[发明专利]一种电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子束加工设备技术领域，特别涉及一种电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法。

背景技术

电子束快速成型是高性能复杂金属零件的理想快速成型制造技术，在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景。电子束快速成型制造技术是采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成型相比，电子束快速成型具有非常明显的优点，如能量利用率高、加工材料广泛、无反射、加工速度快、真空环境无污染及运行成本低等。而电子束快速成型制造设备是一种综合了真空物理、精密机械、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品。

电子束快速成型制造设备聚焦装置的作用是保证同一平面内电子束各扫描点的电子束斑点大小一致。电子束快速成型制造设备依靠磁场的作用来操作电子束的运动轨迹，要求电子束能够快速精确移动。如果电子束的聚焦电流保持恒定，在电子束快速移动过程各点的电子束斑点是有所变化，即产生散焦。为了抑制散焦，聚焦装置励磁电流必须进行动态修正。聚焦装置静态过程磁场的磁感应强度与励磁电流有近似的线性关系，但动态过程由于磁路附加动态损耗等因数的影响，磁场的磁感应强度与励磁电流之间呈很复杂的非线性关系，因此在电子束快速成型制造设备的聚焦系统及其控制系统中 重点要解决磁场的快速变化和动态精密补偿问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能降低磁路动态损耗并引入动态励磁电流补偿功能来抑制磁路动态附加损耗对聚焦精度的影响的电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电子束快速成型制造设备聚焦系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1:确定扫描平面上主聚焦电流I_F，电子束快速成型制造设备在成型制造过程，其计算机控制单元置偏扫装置的励磁电流为0，同时置副聚焦电流I_f为0，此时电子束位于扫描平面上的原始位置，即为电子束扫描区域的原点(0点)，通过计算机控制单元调节主聚焦电流，使得位于原点的电子束在扫描平面上工作于聚焦状态，将聚焦状态的主聚焦电流指令F贮存于计算机控制单元内；

步骤2：对电子束扫描区域按扇形或矩形规律进行分区；

步骤3：确定各小区特征点(小区分界线的交点)的副聚焦电流I_f，主聚焦电流保持步骤1原点聚焦状态电流值，通过计算机控制单元控制偏扫装置的励磁电流，使得电子束偏移到小区特征点上，再通过计算机控制单元调节副聚焦电流I_f，使得位于扫描平面特征点上的电子束工作于聚焦状态，将聚焦状态的副聚焦电流指令f贮存于计算机控制单元内；

步骤4：根据电子束扫描轨迹依次计算各扫描点的副聚焦电流指令f，分界线上的扫描点的副聚焦电流指令f由该分界线的特征点数值以扫描坐标为因变量按线性变化进行计算，小区内各扫描点的副聚焦电流指令f由该小区的特征点数值以扫描坐标为因变量按线性变化进行计算，在运行前进行离线计算各扫描点副聚焦电流指令f，并依次记录贮存于计算机控制单元内， 或在运行时在线实时计算；

步骤5：运行时，计算机控制单元将主聚焦电流指令F经D/A转换成电压给定信号送至主聚焦电源，与扫描指令同步依次将副聚焦电流指令f经D/A转换电压给定信号送至副聚焦电源。

步骤5.1：主聚焦电源将给定电压信号与取样电压信号U_F通过比较、PI调节运算和放大处理后，调整输出电压，向主聚焦绕组输出稳定的主聚焦电流I_F；

步骤5.2：副聚焦电源通过检测给定电压信号的变化率，将给定电压信号及其变化率进行线性叠加作为总给定信号，总给定信号与取样电压信号U_f通过比较和放大处理后，调整输出电压，向副聚焦绕组输出副聚焦电流I_f。

一种电子束快速成型制造设备聚焦系统包括聚焦装置、主聚焦电源、副聚焦电源、计算机控制单元；