本發(fā)明提供一種電子束偏轉(zhuǎn)掃描裝置，特別是一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，屬于電子束流加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電子束快速制造技術(shù)具有沉積效率高、成形質(zhì)量好等優(yōu)點，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的高效、快速、近凈成形制造，在航空航天、醫(yī)療領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)填充材料方式的不同，電子束快速制造可分為電子束選區(qū)熔化(鋪粉)和電子束熔絲沉積(送絲)兩種。電子束選區(qū)熔化利用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描面熱源實現(xiàn)基體預(yù)熱、粉末預(yù)熱，以及熔化粉末最終形成實體零件；電子束熔絲沉積采用電子束熔化絲材，同時利用偏轉(zhuǎn)掃描攪拌熔池，或利用偏轉(zhuǎn)掃描面熱源控制結(jié)晶過程，改善成形件的組織。由此可見，高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)是電子束快速制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，利用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描不僅可實現(xiàn)基體預(yù)熱、熔化粉末或絲材，而且通過高頻掃描可以控制零部件成形表面的溫度場及溫度梯度，進而控制零部件的結(jié)晶過程，可以有效提高零部件快速制造成形質(zhì)量。

現(xiàn)有技術(shù)中，偏轉(zhuǎn)掃描線圈多為環(huán)形結(jié)構(gòu)，此類線圈繞組的內(nèi)外側(cè)在線圈中心的磁場方向相反，且磁感線平行度差，導(dǎo)致磁感應(yīng)強度較低、磁場均勻性差，電子束偏轉(zhuǎn)角度小，一般僅用于焊接中電子束在熔池附件的小幅擺動，很難實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)掃描的精確控制及滿足電子束快速制造中大面積掃描的要求。另一方面，現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)掃描線圈采用磁芯結(jié)構(gòu)，使得偏轉(zhuǎn)掃描線圈的感抗較大，由此導(dǎo)致線圈的偏轉(zhuǎn)掃描頻率大都較低；再者，現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)掃描線圈的驅(qū)動電路一般采用低壓運算放大器進行電流放大，驅(qū)動電壓低、驅(qū)動電流小，并且驅(qū)動電流的變化速度慢，使得電子束的掃描速度也較慢，容易在掃描過程中留下掃描痕跡，不利于精密零件的加工。本發(fā)明設(shè)計了一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，可實現(xiàn)電子束高精度、大范圍和高頻偏轉(zhuǎn)掃描。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、目的：本發(fā)明的目的是提供一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置。它不同于傳統(tǒng)的電子束偏轉(zhuǎn)掃描裝置，它是一種可以實現(xiàn)電子束高精度、大范圍和高速偏轉(zhuǎn)掃描的裝置。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

基于上述目的，本發(fā)明提供一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，包括：工控機，串行通訊電路、數(shù)字信號處理(即DSP)控制電路、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ、信號隔離電路Ⅰ、信號隔離電路Ⅱ、外環(huán)比例-積分-微分(即PID)調(diào)節(jié)電路Ⅰ、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ、功率放大器PA93-Ⅰ、功率放大器PA93-Ⅱ、X軸和Y軸方向的偏轉(zhuǎn)掃描線圈、電流傳感器Ⅰ、電流傳感器Ⅱ和±160V直流電壓源；它們之間的位置連接關(guān)系是：工控機通過串行通訊電路連接至DSP控制電路，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)的傳輸；DSP控制電路將接收到的數(shù)字信號進行處理后，發(fā)送給高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ和高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ轉(zhuǎn)換成兩路模擬電壓信號輸出，然后高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ再經(jīng)過信號隔離電路Ⅰ后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ，作為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈的掃描電流波形輸入給定I_Xg；外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅰ高壓大電流功率放大器的電壓給定U_Xg，PA93功率放大器的輸出再連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈，驅(qū)動X軸向偏轉(zhuǎn)掃描線圈按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅰ串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ，實現(xiàn)X軸方向線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)；同時，高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ再經(jīng)過信號隔離電路Ⅱ后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ，作為Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈的掃描電流波形輸入給定I_Yg；外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅱ高壓大電流功率放大器的電壓給定U_Yg，PA93功率放大器的輸出再連接至Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈，驅(qū)動Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅱ串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ，實現(xiàn)Y軸方向線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)；

