专利名称：时域和空域可控的电子束加热方法
技术领域：
本发明涉及的是一种材料加工技术领域的加热方法，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，中国发明专利名称 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。 发明内容本发明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。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明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，从而达到本发明的目的。本发明包括以下步骤(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。
本发明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。
本发明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。
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
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 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，但本发明的保护 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个点三维坐标分量，即(t， Y" ZJ， (0《i《 n-l， n为点的总数，此处『1000)。
式中
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，i为正整数，0《i《n—1， n=1000。将所有点的l、 Yi、 Zi坐标分量按照顺序放在一个三维数组中，其中三维数 组数据中的X、 Y分量分别通过数据采集卡的模拟输出通道同时输出，形成两路 模拟电压信号，以指定的每秒50000点的刷新率不断地输出给功率放大器，经功 率放大器放大后，再经过匹配电阻分别输入给附加偏转线圈的X、 Y绕组，其中 X分量和Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈X、 Y绕组中产生的磁场使 电子束在X-Y平面内沿设定轨迹进行周期运动；再将三维数组数据中的Z分量转 化为相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，以指定的每秒50000点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。以上扫描轨迹为螺旋形，对其它类型的扫描轨迹与此同理。例如，减少扫描 点数即可得到点状扫描，如图2所示；改变参数方程，增加扫描点数即可得到区 域扫描，如图3所示。对于更为复杂的组合图形，可将图形的不同区段分别用不同的函数来处理， 分别得到各点的三维坐标分量，再同乘以k并按照正确的顺序组成三维数组。对于难以用数学函数表达的不规则三维扫描轨迹，可以采用数据文件的形式 来构成三维扫描轨迹中各点的三维坐标分量(Xi， Y" Z》，即将三维扫描轨迹中 各点的三维坐标分量(Xi， Yi， Z》以数据文件的形式保存，使用时用程序读取 该数据文件中的(Xi， Yi， Zi)值，其余同上。本发明既可以控制电子束二维扫描轨迹和产生任意的二维扫描轨迹，也可以 控制电子束三维扫描轨迹和产生任意的三维扫描轨迹，而且电子束三维扫描方式 也可任意设定，针对三维扫描轨迹中各个点进行控制，可实现连续及断续扫描、 点状、线状及区域扫描、任意方式组合、单束或分束扫描，电子束三维运动轨迹 编程方便，即编即用。
权利要求
1、 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。
2、 根据权利要求l所述的时域和空域可控的电子束加热控制方法，其特征 是，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n，及 刷新率，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Xi、 Yi、 Zi表示，i， n为整数，0《i《n-l，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、 Z行通过数据采集卡的模拟量输出通道输出， 形成三路模拟电压信号，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向的聚焦线圈，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，在聚焦线圈中产生 的磁场使电子束周期性地在Z方向上按所要求方式运动。
3、 根据权利要求2所述的时域和空域可控的电子束加热控制方法，其特征 是，上述步骤(3)中，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，亦即该点的重复次数越多，则电子束在该点停留 时间越长，反之越短。
4、 根据权利要求2或3所述的时域和空域可控的电子束加热控制方法，其 特征是，上述步骤(3)中 a、 如果Xi、 Y。 Z,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1、 Yi、 Z,给出的n个点间隔 较大，则形成断续扫描；b、 如果Xi、 Yi、 Zi给出的n个点集中在某些点上则形成点状扫描；如果Xi、 1、 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Xi、 Y" Z,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、 Yi、 Zi给出的n个点同时构成若干断续点、若干个线和若干个 面，则形成点、线、面之间任意结合扫描；d、 如果Xi、 Y,、 Z,给出的n个点集中在某个点上则形成单束扫描，如果Xi、 Yi、 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Zi始终保持为某一常数，则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。
全文摘要
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。
文档编号H05B7/148GK101146383SQ20071004769
公开日2008年3月19日 申请日期2007年11月1日 优先权日2007年11月1日
发明者卢凤桂, 唐新华, 舜 姚, 朱妙凤, 陈云霞 申请人:上海交通大学