【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，特别是一种用于大角度电子束高频偏转扫描精度自动标定的装置，属于电子束流加工。
技术介绍
1、电子束增材制造过程中高频偏转扫描技术是其核心技术之一，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。但在成形过程中，电子束的偏转扫描依靠扫描线圈产生的磁场作用来改变电子束的运动轨迹，磁场的磁感应强度与其励磁电流之间呈现非线性关系，当电子束的偏转角度增大时，其偏转扫描精度开始下降。电子束偏转扫描精度导致零件成形精度下降，尤其是在成形大尺寸零件时，零件边缘往往很难满足加工精度要求。由此可见，提高电子束成形全域范围内的偏转扫描精度对于提高零件的成形精度至关重要，因此在进行电子束加工前，通常需要对电子束偏转扫描精度进行标定。
2、标定也称为校准，即让电子束按照预设的状态和位置进行偏转扫描，通过少量已知点的位置尺寸来校准电子束的偏转扫描精度。目前的标定方法主要有手动标定和自动化数字量标定。手动标定即手动调节电子束偏转到指定位置，标定过程中主要通过肉眼观察来调节电子束偏转电流，最终使电子束束斑与标定点重合。其缺点是依赖人的观察和经验，精度不高，并且标定效率低。自动化数字量标定即利用计算机和图像设备调整束斑位置到达预定状态。如专利cn201610492848.x所述，其过程一般是利用成像设备拍摄电子束扫描图像，通过图像提取束斑在实际空间的坐标值，将实际空间坐标值
技术实现思路
1、1、目的：本专利技术的目的在于提供一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，以此来解决现有技术电子束偏转扫描精度标定中所存在的不足，并结合专门的标定软件实现自动标定。
2、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。
3、基于上述目的，本专利技术提供一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，包括：工控机，偏转扫描精度标定软件、pci任意波形发生卡、pci高速数据采集卡、x方向偏转线圈驱动电路、y方向偏转线圈驱动电路、电子枪、电子束流、x方向偏转扫描线圈、y方向偏转扫描线圈、电子束采样装置、上极板束流信号放大电路、法拉第筒束流信号放大电路、法拉第筒阵列采样控制电路；其中，电子束采样装置由上极板、上极板绝缘板、陶瓷绝缘柱、法拉第筒阵列、下极板绝缘板、采样装置下极板、上极板束流采样电阻r1组成。
4、它们之间的位置连接关系是：偏转扫描精度标定软件安装在工控机中，实现电子束偏转电流设置、自动标定路径规划、上极板束流和法拉第筒阵列束流信号同步采集，电子束束斑与标定孔重合判定等；工控机将电子束偏转扫描电流数据传输至pci任意波形发生卡分别生成x方向偏转线圈驱动波形和y方向偏转线圈驱动波形并通过两个独立的通道分别连接至x方向偏转线圈驱动电路和y方向偏转线圈驱动电路进行偏转扫描电流放大，然后再分别连接至电子枪中安装的x方向偏转扫描线圈和y方向偏转扫描线圈，在偏转扫描线圈中产生x方向和y方向偏转磁场；电子束经过x方向偏转扫描线圈和y方向偏转扫描线圈后偏转到电子束采样装置的某一标定点附近，然后电子束从偏转初始位置开始按照自动标定轨迹进行标定扫描；电子束采样装置的上极板下面依次安装有上极板绝缘板、法拉第筒阵列、下极板绝缘板和下极板，其中上极板和下极板为金属板，上极板、上极板绝缘板、下极板绝缘板和下极板通过四个陶瓷绝缘柱在采样装置的四个角进行固定连接，法拉第筒阵列固定在上极板绝缘板和下极板绝缘板之间，与金属上极板和下极板是绝缘的，金属上极板通过采样电阻r1连接至大地，金属下极板直接连接至大地，以形成电子束流通路；上极板标定孔、上极板绝缘板穿束孔、法拉第筒穿束孔的中心是对齐的，特别地为了实现大角度电子束偏转，上述标定孔和穿束孔都为锥形孔，其倾斜角度θ略大于电子束在工件表面的入射角α，可以防止电子束偏转后以一定斜角通过标定孔和穿束孔时被上极板和上极板绝缘板的孔壁收集而产生测量误差；同时电子束通过上述标定孔、穿束孔后打在法拉第筒内腔壁然后通过束流采集电阻r2流向大地，由于法拉第筒的上方为微小的穿束孔，所产生的二次电子、背散射电子绝大部分被法拉第筒捕获，有利于提高束流采集的精度。
5、当电子束从偏转初始位置开始采用逐点扫描的方式按照顺时针正方形旋转的自动标定轨迹(x方向和y方向的点间距均为束流标定孔直径d)在当前标定点附近进行标定扫描时，电子束采样装置上极板收集到的电子束流通过采样电阻r1转换成电压信号，然后连接至上极板束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至pci高速数据采集卡的一个独立采集输入通道；穿过采样装置上极板标定孔、上极板绝缘板穿束孔进入下方对应法拉第筒的电子束流经采样电阻r2转换成电压信号，然后再通过法拉第筒阵列采样控制电路连接至法拉第筒束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至pci高速数据采集卡的另一个独立采集输入通道；同时，工控机向pci高速数据采集卡发送束流同步采集控制信号，控制高速数据采集卡同步采集上极板束流信号和法拉第筒束流信号。此时，如果电子束正好通过上极板标定孔，则下方对应法拉第筒采样电阻r2收集到的电子束流将达到最大值；如果电子束只在上极板标定孔附近扫描，没有通过标定孔，则上极板采样电阻r1收集到的电子束流将达到最大值，因此可以通过采集到的上极板束流信号和法拉第筒束流信号的大小来判定电子束是否通过当前标定点的标定孔。