所述的工控機包括工控機和工業(yè)顯示器等；它們之間的位置連接關(guān)系是：工控機通過視頻電纜與工業(yè)顯示器相連；該工控機為研華Advantech IPC-610H工控機；該工業(yè)顯示器為奇彩創(chuàng)晶嵌入式工業(yè)液晶顯示器QC-170IPE10T；

所述的串行通訊電路采用的是工控機上485串行總線(即RS-485)接口，通過該串行接口將工控機的偏轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)傳輸至DSP控制電路；

所述的DSP控制電路采用TI公司的數(shù)字處理電路TMS320LF2407芯片作為主控電路，主要功能是接收工控機傳輸?shù)钠D(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動電流值，并傳輸至高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路；

所述的高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路采用的是DATEL公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC-HP16BGC芯片；該DAC-HP16BGC為16位高速高精度D/A轉(zhuǎn)換器，接收TMS320LF2407發(fā)送的16位并行數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為±5V電壓信號輸出，作為偏轉(zhuǎn)掃描線圈掃描波形的電流給定，其輸出電壓分辨率為150μV；

所述的信號隔離電路采用的是BURR-BROWN公司的精密隔離放大電路ISO124，可實現(xiàn)DSP控制電路與功率放大電路之間電隔離，提高DSP控制電路的抗干擾能力；

所述的外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路由采用運放、比例放大電阻、積分電容和微分電容等組成，它用來調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)掃描線圈上的驅(qū)動電流，其輸出連接至功率放大器，作為功率放大器的電壓給定輸入；

所述的功率放大器包括APEX公司的功率放大器PA93、反饋電阻R_F、輸入電阻R_IN和限流電阻R_CL等；該PA93是高電壓、大電流功率放大器，可實現(xiàn)輸出高電壓的快速變換，并且輸出電流最大可達8A；它們之間的位置連接關(guān)系是：輸出電壓U_XYf通過反饋電阻R_F連接至PA93的反相輸入端，同時電壓給定信號U_g通過輸入電阻R_IN連接反相輸入端，二者通過功率放大器PA93進行誤差運算后，其輸出連接至偏轉(zhuǎn)掃描線圈，驅(qū)動線圈內(nèi)的電流按照掃描波形變化；

所述的偏轉(zhuǎn)掃描線圈包括X軸方向和Y軸方向的線圈；X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈x1和x2串聯(lián)而成，并且線圈x1和x2的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)X軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量；同樣，Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈也是由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈y1和y2串聯(lián)而成，并且線圈y1和y2的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)Y軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量；

所述的X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈安裝在電子槍中；在電子槍中，陰極燈絲受熱激發(fā)產(chǎn)生大量自由電子，在柵極和陽極的作用下形成電子束，該電子束再經(jīng)聚焦線圈聚焦，然后通過由X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈組成的偏轉(zhuǎn)掃描線圈實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描；消像散線圈由兩組線圈繞制而成，主要用來控制偏轉(zhuǎn)后的像散，提高電子束束斑形狀和品質(zhì)。

所述的電流傳感器采用的是LEM公司的LA25-NP高頻電流傳感器，用來采集偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流信號并傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路，用來調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的驅(qū)動電流；

所述的±160V直流電源包括+160V直流電源和-160V直流電源，+160V直流電源的輸出負(fù)端與-160V直流電源的輸出正端連接，作為功率放大器PA93的輸入地(即GND)，+160V直流電源的輸出正端連接至功率放大器PA93的正電源輸入端+VCC，-160V直流電源的輸出負(fù)端連接至功率放大器PA93的負(fù)電源輸入端-VCC；

