本發(fā)明涉及電子束加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有聚焦補償功能的電子束快速成型機電子槍系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
電子束快速成型機在3D元件的制造過程中，其X-Y平面的方向控制則一般由偏掃裝置完成，而Z軸的方向控制則由機械運動完成。偏掃裝置的工作機理與機械運動存在根本的區(qū)別，偏掃裝置依靠磁場的作用來操縱電子束的運動軌跡。由于磁場作用的工作機理以及制造工藝的影響，磁場的磁感應(yīng)強度與其勵磁電流之間呈非線性關(guān)系，且聚焦與偏掃之間也存在交叉影響，因此電子束快速成型機中3D元件制造過程的控制較一般的機械加工3D元件的控制更為復(fù)雜。特別是聚焦電流一定時電子束的焦點隨電子束的偏移矢量變化，目前聚焦校正補償功能由常規(guī)聚焦裝置承擔(dān)，各偏移矢量的補償值為靜態(tài)的補償數(shù)據(jù)，電子束快速成型機聚焦補償快速變化的動態(tài)過程，由此常規(guī)聚焦裝置很難實現(xiàn)精確的動態(tài)補償功能，主要體現(xiàn)如下不足之處：1.如果動態(tài)與靜態(tài)共用一個繞組，由于電感較大，勢必影響校正電流響應(yīng)速度，滿足不了電子束快速成型機聚焦快速補償要求。2.如果動態(tài)與靜態(tài)分別用不同繞組，兩繞組間的變壓器效應(yīng)，動態(tài)勵磁電流相互影響，不能產(chǎn)生精確的動態(tài)磁場。3.由于常規(guī)聚焦磁路的結(jié)構(gòu)使然，其勵磁電流的動態(tài)分量大部分將轉(zhuǎn)化成鐵磁損耗，不能產(chǎn)生足夠的動態(tài)磁場。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有電子束快速成型機難以實現(xiàn)電子束的精確聚焦的問題，提供一種帶有聚焦補償功能的電子束快速成型機電子槍系統(tǒng)。為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：帶有聚焦補償功能的電子束快速成型機電子槍系統(tǒng)，主要由中央控制單元、驅(qū)動電源、電子束發(fā)生裝置、主聚焦裝置和偏掃裝置組成。上述偏掃裝置包括鐵磁框架和偏掃繞組；該鐵磁框架設(shè)有內(nèi)柱，其內(nèi)柱的軸線中空處形成電子束飛行通道；該偏掃繞組由X軸繞組和Y軸繞組組成；X軸繞組和Y軸繞組按一定規(guī)律分布上下平行繞制在鐵磁框架的內(nèi)柱內(nèi)側(cè)，且X軸繞組和Y軸繞組的軸線正交；X軸繞組與X軸繞組的驅(qū)動電源相連，Y軸繞組與Y軸繞組的驅(qū)動電源相連，通電后X軸繞組和Y軸繞組產(chǎn)生垂直于電子束飛行參考方向的合成磁場。其不同之處是，上述偏掃裝置還進一步包括聚焦補償繞組；該聚焦補償繞組螺旋繞制在鐵磁框架的內(nèi)柱外側(cè)，聚焦補償繞組、X軸繞組與Y軸繞組三者的軸線兩兩正交；鐵磁框架的內(nèi)柱上開設(shè)有一內(nèi)外貫通的磁隙；聚焦補償繞組與聚焦補償繞組的驅(qū)動電源相連，通電后聚焦補償繞組產(chǎn)生的磁場通過磁隙擴散至電子束通道，形成平行于電子束飛行參考方向的磁場。上述方案中，鐵磁框架的電子束飛行通道呈上小下大的喇叭形軸對稱結(jié)構(gòu)。上述方案中，鐵磁框架由高阻高頻軟磁材料制成。上述方案中，聚焦補償繞組的驅(qū)動電源接收中央控制單元發(fā)出的聚焦補償電壓指令U*，聚焦補償繞組的驅(qū)動電源將該聚焦補償電壓指令U*轉(zhuǎn)換為聚焦補償電流指令I(lǐng)*，并將聚焦補償電流指令I(lǐng)*線性放大后提供給聚焦補償繞組驅(qū)動電流I；其中聚焦補償電流指令I(lǐng)*的幅值與聚焦補償電壓指令U*的幅值之比是頻率的一階函數(shù)關(guān)系。