进一步，当检测到法拉第筒束流信号与上极板束流信号的比值大于0.1时，表明电子束已经有部分穿过标定孔，此时为了提高标定精度，改变标定扫描策略：从当前位置开始，电子束以1/10本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于，包括：工控机，偏转扫描精度标定软件、PCI任意波形发生卡、PCI高速数据采集卡、X方向偏转线圈驱动电路、Y方向偏转线圈驱动电路、电子枪、电子束流、X方向偏转扫描线圈、Y方向偏转扫描线圈、电子束采样装置、上极板束流信号放大电路、法拉第筒束流信号放大电路、法拉第筒阵列采样控制电路；其中，电子束采样装置由上极板、上极板绝缘板、陶瓷绝缘柱、法拉第筒阵列、下极板绝缘板、采样装置下极板及上极板束流采样电阻R1组成；
2.根据权利要求1所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：为实现大角度电子束偏转，标定孔和穿束孔都为锥形孔，倾斜角度θ略大于电子束在工件表面的入射角α，同时电子束通过标定孔、穿束孔后打在法拉第筒内腔壁，然后通过束流采集电阻R2流向大地；当电子束从偏转初始位置开始采用逐点扫描的方式按照顺时针正方形旋转的自动标定轨迹在当前标定点附近进行标定扫描时，电子束采样装置上极板收集到的电子束流通过采样电阻R1转换成电压信号，然后连接至上极板束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至PCI高速数据采集卡的一个独立
3.根据权利要求1或2所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：穿过采样装置上极板标定孔、上极板绝缘板穿束孔进入下方对应法拉第筒的电子束流经采样电阻R2转换成电压信号，然后再通过法拉第筒阵列采样控制电路连接至法拉第筒束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至PCI高速数据采集卡的另一个独立采集输入通道；工控机向PCI高速数据采集卡发送束流同步采集控制信号，控制高速数据采集卡同步采集上极板束流信号和法拉第筒束流信号；此时，如果电子束正好通过上极板标定孔，则下方对应法拉第筒采样电阻R2收集到的电子束流将达到最大值；如果电子束只在上极板标定孔附近扫描，没有通过标定孔，则上极板采样电阻R1收集到的电子束流将达到最大值，通过采集到的上极板束流信号和法拉第筒束流信号的大小来判定电子束是否通过当前标定点的标定孔。
4.根据权利要求3所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：当检测到法拉第筒束流信号与上极板束流信号的比值大于0.1时，表明电子束已经有部分穿过标定孔，此时为了提高标定精度，改变标定扫描策略：从当前位置开始，电子束以1/10标定孔直径的间距按照上→下→左→右的顺序进行扫描，即电子束在当前位置附近振荡，找到法拉第筒收集束流信号的极大值，当找到该极大值时即判定电子束已穿入当前标定孔，标定软件记录下当前加载的X方向偏转扫描线圈驱动电流值和Y方向偏转扫描线圈驱动电流值，到此完成当前标定点偏转扫描电流的标定。
5.根据权利要求1所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：所述的PCI任意波形发生卡采用通用的PCI任意波形发生卡，具有至少两个独立并可同步输出的通道，用于存储X方向和Y方向的偏转扫描驱动电流数据，启动标定程序时，波形发生卡将上述数据分别转换成X方向偏转扫描波形和Y方向偏转扫描波形，并通过两个独立的通道同步输出控制各个标定点的自动标定；所述的PCI高速数据采集卡采用通用的PCI高速数据采集卡，具有至少两个独立并可同步输入的通道，接收工控机的束流同步采集控制号，实现上极板束流信号和法拉第筒束流信号的同步采集。
6.根据权利要求1所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：所述的X方向偏转线圈驱动电路接收PCI任意波形发生卡输出的X方向偏转扫描波形，并对其进行功率放大，然后其输出连接至X方向偏转扫描线圈产生线圈驱动电流，从而产生X方向偏转扫描磁场，使电子束产生X方向的偏转；所述的Y方向偏转线圈驱动电路接收PCI任意波形发生卡输出的Y方向偏转扫描波形，并对其进行功率放大，然后其输出连接至Y方向偏转扫描线圈产生线圈驱动电流，从而产生Y方向偏转扫描磁场，使电子束产生Y方向的偏转。
7.根据权利要求1或2所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：所述的电子束采样装置中，上极板下面依次安装有上极板绝缘板、法拉第筒阵列、下极板绝缘板和下极板，其中上极板和下极板为金属板，上极板、上极板绝缘板、下极板绝缘板和下极板通过四个陶瓷绝缘柱在采样装置的四个角进行固定连接，法拉第筒阵列固定在上极板绝缘板和下极板绝缘板之间，与金属上极板和下极板是绝缘的；金属上极板通过采样电阻R1连接至大地，金属下极板直接连接至大地，以形成电子束流通路。
8.根据权利要求1或3所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：所述的法拉第筒阵列由81个法拉第筒组成，每个法拉第筒与81个标定孔一一对应，在每个法拉第筒的底部都采用M3螺栓穿过下极板圆孔...