所述的+160V直流電源和-160V直流電源具有相同的電路結(jié)構(gòu)，包括整流濾波電路、半橋逆變電路、高頻變壓器、二次整流濾波電路、電壓霍爾傳感器、電流霍爾傳感器、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路、電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路、PWM產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路和保護電路；它們之間的位置連接關(guān)系是：AC220V交流電經(jīng)整流濾波電路整流濾波后變成約310V直流電并連接至半橋逆變電路再次變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再連接至高頻變壓器TR1和二次整流濾波電路后變成160V的直流輸出；電壓霍爾傳感器連接在160V電源輸出端采集輸出電壓反饋信號U_f，與電壓給定信號U_g一起連接至電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路，然后電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路的輸出連接至脈沖寬度(即PWM)產(chǎn)生電路，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路就可以控制半橋逆變電路功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。同理，電流霍爾傳感器串聯(lián)在160V電源的輸出回路中采集輸出電流反饋信號I_f，與電流給定信號I_g一起連接至電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路，然后電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路就可以控制半橋逆變電路功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電流的調(diào)節(jié)。

該整流濾波電路包括二極管全橋整流橋電路及其濾波電容，用來將AC220V交流電整流變換成310V直流電；

該半橋逆變電路包括半橋電容C1、C2，功率開關(guān)管Q1和Q2，用來將直流電再次變換成約20kHz的交流方波；

該高頻變壓器采用納米晶鐵芯和漆包線繞制而成，用來實現(xiàn)原邊電壓和副邊電壓的電壓變換和隔離；

該二次整流濾波電路由快恢復(fù)二極管全橋整流橋電路及濾波電感L1和電容C3組成，將高頻變壓器TR1輸出的高頻交流電再次變換成160V的直流輸出；

該電壓霍爾傳感器采用的是LEM公司的LV25電壓傳感器，用來采集160V直流電源的輸出電壓；

該電流霍爾傳感器是LEM公司的LA25電流傳感器，用來采集160V直流電源的輸出電流；

該電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路由運放、比例放大電阻、積分電容和微分電容等組成的，它用來調(diào)節(jié)160V直流電源的輸出電流的大??；

該電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路由運放、比例放大電阻、積分電容和微分電容等組成的，它用來調(diào)節(jié)160V直流電源的輸出電壓的大??；

該PWM產(chǎn)生電路由芯片SG2525A及其外圍電路組成，用來產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM波形；

該驅(qū)動電路主要由功率驅(qū)動芯片M57962及其外圍組成，用來對SG2525A產(chǎn)生的PWM波形進行功率放大，以驅(qū)動功率開關(guān)管Q1和Q2導(dǎo)通和關(guān)斷；

該保護電路主要由比較器、電壓基準(zhǔn)組成，可以對直流電源的過壓、過流和欠壓等進行檢測，一旦出現(xiàn)故障可關(guān)閉PWM波形輸出。

3、優(yōu)點及功效：

1)基于Helmholtz線圈工作原理，所設(shè)計的X軸方向和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈中心工作區(qū)域內(nèi)的電磁場分布更均勻，提高了快速制造中偏轉(zhuǎn)掃描的控制精度；

2)采用空心線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計X和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈，降低了偏轉(zhuǎn)掃描線圈的電感，實現(xiàn)了線圈驅(qū)動電流的高頻變化，從而大大提高了電子束偏轉(zhuǎn)掃描速度；

3)采用DSP控制電路和高速高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器作為掃描波形控制電路，并結(jié)合高電壓大電流高速響應(yīng)功率放大器PA93驅(qū)動所述的X軸方向和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈產(chǎn)生電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)掃描；

4)所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置實現(xiàn)了電子束的高速、高精度、大范圍偏轉(zhuǎn)掃描，掃描區(qū)域最大可達200mm×200mm，分辨率可達0.2mm，掃描頻率可達200kHz。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。

