CN104658842B - 一种电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法，其方法为:试验确定主绕组励磁电流，贮存主励磁电流指令；电子束扫描区域按扇形或矩形规律进行分区；试验确定各小区特征点的副聚焦电流，贮存副励磁电流指令；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；运行时，将主励磁电流指令经D/A转换后送至主聚焦电源，将副励磁电流指令经D/A转换后送至副聚焦电源。相对现有技术，本发明具有降低磁场的动态损耗，引入动态补偿功能抑制全磁路动态附加损耗对聚焦精度的影响等优点。

Description

一种电子束快速成型制造设备聚焦系统及控制方法

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。

所述步骤5包括以下步骤：

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；

电子束快速成型制造设备采用短磁透镜聚焦，所述聚焦装置为圆柱形结构，安装于电子枪电子束出口的次近部位，包括导磁外框架、导磁内框架、电子束通道、主聚焦绕组、副聚焦绕组、磁隙；所述导磁内框架为空心圆柱体，所述导磁外框架置于导磁内框架的外圆侧，且导磁外框架和导磁内框架构成一腔体；所述电子束通道为导磁内框架圆柱内壁围成的空心圆柱状；所述主聚焦绕组和副聚焦绕组均绕在导磁内框架圆柱的外圆侧和内圆侧之间，位于导磁外框架和导磁内框架构成的空腔内；所述磁隙为嵌在导磁内框架圆柱上的圆环小柱，分断了导磁内框架圆柱部分的导磁通道；所述导磁外框架和导磁内框架由导磁材料粉末和有机绝缘胶浇注成型，所述磁隙为绝缘材料；

所述主聚焦电源，其与主聚焦绕组连接，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；

所述副聚焦电源，其与副聚焦绕组连接，将给定电压信号及其变化率进行线性组合作为总给定信号，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；

所述计算机控制单元承担电子束快速成型制造设备的总控任务，其分别与主聚焦电源和副聚焦电源连接，其中包括分别向主聚焦电源和副聚焦电源输出给定电压信号和

本发明的有益效果是：扫描区域按一定规律分成若干小区，试验获取每小区特征点精密聚焦电流参数，各小区内每一扫描点的聚焦参数由该小区特征点参数以扫描坐标为因变量按线性变化计算，扫描区域内每一点的聚焦参数都能精确地修正；导磁外框架、导磁内框架由导磁材料粉末和有机绝缘胶浇注成型，而磁隙为绝缘材料，降低了磁场的动态损耗。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步技术方案，所述主聚焦电源包括整流滤波电路ZL1、功率调整管T1、二极管D1、电感L1、取样电阻R6、电阻R1～R5、电容C1和运算放大器IC1；

所述整流滤波电路ZL1的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZL1的正极输出端接至NPN型功率调整管T1的集电极，负极输出端接至二极管D1的阳极；

所述功率调整管T1基极经电阻R5接至运算放大器IC1的输出端，功率调整管T1发射极与二极管D1阴极连接，并连接至取样电阻R6一端和电阻R3一端，所述电阻R3另一端连接至运算放大器IC1的反相输入端；

所述取样电阻R6上输出电压信号U_F为反馈信号，取样电阻R6另一端接地，并与主聚焦绕组一端连接，主聚焦绕组另一端通过电感L1接至二极管D1的阳极；

所述运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，运算放大器IC1的反相输入端经电阻R2连接计算机控制单元电压给定信号输出端，运算放大器IC1的输出端经电阻R4和电容C1连接至运算放大器IC1的反相输入端。

采用上述进一步方案的有益效果是：主聚焦绕组回路中串接电感L1，抑制副聚焦绕组动态电流通过变压器效应影响主聚焦绕组的电流。

进一步技术方案，所述副聚焦电源包括整流滤波电路ZL2、功率调整管T2和T3、二极管D2和D3、取样电阻R13、电阻R7～R12、电容C2和运算放大器IC2；

所述整流滤波电路ZL2的输入端连接外部输入的两组交流电，整流滤波电路ZL2的输出公共端与副聚焦绕组的一端相接，正极输出端接至NPN型功率调整管T2的集电极，负极输出端连接至PNP型功率调整管T3的集电极；

