一种电子束高精度高频偏转扫描装置制造方法及图纸

一种电子束高精度高频偏转扫描装置，包括数字信号处理即DSP控制电路、功率放大器PA93，偏转扫描线圈等；DSP控制电路通过高速高精度D/A转换电路产生两路电压信号，再经信号隔离电路后分别作为X轴和Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形给定；同时，分别采集X轴和Y轴方向的线圈电流，作为扫描电流波形反馈；然后，扫描电流给定和反馈信号再分别输入X轴和Y轴方向的外环PID调节电路和内环功率放大器PA93，放大后的信号驱动偏转扫描线圈产生电磁场使电子束偏转扫描。本发明专利技术不仅提高了电子束偏转扫描的控制精度,而且实现了线圈驱动电流高频变化，从而提高了偏转扫描速度,实现了电子束的高速、高精度、大范围偏转扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种电子束高精度高频偏转扫描装置
本专利技术提供一种电子束偏转扫描装置，特别是一种电子束高精度高频偏转扫描装置，属于电子束流加工

技术介绍
电子束快速制造技术具有沉积效率高、成形质量好等优点，可实现复杂结构零部件的高效、快速、近净成形制造，在航空航天、医疗领域复杂结构件制造中具有非常广泛的应用前景。根据填充材料方式的不同，电子束快速制造可分为电子束选区熔化(铺粉)和电子束熔丝沉积(送丝)两种。电子束选区熔化利用电子束高频偏转扫描面热源实现基体预热、粉末预热，以及熔化粉末最终形成实体零件；电子束熔丝沉积采用电子束熔化丝材，同时利用偏转扫描搅拌熔池，或利用偏转扫描面热源控制结晶过程，改善成形件的组织。由此可见，高频偏转扫描技术是电子束快速制造技术中的关键技术，利用电子束高频偏转扫描不仅可实现基体预热、熔化粉末或丝材，而且通过高频扫描可以控制零部件成形表面的温度场及温度梯度，进而控制零部件的结晶过程，可以有效提高零部件快速制造成形质量。现有技术中，偏转扫描线圈多为环形结构，此类线圈绕组的内外侧在线圈中心的磁场方向相反，且磁感线平行度差，导致磁感应强度较低、磁场均匀性差，电子束偏转角度小，一般仅用于焊接中电子束在熔池附件的小幅摆动，很难实现偏转扫描的精确控制及满足电子束快速制造中大面积扫描的要求。另一方面，现有的偏转扫描线圈采用磁芯结构，使得偏转扫描线圈的感抗较大，由此导致线圈的偏转扫描频率大都较低；再者，现有的偏转扫描线圈的驱动电路一般采用低压运算放大器进行电流放大，驱动电压低、驱动电流小，并且驱动电流的变化速度慢，使得电子束的扫描速度也较慢，容易在扫描过程中留下扫描痕迹，不利于精密零件的加工。本专利技术设计了一种电子束高精度高频偏转扫描装置，可实现电子束高精度、大范围和高频偏转扫描。
技术实现思路
1、目的：本专利技术的目的是提供一种电子束高精度高频偏转扫描装置。它不同于传统的电子束偏转扫描装置，它是一种可以实现电子束高精度、大范围和高速偏转扫描的装置。2、技术方案：本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。基于上述目的，本专利技术提供一种电子束高精度高频偏转扫描装置，包括：工控机，串行通讯电路、数字信号处理(即DSP)控制电路、高速高精度D/A转换电路Ⅰ、高速高精度D/A转换电路Ⅱ、信号隔离电路Ⅰ、信号隔离电路Ⅱ、外环比例-积分-微分(即PID)调节电路Ⅰ、外环PID调节电路Ⅱ、功率放大器PA93-Ⅰ、功率放大器PA93-Ⅱ、X轴和Y轴方向的偏转扫描线圈、电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和±160V直流电压源；它们之间的位置连接关系是：工控机通过串行通讯电路连接至DSP控制电路，实现偏转扫描数据的传输；DSP控制电路将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ和高速高精度D/A转换电路Ⅱ转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ再经过信号隔离电路Ⅰ后传输至外环PID调节电路Ⅰ，作为X轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定IXg；外环PID调节电路Ⅰ的输出作为内环PA93-Ⅰ高压大电流功率放大器的电压给定UXg，PA93功率放大器的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈，驱动X轴向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ，实现X轴方向线圈驱动电流的闭环调节；同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ再经过信号隔离电路Ⅱ后传输至外环PID调节电路Ⅱ，作为Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定IYg；外环PID调节电路Ⅱ的输出作为内环PA93-Ⅱ高压大电流功率放大器的电压给定UYg，PA93功率放大器的