專利名稱：用于電子束處理設備的工件供給裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于電子束處理設備的工件供給裝置。
用于中型和小型工件處理的電子束處理，特別是電子束焊接正在被廣泛應用。
電子束焊接(＝EB焊接；EB＝電子束)與其它焊接技術相比，特別是在焊接時引入能量的精確性上具有顯著優(yōu)點，使得電子束焊接成為一種幾乎無彎曲且尺寸精確的焊接過程。因此，特別對于這樣的工件，如齒輪箱的齒輪或者手動或自動傳動部件，它們要求盡可能地實行無彎曲且尺寸精確的焊接，最好采用電子束焊接進行焊接。
對于電子束焊接，在常壓或略低于常壓下的焊接即所謂的非真空焊接與在真空下的焊接(更確切地，在減小的壓力≤10-2毫巴(mbar)＝半真空或者減小的壓力≤10-4毫巴＝高真空下)之間存在差別。在真空下的電子束焊接具有“清潔”處理的優(yōu)點，即基本上無污染的環(huán)境和基本上恒定的處理參數(shù)，如壓力、溫度、濕度等。
利用真空電子束焊接來制造小批量或大批量工件要求把工件供應給(裝載和卸載)真空環(huán)境，并在真空環(huán)境中處理該工件。在已知的真空焊接設備中，對于每單個工件或一批多個工件來說，將真空室充注到常壓，然后卸載已處理的工件并裝載未處理的工件，又再將真空室抽空。
由DE19729083C1可知這樣一種電子束焊接設備，其中多個工件放在一個交換托盤上，然后利用電子束基本上同時地焊接該多個工件。許多這樣的交換托盤排列在一交換板上，該交換板形成為電子束處理的處理室的密封法蘭。該處理室(真空室)在每次交換工件時被充注。
由CH426025中可知這樣一種電子束焊接設備，其中一電子束槍布置在真空室中。在CH426025的

圖1和圖2中顯示的實施例包含一個具有兩個開口的真空室；具有指定工件夾持裝置的一種鎖定裝置提供在每個開口處。當交換工件時，鎖定裝置密封真空室，且工件夾持裝置位于鎖的外部。工件與工件夾持裝置一起移入鎖中以進行處理，且通過與工件夾持裝置連接的一密封裝置密封該鎖。然后相對于真空室打開鎖，使得可利用電子束對位于該鎖內且正與真空室連接的工件進行處理。將電子束槍移到各個鎖以進行處理。
更多的電子束處理設備見US3731052和JP62-248583 A的專利摘要。
自EP0790330B1可知一種用于傳輸基片特別是CD基片的設備，其中，利用基片容納部件的一板相對于鎖定室(lock chamber)密封真空室。當在常壓下密封鎖定室時，降下基片供應部分以將該基片放置在一種轉盤上，并將基片傳遞給該轉盤；然后，基片就通過轉盤移到它的處理位置。
已知技術導致周期相當長，且由于需要定期進氣以獲取常壓而存在污染真空室的問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的工件電子束處理的工件供給裝置，該裝置大大地減少了上述缺點。
該目的通過權利要求1所述的裝置來完成。
本發(fā)明的進一步的改進陳述在從屬權利要求中。
更多的特征和優(yōu)點由參見附圖的實施例描述可知，附圖如下圖1是工件供給裝置的第一個實施例的剖面圖，和圖2是工件供給裝置的第二個實施例的頂視圖。
第一實施例的工件供給裝置的剖面圖顯示在圖1中。第一個實施例包括一裝載/卸載開口和一用于電子束發(fā)生器的連接口，這將在下面進行說明。第二個實施例的頂視圖見圖2所示，該第二實施例包含兩個裝載/卸載開口和一個用于電子束發(fā)生器的連接口。通常，裝載/卸載開口和用于電子束發(fā)生器的連接口的數(shù)量并不限于所示例子。