所述运算放大器IC2的同相输入端经电阻R7接地，所述运算放大器IC2的反相输入端经电阻R9、电阻R8连接计算机控制单元电压给定信号输出端，所述电容C2与电阻R9并联，所述电阻R8、电阻R9和电容C2组成运算放大器IC2的输入电路，所述电阻R11两端分别连接运算放大器IC2的反相输入端和输出端，所述运算放大器IC2的输出端经电阻R12分别与功率调整管T2和功率调整管T3的基极连接，运算放大器IC2的反相输入端经电阻R10连接取样电阻R13一端；

所述功率调整管T2和功率调整管T3的发射极接在一起后连接至电阻R13的一端，电阻R13的另一端接地，并与副聚焦绕组的另一端相接；取样电阻R13上输出副聚焦电流I_f的采样电压信号U_f作为反馈信号，所述二极管D2的阴极与功率调整管T2的集电极相接，二极管D2的阳极与功率调整管T2的发射极相接，二极管D3的阳极与功率调整管T3的集电极相接，二极管D3的阴极与功率调整管T3的发射极相接。

采用上述进一步方案的有益效果是：磁场存在动态损耗，静态励磁电流和动态励磁电流瞬时值相等时，产生的聚焦磁场的磁感应强度瞬时值是不等的，由R8、R9和C2组成的运算放大器IC2的输入电路，电压给定信号为及其变化率的线性组合作为总的给定信号，使得副聚焦电源具有动态修正功能，瞬时值相同而变化率不同，聚焦磁场的磁感应强度瞬时值基本保持不变。

附图说明

图1为电子束聚焦系统控制流程图；

图2为本发明聚焦装置剖视图；

图3为主聚焦电源原理图；

图4为副聚焦电源原理图；

图5为电子枪结构示意图；

图6为扫描范围扇形分区图；

图7为扫描范围矩形分区图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、导磁外框架，2、导磁内框架，3、电子束通道，4、副聚焦绕组，5、主聚焦绕组，6、磁隙，7、主聚焦电源，8、副聚焦电源，9、阴极，10、偏栅极，11、阳极，12、聚焦装置，13、偏扫装置，14、电子束，15、偏扫平面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，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15主聚焦电流值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13的励磁电流为0，同时置副聚焦电流I_f为0，此时电子束14位于扫描平面15上的原始位置，即为电子束14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I_F，使得位于原点的电子束14在扫描平面15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14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I_F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13的励磁电流，使得电子束14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15特征点上的电子束14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14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7，与扫描指令同步依次将副聚焦电流指令f经D/A转换成电压给定信号送至副聚焦电源8。

所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：主聚焦电源7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5输出稳定的主聚焦电流I_F；

步骤5.2：副聚焦电源8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4输出副聚焦电流I_f。

如图2至图5所示，一种电子束快速成型制造设备聚焦系统包括聚焦装置12、主聚焦电源7、副聚焦电源8、计算机控制单元；

如图5所示，电子束快速成型制造设备采用短磁透镜聚焦，所述聚焦装置12为圆柱形结构，安装于电子枪电子束14出口的次近部位，包括导磁外框架1、导磁内框架2、电子束通道3、副聚焦绕组4、主聚焦绕组5、磁隙6；所述导磁内框架2为空心圆柱体，所述导磁外框架1置于导磁内框架2的外圆侧，且导磁外框架1和导磁内框架2构成一腔体；所述电子束通道3为导磁内框架2圆柱内壁围成的空心圆柱状；所述主聚焦绕组5和副聚焦绕组4均绕在导磁内框架2圆柱的外圆侧和内圆侧之间，位于导磁外框架1和导磁内框架2构成的空腔内；所述磁隙6为嵌在导磁内框架2圆柱上的圆环小柱，分断了导磁内框架2圆柱部分的导磁通道；所述导磁外框架1和导磁内框架2由导磁材料粉末和有机绝缘胶浇注成型，所述磁隙6为绝缘材料；

