennoch in gewissem Umfang an wechselnde Bedingungen bei der Materialbearbeitung angepasst werden kann.
Die Erfindung betrifft somit eine Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche der zu bearbeitenden Materialstelle und die Erfindung Ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur rasterförmigen Abtastung eines Bildes der zu bearbeitendenmaterfalstelle sowie durch die Kopplung des die Ablenkströme liefernden Ausgangs dieser Vorrichtung mit den Ablenkspulen des Ladungsträgerstrahlgerätes und die Kopplung des das Bildsignal liefernden Ausgangs dieser Vorrichtung mit den die Strahlintensität bestimmenden Elementen des Ladungsträgerstrahlgerätes.
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Als Abtaststrahl findet entweder der Abtaststrahl einer Fernsehaufnahmeröhre oder der wandernde
Lichtpunkt eines Fernseh-flying-spot-Abtasters Verwendung. Der zur Materialbearbeitung dienende La- dungsträgerstrahl schreibt also auf dem zu bearbeitenden Objekt ein Raster, welches mit dem vom Abtast- strahl der Femsehanlage geschriebenen Raster synchronisiert ist. Die von der Fernsehanlage gelieferten
Bildimpulse entsprechen der Hell-Dunkel-Verteilung in der zu übertragenden Vorlage, welche ein Muster der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche darstellt. Mittels dieser Bildimpulse wird die Intensität des
Ladungsträgerstrahles gesteuert, so dass also dieser Strahl die Hell-Dunkel-Verteilung der Vorlage auf das zu bearbeitende Objekt überträgt.
Es ist ohne weiteres möglich, die Einrichtung so auszubilden, dass Hell- werte der zu übertragenden Vorlage Hellwerten des Ladungsträgerstrahles entsprechen, d. h. also, dass an diesen Stellen eine Materialbearbeitung stattfindet. Ebenso ist es möglich, die Einrichtung so auszubilden, dass Hellwerte der zu übertragenden Vorlage Dunkelwerten des Ladungsträgerstrahles entsprechen.
Die neue Einrichtung enthält ferner einen mit dem das Bildsignal liefernden Ausgang der Abtastvor- richtung gekoppelten Speicher, welcher das Ladungsträgerstrahlerzeugungssystem derart sperrt und auf- tastet, dass der Ladungsträgerstrahl bei jedem Abtastvorgang innerhalb der Bearbeitungsstelle nur an einer vorherbestlmmtenAnzahl von örtlich voneinander getrennten Stellen zur Wirkung kommt und dass schliess- lich die gesamte Bearbeitungsstelle vollständig aus einer Vielzahl von bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt ist.
Der Ladungsträgerstrahl wird dabei über den Speicher periodisch während einer vorbe- stimmten Zahl von Impulsen entsperrt und während einer vorbestimmten Zahl von darauffolgenden Impulsen gesperrt, wobei die bei einem Abtastvorgang zur Wirkung kommenden Impulse beim nächsten Abtastvorgang unterdrückt werden. Es ist vorteilhaft, die während jedes-Abtastvorgangs bearbeiteten Flächenelemente möglichst weit voneinander entfernt zu wählen.
Es ist möglich, den Speicher so einzustellen, dass er jeweils nur einen Impuls durchlässt und während mehrerer darauffolgender Impulse den Strahl sperrt. Es ist jedoch ebenso möglich, den Speicher so einzustellen, dass ganze Impulsgruppen zusammengefasst und nach einer vorbestimmten Reihenfolge zur Bearbeitung herangezogen werden.
Durch die eben erwähnte Massnahme wird sich die Bearbeitungszeit gegenüber der normalenFernsehsteuerung eines Ladungsträgerstrahles verlängern, doch sind die erzielten Vorteile so erheblich, dass diese Verlängerung ohne weiteres in Kauf genommen werden kann. Diese Vorteile liegen darin, dass die eingestrahlte Energie nach thermischen Gesichtspunkten verteilt werden kann, so dass das Material praktisch schichtweise abgetragen wird, ohne dass die an die eigentliche Materialbearbeitungsstelle angrenzenden Materialbezirke thermisch unzulässig hoch beansprucht werden. Weiterhin lässt sich eine sehr hohe Genauigkeit der Materialbearbeitung erzielen. Damit bietet die neue Einrichtung zur Materialbearbeitung die Möglichkeit, Fräsungen hoher Genauigkeit auch in dickeren Materialien durchzuführen.
