时域和空域可控的电子束加热方法技术

一种时域和空域可控的电子束加热控制方法，属于材料加工领域。本发明专利技术电子束三维扫描轨迹采用Ｘ、Ｙ、Ｚ位移分量来描述，电子束从扫描轨迹的起始点运动到终点构成一个扫描周期，利用一个扫描周期的Ｘ、Ｙ、Ｚ位移分量，通过编程生成三路驱动信号，以指定的刷新率不断地输出给由Ｘ、Ｙ两对绕组构成的附加偏转线圈以及由构成电子束Ｚ向运动的聚焦线圈，其中在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在Ｘ－Ｙ平面内产生二维偏转，在聚焦线圈中产生的磁场使电子束在Ｚ方向上产生升降运动，周期性地在三维空间内按设定的轨迹和方式运动。本发明专利技术可控制电子束二维或三维扫描轨迹和产生任意的二维或三维扫描轨迹，而且电子束三维扫描方式也可任意设定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种材料加工
的加热方法，特别是一种时域和空域 可控的电子束加热方法，。技术背景采用电子束作为热源对材料进行加工时，根据对材料的具体加工要求，要求 电子束能够在不同的空间位置进行连续或断续、单束或分束加热，成为一种时域 和空域可控的移动热源。 一般电子束焊机都具有平面扫描功能，但只能是在固定 空间位置电子束产生微小的二维偏转，且只能扫描出几种固定图形，如直线、椭 圆、圆等，不能实现不同空间位置电子束进行连续或断续、单束或分束扫描及电 子束空域三维运动轨迹的编辑和控制，无法实现电子束作为时域和空域都可控移 动热源的功能。经对现有技术的文献检索发现，中国专利技术 一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，专利申请号200410009948，该专利提供一种利用 电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据 进行移动装置，利用该装置，可实现电子束三维分层制造的目的。这种方法的特 点在于 一方面电子束固定不动，Z方向上的运动是由计算机、控制卡、传感器、 电机及驱动装置来控制完成的，由于机构的复杂不可避免地带来一定的控制延迟 和误差；另一方面的不足是工作台向下移动的空间十分有限；此外，该专利所涉 及到的电子束运动轨迹控制仍属二维控制方法，并未涉及电子束加热时域和空域 三维运动轨迹控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种时域和空域可控的电子 束加热控制方法，即工作台保持不动，省去Z方向上的机械传动装置，通过软件 控制电子束的附加偏转线圈磁场和聚焦线圈磁场，使电子束在X、 Y、 Z三个方向 坐标分量同时发生改变，从而在真正意义上实现电子束空域可控，使得整个系统的加工精度和生产效率能够大大提高，并可以实现电子束运动轨迹二维或三维控 制。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术电子束三维扫描轨迹采用X、 Y、 Z位移分量来描述，电子束从扫描轨迹的起始点运动到终点构成一个扫描周期， 利用一个扫描周期的X、 Y、 Z位移分量，通过编程生成三路驱动信号，以指定的 刷新率不断地输出给由X、 Y两队绕组构成的附加偏转线圈及由Z向的电子束聚 焦线圈，其中在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在X-Y平面内产生二维偏 转，在聚焦线圈中产生的磁场使电子束在Z方向上产生升降运动，周期性地在三 维空间内按设定的轨迹和方式运动，从而达到本专利技术的目的。本专利技术包括以下步骤(1) 首先根据工件实际的加工要求确定电子束加热空域范围和时域控制方 式，X、 Y、 Z位移分量为连续函数，则表现为连续加热，X、 Y、 Z位移分量为离 散信号，则表现为断续加热；(2) 根据加热需求，确定工件加热区域一个加热周期内所需点的总数(设 为n)以及刷新率(每秒输出的点数)；再通过程序计算或由数据文件给出一个 加热周期中n个点三维坐标分量，用X。 Y" Zi表示，i， n为整数，0《i《n-1， 再将所有点的Xi、 Y" Zi坐标分量按照顺序放在一个三维数组中；(3) 将三维数组数据的X、 Y行通过数据采集卡的模拟量输出通道输出，形 成两路模拟电压信号，经过信号放大器以指定的刷新率分别不断地输出给由X、 Y两对绕组组成的附加偏转线圈及Z绕组构成的聚焦线圈，在附加偏转线圈中产 生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按所要求的方式运动；(4) 将三维数组数据Z行转化为相对应地聚焦电流并通过可编程控制器输 出通道输出，形成一路数字电压信号，以指定的刷新率不断地输出给电子束的聚 焦线圈，在聚焦线圈中产生的磁场使电子束在Z方向上按所要求方式周期性地运 动。