專利名稱：時(shí)域和空域可控的電子束加熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料加工技術(shù)領(lǐng)域的加熱方法，特別是一種時(shí)域和空域 可控的電子束加熱方法，。
技術(shù)背景采用電子束作為熱源對材料進(jìn)行加工時(shí)，根據(jù)對材料的具體加工要求，要求 電子束能夠在不同的空間位置進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)、單束或分束加熱，成為一種時(shí)域 和空域可控的移動(dòng)熱源。 一般電子束焊機(jī)都具有平面掃描功能，但只能是在固定 空間位置電子束產(chǎn)生微小的二維偏轉(zhuǎn)，且只能掃描出幾種固定圖形，如直線、橢 圓、圓等，不能實(shí)現(xiàn)不同空間位置電子束進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)、單束或分束掃描及電 子束空域三維運(yùn)動(dòng)軌跡的編輯和控制，無法實(shí)現(xiàn)電子束作為時(shí)域和空域都可控移 動(dòng)熱源的功能。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利名稱 一種電子束選區(qū)同步燒結(jié)工藝及三維分層制造設(shè)備，專利申請?zhí)?00410009948，該專利提供一種利用 電子束固定不動(dòng)，工作臺在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形體各層截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù) 進(jìn)行移動(dòng)裝置，利用該裝置，可實(shí)現(xiàn)電子束三維分層制造的目的。這種方法的特 點(diǎn)在于 一方面電子束固定不動(dòng)，Z方向上的運(yùn)動(dòng)是由計(jì)算機(jī)、控制卡、傳感器、 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置來控制完成的，由于機(jī)構(gòu)的復(fù)雜不可避免地帶來一定的控制延遲 和誤差；另一方面的不足是工作臺向下移動(dòng)的空間十分有限；此外，該專利所涉 及到的電子束運(yùn)動(dòng)軌跡控制仍屬二維控制方法，并未涉及電子束加熱時(shí)域和空域 三維運(yùn)動(dòng)軌跡控制方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種時(shí)域和空域可控的電子 束加熱控制方法，即工作臺保持不動(dòng)，省去Z方向上的機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過軟件 控制電子束的附加偏轉(zhuǎn)線圈磁場和聚焦線圈磁場，使電子束在X、 Y、 Z三個(gè)方向 坐標(biāo)分量同時(shí)發(fā)生改變，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)電子束空域可控，使得整個(gè)系統(tǒng)的加工精度和生產(chǎn)效率能夠大大提高，并可以實(shí)現(xiàn)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡二維或三維控 制。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明電子束三維掃描軌跡采用X、 Y、 Z位移分量來描述，電子束從掃描軌跡的起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)掃描周期， 利用一個(gè)掃描周期的X、 Y、 Z位移分量，通過編程生成三路驅(qū)動(dòng)信號，以指定的 刷新率不斷地輸出給由X、 Y兩隊(duì)繞組構(gòu)成的附加偏轉(zhuǎn)線圈及由Z向的電子束聚 焦線圈，其中在附加偏轉(zhuǎn)線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在X-Y平面內(nèi)產(chǎn)生二維偏 轉(zhuǎn)，在聚焦線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在Z方向上產(chǎn)生升降運(yùn)動(dòng)，周期性地在三 維空間內(nèi)按設(shè)定的軌跡和方式運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明包括以下步驟(1) 首先根據(jù)工件實(shí)際的加工要求確定電子束加熱空域范圍和時(shí)域控制方 式，X、 Y、 Z位移分量為連續(xù)函數(shù)，則表現(xiàn)為連續(xù)加熱，X、 Y、 Z位移分量為離 散信號，則表現(xiàn)為斷續(xù)加熱；(2) 根據(jù)加熱需求，確定工件加熱區(qū)域一個(gè)加熱周期內(nèi)所需點(diǎn)的總數(shù)(設(shè) 為n)以及刷新率(每秒輸出的點(diǎn)數(shù))；再通過程序計(jì)算或由數(shù)據(jù)文件給出一個(gè) 加熱周期中n個(gè)點(diǎn)三維坐標(biāo)分量，用X。 