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈，驱动Y轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ，实现Y轴方向线圈驱动电流的闭环调节；所述的工控机包括工控机和工业显示器等；它们之间的位置连接关系是：工控机通过视频电缆与工业显示器相连；该工控机为研华AdvantechIPC-610H工控机；该工业显示器为奇彩创晶嵌入式工业液晶显示器QC-170IPE10T；所述的串行通讯电路采用的是工控机上485串行总线(即RS-485)接口，通过该串行接口将工控机的偏转扫描数据传输至DSP控制电路；所述的DSP控制电路采用TI公司的数字处理电路TMS320LF2407芯片作为主控电路，主要功能是接收工控机传输的偏转扫描数据，然后进行数据处理，转换成对应的偏转扫描线圈驱动电流值，并传输至高速高精度D/A转换电路；所述的高速高精度D/A转换电路采用的是DATEL公司的数模转换电路DAC-HP16BGC芯片；该DAC-HP16BGC为16位高速高精度D/A转换器，接收TMS320LF2407发送的16位并行数据，将其转换为±5V电压信号输出，作为偏转扫描线圈扫描波形的电流给定，其输出电压分辨率为150μV；所述的信号隔离电路采用的是BURR-BROWN公司的精密隔离放大电路ISO124，可实现DSP控制电路与功率放大电路之间电隔离，提高DSP控制电路的抗干扰能力；所述的外环PID调节电路由采用运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容等组成，它用来调节偏转扫描线圈上的驱动电流，其输出连接至功率放大器，作为功率放大器的电压给定输入；所述的功率放大器包括APEX公司的功率放大器PA93、反馈电阻RF、输入电阻RIN和限流电阻RCL等；该PA93是高电压、大电流功率放大器，可实现输出高电压的快速变换，并且输出电流最大可达8A；它们之间的位置连接关系是：输出电压UXYf通过反馈电阻RF连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号Ug通过输入电阻RIN连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至偏转扫描线圈，驱动线圈内的电流按照扫描波形变化；所述的偏转扫描线圈包括X轴方向和Y轴方向的线圈；X轴方向偏转扫描线圈由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1和x2串联而成，并且线圈x1和x2的间距约等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量；同样，Y轴方向偏转扫描线圈也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1和y2串联而成，并且线圈y1和y2的间距约等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量；所述的X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈安装在电子枪中；在电子枪中，阴极灯丝受热激发产生大量自由电子，在栅极和阳极的作用下形成电子束，该电子束再经聚焦线圈聚焦，然后通过由X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描；消像散线圈由两组线圈绕制而成，主要用来控制偏转后的像散，提高电子束束斑形状和品质。所述的电流传感器采用的是LEM公司的LA25-NP高频电流传感器，用来采集偏转扫描线圈中的电流信号并传输至外环PID调节电路，用来调节偏转扫描线圈中的驱动电流；所述的±160V直流电源包括+160V直流电源和-160V直流电源，+160V直流电源的输出负端与-160V直流电源的输出正端连接，作为功率放大器PA93的输入地(即GND)，+160V直流电源的输出正端连接至功率放大器PA93的正电源输入端+VCC，-160V直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子束高精度高频偏转扫描装置，其特征在于：它包括：工控机、串行通讯电路、数字信号处理即DSP控制电路、高速高精度D/A转换电路Ⅰ、高速高精度D/A转换电路Ⅱ、信号隔离电路Ⅰ、信号隔离电路Ⅱ、外环比例‑积分‑微分即PID调节电路Ⅰ、外环PID调节电路Ⅱ、功率放大器PA93‑Ⅰ、功率放大器PA93‑Ⅱ、X轴和Y轴方向的偏转扫描线圈、电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和±160V直流电压源；它们之间的位置连接关系是：工控机通过串行通讯电路连接至DSP控制电路，实现偏转扫描数据的传输；DSP控制电路将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ和高速高精度D/A转换电路Ⅱ转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ再经过信号隔离电路Ⅰ后传输至外环PID调节电路Ⅰ，作为X轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定I