Die Einrichtung nach der Erfindung bietet die Möglichkeit, zusätzlich während jedes Abtastvorgangs die auf jedes Flächenelement der Bearbeitungsstelle auftreffende Strahlenergie zu regeln. Zu diesem Zweck ist eine mit der Abtastvorrichtung gekoppelte Anordnung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von bestimmten über die Bildvorlage gelieferten Kommandoimpulsen die Strahlenergie regelt. Damit kann also durch. entsprechende Gestaltung der Bildvorlage auf sehr einfache Weise eine noch weitergehende Anpassung der Materialbearbeitung an die thermischen Bedingungen erreicht werden.
Die Regelung der Strahlenergie erfolgt zweckmässig bei gleichbleibender Strahlmodulation durch Regeln der Vorspannung der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems oder bei der sogenannten flyingspot-Abtastung durch Regeln der Geschwindigkeit der Strahlbewegung. Bei der Abtastung der Bildvorlage mittels einer Fernsehkamera erfolgt zweckmässig die Regelung der Strahlenergie dadurch, dass beim Bearbeitungsvorgang der Fernsehkamera schnell hintereinander mehrere Bilder geboten werden, welche so ausgestaltet sind, dass die Bearbeitung in mehreren, den thermischen Forderungen angepassten Schritten erfolgt.
Es ist von besonderem Vorteil, den Ladungsträgerstrahl so zu steuern. dass an den Rändern der Bearbeitungsstelle eine Energiehäufung auftritt. Durch diese Massnahme wird die an diesen Stellen sehr grosse Wärmeableitung kompensiert, so dass also die Herstellung einer einwandfreien Begrenzung der Bearbeitungsstelle ermöglicht wird. Die erwähnte hohe Wärmeableitung an den Rändern der Bearbeitungsstelle tritt infolge des hier sehr grossen Temperaturgradienten auf, welcher bewirkt, dass ein Teil der eingestrahlten Energie durch Wärmeleitung verlorengeht.
Ein weiterer Grund für die hohe Wärmeableitung an den Rändern der Bearbeitungsstelle ist der, dass der Ladungsträgerstrahl an der Wandung einer Profilfräsung in einem spitzen Winkel auftrifft, so dass also die Auftreffstelle auseinandergezogen wird und sich die auftreffende Energiedichte verringert.
Die erwähnte Steuerung des Ladungsträgerstrahles erfolgt dabei vorteilhaft durch entsprechende Aus-
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gestaltung der Bildvorlage oder im einfachsten Fall durch entsprechende Ausbildung der neuen Bearbeitungseinrichtung selbst.
Im letzteren Fall ist es zweckmässig, innerhalb des Ladungsträgerstrahlgerätes u. zw. in Strahlrichtung gesehen hinter dem Strahlerzeugungssystem zwei Blenden vorzusehen, zwischen denen ein Ablenksystem angeordnet ist. Der das Bildsignal liefernde Ausgang der Abtastvorrichtung ist dann über einen Verstärker so mit diesem Ablenksystem gekoppelt, dass der Ladungsträgerstrahl nur dann durch die Öffnung der unteren Blende fällt, wenn der Abtaststrahl auf ein zu übertragendes Bildelement trifft.
Zur Lösung spezieller Aufgaben und zur Erfüllung der thermo-dynamischen Bedingungen beim Fräsen von Profilen ist es vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl im Ruhezustand so abzulenken, dass er nicht durch die untere Blende trifft. Weiterhin ist in diesem Fall die Ausgangsspannung des zur Verstärkung der Bildsignale dienenden Verstärkers so gross gewählt, dass der Ladungsträgerstrahl beim Auftreten eines Bildsignales so weit aus der Ruhelage abgelenkt wird, dass er nach Überstreichen der Blendenöffnung wieder auf die Blende auftrifft und somit gesperrt ist. Es wird also hier erreicht, dass beispielsweise bei der Übertragung einer strichförmigen Vorlage lediglich an den Kanten dieses Striches Ladungsträgerstrahlimpulse auf das zu bearbeitende Objekt auftreffen. Es tritt somit eine Häufung der Energiedichte an den Rändern der Bearbeitungsstelle auf.
Wird die Vorrichtung zur rasterförmigen Abtastung der Bildvorlage aus einer ein Bildraster schreibenden Abtaströhre und einer das von der Abtaströhre ausgehende und durch die Bildvorlage tretende Licht in ein elektrisches Signitl umwandelnden Photozelle ausgebildet, so bietet sich die Möglichkeit, auf verhältnismässig einfache Art die Abtastgeschwindigkeit zu regeln. Zu diesem Zweck ist mit der Fernsehabtastanlage eine Vorrichtung zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit in Abhängigkeit von bestimmten von der Photozelle gelieferten Kommandoimpulsen vorgesehen.
