一種電子束快速成型制造設(shè)備聚焦系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子束加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電子束快速成型制造設(shè)備聚 焦系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子束快速成型是高性能復(fù)雜金屬零件的理想快速成型制造技術(shù)，在航空航天、 汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。電子束快速成型制造技術(shù)是采用電子束在計算 機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇性地熔化金屬粉末，并通過層層堆積，直至整個 零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。與激光及等離子束快速 成型相比，電子束快速成型具有非常明顯的優(yōu)點，如能量利用率高、加工材料廣泛、無反射、 加工速度快、真空環(huán)境無污染及運行成本低等。而電子束快速成型制造設(shè)備是一種綜合了 真空物理、精密機械、電子技術(shù)、電子光學(xué)、高電壓技術(shù)、計算機和控制技術(shù)等多種技術(shù)的高 科技產(chǎn)品。
[0003] 電子束快速成型制造設(shè)備聚焦裝置的作用是保證同一平面內(nèi)電子束各掃描點的 電子束斑點大小一致。電子束快速成型制造設(shè)備依靠磁場的作用來操作電子束的運動軌 跡，要求電子束能夠快速精確移動。如果電子束的聚焦電流保持恒定，在電子束快速移動過 程各點的電子束斑點是有所變化，即產(chǎn)生散焦。為了抑制散焦，聚焦裝置勵磁電流必須進行 動態(tài)修正。聚焦裝置靜態(tài)過程磁場的磁感應(yīng)強度與勵磁電流有近似的線性關(guān)系，但動態(tài)過 程由于磁路附加動態(tài)損耗等因數(shù)的影響，磁場的磁感應(yīng)強度與勵磁電流之間呈很復(fù)雜的非 線性關(guān)系，因此在電子束快速成型制造設(shè)備的聚焦系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)中重點要解決磁場 的快速變化和動態(tài)精密補償問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能降低磁路動態(tài)損耗并引入動態(tài)勵磁電 流補償功能來抑制磁路動態(tài)附加損耗對聚焦精度的影響的電子束快速成型制造設(shè)備聚焦 系統(tǒng)及控制方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種電子束快速成型制造設(shè)備聚焦系 統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1:確定掃描平面上主聚焦電流IF，電子束快速成型制造設(shè)備在成型制造過 程，其計算機控制單元置偏掃裝置的勵磁電流為0,同時置副聚焦電流。為0,此時電子束 位于掃描平面上的原始位置，即為電子束掃描區(qū)域的原點（0點），通過計算機控制單元調(diào) 節(jié)主聚焦電流，使得位于原點的電子束在掃描平面上工作于聚焦狀態(tài)，將聚焦狀態(tài)的主聚 焦電流指令F貯存于計算機控制單元內(nèi)；
[0007] 步驟2 :對電子束掃描區(qū)域按扇形或矩形規(guī)律進行分區(qū)；
[0008] 步驟3 :確定各小區(qū)特征點（小區(qū)分界線的交點）的副聚焦電流If，主聚焦電流保 持步驟1原點聚焦狀態(tài)電流值，通過計算機控制單元控制偏掃裝置的勵磁電流，使得電子 束偏移到小區(qū)特征點上，再通過計算機控制單元調(diào)節(jié)副聚焦電流If，使得位于掃描平面特 征點上的電子束工作于聚焦狀態(tài)，將聚焦狀態(tài)的副聚焦電流指令f貯存于計算機控制單元 內(nèi)；
[0009] 步驟4 :根據(jù)電子束掃描軌跡依次計算各掃描點的副聚焦電流指令f，分界線上的 掃描點的副聚焦電流指令f?由該分界線的特征點數(shù)值以掃描坐標為因變量按線性變化進 行計算，小區(qū)內(nèi)各掃描點的副聚焦電流指令f由該小區(qū)的特征點數(shù)值以掃描坐標為因變量 按線性變化進行計算，在運行前進行離線計算各掃描點副聚焦電流指令f，并依次記錄貯存 于計算機控制單元內(nèi)，或在運行時在線實時計算；
[0010] 步驟5 :運行時，計算機控制單元將主聚焦電流指令F經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓給定信號 11;送至主聚焦電源，與掃描指令同步依次將副聚焦電流指令f經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電壓給定信號Ui 送至副聚焦電源。
[0011] 步驟5. 1 :主聚焦電源將給定電壓信號irF與取樣電壓信號％通過比較、PI調(diào)節(jié)運 算和放大處理后，調(diào)整輸出電壓，向主聚焦繞組輸出穩(wěn)定的主聚焦電流IF;