現(xiàn)在將對第一個實施例進行描述。圖1表示了真空室1。該真空室的的內部空間2包括一個裝載/卸載開口3和一抽氣口4。兩個工件夾持裝置10、11和一工件夾具移動裝置20布置在真空室1中。一工件鎖定裝置30位于裝載/卸載開口3上。抽氣口4通過管道5與泵站(未示出)連接。
在第一個實施例中，真空室1基本上形成為具有圓形橫截面(與第二實施例一樣，見圖2)和高度H。
在圖1所示的實施例中，真空室1具有一底板6、界定圓形內部空間的一側壁7以及在頂部界定內部空間2的一蓋板8，其中，該底板6包含三個用于連接隨后描述的升降旋轉裝置的開口。該蓋板8包括也是圓形的裝載/卸載開口3、用于容納隨后描述的旋轉裝置軸承的開口和用于電子束發(fā)生器40的連接口9。按照已知方式，電子束發(fā)生器40通過開口9用法蘭41加壓密封到真空室1上。按照已知方式，通過一種用于調節(jié)電子束處理區(qū)域的移動裝置42，電子束發(fā)生器40可以在開口9的上方移動(見箭頭43)。電子束的中軸如圖1中的箭頭44所示。
工件鎖定裝置30設置在開口3上或開口3中。工件鎖定裝置30最好構成為中空圓筒31，且鎖32布置在圓筒31的上側。該鎖32包含一蓋子33，可以通過一啟動部件34移動該蓋子33來打開或關閉圓筒31的上部開口。該圓筒31包括一側開口35，該開口35通過管道36與一泵站連接。該圓筒底部通過裝載/卸載開口3向著真空室1的內部空間2敞開。這可以通過將圓筒插入裝載/卸載開口3中，與圖1所示實施例的情況一樣，或選擇性地通過將圓筒設置在蓋板8上來實現(xiàn)，且在這兩種情況下都通過密封連接來實現(xiàn)。
在圖1所示的實施例中，裝載/卸載開口3和連接開口9相對于蓋板8的中軸8a偏離180°。
位于裝載/卸載開口3垂直下方的底板6的位置處也具有一開口，通過法蘭6a加壓密封該開口。法蘭6a為升降裝置50的升降桿51提供一條加壓密封管道，這將在下面進行說明。
近似位于連接開口9垂直下方的底板6的位置處具有一開口，通過連接法蘭6b加壓密封該開口。該連接法蘭6b作為升降旋轉裝置60的升降旋轉桿61的加壓密封管道。
在圍繞中軸8a通過點(passage point)的位置處，底板6具有另一個開口，該開口被提供用于通過法蘭6c容納旋轉裝置70的軸承73。在所示實施例中，該旋轉裝置70具體表現(xiàn)為具有交換連接裝置72的電機71。在蓋板中的相應開口通過用于容納旋轉裝置70的軸承74的法蘭8b加壓密封。軸承73和74支撐一輸出軸75，該輸出軸75可以借助于電機71經(jīng)由齒輪箱72驅動。輸出軸75布置成使它的旋轉軸與中軸8a重合。
移動裝置20的旋轉支架21與輸出軸75連接以使旋轉支架21可以在與中軸8a垂直的平面內圍繞中軸8a旋轉。旋轉支架21可具體表現(xiàn)為具有相當高慣性力矩的圓盤，或者也能具體表現(xiàn)為線性延伸臂。在圖1所示的實施例中，旋轉支架21包括兩個圓孔22，這樣形成該兩孔，以使它們的中心點與中軸8a的距離都為A。在旋轉支架21的面向蓋板8的上側有兩個圓形凹進23，該兩個圓形凹進23分別圍繞著這兩個孔22，該凹進23具有斜面倒角且具有預定的直徑。該凹進23的預定直徑對應于工件夾持裝置10、11底盤12外徑的必要容許量，該工件夾持裝置10、11將在后面描述。
旋轉支架21通過螺紋配合(screw-fitting)牢固地與輸出軸75的一個臺階連接。軸承73形成為軸向軸承，且支撐在法蘭6c內。輸出軸75包括另一臺階，使軸承74密封在該臺階上，該軸承74形成為錐形軸承。通過這樣的構成，底板6和蓋板8抵抗彎曲的剛性大大增強，這種彎曲是由于壓力差所產(chǎn)生的力帶來的。由此，就可以避免由于這種彎曲導致電子束在工件上的位置可能發(fā)生偏移。