Y" Zi表示，i， n為整數(shù)，0《i《n-1， 再將所有點(diǎn)的Xi、 Y" Zi坐標(biāo)分量按照順序放在一個(gè)三維數(shù)組中；(3) 將三維數(shù)組數(shù)據(jù)的X、 Y行通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出通道輸出，形 成兩路模擬電壓信號，經(jīng)過信號放大器以指定的刷新率分別不斷地輸出給由X、 Y兩對繞組組成的附加偏轉(zhuǎn)線圈及Z繞組構(gòu)成的聚焦線圈，在附加偏轉(zhuǎn)線圈中產(chǎn) 生的磁場使電子束周期性地在X-Y平面內(nèi)按所要求的方式運(yùn)動(dòng)；(4) 將三維數(shù)組數(shù)據(jù)Z行轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)地聚焦電流并通過可編程控制器輸 出通道輸出，形成一路數(shù)字電壓信號，以指定的刷新率不斷地輸出給電子束的聚 焦線圈，在聚焦線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在Z方向上按所要求方式周期性地運(yùn) 動(dòng)。上述步驟(3)中，根據(jù)需要，通過使某些點(diǎn)的數(shù)據(jù)在三維數(shù)組中連續(xù)出現(xiàn) 多次的方式，控制電子束在該點(diǎn)的停留時(shí)間，即該點(diǎn)的數(shù)據(jù)重復(fù)次數(shù)越多，則電 子束在該點(diǎn)停留時(shí)間越長，反之越短；通過以下公式計(jì)算在一個(gè)掃描周期內(nèi)電子 束在某點(diǎn)的停留時(shí)間-
式中ti為一個(gè)掃描周期內(nèi)電子束在某點(diǎn)的停留時(shí)間，mi為該點(diǎn)數(shù)據(jù)在數(shù)組中 重復(fù)次數(shù)，M為三維數(shù)組中所包含的數(shù)據(jù)對總數(shù)，T為一個(gè)掃描周期所用的時(shí)間。 上述步驟(3)中
a、 如果X" Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)間隔趨向于零，則三路模擬電壓信號輸入 附加偏轉(zhuǎn)線圈和聚焦線圈形成連續(xù)掃描軌跡；如果Xi、 Y" Zi給出的n個(gè)點(diǎn)間隔 較大，則形成斷續(xù)掃描；
b、 如果Xi、 Y。 Z,給出的n個(gè)點(diǎn)集中在某些點(diǎn)上則形成點(diǎn)狀掃描；如果Xi、 Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)形成各種直線或曲線，則形成線狀掃描；如果X" Yi、 Zi給 出的n個(gè)點(diǎn)集中在某一平面或曲面則形成面狀掃描；
c、 如果Xi、 Z,給出的n個(gè)點(diǎn)同時(shí)可以構(gòu)成若干斷續(xù)點(diǎn)、若干個(gè)線和若 干個(gè)面，則可以形成點(diǎn)、線、面之間任意結(jié)合掃描；
d、 如果Xi、 Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)集中在某個(gè)點(diǎn)上則形成單束掃描；如果Xi、 Y,、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)集中在若干獨(dú)立的點(diǎn)上則形成分束掃描；
e、 如果Zj臺終保持為某一常數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)電子束掃描軌跡二維可控，反之 則實(shí)現(xiàn)電子束掃描軌跡三維可控。
上述步驟(3)中，數(shù)據(jù)采集卡所輸出的模擬信號的功率不足以驅(qū)動(dòng)附加偏 轉(zhuǎn)線圈來產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，因此還采用兩臺功率放大器分別對這兩路模擬信號 進(jìn)行放大，再經(jīng)過匹配電阻輸入附加偏轉(zhuǎn)線圈。
本發(fā)明所提出的電子束加熱時(shí)域控制法，可以實(shí)現(xiàn)對不同空域中各個(gè)點(diǎn)加熱 時(shí)間進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡二維或三維控制、連續(xù)及斷續(xù)掃描、單束 或分束掃描、點(diǎn)狀線狀及區(qū)域掃描、以及任意方式組合，電子束三維運(yùn)動(dòng)軌跡編 程方便，即編即用，這幾種方法可以分別使用，也可以聯(lián)合使用。
本發(fā)明采用高速數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW構(gòu)成的虛擬儀器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)模擬 電壓信號的生成和輸出，不僅可以離線編程且使得編程方便，而且所輸出的模擬 信號及合成結(jié)果在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀地顯示出來，便于程序的修改；同時(shí)用NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號，具有12位ADC及16路模擬量輸入，12位和 16位DAC及電壓輸出，最高采樣率為250kS/s (多通道)和500kS/s (單通道)，能 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理，可以方便地控制和顯示掃描頻率，其精度和速度滿足
工程需要。


圖1實(shí)施例一的線掃描軌跡示意圖
圖2掃描點(diǎn)數(shù)減少的點(diǎn)掃描軌跡示意圖