【技术特征摘要】
1.一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于，包括：工控机，偏转扫描精度标定软件、pci任意波形发生卡、pci高速数据采集卡、x方向偏转线圈驱动电路、y方向偏转线圈驱动电路、电子枪、电子束流、x方向偏转扫描线圈、y方向偏转扫描线圈、电子束采样装置、上极板束流信号放大电路、法拉第筒束流信号放大电路、法拉第筒阵列采样控制电路；其中，电子束采样装置由上极板、上极板绝缘板、陶瓷绝缘柱、法拉第筒阵列、下极板绝缘板、采样装置下极板及上极板束流采样电阻r1组成；
2.根据权利要求1所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：为实现大角度电子束偏转，标定孔和穿束孔都为锥形孔，倾斜角度θ略大于电子束在工件表面的入射角α，同时电子束通过标定孔、穿束孔后打在法拉第筒内腔壁，然后通过束流采集电阻r2流向大地；当电子束从偏转初始位置开始采用逐点扫描的方式按照顺时针正方形旋转的自动标定轨迹在当前标定点附近进行标定扫描时，电子束采样装置上极板收集到的电子束流通过采样电阻r1转换成电压信号，然后连接至上极板束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至pci高速数据采集卡的一个独立采集输入通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：穿过采样装置上极板标定孔、上极板绝缘板穿束孔进入下方对应法拉第筒的电子束流经采样电阻r2转换成电压信号，然后再通过法拉第筒阵列采样控制电路连接至法拉第筒束流信号放大电路进行信号滤波和放大，之后再连接至pci高速数据采集卡的另一个独立采集输入通道；工控机向pci高速数据采集卡发送束流同步采集控制信号，控制高速数据采集卡同步采集上极板束流信号和法拉第筒束流信号；此时，如果电子束正好通过上极板标定孔，则下方对应法拉第筒采样电阻r2收集到的电子束流将达到最大值；如果电子束只在上极板标定孔附近扫描，没有通过标定孔，则上极板采样电阻r1收集到的电子束流将达到最大值，通过采集到的上极板束流信号和法拉第筒束流信号的大小来判定电子束是否通过当前标定点的标定孔。
4.根据权利要求3所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：当检测到法拉第筒束流信号与上极板束流信号的比值大于0.1时，表明电子束已经有部分穿过标定孔，此时为了提高标定精度，改变标定扫描策略：从当前位置开始，电子束以1/10标定孔直径的间距按照上→下→左→右的顺序进行扫描，即电子束在当前位置附近振荡，找到法拉第筒收集束流信号的极大值，当找到该极大值时即判定电子束已穿入当前标定孔，标定软件记录下当前加载的x方向偏转扫描线圈驱动电流值和y方向偏转扫描线圈驱动电流值，到此完成当前标定点偏转扫描电流的标定。
5.根据权利要求1所述的一种电子束偏转扫描精度自动标定装置，其特征在于：所述的pci任意波形发生卡采用通用的pci任意波形发生卡，具有至少两个独立并可同步输出的通道，用于存储x方向和y方向的偏转扫描驱动电流数据，启动标定程序时，波形发生卡将上述数据分别转换成x方向偏转扫描波形和y方向偏转扫描波形，并通过两个独立的通道同步输出控制各个标定点的自动标定；所述的pci高速数据采集卡采用通用的pci高速数据采集卡，具有至少两个独立并可同步输入的通道，接收工控机的束流同步采集控制号，实现上极板束流信号和法拉第筒束流信号的同步采集...
【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，霍玮，黄俊媛，李子硕，张宇琦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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