升降桿51的中軸和升降旋轉桿61的中軸分別布置在中軸8a的相對側上，且與中軸8a的距離都為A。
這樣布置的結果是，可這樣設置距離中軸8a也為A的旋轉支架21的孔22的中心點，使升降桿51的中軸和升降旋轉桿61的中軸分別穿過這些中心點，如圖1的剖面圖所示。
升降裝置50的升降桿51可以通過千斤頂52上升和下降行程H1，如圖1所示。
升降旋轉裝置60的升降旋轉桿61可以通過千斤頂62上升和下降對應于行程H1的行程，且也能通過旋轉驅動器63圍繞桿61的中軸旋轉。
所示工件夾持裝置10、11是相同的，因此以下只描述工件夾持裝置10。如圖1所示的優(yōu)選實施例中，工件夾持裝置10由底盤12、安裝在底盤12上的密封件13、工件夾具14和心軸15組成。在優(yōu)選的實施例中，底盤12具有碗形，即一底部和一側壁界定了一內部空間。該密封件13布置在該側壁的上面。心軸15形成在底盤12的與密封件相反的一端。底盤12呈圓形，且具有一外徑，與已經(jīng)描述的一樣，該外徑與凹進23的內徑相當。因此，工件夾持裝置10可以容納在旋轉支架21的凹進23內，且能被支撐著旋轉移動，其中，心軸15向下突出通過孔22。在剖面圖中，形成在底盤12的底部中央的心軸15為向下逐漸變細的錐形。心軸15的中央具有一貫通孔。
工件夾具14布置在底盤12的頂側中央，依靠該工件夾具14夾持工件W。
在圖1所示的實施例中，工件W是要被焊接的傳動齒輪。這種傳動齒輪具有一貫通孔。為了夾住具有這種貫通孔的工件，如下所述，工件夾具14構成為一種所謂的筒夾(collet chuck)。一錐形部分14a布置在桿14d的上部，這樣支撐該桿，以使該桿可在心軸15的貫通孔中滑移。錐形結構向著工件夾持裝置10的底側逐漸變細。利用彈簧14c朝向工件夾持裝置10的底部偏壓錐形部分14a和桿14d的結合體。圍繞錐形部分14a放置一可彈性變形環(huán)14b，如具有若干槽的一金屬環(huán)，這些槽從環(huán)的一側起軸向延伸預定深度且允許槽之間的環(huán)形片徑向移動；當環(huán)釋放時，環(huán)的外徑略小于工件W的貫通孔的內徑。由此，基本上加壓密封通過心軸15的桿14d的通道。
由于這樣的布置，當?shù)妆P12位于其適當位置上時，通過自下方施加給桿14d且沿桿14d縱向的力，可縱向向上移動桿14d和錐部14a的結合體。
在圖1所示的實施例中，工件鎖定裝置30的圓柱形內部空間的橫截面形成具有直徑d1的圓形。底盤12的側壁具有相應的直徑，以使布置在側壁上部的密封件13具有一比d1更大的外徑。
升降桿51和升降旋轉桿61中每個的上部分別包括具有錐形內部凹進51a、61a的突出部分。該內部凹進的錐形與突出部分15的錐形相匹配。控制桿53布置在升降桿51內，從而可通過驅動裝置54沿控制桿53的中軸移動該控制桿53。
現(xiàn)在將描述圖1所示的實施例的操作，該操作通過未顯示的控制裝置控制。
經(jīng)由開口4抽空真空室1的內部空間2。在這點上，利用工件夾持裝置10密封裝載/卸載開口3，如圖1的左邊的分開的橫斷面的右邊的工件夾持裝置10的橫斷面所示。那時，升降裝置50的升降桿51被升起行程H1。這樣，心軸15與內部的凹進51A嚙合。工件夾持裝置10向上升起行程h(參考圖1左邊的工件夾持裝置10的橫斷面的左邊和右邊的對比)，且裝載/卸載開口3被密封件13和心軸15的桿14d的密封段密封。通過升起它，工件夾持裝置10被舉起到旋轉支架21的凹進23的外面。