Es Ist dabei besonders vorteilhaft, die Bildvorlage mehrfarbig auszubilden und mehrere hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die Farben der Bildvorlage abgestimmte Photozellen vorzusehen. Mit diesen Photozellen sind Schaltmittel gekoppelt, welche zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und/oder des Strahlsuomes des Ladungsträgerstrahles dienen.
Die Bildvorlage ist zweckmässig zweifarbig ausgebildet. Durch diese Zweifarbigkeit wird es möglich, insgesamt vier Kommandoimpulse zur Regelung der Abtastgeschwindigkeit und der Strahlenergie zu erzeugen.
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den Vorteil einfachster Konstruktion und Verwendbarkeit nahezu jeder Abtaströhre, sie ist jedoch insofern unwirtschaftlich, als man bei Verwendung von zwei photoelektrischen Empfängern nur drei verschiedene Kommandoimpulse erhalten kann.
Bei der Zweifarbigkeit der Bildvorlage müssen die beiden Farben so gewählt werden, dass sie einmal spektral weit genug auseinander liegen bzw. relativ schmale Durchlassbereiche besitzen und dass sie zum andern in der Emission der Leuchtschirmstrahlung enthalten sind. Dabei werden zweckmässig vor den beiden Photozellen Filter angeordnet, welche die Zellen selektiv für die durchgelassenen Farben empfindlich machen.
Ein farbiges Bild hat den Vorzug grösster Einfachheit in der Herstellung der Programme, Solche Bilder können mit sehr einfachen Mitteln von Hilfskräften hergestellt werden und bieten dennoch die Möglichkeit einer sehr weitgehenden Programmierung.
Eine weitere Möglichkeit zur Regelung der auf jedes Flächenelement der Bearbeltungsstelle auftreffenden Strahlenergie besteht darin, dass am Bildrand der abzutastenden Bildvorlage eine Bildleiste angeordnet ist, welche so ausgebildet ist, dass sie beim Abtasten die Strahlbewegung bestimmende Kommandoimpulse liefert. Es ist dabei zweckmässig, auch die Ränder der in der Bildvorlage enthaltenen Figur mit Bildleisten zu versehen, welche beim Abtasten die Strahlbewegung und/oder die Strahlenergie bestlm- mende Kommandoimpulse liefern. Die Bildleisten können aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Hell-Dunkelstellen bestehen, sie können jedoch auch aus einer Reihe von aufeinanderfolgenden Farbpunkte gebildet sein.
Insbesondere ist es auch möglich, die Bildrandleiste aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen zu bilden und die Figurenränder farbig auszubilden.
Mit Hilfe einer solchen Einrichtung können die sogenannten'Totzeiten*', d. h. also die Zeiten während welcher der Ladungsträgerstrahl über die nicht zur eigentlichen Bearbeitungsfigur gehörenden Teile der Bildvorlage geführt wird, möglichst kurz gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass durch ent- sprechende Gestaltung der Bildvorlage der Ladungsträgerstrahl schneller über alle ausserhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte geführt wird als über die innerhalb der Bearbeitungsstelle gelegenen Rasterpunkte.
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Die neue Einrichtung kann weiterhin so ausgebildet werden, dass die von den Übertragungs- und/oder Ablenkelemente hervorgerufenen Fehler ohne weiteres kompensiert werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die zu übertragende Vorlage so auszugestalten, dass sie diese Fehler mit negativen Vorzeichen enthält.
Die neue Einrichtung zur Materialbearbeitung kann neben den schon erwähnten Bearbeitungszwecken mit besonderem Vorteil auch zur Lösung spezieller'Probleme der Schweiss- oder Löttechnik verwendet werden.
