[发明专利]时域和空域可控的电子束加热方法

说明书

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，。

背景技术

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_i、Y_i、Z_i表示，i，n为整数，0≤i≤n-1，再将所有点的X_i、Y_i、Z_i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：

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