所述主聚焦电源7，其与主聚焦绕组5连接，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5输出稳定的主聚焦电流I_F；

所述副聚焦电源8，其与副聚焦绕组4连接，将给定电压信号及其变化率进行线性组合作为总给定信号，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4输出副聚焦电流I_f；

所述计算机控制单元承担电子束快速成型制造设备的总控任务，其分别与主聚焦电源7和副聚焦电源8连接，其中包括分别向主聚焦电源7和副聚焦电源8输出给定电压信号和

所述主聚焦电源7包括整流滤波电路ZL1、功率调整管T1、二极管D1、电感L1、取样电阻R6、电阻R1～R5、电容C1和运算放大器IC1；

所述整流滤波电路ZL1的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZL1的正极输出端接至NPN型功率调整管T1的集电极，负极输出端接至二极管D1的阳极；

所述功率调整管T1基极经电阻R5接至运算放大器IC1的输出端，功率调整管T1发射极与二极管D1阴极连接，并连接至取样电阻R6一端和电阻R3一端，所述电阻R3另一端连接至运算放大器IC1的反相输入端；

所述取样电阻R6上输出电压信号U_F为反馈信号，取样电阻R6另一端接地，并与主聚焦绕组5一端连接，主聚焦绕组5另一端通过电感L1接至二极管D1的阳极；

所述运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，运算放大器IC1的反相输入端经电阻R2连接计算机控制单元电压给定信号输出端，运算放大器IC1的输出端经电阻R4和电容C1连接至运算放大器IC1的反相输入端。

所述副聚焦电源8包括整流滤波电路ZL2、功率调整管T2和T3、二极管D2和D3、取样电阻R13、电阻R7～R12、电容C2和运算放大器IC2；

所述整流滤波电路ZL2的输入端连接外部输入的两组交流电，整流滤波电路ZL2的输出公共端与副聚焦绕组4的一端相接，正极输出端接至NPN型功率调整管T2的集电极，负极输出端连接至PNP型功率调整管T3的集电极；

所述运算放大器IC2的同相输入端经电阻R7接地，所述运算放大器IC2的反相输入端经电阻R9、电阻R8连接计算机控制单元电压给定信号输出端，所述电容C2与电阻R9并联，所述电阻R8、电阻R9和电容C2组成运算放大器IC2的输入电路，所述电阻R11两端分别连接运算放大器IC2的反相输入端和输出端，所述运算放大器IC2的输出端经电阻R12分别与功率调整管T2和功率调整管T3的基极连接，运算放大器IC2的反相输入端经电阻R10连接取样电阻R13一端；

所述功率调整管T2和功率调整管T3的发射极接在一起后连接至电阻R13的一端，电阻R13的另一端接地，并与副聚焦绕组4的另一端相接；取样电阻R13上输出副聚焦电流I_f的采样电压信号U_f作为反馈信号，所述二极管D2的阴极与功率调整管T2的集电极相接，二极管D2的阳极与功率调整管T2的发射极相接，二极管D3的阳极与功率调整管T3的集电极相接，二极管D3的阴极与功率调整管T3的发射极相接。

实施例1：扇形分区如图6所示，在偏扫平面15上电子束14扫描场内，画m(m为不小于3的整数)个同心圆，e₁，e₂，…，e_i，…，e_m，两相邻同心圆构成的圆环面积相等并等于e₁的面积，通过圆心0(电子束14的原点)画n(n为不小于3的整数)条射线l₁，l₂，…，l_j，…，l_n，把每个同心圆等分成n个扇区，m个同心圆与n条射线共有m×n交点，通过实验寻找每个交点的副聚焦电流指令f(q)，扫描场内任意一点p的副聚焦电流指令f(p)计算方法如下：