Es ist bekannt, zwei Werkstücke mittels eines Ladungsträgerstrahles miteinander zu verschweissen oder zu verlöten, wobei der Strahl entlang der Schweissstelle geführt wird. Soll nun z. B. eine undurchsichtige Deckplatte mit einem darunterliegenden Bauelement beliebiger Gestalt verschweisst werden, so ist es erforderlich, den Ladungsträgerstrahl entsprechend den Konturen des Bauelementes auf der Deckplatte zu fUhren. Dies wird zweckmässig dadurch erreicht, dass eine Röntgen-Durchstrahlungsaufnahme der zu verschweissenden Bauteile als Bildvorlage für die Fernsehanlage verwendet wird. In diesem Fall wird also der Ladungsträgerstrahl entsprechend der durch die Röntgenaufnahme gegebenen Vorlage so gesteuert, dass er nur dann Energie abgibt, wenn unterhalb seines Auftreffpunktes auf der Deckplatte das andere Bauelement liegt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-10 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. l ein gemäss der Erfindung aufgebautes Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles in schematischer Darstellung ; Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gerätes ; Fig. 3a eine zu übertragende Vorlage ; Fig. 3b das mit einem Gerät nach Fig. 2 von der Vorlage der Fig. 3a vom Ladungsträgerstrahl auf dem zu bearbeitenden Objekt geschrieben Bild ; Fig. 4o ein gemäss der Erfindung aufgebautes Gerät zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl, bei welchem zur Abtastung der Bildvorlage ein sogenannter flying-spot-Abtaster dient :
Fig. 5 einen Teil des in Fig. 4 dargestellten Gerätes mit einer zweifarbig ausgebildeten Bildvorlage ; Fig. 6 eine
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; Fig.ein Gerät zur Materialbearbeitung, bei welchem zur Strahlsteuerung die in Fig. 8 dargestellte Bildvorlage Verwendung findet ; Fig. 10 eine lediglich aus Hell-Dunkelstellen bestehende Bildvorlage.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumgefäss bezeichnet, in welchem ein aus der Kathode 2, dem Wehneltzylinder 3 und der Anode 4 bestehendes Strahlerzeugungssystem angeordnet ist. Zur weiteren Formung des Elektronenstrahles 5 dient eine Blende 6, welche mittels der Knöpfe 7 und 8 justiert werden kann. Eine
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des Elektronenstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück 11. Das Werkstück 11 ist in einer ebenfalls unter Vakuum stehendenKammer 13 auf einem Tisch 12 angeordnete welcher mittels einer Spindel 15 von links nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann. Eine weitere Spindel 14 dient zur Verschiebung des Werkstücks senkrecht zur Papierebene.
Zwischen der elektromagnetischen Linse 9 und dem Werkstück 11 ist ein elektromagnetisches Ablenksystem 10 angeordnet, welches zur Ablenkung des Elektronenstrahles 5 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene dient. Das Ablenksystem 10 besteht beispielsweise aus vier jeweils um 900 gegeneinander versetzten elektromagnetischen Spulen. Diese Spulen sind so ausgebildet, dass sie bei Zuführung entsprechender Ablenkströme beispielsweise sägezahnförmiger Ablenkströme, den Elektronenstrahl 5 so ablenken, dass er ein verzeichnungsfreies Raster auf der Oberfläche des Werkstücks 11 schreibt.
Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Wehneltzylinderspannung. Diese Spannungen werden über ein mit einem Erdmantel versehenes dreiadriges Hochspannungskabel 19 in den ölgefüllten Behälter 20 eingeführt. Die beispielsweise auf-100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Kathode 2 zugeleitet. Die Wehneltzylinderspannung von beispielsweise-101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundär- wicklung des Hochspannungs-Isolier-Transformators 21 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zum Wehneltzylinder 3. Die Wehneltzylinderspannung ist so eingestellt, dass im Ruhezustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.
In den ölgefüllten Behältern 20 ragt der Isolatoransatz 23 des das Strahlerzeugungssystem tragenden Isolators, das dreiadrige Hochspannungskabel 19 sowie der Isolatoransatz desHochspannungs-Isolier-Trans- formators 21.
Der Hcchspannungs-Isolier-Transformator 21 besteht aus einem Ringkern feiner Lamination, welcher die Primärwicklung trägt. Dieser Ringkern ist in ringförmig vergossenes Giessharz eingebettet, wobei der
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Giessharzring die Sekundärwicklung des Transformators trägt. Die Primär-und Sekundärwicklung des Transformators 21 sind somit hochspannungsmässig voneinander isoliert. d. h. die Sekundärwicklung kann auf der dem Strahlerzeugungssystem zugeführten Hochspannung liegen, während die auf dem Giessbarzring angeordnete Primärwicklung auf Erdpotential liegt.
Mit 27 ist eine Fernsehkamera bezeichnet, welcher von der Zentrale 28 die notwendigen Betriebsspannungen zugeführt werden. Das von der Kamera 27 gelieferte Videosignal gelangt zur Zentrale 28 und wird dort verstärkt. Die Zentrale 28 liefert über die Leitung 29 die zur Zeilenablenkung dienenden Ab-
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liefert werden. Über die Leitung 31 gelangt das verstärkte Videosignal zu einem Sichtgerät 32, welchem auch die notwendigenAblenkströme zugeführt werden. Das Sichtgerät 32 liefert also das von der Fernseh- kamera 27 aufgenommene Bild.