圖3掃描點(diǎn)數(shù)增多的區(qū)域掃描軌跡示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例中采用的裝置由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器、匹配電阻、附 加偏轉(zhuǎn)線圈、電子槍、可編程序控制器、真空室、掃描電子束組成。附加偏轉(zhuǎn)線 圈安裝在掃描電子束的前進(jìn)路經(jīng)上，該線圈由控制電子束在X、 Y方向運(yùn)動(dòng)的兩 組繞組組成。離線編輯好的電子束三維掃描軌跡及運(yùn)動(dòng)方式的控制程序在工控機(jī) 中運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集卡安裝在工控機(jī)中。
要求的三維掃描軌跡為螺旋線，如圖1所示，可用下面參數(shù)方程來描述
<formula>formula see original document page 7</formula>
確定一個(gè)掃描周期內(nèi)所需點(diǎn)的總數(shù)為1000，刷新率為50000點(diǎn)/秒。利用計(jì) 算機(jī)程序計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)1000個(gè)點(diǎn)三維坐標(biāo)分量，即(t， Y" ZJ， (0《i《 n-l， n為點(diǎn)的總數(shù)，此處『1000)。
式中
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，i為正整數(shù)，0《i《n—1， n=1000。將所有點(diǎn)的l、 Yi、 Zi坐標(biāo)分量按照順序放在一個(gè)三維數(shù)組中，其中三維數(shù) 組數(shù)據(jù)中的X、 Y分量分別通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道同時(shí)輸出，形成兩路 模擬電壓信號，以指定的每秒50000點(diǎn)的刷新率不斷地輸出給功率放大器，經(jīng)功 率放大器放大后，再經(jīng)過匹配電阻分別輸入給附加偏轉(zhuǎn)線圈的X、 Y繞組，其中 X分量和Y分量分別輸入一個(gè)繞組，在附加偏轉(zhuǎn)線圈X、 Y繞組中產(chǎn)生的磁場使 電子束在X-Y平面內(nèi)沿設(shè)定軌跡進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)；再將三維數(shù)組數(shù)據(jù)中的Z分量轉(zhuǎn) 化為相應(yīng)地聚焦電流并通過可編程控制器輸出通道輸出，形成一路數(shù)字電壓信 號，以指定的每秒50000點(diǎn)的刷新率不斷地輸出給電子束的聚焦線圈，在聚焦線 圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在Z方向上按所要求方式周期性地運(yùn)動(dòng)。以上掃描軌跡為螺旋形，對其它類型的掃描軌跡與此同理。例如，減少掃描 點(diǎn)數(shù)即可得到點(diǎn)狀掃描，如圖2所示；改變參數(shù)方程，增加掃描點(diǎn)數(shù)即可得到區(qū) 域掃描，如圖3所示。對于更為復(fù)雜的組合圖形，可將圖形的不同區(qū)段分別用不同的函數(shù)來處理， 分別得到各點(diǎn)的三維坐標(biāo)分量，再同乘以k并按照正確的順序組成三維數(shù)組。對于難以用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)的不規(guī)則三維掃描軌跡，可以采用數(shù)據(jù)文件的形式 來構(gòu)成三維掃描軌跡中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)分量(Xi， Y" Z》，即將三維掃描軌跡中 各點(diǎn)的三維坐標(biāo)分量(Xi， Yi， Z》以數(shù)據(jù)文件的形式保存，使用時(shí)用程序讀取 該數(shù)據(jù)文件中的(Xi， Yi， Zi)值，其余同上。本發(fā)明既可以控制電子束二維掃描軌跡和產(chǎn)生任意的二維掃描軌跡，也可以 控制電子束三維掃描軌跡和產(chǎn)生任意的三維掃描軌跡，而且電子束三維掃描方式 也可任意設(shè)定，針對三維掃描軌跡中各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)及斷續(xù)掃描、 點(diǎn)狀、線狀及區(qū)域掃描、任意方式組合、單束或分束掃描，電子束三維運(yùn)動(dòng)軌跡 編程方便，即編即用。
權(quán)利要求
1、 一種時(shí)域和空域可控的電子束加熱控制方法，其特征在于，電子束三維 掃描軌跡采用X、 Y、 Z位移分量來描述，電子束從掃描軌跡的起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn) 構(gòu)成一個(gè)掃描周期，利用一個(gè)掃描周期的X、 Y、 Z位移分量，通過編程生成三路 驅(qū)動(dòng)信號，以指定的刷新率不斷地輸出給由X、 Y兩隊(duì)繞組構(gòu)成的附加偏轉(zhuǎn)線圈 及由Z向的電子束聚焦線圈，其中在附加偏轉(zhuǎn)線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在X-Y 平面內(nèi)產(chǎn)生二維偏轉(zhuǎn)，在聚焦線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在Z方向上產(chǎn)生升降運(yùn) 