[0012] 步驟5. 2 :副聚焦電源通過檢測給定電壓信號U;的變化率，將給定電壓信號Ui及 其變化率進行線性疊加作為總給定信號，總給定信號與取樣電壓信號uf通過比較和放大處 理后，調(diào)整輸出電壓，向副聚焦繞組輸出副聚焦電流If。
[0013] 一種電子束快速成型制造設(shè)備聚焦系統(tǒng)包括聚焦裝置、主聚焦電源、副聚焦電源、 計算機控制單元；
[0014] 電子束快速成型制造設(shè)備采用短磁透鏡聚焦，所述聚焦裝置為圓柱形結(jié)構(gòu)，安裝 于電子槍電子束出口的次近部位，包括導(dǎo)磁外框架、導(dǎo)磁內(nèi)框架、電子束通道、主聚焦繞組、 副聚焦繞組、磁隙；所述導(dǎo)磁內(nèi)框架為空心圓柱體，所述導(dǎo)磁外框架置于導(dǎo)磁內(nèi)框架的外圓 偵牝且導(dǎo)磁外框架和導(dǎo)磁內(nèi)框架構(gòu)成一腔體；所述電子束通道為導(dǎo)磁內(nèi)框架圓柱內(nèi)壁圍成 的空心圓柱狀；所述主聚焦繞組和副聚焦繞組均繞在導(dǎo)磁內(nèi)框架圓柱的外圓側(cè)和內(nèi)圓側(cè)之 間，位于導(dǎo)磁外框架和導(dǎo)磁內(nèi)框架構(gòu)成的空腔內(nèi)；所述磁隙為嵌在導(dǎo)磁內(nèi)框架圓柱上的圓 環(huán)小柱，分斷了導(dǎo)磁內(nèi)框架圓柱部分的導(dǎo)磁通道；所述導(dǎo)磁外框架和導(dǎo)磁內(nèi)框架由導(dǎo)磁材 料粉末和有機絕緣膠澆注成型，所述磁隙為絕緣材料；
[0015] 所述主聚焦電源，其與主聚焦繞組連接，將給定電壓信號1^與取樣電壓信號叫通 過比較、PI調(diào)節(jié)運算和放大處理后，調(diào)整輸出電壓，向主聚焦繞組輸出穩(wěn)定的主聚焦電流 If;
[0016] 所述副聚焦電源，其與副聚焦繞組連接，將給定電壓信號lTf及其變化率進行線性 組合作為總給定信號，總給定信號與取樣電壓信號仏通過比較和放大處理后，調(diào)整輸出電 壓，向副聚焦繞組輸出副聚焦電流If;
[0017] 所述計算機控制單元承擔(dān)電子束快速成型制造設(shè)備的總控任務(wù)，其分別與主聚焦 電源和副聚焦電源連接，其中包括分別向主聚焦電源和副聚焦電源輸出給定電壓信號 和U;。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：掃描區(qū)域按一定規(guī)律分成若干小區(qū)，試驗獲取每小區(qū)特征 點精密聚焦電流參數(shù)，各小區(qū)內(nèi)每一掃描點的聚焦參數(shù)由該小區(qū)特征點參數(shù)以掃描坐標為 因變量按線性變化計算，掃描區(qū)域內(nèi)每一點的聚焦參數(shù)都能精確地修正；導(dǎo)磁外框架、導(dǎo)磁 內(nèi)框架由導(dǎo)磁材料粉末和有機絕緣膠澆注成型，而磁隙為絕緣材料，降低了磁場的動態(tài)損 耗。
[0019] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0020] 進一步技術(shù)方案，所述主聚焦電源包括整流濾波電路ZL1、功率調(diào)整管T1、二極管 D1、電感L1、取樣電阻R6、電阻R1~R5、電容C1和運算放大器IC1 ;
[0021] 所述整流濾波電路ZL1的輸入端連接外部輸入的交流電，整流濾波電路ZL1的正 極輸出端接至NPN型功率調(diào)整管T1的集電極，負極輸出端接至二極管D1的陽極；
[0022] 所述功率調(diào)整管T1基極經(jīng)電阻R5接至運算放大器IC1的輸出端，功率調(diào)整管T1 發(fā)射極與二極管D1陰極連接，并連接至取樣電阻R6 -端和電阻R3 -端，所述電阻R3另一 端連接至運算放大器IC1的反相輸入端；
[0023] 所述取樣電阻R6上輸出電壓信號UF為反饋信號，取樣電阻R6另一端接地，并與 主聚焦繞組一端連接，主聚焦繞組另一端通過電感L1接至二極管D1的陽極；
[0024] 所述運算放大器IC1的同相輸入端經(jīng)電阻R1接地，運算放大器IC1的反相輸入端 經(jīng)電阻R2連接計算機控制單元電壓給定信號lTF輸出端，運算放大器IC1的輸出端經(jīng)電阻R4和電容C1連接至運算放大器IC1的反相輸入端。
[0025]采用上述進一步方案的有益效果是：主聚焦繞組回路中串接電感L1，抑制副聚焦 繞組動態(tài)電流通過變壓器效應(yīng)影響主聚焦繞組的電流。
[0026] 進一步技術(shù)方案，所述副聚焦電源包括整流濾波電路ZL2、功率調(diào)整管T2和T3、二 極管D2和D3、取樣電阻R13、電阻R7~R12、電容C2和運算放大器IC2 ;
[0027] 所述整流濾波電路ZL2的輸入端連接外部輸入的兩組交流電，整流濾波電路ZL2 的輸出公共端與副聚焦繞組的一端相接，正極輸出端接至NPN型功率調(diào)整管T2的集電極， 負極輸出端連接至PNP型功率調(diào)整管T3的集電極；
[0028] 所述運算放大器IC2的同相輸入端經(jīng)電阻R7接地，所述運算放大器IC2的反相輸 入端經(jīng)電阻R9、電阻R8連接計算機控制單元電壓給定信號U;輸出端，所述電容C2與電阻 R9并聯(lián)，所述電阻R8、電阻R9和電容C2組成運算放大器IC2的輸入電路，所述R11兩端分 別連接運算放大器IC2的反相輸入端和輸出端，所述運算放大器IC2的輸出端經(jīng)電阻R12 分別與功率調(diào)整管T2和功率調(diào)整管T3的基極連接，運算放大器IC2的反相輸入端經(jīng)電阻 R10連接取樣電