Die Ablenkströme werden einem Verstärker 34 zugeführt und gelangen von dort zu den Ablenkspulen des Ablenksystems 10. Die Videosignal werden einem Verstärker 33 zugeführt und gelangen von dort zur Primärwicklung des Isolier-Transformators 21.
Die Wirkungsweise des hier dargestellten Gerätes ist folgende : Mittels einer Lampe 25 und eines optischen Systems 26 wird ein Bild 24 beleuchtet, welches auf das Werkstück 11 übertragen werden soll. Das Bild 24 wird von der Fernsehkamera 27 in elektrische Signale umgesetzt, welche ihrerseits im Sichtgerät 32 wieder in Bildsignale umgesetzt werden. Über die Leitungen 29 und 30 werden die Ablenkströme dem Ablenksystem 10 zugeführt, so dass also der Elektronenstrahl 5 auf der Oberfläche des Werkstücks 11 ein Raster schreibt, welches genau dem vom Abtaststrahl der Fernsehaufnahmeröhre geschriebenen Raster entspricht.
Liefert die Fernsehkamera 27 ein Videosignal, so wird dieses über den Verstärker 33 dem Isolier- Transformator 21 zugeführt. Über diesen Transformator gelangt das Videosignal zur Wehneltelektrode 3 und setzt entsprechend seiner Stärke die Vorspannung dieser Elektrode herab. Dadurch wird das Strahlerzeugungssystem entsperrt und es gelangt ein Elektronenstrahl 5, dessen Intensität durch die Grösse des Videosignals festgelegt ist, zum Werkstück 11. An der durch die dem Ablenksystem 10 zugeführten Ablenkströme festgelegten Stelle ruft der Elektronenstrahl 5 einen Bearbeitungseffekt hervor.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Intensität des auf das Werkstück 11 auftreffenden Ladungs- trägerstrahles von der Amplitude des Videosignals abhängt. Aus diesem Grunde gelingt es, mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung die Werkstückoberfläche reliefartig zu bearbeiten.
Das zu übertragende Bild 24 ist beispielsweise in Fig. 3a dargestellt. Wie diese Figur zeigt, besteht das Bild aus einem hellen Linienzug 35 auf dunklem Untergrund. Bei der Übertragung des Bildes auf das Werkstück 11 wird also auf der Werkstückoberfläche eine Bearbeitungsfigur erzeugt, welche genau dem Linienzug 35 des Bildes 24 entspricht. Die Bearbeitung kann dabei beispielsweise in einer schichtweisen Abtragung des Materials bestehen.
Soll die in Fig. l dargestellte Einrichtung nicht zur Übertragung von Grauwerten verwendet werden,
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Verstärkerbeim Auftreten eines Videosignals beliebiger Stärke einen Impuls konstanter Amplitude liefert. An Stelle des Thyratrons kann auch eine an sich bekannte Schaltung zur Begrenzung der Amplituden der Videoimpulse auf einen konstanten Wert vorgesehen sein.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung sind an Stelle der in Fig. l mit 6 bezeichneten Blende hinter der Anode 4 zwei Blenden 37 und 38 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 39,40, 41 und 42 justierbar sind. Mit der oberen Blende 37 ist ein Ablenkplattenpaar 43 verbunden, welches zur Ablenkung des Elektronenstrahles 5 über die untere Blende 38 dient.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das im Verstärker 33 verstärkte Videosignal direkt dem Ablenkplattenpaar 43 zugeführt. Dieses Ablenkplattenpaar liegt nicht auf Hochspannung, so dass also in diesem Fall der Hochspannungs-Isolier-Transformator 21 entfällt.
Im Ruhezustand, d. h. also bei Ausbleiben eines Videosignals wird mittels eines Gerätes 44 an dasAb- lenkplattenpaar 43 eine solche Spannung angelegt, dass der Elektronenstrahl 5 nicht durch die Öffnung 45 der Blende 38 trifft. Beim Auftreten eines Videosignals wird der Elektronenstrahl 5 mittels des Ablenk- plattenpaare 43 so abgelenkt, dass er, wie in Fig. 2 dargestellt, durch die Öffnung 45 der Blende 38 fällt und somit auf das zu bearbeitende Werkstück 11 auftrifft. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, gelingt es mit der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung bei der angegebenen Wahl der Ablenkspannung lediglich SchwarzWeiss-Signale zu übertragen.