1.确定p点所在的小区，计算比较射线l_j-1的角度<射线的角度＜射线l_j的角度,计算比较e_i-1的半径＜<e_i的半径，则确定p点位于由e_i-1、e_i、l_j-1和l_j构成的小区域内，该小区域内特征点为q_i-1,j-1、q_i-1,j、q_i,j-1和q_i,j点,对应的副聚焦电流指令分别为f(q_i-1,j-1)、f(q_i-1,j)、f(q_i,j-1)和f(q_i,j)；

2.以0点为圆心、为半径画圆分别交射线l_j-1和l_j于p_j-1和p_j点，p_j-1点副聚焦电流指令f(p_j-1)在线段q_i-1,j-1q_i,j-1上按线性变化，p_j点的副聚焦电流指令f(p_j)在线段q_{i-1, j}q_i,j上按线性变化，即：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(p_{j-1}\right)=f\left(q_{i-1,j-1}\right)+\&lsqb;f\left(q_{i,j-1}\right)-f\left(q_{i-1,j-1}\right)\&rsqb;\frac{\left|q_{i-1,j-1}{p}_{j-1}\right|}{\left|q_{i-1,j-1}{q}_{i,j-1}\right|}\\ f\left(p_j\right)=f\left(q_{i-1,j}\right)+\&lsqb;f\left(q_{i,j}\right)-f\left(q_{i-1,j}\right)\&rsqb;\frac{\left|q_{i-1,j}{p}_j\right|}{\left|q_{i-1,j}{q}_{i,j}\right|}\end{array}\right.$

3.通过0、p画射线分别交e_i-1和e_i于p_i-1和p_i两点。p_i-1点副聚焦电流指令f(p_i-1)在圆弧上按线性变化，pi点副聚焦电流指令f(p_i)在圆弧上按线性变化，则：

4.p点副聚焦电流指令f(p)为在线段p_i-1p_i上按线性变化所得值和在圆弧上按线性变化所得值的平均值，则：

5.p点如果位于小区的射线分界段上，其副聚焦电流指令f(p)按以上2.方法计算；p点如果位于小区的圆弧分界线段上，其副聚焦电流指令f(p)按以上3.方法计算。

实施例2：矩形分区如图7所示，由m(m为不小于3的整数)条水平线x₀，x₁，…，x_m和n(n为不小于3的整数)条垂直线y₀，y₁，…，y_n把扫描场划分成m×n个小矩形区域，如图7所示，m条水平线与n条垂直线共有m×n交点，通过实验寻找每个交点的副聚焦电流指令f(v)，扫描场内任意一点u的副聚焦电流指令f(u)计算方法如下：

1.确定u点所在的小区，分别计算比较u点的偏扫装置13以励磁电流作为坐标值的u(x)和u(y)，x_i-1<u(x)＜x_i,和y_j-1<u(y)＜y_j,则确定u点位于由水平线x_i-1、x_i和垂直线y_j-1、y_j构成的小区域内，该小区域内特征点为v_i-1,j-1、v_i-1,j、v_i,j-1和v_i,j点,对应的副聚焦电流指令分别为f(v_i-1,j-1)、f(v_i-1,j)、f(v_i,j-1)和f(v_i,j)；

2.通过u点画水平线分别与垂直线y_j-1、y_j交于u_j-1、u_j，u_j-1和u_j点副聚焦电流指令f(u_j-1)和f(u_j)分别在线段v_i-1,j-1v_i,j-1和v_i-1,jv_i,j上按线性变化，则：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(u_{j-1}\right)=f\left(v_{i-1,j-1}\right)+\&lsqb;f\left(v_{i,j-1}\right)-f\left(v_{i-1,j-1}\right)\&rsqb;\frac{\left|v_{i-1,j-1}{u}_{j-1}\right|}{\left|v_{i-1,j-1}{v}_{i,j-1}\right|}\\ f\left(u_j\right)=f\left(v_{i-1,j}\right)+\&lsqb;f\left(v_{i,j}\right)-f\left(v_{i-1,j}\right)\&rsqb;\frac{\left|v_{i-1,j}{u}_j\right|}{\left|v_{i-1,j}{v}_{i,j}\right|}\end{array}\right.$