圖2為本發(fā)明中偏轉(zhuǎn)掃描線圈在電子槍中的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中X軸方向和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈構(gòu)成示意圖。

圖4為本發(fā)明中PA93功率放大器工作原理圖。

圖5為本發(fā)明中±160V直流電源的工作原理圖。

圖中序號代號符號說明如下：

101為工控機；

102為串行通訊電路；

103為DSP控制電路；

104為高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ；

105為ISO124隔離電路Ⅰ；

106為外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ；

107為PA93-X功率放大電路；

108為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈；

109為電流傳感器X；

110為+160V直流電源；

111為-160V直流電源；

112為高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ；

113為ISO124隔離電路Ⅱ；

114為外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ；

115為PA93-Y功率放大電路；

116為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈；

117為電流傳感器Y；

200為電子槍；

201為電子槍燈絲；

202為電子槍柵極；

203為電子槍陽極；

204為聚焦線圈；

205為消像線圈；

206為電子束束流；

301為X軸方向線圈繞組x1；

302為X軸方向線圈繞組x2；

303為Y軸方向線圈繞組y1；

304為Y軸方向線圈繞組y2；

401為功率放大器PA93；

402為反饋電阻R_F；

403為輸入電阻R_IN；

404為限流電阻R_CL；

405為偏置電阻R_B；

501為整流濾波電路；

502為半橋逆變電路；

503為高頻變壓器；

504為二次整流濾波電路；

505為電流傳感器3；

506為電壓傳感器1；

507為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路；

508為電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路；

509為PWM產(chǎn)生電路；

510為保護電路；

511為驅(qū)動電路。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，其具體實施方式是：

所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置包括：

參見圖1所示，工控機101，串行通訊電路102、DSP控制電路103、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112、信號隔離電路Ⅰ105、信號隔離電路Ⅱ113、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108、電流傳感器Ⅰ109、Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116、電流傳感器Ⅱ117、+160V直流電壓源110和-160V直流電壓源111。它們之間的位置連接關(guān)系是：工控機101通過串行通訊電路102連接至DSP控制電路103，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)的傳輸。DSP控制電路103將接收到的數(shù)字信號進行處理后，發(fā)送給高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104和高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112轉(zhuǎn)換成兩路模擬電壓信號輸出，然后高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104再經(jīng)過信號隔離電路Ⅰ105后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，作為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108的掃描電流波形輸入給定I_Xg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅰ高壓大電流功率放大器107的電壓給定U_Xg，PA93功率放大器107的輸出再連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108，驅(qū)動X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅰ109串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，實現(xiàn)X軸方向線圈108驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

同時，高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112再經(jīng)過信號隔離電路Ⅱ113后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，作為Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116的掃描電流波形輸入給定I_Yg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅱ功率放大器115的電壓給定U_Yg，PA93功率放大器115的輸出再連接至Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116，驅(qū)動Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅱ117串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，實現(xiàn)Y軸方向線圈116驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

參見圖2所示，所述X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116安裝在電子槍200中。在電子槍中，陰極燈絲201受熱激發(fā)產(chǎn)生大量自由電子，在柵極202和陽極203的作用下形成電子束206，該電子束再經(jīng)聚焦線圈204聚焦，然后通過由X軸方向掃描線圈108和Y軸方向掃描線圈116組成的偏轉(zhuǎn)掃描線圈實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。消像散線圈205主要用來控制偏轉(zhuǎn)后電子束的像散，提高電子束的束斑形狀和品質(zhì)。

參見圖3所示，所述X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的矩形線圈x1 301和x2 302串聯(lián)而成，并且線圈x1 301和x2 302的間距約等于矩形邊長的一半；所述Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的矩形線圈y1 303和y2 304串聯(lián)而成，并且線圈y1 303和y2 304的間距約等于矩形邊長的一半。