Es ist möglich und in vielen Fällen vorteilhaft, die Ausgangsspannung des Verstärkers 33 so gross zu wählen, dass der Elektronenstrahl 5 beim Auftreten eines Videosignals so weit aus der in Fig. 3 dargestellten Ruhelage abgelenkt wird, dass er nach Überstreichen der Blendenöffnung 45 wieder auf die Blende 38
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auftrifft und somit gesperrt ist. In diesem Fall werden also beim Übertragen eines strichförmigen Bildes lediglich an den Bildrändern Ladungsträgerstrahlimpulse ausgelöst.
Wird-mit dem beschriebenen Übertragungsverfahren beispielsweise das in Fig. Sa dargestellte Bild 24 auf das Werkstück 11 übertragen, so schreibt der Elektronenstrahl 5 auf der Werkstückoberfläche 11 einen Linienzug 46, welcher lediglich aus den Randlinien des Bildes 35 besteht. Dazu ist es allerdings erforderlich, das Bild 24 so anzubringen, dass sich der Abtaststrahl der Fernsehaufnahmeröhre in Pfeilrichtung darüberbewegt.
Durch die aus Fig. 3b ersichtliche Energiekonzentration an den Rändern der Bearbeitungsstelle wird den thermodynamischen Bedingungen der Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl Rechnung getragen. Es entsteht in diesem Fall bei einer etwa dem vierfachen Strahldurchmesser entsprechenden Stärke der Linie 35 eine gleichmässige Bearbeitung auch des Gebietes innerhalb der Randlinie 46, da die eingestrahlte Energie durch Wärmeleitung bevorzugt in dieses Gebiet gelangt.
Es ist auch mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung möglich, den thermodynamischen Bedingungen Rechnung zu tragen. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, dem Bild 24 die in Fig. 3b dargestellte Form einer geschlossenen Randlinie 46 zu geben. Bei der Übertragung des Bildes auf die Oberfläche des Werkstückes 11 entsteht sodann aus den oben angegebenen Gründen eine Bearbeitungsspur, welche dem Linienzug 35 der Fig. 3a entspricht.
Eine weitere Anpassung an die thermodynamischen Bedingungen der Materialbearbeitung ist dadurch möglich, dass nicht nur ein einzelnes Bild 24 verwendet wird, sondern dass mehrere entsprechend den speziellen Bedingungen ausgebildete Vorlagen nacheinander zur Übertragung kommen. In diesem Fall ist es lediglich erforderlich, das in Fig. l dargestellte Gerät zur Beleuchtung des Bildes 24 und die Fernsehkamera 27 durch eine an sich bekannte Fernseh-Filmabtastanlage zu ersetzen. Mittels einer solchen Anlage können schnell aufeinander folgende Bilder mit höchster Genauigkeit abgetastet und auf das Werkstück 11 übertragen werden.
In den Fig. l und 2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Fernsehkamera 27 und ein Gerät zur Beleuchtung des zu übertragenden Bildes 24 gezeichnet. Es ist natürlich möglich, diese Elemente durch einen handelsüblichen Fernseh-Diabtaster zu ersetzen.
In Fig. 4 ist mit 50 eine Kathodenstrahlröhre bezeichnet, welche mit Ablenkmitteln 51 versehen ist.
Im Generator 52 werden die Ablenkströme für die Ablenkmittel 51 erzeugt, so dass der Elektronenstrahl der Röhre 50 auf dem Leuchtschirm ein Zeilenraster schreibt. Der Generator 52 ist so mit dem Ablenksystem 10 verbunden, dass der Elektronenstrahl 5 synchron mit dem Elektronenstrahl der Röhre 50 bewegt wird und somit dasselbe Zeilenraster auf die Oberfläche des Werkstückes 11 schreibt.
Das von dem auf dem Leuchtschirm der Röhre 50 in Form eines Zeilenrasters wandernden Lichtpunkt ausgehende Licht wird im folgenden als"Abtaststrahl"bezeichnet.
Vor der Kathodenstrahlröhre 59 ist eine durchscheinend Bildvorlage 53 angeordnet. Das durch diese Bildvorlage tretende Licht wird mittels einer Linse 54 auf eine Photozelle 55 fokussiert. Diese Photozelle liefert demzufolge ein elektrisches Signal, welches der Bildinformation der Vorlage 53 entspricht.
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ist, dass er bei der ersten Abtastung in der ersten Zeile den ersten, zehnten, zwanzigsten usw. Bildpunkt freigibt, während er alle andern dazwischenliegenden Videoimpulse unterdrückt. Bei der zweiten Abtastung werden vom Speicher 57 der zweite, elfte, einundzwanzigste usw.