3.通过u点画垂直线分别与水平线x_i-1、x_i交于u_i-1、u_i，u_i-1和u_i点副聚焦电流指令f(u_i-1)和f(u_i)分别在线段v_i-1,j-1v_i-1,j和v_i,j-1v_i,j上按线性变化，则：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(u_{i-1}\right)=f\left(v_{i-1,j-1}\right)+\&lsqb;f\left(v_{i-1,j}\right)-f\left(v_{i-1,j-1}\right)\&rsqb;\frac{\left|v_{i-1,j-1}{u}_{i-1}\right|}{\left|v_{i-1,j-1}{v}_{i-1,j}\right|}\\ f\left(u_i\right)=f\left(v_{i,j-1}\right)+\&lsqb;f\left(v_{i,j}\right)-f\left(v_{i,j-1}\right)\&rsqb;\frac{\left|v_{i,j-1}{u}_i\right|}{\left|v_{i,j-1}{v}_{i,j}\right|}\end{array}\right.$

4.u点副聚焦电流指令f(u)为分别在线段u_i-1u_i、u_j-1u_j上按线性变化所得值的平均值，则：

$f\left(u\right)=\frac{1}{2}\&lsqb;f\left(u_{i-1}\right)+\left(f\right(u_i)-f(u_{i-1}\left)\right)\frac{\left|u_{i-1}u\right|}{\left|u_{i-1}{u}_i\right|}\&rsqb;+\frac{1}{2}\&lsqb;f\left(u_{j-1}\right)+\left(f\right(u_j)-f(u_{j-1}\left)\right)\frac{\left|u_{j-1}u\right|}{\left|u_{j-1}{u}_j\right|}\&rsqb;$

5.u点如果位于小区的水平分界线段上，其副聚焦电流指令f(u)按以上2.方法计算；u点如果位于小区的垂直分界线段上，其副聚焦电流指令f(u)按以上3.方法计算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电子束快速成型制造设备聚焦系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1:确定扫描平面(15)上主聚焦电流值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(13)的励磁电流为0，同时置副聚焦电流I_f为0，此时电子束(14)位于扫描平面(15)上的原始位置，即为电子束(14)扫描区域的原点，通过计算机控制单元调节主聚焦电流I_F，使得位于原点的电子束(14)在扫描平面(15)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(14)扫描区域按扇形或矩形规律进行分区；

步骤3：确定各小区特征点的副聚焦电流I_f，主聚焦电流I_F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(13)的励磁电流，使得电子束(14)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(15)特征点上的电子束(14)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(14)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(7)，与扫描指令同步依次将副聚焦电流指令f经D/A转换成电压给定信号送至副聚焦电源(8)。

2.根据权利要求1所述一种电子束快速成型制造设备聚焦系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：主聚焦电源(7)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(5)输出稳定的主聚焦电流I_F；

步骤5.2：副聚焦电源(8)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(4)输出副聚焦电流I_f。

3.一种电子束快速成型制造设备聚焦系统，其特征在于：包括聚焦装置(12)、主聚焦电源(7)、副聚焦电源(8)、计算机控制单元；

电子束快速成型制造设备采用短磁透镜聚焦，所述聚焦装置(12)为圆柱形结构，安装于电子枪电子束(14)出口的次近部位，其包括导磁外框架(1)、导磁内框架(2)、电子束通道(3)、副聚焦绕组(4)、主聚焦绕组(5)、磁隙(6)；所述导磁内框架(2)为空心圆柱体，所述导磁外框架(1)置于导磁内框架(2)的外圆侧，且导磁外框架(1)和导磁内框架(2)构成一腔体；所述电子束通道(3)为导磁内框架(2)圆柱内壁围成的空心圆柱状；所述主聚焦绕组(5)和副聚焦绕组(4)均绕在导磁内框架(2)圆柱的外圆侧和内圆侧之间，位于导磁外框架(1)和导磁内框架(2)构成的空腔内；所述磁隙(6)为嵌在导磁内框架(2)圆柱上的圆环小柱，分断了导磁内框架(2)圆柱部分的导磁通道；所述导磁外框架(1)和导磁内框架(2)由导磁材料粉末和有机绝缘胶浇注成型，所述磁隙(6)为绝缘材料；