參見圖4所示，所述PA93功率放大器由PA-93功率放大器401、反饋電阻R_F 402、輸入電阻R_IN 403、限流電阻R_CL 404和偏置電阻R_B 405等組成。功率放大器的輸出電壓U_f通過反饋電阻R_F連接至PA93的反相輸入端，同時電壓給定信號U_g通過輸入電阻R_IN 403連接反相輸入端，二者通過功率放大器PA93進行誤差運算后，其輸出連接至X或Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈，驅(qū)動線圈內(nèi)的電流按照掃描波形變化。

所述的±160V直流電源包括+160V直流電源110和-160V直流電源111，+160V直流電源110的輸出負(fù)端與-160V直流電源111的輸出正端連接，作為PA93功率放大器401的輸入地，+160V直流電源110的輸出正端連接至PA93功率放大器401的正電源輸入端+VCC，-160V直流電源111的輸出負(fù)端連接至PA93功率放大器401的負(fù)電源輸入端-VCC。

參見圖5所示，所述的+160V直流電源110和-160V直流電源111具有相同的電路結(jié)構(gòu)，都包括整流濾波電路501、半橋逆變電路502、高頻變壓器503、二次整流濾波電路504、電壓霍爾傳感器505、電流霍爾傳感器506、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507、電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508、PWM產(chǎn)生電路509、保護電路510和驅(qū)動電路511。AC220V交流電經(jīng)整流濾波電路501整流濾波后變成約310V直流電并連接至半橋逆變電路502再次變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再連接至高頻變壓器TR1 503和二次整流濾波電路504后變成160V的直流輸出，電壓霍爾傳感器506連接在160V電源輸出端采集輸出電壓反饋信號U_f，與電壓給定信號U_g一起連接至電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508，然后電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。同理，電流霍爾傳感器505串聯(lián)在160V電源的輸出回路中采集輸出電流反饋信號I_f，與電流給定信號I_g一起連接至電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507，然后電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電流的調(diào)節(jié)。

所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置可以實現(xiàn)電子束高精度、大范圍和高速偏轉(zhuǎn)掃描。

所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置的掃描區(qū)域最大可達200mm×200mm；

所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置的偏轉(zhuǎn)掃描分辨率可達0.2mm；

所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置的掃描頻率達200kHz；

本發(fā)明針對電子束快速制造技術(shù)高精度、大范圍和高速偏轉(zhuǎn)掃描的需要，提供了一種電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置?；贖elmholtz線圈工作原理，并采用空心線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計X和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈，所設(shè)計的偏轉(zhuǎn)掃描線圈不僅具有低的感抗，而且線圈中心工作區(qū)域內(nèi)的電磁場分布更均勻，提高了快速制造中偏轉(zhuǎn)掃描速度和控制精度；采用DSP控制電路和高速高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器作為掃描波形控制電路，并結(jié)合高電壓、大電流、高速響應(yīng)功率放大器PA93實現(xiàn)了所述低感偏轉(zhuǎn)掃描線圈的高速、高精度、大范圍偏轉(zhuǎn)掃描。所提供的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置可以實現(xiàn)電子束高精度、大范圍和高速偏轉(zhuǎn)掃描，掃描區(qū)域最大可達200mm×200mm，分辨率可達0.2mm，掃描頻率可達200kHz。

就本發(fā)明而言，包括工控機101，串行通訊電路102、DSP控制電路103、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112、ISO124信號隔離電路Ⅰ105、ISO124信號隔離電路Ⅱ113、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108、電流傳感器Ⅰ109、Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116、電流傳感器Ⅱ117、+160V直流電壓源110和-160V直流電壓源111。