利用驅動裝置54向上移動控制桿53，且該控制桿53克服彈簧14c的彈簧力向上推動桿14d。這樣，沒有相當大的力施加在彈性環(huán)14b上，使得它的外徑小于工件W的貫通孔的內徑。工件鎖定裝置30的內部空間被充注到常壓。在這種情況下，蓋子33被舉起，且工件W如傳動齒輪被放置在彈性環(huán)14b的上面。
然后，關閉蓋子33，經(jīng)由開口35和管道36抽空內部空間到真空室1的內部空間2的壓力水平。抽空后，升降桿51下降行程H1且控制桿53縮回。
通過縮回控制桿53，錐形部分14a由于彈簧14c力的作用而朝向工件夾持裝置10的底部移動，以使彈性環(huán)14b變形并推壓工件W的貫通孔的內側。按照這種方式，夾緊該工件W。而且，通過降下升降桿51，將工件夾持裝置10放入旋轉支架21的凹進23中。這種情況可以在圖1左邊的工件夾持裝置10的分開的兩部分的橫斷面中看出。
因為工件鎖定裝置30的內部空間被抽空到與內部空間2相同的壓力水平，降下工件夾持裝置10不會引起內部空間2的真空狀態(tài)發(fā)生任何變化。
當通過上述操作將第一個工件W引入真空室時，通過用旋轉裝置70將旋轉支架21旋轉180°，就可以將該第一個工件W從裝載/卸載位置(圖1的左邊)移到處理位置(圖1的右邊)。
在那里，升起升降旋轉桿61。因為工件夾持裝置11顯示在圖1的右邊，現(xiàn)在將參考工件夾持裝置11描述其操作。
因為沒有向上推動桿14d，工件W仍然由于彈簧14c的力而被夾緊。
因為心軸15的錐形和升降旋轉桿61內部凹進的錐形適合于彼此匹配，在它們之間形成了一摩擦力，該摩擦力足夠用來旋轉驅動和工件W一起的工件夾持裝置11。
接著，對應于處理工件的指定狀態(tài)，通過旋轉工件夾持裝置11和/或向側向移動電子束軸44來完成工件W的焊接。
同時，利用升降桿51在裝載/卸載位置再一次升起工件夾持裝置10，這樣，通過首先卸載已處理的工件W然后裝載要經(jīng)處理的新工件W，可再次執(zhí)行前述操作。因為真空室2被向上推動的工件夾持裝置10密封，所以在處理位置的處理可以在真空條件下同時完成。
明顯地，由于采用了工件鎖定裝置30，要被注入和被抽出的體積量急劇減少，從而大大縮短了必要抽吸時間。另外，工件交換可以與處理同時進行，因此也急劇地縮短了周期。
特別地，由于工件夾持裝置10、11的多功能性，其可以同時完成密封真空室2和工件鎖定裝置30，夾持和釋放工件。另外，這樣的結構也使得工件在處理位置可以移動。
在此優(yōu)選實施例中，工件夾持裝置10的碗形具有的顯著優(yōu)勢在于為進行密封所必要的行程移動大大減少。如圖1所明示，只需要行程h，但引入室內的工件W的高度也顯著伸長。
然而，如果用電子束處理工件的處理時間比交換工件所必需的時間短，那么可利用第二個裝載/卸載開口來進一步縮短裝載和卸載的周期。
具有兩個裝載/卸載開口的優(yōu)選實施例示意地顯示在圖2的頂視圖中。
在圖1的實施例中，連接口和裝載/卸載開口被設置成圍繞中軸8a(工件移動的旋轉軸)間隔180°。在圖2的實施例中，兩個裝載/卸載開口3a、3b和一個連接口9以間隔120°布置(即，圍繞中軸8a均勻地分配)。
采用這樣的布置，可進一步明顯縮短交換工件所必需的周期，因為不需要在每個位置都進行裝載和卸載；而是，在每一位置只需要進行裝載或卸載。
那就意味著，僅通過提供另一個工件交換站，就可以更有效地利用電子束發(fā)生器和真空室，而這些都是相當昂貴的。
在可供選擇的辦法中，當然工件移動裝置可以以另外的方式構成。為了這個目的，用線性移動替代旋轉移動是可以想到的。在那樣的情況下，用于電子束發(fā)生器的連接口可以定位在卸載開口和裝載開口之間。