動(dòng)，周期性地在三維空間內(nèi)按設(shè)定的軌跡和方式運(yùn)動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的時(shí)域和空域可控的電子束加熱控制方法，其特征 是，包括以下步驟(1) 首先根據(jù)工件實(shí)際的加工要求確定電子束加熱空域范圍和時(shí)域控制方 式，X、 Y、 Z位移分量為連續(xù)函數(shù)，則表現(xiàn)為連續(xù)加熱，X、 Y、 Z位移分量為離 散信號，則表現(xiàn)為斷續(xù)加熱；(2) 根據(jù)加熱需求確定工件加熱區(qū)域一個(gè)加熱周期內(nèi)所需點(diǎn)的總數(shù)n，及 刷新率，再通過程序計(jì)算或由數(shù)據(jù)文件給出一個(gè)加熱周期中n個(gè)點(diǎn)三維坐標(biāo)分 量，用Xi、 Yi、 Zi表示，i， n為整數(shù)，0《i《n-l，再將所有點(diǎn)的Xi、 Y" Zi坐標(biāo) 分量按照順序放在一個(gè)三維數(shù)組中；(3) 將三維數(shù)組數(shù)據(jù)的X、 Y、 Z行通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出通道輸出， 形成三路模擬電壓信號，經(jīng)過信號放大器以指定的刷新率分別不斷地輸出給由 X、 Y兩對繞組組成的附加偏轉(zhuǎn)線圈及Z向的聚焦線圈，在附加偏轉(zhuǎn)線圈中產(chǎn)生 的磁場使電子束周期性地在X-Y平面內(nèi)按所要求的方式運(yùn)動(dòng)，在聚焦線圈中產(chǎn)生 的磁場使電子束周期性地在Z方向上按所要求方式運(yùn)動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的時(shí)域和空域可控的電子束加熱控制方法，其特征 是，上述步驟(3)中，通過使某些點(diǎn)的數(shù)據(jù)在三維數(shù)組中連續(xù)出現(xiàn)多次的方式， 控制電子束在該點(diǎn)的停留時(shí)間，亦即該點(diǎn)的重復(fù)次數(shù)越多，則電子束在該點(diǎn)停留 時(shí)間越長，反之越短。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的時(shí)域和空域可控的電子束加熱控制方法，其 特征是，上述步驟(3)中 a、 如果Xi、 Y。 Z,給出的n個(gè)點(diǎn)間隔趨向于零，則三路模擬電壓信號輸入 附加偏轉(zhuǎn)線圈和聚焦線圈形成連續(xù)掃描軌跡，如果1、 Yi、 Z,給出的n個(gè)點(diǎn)間隔 較大，則形成斷續(xù)掃描；b、 如果Xi、 Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)集中在某些點(diǎn)上則形成點(diǎn)狀掃描；如果Xi、 1、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)形成各種直線或曲線，則形成線狀掃描，如果Xi、 Y" Z,給 出的n個(gè)點(diǎn)集中在某一平面或曲面則形成面狀掃描；c、 如果Xi、 Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)同時(shí)構(gòu)成若干斷續(xù)點(diǎn)、若干個(gè)線和若干個(gè) 面，則形成點(diǎn)、線、面之間任意結(jié)合掃描；d、 如果Xi、 Y,、 Z,給出的n個(gè)點(diǎn)集中在某個(gè)點(diǎn)上則形成單束掃描，如果Xi、 Yi、 Zi給出的n個(gè)點(diǎn)集中在若干獨(dú)立的點(diǎn)上則形成分束掃描；e、 如果Zi始終保持為某一常數(shù)，則實(shí)現(xiàn)電子束掃描軌跡二維可控，反之則 實(shí)現(xiàn)電子束掃描軌跡三維可控。
全文摘要
一種時(shí)域和空域可控的電子束加熱控制方法，屬于材料加工領(lǐng)域。本發(fā)明電子束三維掃描軌跡采用X、Y、Z位移分量來描述，電子束從掃描軌跡的起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)掃描周期，利用一個(gè)掃描周期的X、Y、Z位移分量，通過編程生成三路驅(qū)動(dòng)信號，以指定的刷新率不斷地輸出給由X、Y兩對繞組構(gòu)成的附加偏轉(zhuǎn)線圈以及由構(gòu)成電子束Z向運(yùn)動(dòng)的聚焦線圈，其中在附加偏轉(zhuǎn)線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在X-Y平面內(nèi)產(chǎn)生二維偏轉(zhuǎn)，在聚焦線圈中產(chǎn)生的磁場使電子束在Z方向上產(chǎn)生升降運(yùn)動(dòng)，周期性地在三維空間內(nèi)按設(shè)定的軌跡和方式運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明可控制電子束二維或三維掃描軌跡和產(chǎn)生任意的二維或三維掃描軌跡，而且電子束三維掃描方式也可任意設(shè)定。
文檔編號H05B7/148GK101146383SQ20071004769
公開日2008年3月19日 申請日期2007年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者盧鳳桂, 唐新華, 舜 姚, 朱妙鳳, 陳云霞 申請人:上海交通大學(xué)