上述方案中，聚焦補償繞組的驅(qū)動電源包括電阻R1-R6，電感L1，運算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二極管D1、D2，以及整流濾波電路ZL1；整流濾波電路ZL1的輸入端與外部輸入的兩組交流電AC1和AC2相連；整流濾波電路ZL1的公共輸出端與聚焦補償繞組的一端相接，整流濾波電路ZL1的正輸出端接N型功率管T1的集電極，整流濾波電路ZL1的負輸出端接P型功率管T2的集電極；二極管D1的陽極連接N型功率管T1的發(fā)射極，二極管D1的陰極連接N型功率管T1的集電極；二極管D2的陽極連接P型功率管T2的集電極，二極管D2的陰極連接P型功率管T2的發(fā)射極；電阻R1的一端接收聚焦補償電壓指令U*；電阻R1的另一端分別接至電阻R2、電阻R3的一端，電阻R2的另一端連接電感L1的一端，電感L1的另一端接地；電阻R3另一端和電阻R4的一端同時連接運算放大器IC1的反相輸入端；運算放大器IC1的同相輸入端接地；運算放大器IC1的輸出端連接電阻R5的一端；電阻R4的另一端同時連接N型功率管T1的發(fā)射極、P型功率管T2的發(fā)射極和電阻R6的一端；電阻R5的另一端同時連接N型功率管T1的基極和P型功率管T2的基極；電阻R6的另一端同時接地和接聚焦補償繞組的另一端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的聚焦補償繞組集成在偏掃裝置上，不僅采用了偏掃繞組來產(chǎn)生垂直于電子束飛行參考方向的磁場，而且還采用了聚焦補償繞組來產(chǎn)生平行于電子束飛行參考方向的磁場。偏掃裝置三繞組的軸線相互垂直，三繞組間不存在互感效應(yīng)。偏掃裝置磁路的鐵磁框架采用高阻高頻軟磁材料做成，磁場響應(yīng)速度高，鐵磁損耗小。聚焦補償繞組的驅(qū)動電源采用頻率一階補償方式，同樣幅值的聚焦補償電壓指令U*，指令信號頻率越高，驅(qū)動電源輸出電流越大。聚焦補償繞組的等效電路中代表鐵磁損耗的電流分量是勵磁電流頻率的1.1～1.3次方關(guān)系，適當(dāng)選擇聚焦補償繞組的驅(qū)動電源的控制電路參數(shù)，使得聚焦補償繞組勵磁電流的頻率補償基本抵消鐵磁損耗電流分量的影響，從而保證靜態(tài)和動態(tài)的電子束焦點補償效果的一致性。附圖說明圖1為帶有聚焦補償功能的電子束快速成型機電子槍系統(tǒng)的示意圖。圖2為圖1中偏掃裝置的正視圖。圖3為圖1中偏掃裝置的俯視圖。圖4為圖1中偏掃裝置的仰視圖。圖5為聚焦補償繞組的驅(qū)動電源電路圖。圖中標(biāo)記：1、中央控制單元；2、驅(qū)動電源；3、電子束發(fā)生裝置；4、主聚焦裝置；5、偏掃裝置；5.1、聚焦補償繞組；5.2、偏掃繞組；5.3、磁隙；5.4、鐵磁框架；6、電子束；7、工件。具體實施方式帶有聚焦補償功能的電子束快速成型機電子槍系統(tǒng)，如圖1所示，主要由中央控制單元1、驅(qū)動電源2、電子束發(fā)生裝置3、主聚焦裝置4和偏掃裝置5組成。電子束發(fā)生裝置3、主聚焦裝置4和偏掃裝置5自上而下對中合軸布設(shè)。電子束發(fā)生裝置3發(fā)出的電子束6經(jīng)過主聚焦裝置4匯聚到工件7表面的O點，偏掃裝置5對電子束的飛行方向進行控制后入射到工件7上表面的d點。為了能夠?qū)崿F(xiàn)電子束6的精確聚焦，本發(fā)明的偏掃裝置5由鐵磁框架5.4、磁隙5.3、偏掃繞組5.2和聚焦補償繞組5.1構(gòu)成，如圖2-4所示。由于偏掃繞組5.2包括X軸繞組和Y軸繞組，因此為了能夠?qū)ζ珤哐b置5的所有繞組實現(xiàn)驅(qū)動，驅(qū)動電源2包括X軸繞組的驅(qū)動電源2、Y軸繞組的驅(qū)動電源2和聚焦補償繞組5.1的驅(qū)動電源2。鐵磁框架5.4呈中空的軸對稱結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，鐵磁框架5.4由高阻高頻軟磁材料制成。鐵磁框架5.4的內(nèi)部設(shè)有縱向延伸的內(nèi)柱，其內(nèi)柱所圍城的軸線中空處形成了鐵磁框架5.4的內(nèi)孔，該內(nèi)孔為電子束6飛行通道。