同在開始時已經(jīng)提到的一樣，可以采用具有兩個或更多電子束發(fā)生器，以及每個電子束發(fā)生器具有一個或兩個裝載/卸載開口的其它布置。
在圖1中，只表示了一個垂直布置的電子束發(fā)生器。當然，也可以在側邊布置一個電子發(fā)生器。
圖1所示實施例旨在使行程h最小化。
在一種更優(yōu)選的實施例中，密封件13并不提供在多功能工件夾持裝置10、11上，而是在真空室1上或在圍繞裝載/卸載開口的工件鎖30的下邊緣上。除了減少密封件的數(shù)量外，這種布置的顯著優(yōu)勢在于該密封件不接近電子束。特別地，如果該密封件由絕緣材料制成，將會發(fā)生靜電荷形成電弧的危險。
如果盡可能小的行程h并不如此重要，且如果將更多的重點放在進一步減少真空室的內部空間2的污染上，那么底盤并不用形成為碗形，而是形成為平面形。這樣，在交換工件時可能被外界污染的表面面積大大減少。
根據(jù)上述實施例的一種優(yōu)選改進型式，能用相應的電子裝置來替代這里采用如液壓裝置的升降裝置50和升降旋轉裝置60。這種電子升降裝置和電子升降旋轉裝置布置在真空室中，且與在所述的第一實施例中一樣，它們不是部分地在外面。根據(jù)再一種優(yōu)選改進型式，這些電子裝置每個都顯示了一個計算機數(shù)值控制器的電軸，其中旋轉裝置70也優(yōu)選地作為一顯示該計算機數(shù)值控制器的又一個電軸的電子伺服系統(tǒng)。
根據(jù)上述實施例的又一種優(yōu)選改進型式，這樣形成用于處理工件的處理室，以使工件夾持裝置11在處理位置時(圖1的右邊)被舉起，從而通過位于開口9上方的電子束發(fā)生器40的一部分和工件夾持裝置11一起界定一空間，該空間對于剩余的真空室1來說是密封的。用碗形工件夾持裝置與用平面形工件夾持裝置都可以，而不用再費力。形成這種在工件處理期間相對于剩余真空室密封的處理室的優(yōu)點在于防止了在電子束處理期間產(chǎn)生的X射線選出處理室，并且在焊接期間不可避免產(chǎn)生的污染物如焊接顆粒、金屬蒸汽等不能進入剩余的真空室1中，但卻能被吸出真空室。
根據(jù)上述實施例和改進型式的另一種優(yōu)選改進型式，通過齒狀系統(tǒng)(toothed systems)如所謂的Hirt嚙合來完成工件夾持裝置10、11分別與升降桿51和升降旋轉桿61之間的連接，以代替錐形突出部分15和相應的錐形內部凹進51A、61A。在取向對于電子束處理而言較重要的情況下，這種嚙合可以準確的相對定位分別交換和定位工件。
在上述的第一個實施例中，工件鎖定裝置30的內部空間被抽空到與內部空間2相同的壓力水平。根據(jù)進一步的改進型式，如果內部空間2的體積比工件鎖定裝置30的內部空間的體積大得多，如5倍、10倍、20倍、30倍或更多，那么優(yōu)選的是工件鎖定裝置30的內部空間僅被抽空到幾乎與內部空間2相同的壓力水平。在這點上，幾乎同樣的壓力水平意味著工件鎖定裝置30的內部空間的壓力可以比內部空間2的壓力水平高的倍數(shù)是比相應體積倍數(shù)小的倍數(shù)，如相應體積倍數(shù)的1/2或1/4或1/8或更小(即，1/4×5＝1.25)。
上述工件夾持裝置夾持了一個工件。根據(jù)一種改進型式，單獨一個工件夾持裝置可以夾持多于一個的工件，如三個工件。那么，優(yōu)選形成為利用同一工件夾持裝置單獨地即獨立于其它工件地夾持單個工件。
權利要求