【技术特征摘要】
1.一种电子束高精度高频偏转扫描装置，其特征在于：它包括：工控机、串行通讯电路、数字信号处理即DSP控制电路、高速高精度D/A转换电路Ⅰ、高速高精度D/A转换电路Ⅱ、信号隔离电路Ⅰ、信号隔离电路Ⅱ、外环比例-积分-微分即PID调节电路Ⅰ、外环PID调节电路Ⅱ、功率放大器PA93-Ⅰ、功率放大器PA93-Ⅱ、X轴和Y轴方向的偏转扫描线圈、电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和±160V直流电压源；它们之间的位置连接关系是：工控机通过串行通讯电路连接至DSP控制电路，实现偏转扫描数据的传输；DSP控制电路将接收到的数字信号进行处理后，发送给高速高精度D/A转换电路Ⅰ和高速高精度D/A转换电路Ⅱ转换成两路模拟电压信号输出，然后高速高精度D/A转换电路Ⅰ再经过信号隔离电路Ⅰ后传输至外环PID调节电路Ⅰ，作为X轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定IXg；外环PID调节电路Ⅰ的输出作为内环PA93-Ⅰ高压大电流功率放大器的电压给定UXg，PA93功率放大器的输出再连接至X轴方向偏转扫描线圈，驱动X轴向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅰ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅰ，实现X轴方向线圈驱动电流的闭环调节；同时，高速高精度D/A转换电路Ⅱ再经过信号隔离电路Ⅱ后传输至外环PID调节电路Ⅱ，作为Y轴方向偏转扫描线圈的扫描电流波形输入给定IYg；外环PID调节电路Ⅱ的输出作为内环PA93-Ⅱ高压大电流功率放大器的电压给定UYg，PA93功率放大器的输出再连接至Y轴方向偏转扫描线圈，驱动Y轴方向偏转扫描线圈按照给定扫描波形进行偏转扫描，电流传感器Ⅱ串联在线圈回路中，将线圈中的电流反馈至外环PID调节电路Ⅱ，实现Y轴方向线圈驱动电流的闭环调节；所述的工控机包括工控机和工业显示器；该工控机通过视频电缆与工业显示器相连；所述的串行通讯电路采用的是工控机上485串行总线即RS-485接口，通过该串行接口将工控机的偏转扫描数据传输至DSP控制电路；所述的DSP控制电路主要功能是接收工控机传输的偏转扫描数据，然后进行数据处理，转换成对应的偏转扫描线圈驱动电流值，并传输至高速高精度D/A转换电路；所述的高速高精度D/A转换电路将其转换为±5V电压信号输出，作为偏转扫描线圈扫描波形的电流给定，其输出电压分辨率为150μV；所述的信号隔离电路，能实现DSP控制电路与功率放大电路之间电隔离，提高DSP控制电路的抗干扰能力；所述的外环PID调节电路是由采用运放、比例放大电阻、积分电容和微分电容组成，它用来调节偏转扫描线圈上的驱动电流，其输出连接至功率放大器，作为功率放大器的电压给定输入；所述的功率放大器包括APEX公司的功率放大器PA93、反馈电阻RF、输入电阻RIN和限流电阻RCL；该PA93是高电压、大电流功率放大器，能实现输出高电压的快速变换，并且输出电流最大达8A；它们之间的位置连接关系是：输出电压UXYf通过反馈电阻RF连接至PA93的反相输入端，同时电压给定信号Ug通过输入电阻RIN连接反相输入端，二者通过功率放大器PA93进行误差运算后，其输出连接至偏转扫描线圈，驱动线圈内的电流按照扫描波形变化；所述的偏转扫描线圈包括X轴方向和Y轴方向的线圈；X轴方向偏转扫描线圈由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈x1和x2串联而成，并且线圈x1和x2的间距约等于矩形边长的一半，用来调节X轴方向上的电子束偏转量；同样，Y轴方向偏转扫描线圈也是由一对形状和匝数相同、共轴平行的空心矩形线圈y1和y2串联而成，并且线圈y1和y2的间距等于矩形边长的一半，用来调节Y轴方向上的电子束偏转量；所述的X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈安装在电子枪中；在电子枪中，阴极灯丝受热激发产生大量自由电子，在栅极和阳极的作用下形成电子束，该电子束再经聚焦线圈聚焦，然后通过由X轴方向偏转扫描线圈和Y轴方向偏转扫描线圈组成的偏转扫描线圈实现电子束的偏转扫描；消像散线圈由两组线圈绕制而成，主要用来控制偏转后的像散，提高电子束束斑形状和品质；所述的电流传感器，用来采集偏转扫描线圈中的电流信号并传输至外环PID调节电路，用来调节偏转扫描线圈中的驱动电流；所述的±160V直流电源包括+160V直流电源和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，朱起超，李平林，付航，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11