工控機101接收零件制造數(shù)據(jù)后，對零件數(shù)據(jù)進行處理并規(guī)劃掃描路徑，從而得到下位機DSP控制電路103可以識別數(shù)據(jù)包，然后再通過串行通訊電路102將數(shù)據(jù)包傳輸至DSP控制電路103。DSP控制電路103將接收到的數(shù)字信號進行處理后，發(fā)送給高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104和高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112轉(zhuǎn)換成兩路模擬電壓信號輸出，形成X軸方向和Y軸方向的偏轉(zhuǎn)掃描波形。該高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104輸出經(jīng)信號隔離電路Ⅰ105后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，作為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108的掃描電流波形輸入給定I_Xg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅰ高壓大電流功率放大器107的電壓給定U_Xg，PA93功率放大器107的輸出再連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108，驅(qū)動X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈按照給定掃描波形控制電子束進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅰ109串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，實現(xiàn)X軸方向線圈108驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。同時，高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112的輸出經(jīng)ISO124隔離電路Ⅱ113后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，作為Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116的掃描電流波形輸入給定I_Yg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114的輸出作為內(nèi)環(huán)PA93-Ⅱ功率放大器115的電壓給定U_Yg，PA93功率放大器115的輸出再連接至Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116，驅(qū)動Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅱ117串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，實現(xiàn)Y軸方向線圈116驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

工控機101包括工控機和工業(yè)顯示器等。工控機通過視頻電纜與工業(yè)顯示器相連。該工控機為研華Advantech IPC-610H工控機；該工業(yè)顯示器為奇彩創(chuàng)晶嵌入式工業(yè)液晶顯示器QC-170IPE10T。

串行通訊電路102采用的是工控機上RS-485接口，通過該串行接口將工控機的偏轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)傳輸至DSP控制電路103。

DSP控制電路103采用TMS320LF2407作為主控芯片，主要功能是接收工控機傳輸?shù)钠D(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動電流值，并通過并行接口傳輸至高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路。

高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104(高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112)采用的是DAC-HP16BGC數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。DAC-HP16BGC為16位高速高精度D/A轉(zhuǎn)換器，接收TMS320LF2407發(fā)送的16位并行數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為±5V電壓信號輸出，作為偏轉(zhuǎn)掃描線圈掃描波形的電流給定，其輸出電壓分辨率為150μV，模擬電壓輸出建立時間為1μs，可實現(xiàn)數(shù)字量/模擬量的高速轉(zhuǎn)換。

信號隔離電路Ⅰ105(信號隔離電路Ⅱ113)采用的是精密隔離放大電路ISO124，可實現(xiàn)DSP控制電路與功率放大電路之間電隔離，提高DSP控制電路的抗干擾能力。

外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106(外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114)用來調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)掃描線圈上的驅(qū)動電流，其輸出連接至功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)，作為功率放大器的電壓給定輸入。

功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)包括功率放大器PA93 401、反饋電阻R_F 402、輸入電阻R_IN 403、限流電阻R_CL 404和偏置電阻R_B 405。PA93是高電壓、大電流功率放大器，可實現(xiàn)輸出高電壓的快速變換，并且輸出電流最大可達8A。輸出電壓U_XYf通過反饋電阻R_F 402連接至PA93的反相輸入端，同時電壓給定信號U_g通過輸入電阻R_IN 403連接反相輸入端，二者通過功率放大器PA93進行誤差運算后，其輸出連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108(Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116)，驅(qū)動偏轉(zhuǎn)掃描線圈內(nèi)的電流按照掃描波形變化。

偏轉(zhuǎn)掃描線圈包括X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116。X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈x1 301和x2 302串聯(lián)而成，并且線圈x1 301和x2 302的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)X軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量。同樣，Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116也是由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈y1 303和y2 304串聯(lián)而成，并且線圈y1 303和y2 304的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)Y軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量。所設(shè)計的偏轉(zhuǎn)掃描線圈不僅具有低的感抗，而且線圈中心工作區(qū)域內(nèi)的電磁場分布更均勻，提高了快速制造中偏轉(zhuǎn)掃描速度和控制精度。

X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116安裝在電子槍200中。在電子槍中，陰極燈絲201受熱激發(fā)產(chǎn)生大量自由電子，在柵極202和陽極203的作用下形成電子束206，該電子束再經(jīng)聚焦線圈204聚焦，然后通過由X軸方向掃描線圈108和Y軸方向掃描線圈116組成的偏轉(zhuǎn)掃描線圈實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。消像散線圈205主要用來控制偏轉(zhuǎn)后電子束的像散，提高電子束的束斑形狀和品質(zhì)。