Bildpunkt freigegeben, während alleandernBildpunkte unterdrückt werden. Die durch den Speicher 57 tretenden Impulse werden im Verstärker 58 verstärkt und gelangen von dort zum Hochspannungs-Isolier-Transformator 21. Von dort werden sie der Steuerelektrode 3 zugeleitet und entsperren das Strahlerzeugungssystem. Es gelangt also bei der Abtastung der Bildvorlage 53 nur eine vorherbestimmte Anzahl von Ladungsträgerstrahlimpulsen zum Werkstück 11, wobei diese Impulse an örtlich weit voneinander getrennten Stellen auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffen. Wird der Abtastvorgang in dem geschilderten Beispiel zehnmal wiederholt, so ist schliesslich die gesamte Bearbeitungsstelle vollständig aus einer Vielzahl von bearbeiteten Flächenelementen zusammengesetzt.
Der Generator 52 zur Erzeugung der Ablenkströme ist so eingestellt, dass er normalerweise Ablenkströme liefert, deren Frequenz wesentlich über der Frequenz der normalen für Fernsehzwecke verwendeten Ablenkströme liegt. Sobald jedoch der Abtaststrahl durch die Bildvorlage 53 auf die Photozelle 55 trifft, wird über den Verstärker 56 und ein Schaltgerät 59 dem Generator 52 ein Kommandoimpuls zugeführt, welcher bewirkt, dass dieser nunmehr Ablenkströme einer wesentlich niedrigeren Frequenz liefert. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass alle ausserhalb der eigentlichen Bearbeitungsstelle gelegenen Raster-
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57 und zum andern zum Generator 52. Der Speicher 57 wird durch den ankommenden Kommandoimpuls veranlasst, sein einmal eingestelltes Programm der Strahlmodulation weiterzuführen.
Der Generator 52 wird dagegen durch den ankommenden Kommandoimpuls veranlasst, Ablenkströme zu liefern, deren Frequenz etwas höher liegt als die Frequenz der im grünen Bereich 63 der Bildvorlage 65 gelieferten Ablenkströme. Dadurch wird der Ladungsträgerstrahl 5 im weissen Bereich 62 etwas schneller bewegt als im grünen Bereich 63 der Bildvorlage, wobei diese Bewegung so erfolgt, dass aufeinanderfolgende Ladungsträgerstrahlimpulse sich nicht mehr überlappen, sondern aneinandergrenzen. Auch dies ist ohne weiteres aus Fig. 7 zu erkennen.
Fig. 8 zeigt eine Bildvorlage 74, welche eine Bildleiste 75 enthält. Diese Bildleiste besteht aus den beiden undurchsichtigen Bereichen 76, sowie aus dem Hell-Dunkelbereich 77. Die eigentliche Bildvorlage enthält den nichttransparenten Teil 78, den transparent ausgebildeten Bereich 79 sowie den grüngefärbten Randbereich 80.
Zur Materialbearbeitung unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Bildvorlage 74 dient die in Fig. 9 dargestellte Einrichtung. Bei dieser ist wiederum ein halbdurchlässiger Spiegel 81 vorgesehen, wel-
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cher das durch die Bildvorlage 74 tretende Licht in zwei Anteile aufspaltet. Weiterhin sind zwei Photo- zellen 82 und 83 vorgesehen, wobei die Zelle 83 mittels des vorgeordneten Filters 84 so abgestimmt ist, dass sie lediglich auf den grünen Farbbereich 80 der Bildvorlage 74 anspricht.
Die Wirkungsweise der in Fig. 9 dargestellten Einrichtung ist folgende. Der Abtaststrahl wandert beim
Abtasten der Bildvorlage 74 zunächst über die Bildleiste 75. Solange er sich im schwarzen Bereich 76 die- ser Leiste bewegt, enthält keine der Photozellen 82 und 83 Licht und der Generator 52 liefert lediglich den zur Ablenkung des Abtaststrahles in Bildrichtung notwendigen Ablenkstrom. Dies bedeutet, dass der Ablenkstrom gar keine Bildzeile schreibt. Sobald der abtastende Lichtpunkt über den Bereich 77 der Bild- leiste 75 wandert, liefert die Zelle 82 einen Kommandoimpuls bestimmter Form, welcher über das Schalt- gerät 85 den Generator 52 veranlasst, nunmehr auch den für die Ablenkung in Zeilenrichtung notwendigen
Strom zu liefern.