鐵磁框架5.4內(nèi)孔即電子束6飛行通道可以為上下一致的圓柱狀軸對稱結(jié)構(gòu)，也可以呈上小下大的喇叭形軸對稱結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，鐵磁框架5.4內(nèi)孔呈上小下大的喇叭形軸對稱結(jié)構(gòu)。鐵磁框架5.4的內(nèi)柱上開設(shè)有一內(nèi)外貫通的磁隙5.3結(jié)構(gòu)。X軸繞組和Y軸繞組按一定規(guī)律分布上下平行繞制在鐵磁框架5.4的內(nèi)柱內(nèi)側(cè)，且X軸繞組和Y軸繞組的軸線呈90°正交。X軸繞組與X軸繞組的驅(qū)動電源2相連，Y軸繞組與Y軸繞組的驅(qū)動電源2相連，通電后X軸繞組和Y軸繞組產(chǎn)生垂直于電子束6飛行參考方向的合成磁場。聚焦補償繞組5.1螺旋繞制在鐵磁框架5.4的內(nèi)柱外側(cè)，聚焦補償繞組5.1、X軸繞組與Y軸繞組三者的軸線兩兩呈90°正交，它們產(chǎn)生的磁場軸線亦相互垂直，因此三繞組間可忽略互感效應(yīng)。聚焦補償繞組5.1與聚焦補償繞組的驅(qū)動電源2相連，通電后聚焦補償繞組5.1產(chǎn)生磁場通過磁隙5.3擴散至電子束6飛行通道，形成平行于電子束6飛行參考方向的磁場。聚焦補償繞組的驅(qū)動電源2，如圖5所示，包括電阻R1-R6，電感L1，運算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二極管D1、D2，以及整流濾波電路ZL1。整流濾波電路ZL1的輸入端與外部輸入的兩組交流電AC1和AC2相連。整流濾波電路ZL1的公共輸出端與聚焦補償繞組5.1的一端相接，整流濾波電路ZL1的正輸出端接N型功率管T1的集電極，整流濾波電路ZL1的負輸出端接P型功率管T2的集電極。二極管D1的陽極連接N型功率管T1的發(fā)射極，二極管D1的陰極連接N型功率管T1的集電極。二極管D2的陽極連接P型功率管T2的集電極，二極管D2的陰極連接P型功率管T2的發(fā)射極。電阻R1的一端接收聚焦補償電壓指令U*。電阻R1的另一端分別接至電阻R2、電阻R3的一端，電阻R2的另一端連接電感L1的一端，電感L1的另一端接地。電阻R3另一端和電阻R4的一端同時連接運算放大器IC1的反相輸入端。運算放大器IC1的同相輸入端接地。運算放大器IC1的輸出端連接電阻R5的一端。電阻R4的另一端同時連接N型功率管T1的發(fā)射極、P型功率管T2的發(fā)射極和電阻R6的一端。電阻R5的另一端同時連接N型功率管T1的基極和P型功率管T2的基極。電阻R6的另一端同時接地和接聚焦補償繞組5.1的另一端。聚焦補償繞組的驅(qū)動電源2接收中央控制單元1發(fā)出的聚焦補償電壓指令U*，聚焦補償繞組的驅(qū)動電源2將該聚焦補償電壓指令U*轉(zhuǎn)換為聚焦補償電流指令I(lǐng)*，并將聚焦補償電流指令I(lǐng)*線性放大后提供給聚焦補償繞組5.1驅(qū)動電流I。其中聚焦補償電流指令I(lǐng)*的幅值與聚焦補償電壓指令U*的幅值之比是頻率的一階函數(shù)關(guān)系。根據(jù)電路原理上述聚焦補償繞組的驅(qū)動電源2中流經(jīng)電阻R3的電流即為聚焦補償電流指令I(lǐng)*，U*、I*與頻率f即ω的關(guān)系為：(直流為最小值)，(最大值)，由上式可知，指令信號頻率越大，I*與U*比值越大，I*與U*比值為頻率的一階函數(shù)。根據(jù)電路原理上述聚焦補償繞組5.1的驅(qū)動電源2輸出電流I與電流指令I(lǐng)*成線性比例關(guān)系。聚焦補償繞組5.1可用一個等效電路圖表示，電阻R為繞組銅漆包線的總電阻，電感L為繞組等效電感，電阻Rf代表磁路鐵芯損耗，電阻Rf是頻率的函數(shù)，流過電阻Rf的電流If與流過聚焦補償繞組5.1總電流I比值是頻率的1.1～1.3次方關(guān)系。鐵磁框架5.4采用高阻高頻軟磁材料使得流過電阻Rf的電流If比例較少，所以聚焦補償繞組5.1勵磁電流采用頻率一階補償便可以獲得較為理想的動態(tài)補償效果。