電流傳感器Ⅰ109(電流傳感器Ⅱ116)采用的是LEM公司的LAX 100-NP高頻電流傳感器，分別采集偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流信號并傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)。

±160V直流電源包括+160V直流電源110和-160V直流電源111，+160V直流電源110的輸出負(fù)端與-160V直流電源111的輸出正端連接，作為PA93功率放大器401的輸入地，+160V直流電源110的輸出正端連接至PA93功率放大器401的正電源輸入端+VCC，-160V直流電源111的輸出負(fù)端連接至PA93功率放大器401的負(fù)電源輸入端-VCC。

+160V直流電源110和-160V直流電源111具有相同的電路結(jié)構(gòu)，都包括整流濾波電路501、半橋逆變電路502、高頻變壓器503、二次整流濾波電路504、電壓霍爾傳感器505、電流霍爾傳感器506、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507、電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508、PWM產(chǎn)生電路509、保護電路510和驅(qū)動電路511。AC220V交流電經(jīng)整流濾波電路501整流濾波后變成約310V直流電并連接至半橋逆變電路502再次變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再連接至高頻變壓器TR1 503和二次整流濾波電路504后變成160V的直流輸出，電壓霍爾傳感器506連接在160V電源輸出端采集輸出電壓反饋信號U_f，與電壓給定信號U_g一起連接至電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508，然后電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。同理，電流霍爾傳感器505串聯(lián)在160V電源的輸出回路中采集輸出電流反饋信號I_f，與電流給定信號I_g一起連接至電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507，然后電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電流的調(diào)節(jié)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，包括工控機101，串行通訊電路102、DSP控制電路103、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104、高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112、信號隔離電路Ⅰ105、信號隔離電路Ⅱ113、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106、外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114、功率放大器PA93-Ⅰ107、功率放大器PA93-Ⅱ115、X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108、電流傳感器Ⅰ109、Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116、電流傳感器Ⅱ117、+160V直流電壓源110和-160V直流電壓源111。

參考圖1，工控機101通過串行通訊電路102連接至DSP控制電路103，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)掃描數(shù)據(jù)的傳輸。DSP控制電路103將接收到的數(shù)字信號進行處理后，發(fā)送給高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104和高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112轉(zhuǎn)換成兩路模擬電壓信號輸出，然后高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅰ104再經(jīng)過ISO124隔離電路Ⅰ105后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，作為X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108的掃描電流波形輸入給定I_Xg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106的輸出作為內(nèi)環(huán)功率放大器PA93-Ⅰ107的電壓給定U_Xg，PA93功率放大器107的輸出再連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108，驅(qū)動X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅰ109串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ106，實現(xiàn)X軸方向線圈108驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。同時，高速高精度D/A轉(zhuǎn)換電路Ⅱ112再經(jīng)過信號隔離電路Ⅱ113后傳輸至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，作為Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116的掃描電流波形輸入給定I_Yg。外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114的輸出作為內(nèi)環(huán)功率放大器PA93-Ⅱ115的電壓給定U_Yg，功率放大器PA93-Ⅱ115的輸出再連接至Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116，驅(qū)動Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116按照給定掃描波形進行偏轉(zhuǎn)掃描，電流傳感器Ⅱ117串聯(lián)在線圈回路中，將線圈中的電流反饋至外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路Ⅱ114，實現(xiàn)Y軸方向線圈116驅(qū)動電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖2是X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116在電子槍200中的安裝位置示意圖。電子槍200主要包括陰極燈絲201、柵極202、陽極203、聚焦線圈204、X軸方向掃描線圈108、Y軸方向掃描線圈116、消像散線圈205，以及電子束206。