1.電子束處理設備的工件供給裝置，包含一真空室(1)，該真空室(1)具有至少一個用于電子束槍(40)的連接口(9)和至少一個裝載/卸載開口(3；3a；3b)，至少兩個工件夾持裝置(10，11)，一移動裝置(20，51，61)，該移動裝置(20，51，61)用于移動每個工件夾持裝置(10，11)到所述至少一個裝載/卸載開口(3；3a；3b)處的相應裝載/卸載位置和所述用于電子束槍(40)的至少一個連接口(9)處的處理位置，在每個裝載/卸載開口(3；3a；3b)處的一個工件鎖定裝置(30)，該工件鎖定裝置(30)能選擇性地被抽空或接納常壓，且還包含一個可關閉的鎖開口，其中，所述工件夾持裝置(10，11)和所述移動裝置(20，51，61)布置在所述真空室(1)中，且其中，所述工件夾持裝置(10，11)適合于加壓密封關閉所述裝載/卸載開口(3；3a；3b)，且通過所述移動裝置(20，51，61)可選擇性地移動所述工件夾持裝置(10，11)進入關閉位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的工件供給裝置，其特征在于每個所述工件夾持裝置(10，11)都包括一底盤(12)和一工件夾具(14)，一密封件(13)布置在每個工件夾持裝置上或每個裝載/卸載開口處，且所述移動裝置包含一升降裝置(51，61)，該升降裝置(51，61)用于在所述裝載/卸載位置升起和降下至少所述工件夾持裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的工件供給裝置，其特征在于所述工件夾持裝置包含在面對所述升降裝置一側上的突起部分(15)，該突起部分(15)能與所述升降裝置接合。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的工件供給裝置，其特征在于所述底盤(12)具有碗形結構，其中所述工件夾具(14)適合于在所述碗形結構內夾持工件W。
5.根據(jù)權利要求1-4之一所述的工件供給裝置，其特征在于所述移動裝置(21，70)適合于在所述裝載/卸載位置和所述處理位置之間的平面內移動所述工件夾持裝置(10，11)。
6.根據(jù)權利要求6所述的工件供給裝置，其特征在于所述移動裝置(21，70)包含一旋轉支架(21)，該旋轉支架(21)對于每個工件夾持裝置(10，11)具有一個容納裝置(22，23)。
7.根據(jù)權利要求2-6之一所述的工件供給裝置，其特征在于所述密封件(13)布置在所述底盤(12)的邊緣，以便于與所述的裝載/卸載開口(3；3a；3b)相協(xié)作。
8.根據(jù)權利要求2-6之一所述的工件供給裝置，其特征在于所述密封件布置在所述裝載/卸載開口(3；3a；3b)處，以便于與所述底盤(12)的邊緣相協(xié)作。
9.根據(jù)權利要求2-8之一所述的工件供給裝置，其特征在于所述工件夾持裝置適合于在處理位置密封一處理室，該處理室通過所述電子束槍(40)的所述連接口(9)、所述電子束槍(40)和所述工件夾持裝置(11)來界定，且所述升降裝置適合于在所述處理位置升起和降下所述工件夾持裝置以界定所述處理室。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于電子束處理設備的工件供給裝置，該裝置可以利用一多功能工件夾持裝置來縮短工件的交換周期。
文檔編號B23K15/00GK1556737SQ02818660
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月20日 優(yōu)先權日2001年9月24日
發(fā)明者英戈·克洛斯, 英戈 克洛斯 申請人:Ptr精密技術有限公司