所述主聚焦电源(7)，其与主聚焦绕组(5)连接，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(5)输出稳定的主聚焦电流I_F；

所述副聚焦电源(8)，其与副聚焦绕组(4)连接，将给定电压信号及其变化率进行线性组合作为总给定信号，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(4)输出副聚焦电流I_f；

所述计算机控制单元承担电子束快速成型制造设备的总控任务，其分别与主聚焦电源(7)和副聚焦电源(8)连接，分别向主聚焦电源(7)和副聚焦电源(8)输出给定电压信号和

4.根据权利要求3所述一种电子束快速成型制造设备聚焦系统，其特征在于：所述主聚焦电源(7)包括整流滤波电路ZL1、功率调整管T1、二极管D1、电感L1、取样电阻R6、电阻R1～R5、电容C1和运算放大器IC1；

所述整流滤波电路ZL1的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZL1的正极输出端接至NPN型功率调整管T1的集电极，负极输出端接至二极管D1的阳极；

所述功率调整管T1基极经电阻R5接至运算放大器IC1的输出端，功率调整管T1发射极与二极管D1阴极连接，并连接至取样电阻R6一端和电阻R3一端，所述电阻R3另一端连接至运算放大器IC1的反相输入端；

所述取样电阻R6上输出电压信号U_F为反馈信号，取样电阻R6另一端接地，并与主聚焦绕组(5)一端连接，主聚焦绕组(5)另一端通过电感L1接至二极管D1的阳极；

所述运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，运算放大器IC1的反相输入端经电阻R2连接计算机控制单元电压给定信号输出端，运算放大器IC1的输出端经电阻R4和电容C1连接至运算放大器IC1的反相输入端。

5.根据权利要求3所述一种电子束快速成型制造设备聚焦系统，其特征在于：所述副聚焦电源(8)包括整流滤波电路ZL2、功率调整管T2和T3、二极管D2和D3、取样电阻R13、电阻R7～R12、电容C2和运算放大器IC2；

所述整流滤波电路ZL2的输入端连接外部输入的两组交流电，整流滤波电路ZL2的输出公共端与副聚焦绕组(4)的一端相接，正极输出端接至NPN型功率调整管T2的集电极，负极输出端连接至PNP型功率调整管T3的集电极；

所述运算放大器IC2的同相输入端经电阻R7接地，所述运算放大器IC2的反相输入端经电阻R9、电阻R8连接计算机控制单元电压给定信号输出端，所述电容C2与电阻R9并联，所述电阻R8、电阻R9和电容C2组成运算放大器IC2的输入电路，所述电阻R11两端分别连接运算放大器IC2的反相输入端和输出端，所述运算放大器IC2的输出端经电阻R12分别与功率调整管T2和功率调整管T3的基极连接，运算放大器IC2的反相输入端经电阻R10连接取样电阻R13一端；

所述功率调整管T2和功率调整管T3的发射极接在一起后连接至电阻R13的一端，电阻R13的另一端接地，并与副聚焦绕组(4)的另一端相接；取样电阻R13上输出副聚焦电流I_f的采样电压信号U_f作为反馈信号，所述二极管D2的阴极与功率调整管T2的集电极相接，二极管D2的阳极与功率调整管T2的发射极相接，二极管D3的阳极与功率调整管T3的集电极相接，二极管D3的阴极与功率调整管T3的发射极相接。