參考圖2，在電子槍中陰極燈絲201受熱激發(fā)產(chǎn)生大量自由電子，在柵極202和陽極203的作用下形成電子束206，該電子束再經(jīng)聚焦線圈204聚焦，然后通過由X軸方向掃描線圈108和Y軸方向掃描線圈116組成的偏轉(zhuǎn)掃描線圈實現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。消像散線圈205主要用來控制偏轉(zhuǎn)后電子束的像散，提高電子束的束斑形狀和品質(zhì)。

圖3是X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108和Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116的結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖3，X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈x1 301和x2 302串聯(lián)而成，并且線圈x1 301和x2 302的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)X軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量。同樣，Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116也是由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的空心矩形線圈y1 303和y2 304串聯(lián)而成，并且線圈y1 303和y2304的間距約等于矩形邊長的一半，用來調(diào)節(jié)Y軸方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量。

圖4是功率放大器PA93-Ⅰ107(功率放大器PA93-Ⅱ115)的工作原理框圖。PA93功率放大器主要由功率放大器PA93 401、反饋電阻R_F 402、輸入電阻R_IN 403、限流電阻R_CL 404和偏置電阻R_B 405組成。

參考圖4，PA93功率放大器的輸出電壓U_XYf通過反饋電阻R_F 402連接至PA93的反相輸入端，同時電壓給定信號U_g通過輸入電阻R_IN 403連接反相輸入端，二者通過功率放大器PA93進行誤差運算后，其輸出連接至X軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈108(Y軸方向偏轉(zhuǎn)掃描線圈116)，驅(qū)動偏轉(zhuǎn)掃描線圈內(nèi)的電流按照掃描波形變化。

圖5是+160V直流電源110(-160V直流電源111)系統(tǒng)組成框圖，包括整流濾波電路501、半橋逆變電路502、高頻變壓器503、二次整流濾波電路504、電壓霍爾傳感器505、電流霍爾傳感器506、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507、電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508、PWM產(chǎn)生電路509、保護電路510和驅(qū)動電路511。

參考圖5，AC220V交流電經(jīng)整流濾波電路501整流濾波后變成約310V直流電并連接至半橋逆變電路502再次變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再連接至高頻變壓器TR1503和二次整流濾波電路504后變成160V的直流輸出，電壓霍爾傳感器506連接在160V電源輸出端采集輸出電壓反饋信號U_f，與電壓給定信號U_g一起連接至電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508，然后電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路508的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。同理，電流霍爾傳感器505串聯(lián)在直流電源的輸出回路中采集輸出電流反饋信號I_f，與電流給定信號I_g一起連接至電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507，然后電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路507的輸出連接至PWM產(chǎn)生電路509，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，再通過驅(qū)動電路511就可以控制半橋逆變電路502功率開關(guān)管的導(dǎo)管與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流電源輸出電流的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明所述的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置由工控機、DSP控制電路、PID閉環(huán)調(diào)節(jié)電路、高電壓大電流功率放大電路，以及偏轉(zhuǎn)掃描線圈組成?；贖elmholtz線圈工作原理，并采用空心線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計了偏轉(zhuǎn)掃描線圈，所設(shè)計的偏轉(zhuǎn)掃描線圈不僅具有低的感抗，而且線圈中心工作區(qū)域內(nèi)的電磁場分布更均勻，提高了快速制造中偏轉(zhuǎn)掃描速度和控制精度。采用DSP控制電路和高速高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器作為掃描波形控制電路，并結(jié)合高電壓、大電流、高速響應(yīng)功率放大器PA-93實現(xiàn)了所述低感偏轉(zhuǎn)掃描線圈的高速、高精度、大范圍偏轉(zhuǎn)掃描。所提供的電子束高精度高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置可以實現(xiàn)電子束高精度、大范圍和高速偏轉(zhuǎn)掃描，掃描區(qū)域最大可達200mm×200mm，分辨率可達0.2mm，掃描頻率可達200kHz。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。