上述步骤(3)中，根据需要，通过使某些点的数据在三维数组中连续出现 多次的方式，控制电子束在该点的停留时间，即该点的数据重复次数越多，则电 子束在该点停留时间越长，反之越短；通过以下公式计算在一个扫描周期内电子 束在某点的停留时间-式中ti为一个扫描周期内电子束在某点的停留时间，mi为该点数据在数组中 重复次数，M为三维数组中所包含的数据对总数，T为一个扫描周期所用的时间。 上述步骤(3)中a、 如果X" Yi、 Zi给出的n个点间隔趋向于零，则三路模拟电压信号输入 附加偏转线圈和聚焦线圈形成连续扫描轨迹；如果Xi、 Y" Zi给出的n个点间隔 较大，则形成断续扫描；b、 如果Xi、 Y。 Z,给出的n个点集中在某些点上则形成点状扫描；如果Xi、 Yi、 Zi给出的n个点形成各种直线或曲线，则形成线状扫描；如果X" Yi、 Zi给 出的n个点集中在某一平面或曲面则形成面状扫描；c、 如果Xi、 Z,给出的n个点同时可以构成若干断续点、若干个线和若 干个面，则可以形成点、线、面之间任意结合扫描；d、 如果Xi、 Yi、 Zi给出的n个点集中在某个点上则形成单束扫描；如果Xi、 Y,、 Zi给出的n个点集中在若干独立的点上则形成分束扫描；e、 如果Zj台终保持为某一常数，则可实现电子束扫描轨迹二维可控，反之 则实现电子束扫描轨迹三维可控。上述步骤(3)中，数据采集卡所输出的模拟信号的功率不足以驱动附加偏 转线圈来产生足够强的磁场，因此还采用两台功率放大器分别对这两路模拟信号 进行放大，再经过匹配电阻输入附加偏转线圈。本专利技术所提出的电子束加热时域控制法，可以实现对不同空域中各个点加热 时间进行控制，可实现电子束运动轨迹二维或三维控制、连续及断续扫描、单束 或分束扫描、点状线状及区域扫描、以及任意方式组合，电子束三维运动轨迹编 程方便，即编即用，这几种方法可以分别使用，也可以联合使用。本专利技术采用高速数据采集卡和LabVIEW构成的虚拟仪器进行编程，实现模拟 电压信号的生成和输出，不仅可以离线编程且使得编程方便，而且所输出的模拟 信号及合成结果在计算机屏幕上直观地显示出来，便于程序的修改；同时用NI 公司的数据采集卡输出模拟信号，具有12位ADC及16路模拟量输入，12位和 16位DAC及电压输出，最高采样率为250kS/s (多通道)和500kS/s (单通道)，能 实现高速数据采集和处理，可以方便地控制和显示扫描频率，其精度和速度满足工程需要。附图说明图1实施例一的线扫描轨迹示意图图2扫描点数减少的点扫描轨迹示意图图3扫描点数增多的区域扫描轨迹示意图具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。本实施例中采用的装置由工控机、数据采集卡、功率放大器、匹配电阻、附 加偏转线圈、电子枪、可编程序控制器、真空室、扫描电子束组成。附加偏转线 圈安装在扫描电子束的前进路经上，该线圈由控制电子束在X、 Y方向运动的两 组绕组组成。离线编辑好的电子束三维扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机 中运行，数据采集卡安装在工控机中。要求的三维扫描轨迹为螺旋线，如图1所示，可用下面参数方程来描述<formula>formula see original document page 7</formula>确定一个扫描周期内所需点的总数为1000，刷新率为50000点/秒。利用计 算机程序计算出一个周期内1000个点三维坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时域和空域可控的电子束加热控制方法，其特征在于，电子束三维扫描轨迹采用Ｘ、Ｙ、Ｚ位移分量来描述，电子束从扫描轨迹的起始点运动到终点构成一个扫描周期，利用一个扫描周期的Ｘ、Ｙ、Ｚ位移分量，通过编程生成三路驱动信号，以指定的刷新率不断地输出给由Ｘ、Ｙ两队绕组构成的附加偏转线圈及由Ｚ向的电子束聚焦线圈，其中在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在Ｘ－Ｙ平面内产生二维偏转，在聚焦线圈中产生的磁场使电子束在Ｚ方向上产生升降运动，周期性地在三维空间内按设定的轨迹和方式运动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云霞，唐新华，卢凤桂，朱妙凤，姚舜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]