Das Gerät 85 ist mit dem Ablenkgenerator 52 so gekoppelt, dass es automatisch nach einer Zeit, welche dem Abfahren der Bildleiste 75 entspricht, ausser Tätigkeit gesetzt wird. Infolgedessen liefert der Generator 52 auch weiterhin beide Ablenkströme, wenn der Abtaststrahl die Bildleiste 75 im Bereich. 77 verlassen hat und in den schwarzen Bereich 78 der Bildvorlage 74 eintritt. Sobald nun der Ab- taststrahl in den grünen Randbereich 80 der Bildvorlage 74 eintritt, erhält die Photozelle 83 Licht.
Die von dieser Zelle gelieferte Spannung wird nach Verstärkung im Verstärker 86 dem Gerät 18, welches zur Erzeugung der Vorspannung der Steuerelektrode 3 dient, zugeführt. Der ankommende Kommandoimpuls bewirkt, dass die Vorspannung der Steuerelektrode herabgesetzt wird, so dass also der Strahlstrom des Ladungsträgerstrahles 5 einen bestimmten vorgegebenen Betrag erreicht.
Zugleich wird die von der Zelle 83 erzeugte Spannung im Verstärker verstärkt und bewirkt das Einschalten des Speichers 57.
Sobald der Abtaststrahl in den weissen Bereich 79 der Bildvorlage 74 gelangt, erhalten beide Zellen 82 und 83 Licht und es wird demzufolge im Verstärker 87 eine Spannung erzeugt, welche höher Ist als die Spannung, welche beim Verweilen des Abtaststrahles im grünen Bildbereich 80 erzeugt wird. Diese Spannung gelangt einmal zum Speicher 57 und bewirkt, dass dieser Speicher weiterhin in Betrieb bleibt. Zum andern gelangt diese Spannung zum Gerät 18 und bewirkt eine Herabsetzung der Vorspannung der Steuerelektrode 3. Infolgedessen ist die Stromstärke der Ladungsträgerstrahlimpulse kleiner. solange sich der Abtaststrahl im weissen Bildbereich 79 bewegt als wenn sich der Abtaststrahl im grünen Bildbereich 80 bewegt.
Fig. 10 zeigt eine lediglich aus einer Folge vonHell-Dunkelstellen bestehende Bildvorlage 88. Diese Bildvorlage enthält eine Bildleiste 89, welche die beiden Bereiche 90 und 91 umfasst. In den Bereichen 90 wird der Ladungsträgerstrahl so gesteuert, dass er lediglich in Bildrichtung bewegt wird, während der Ladungsträgerstrahl im Bereich91so gesteuert wird, dass er auch eine Ablenkung inZeilenrichtung erfährt.
Vor bzw. hinter sämtlichen Rändern des Bildes 92 sind Randleisten angeordnet, welche aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen bestehen. Die Bildleiste 93 bewirkt ein Langsamlaufen des Ladungsträgerstrahles in Zeilenrichtung, während die Bildleiste 94 den zur Inbetriebsetzung des Speichers 57 dienenden Kommandoimpuls liefert. Die Bildleiste 95 liefert einen Kommandoimpuls, welcher die Ausserbetriebsetzung des Speichers 57 und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Anfang der nächsten Zeile bewirkt. Die Bildleiste 96 liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 57 ausser Betrieb setzt, jedoch den Ladungsträgerstrahl in Zeilenrichtung weiterbewegt.
Die in Abtastrichtung am Ende des Bildes 92 angeordnete Kombination 97 von Hell-Dunkelstellen liefert einen Kommandoimpuls, welcher den Speicher 57 sperrt und den sofortigen Rücklauf des Ladungsträgerstrahles zum Bildanfang bewirkt.
Es Ist ohne weiteres klar, dass die in Fig. 10 dargestellten Randleisten beliebig abgewandelt werden können, solange sie für den Abtaststrahlnochlesbare und unterscheidbar Kommandoimpulse liefern. Es ist auch möglich, an Stelle der in Fig. 10 dargestellten, aus einer Folge von Hell-Dunkelstellen bestehenden Randleisten solche Leisten zu wählen, welche aus einer in Abtastrichtung aufeinanderfolgenden Reihe von Farbpunkten bestehen.
Wie die obigen Ausführungen erkennen lassen, ist durch entsprechende Ausbildung der Bildvorlage eine sehr weitgehende Programmierung des Bearbeitungsvorganges möglich. Schon mit sehr einfachen Mitteln, wie z. B. im Falle der Fig. 6, lässt sich eine Programmierung erreichen, welche weitgehend den thermischen Bedingungen der Materialbearbeitung angepasst Ist.
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