一种电子束快速成型制造设备聚焦系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及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，所述主聚焦电源，其与主聚焦绕组连接；所述副聚焦电源，其与副聚焦绕组连接；所述计算机控制单元分别与主聚焦电源和副聚焦电源连接。相对现有技术，本实用新型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。
【专利说明】一种电子束快速成型制造设备聚焦系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 本实用新型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 磁电流补偿功能来抵消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。
[0005] 本实用新型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，包括聚焦装置、主聚焦电源、副聚焦电源、计算机控制单元；
[0006] 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 侦牝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；
[0007] 所述主聚焦电源，其与主聚焦绕组连接，将给定电压信号irP与取样电压信号叫通 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 If;
[0008] 所述副聚焦电源，其与主聚焦绕组连接，将给定电压信号Iff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仏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If;
[0009] 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U; 和U;。
[0010] 本实用新型的有益效果是：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。
[0011] 在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
[0012] 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Τ1、二极管 D1、电感L1、取样电阻R6、电阻Rl?R5、电容Cl和运算放大器ICl ;
[0013] 所述整流滤波电路ZLl的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZLl的正 极输出端接至NPN型功率调整管Tl的集电极，负极输出端接至二极管Dl的阳极；
[0014] 所述功率调整管Tl基极经电阻R5接至运算放大器ICl的输出端，功率调整管Tl 发射极与二极管Dl阴极连接，并连接至取样电阻R6 -端和电阻R3 -端，所述电阻R3另一 端连接至运算放大器ICl的反相输入端；
[0015] 所述取样电阻R6上输出电压信号Uf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Ll接至二极管Dl的阳极；
[0016] 所述运算放大器ICl的同相输入端经电阻Rl接地，运算放大器ICl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ICl的输出端经电阻 R4和电容Cl连接至运算放大器ICl的反相输入端。
[0017] 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。
[0018] 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 ;
[0019] 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；
[0020] 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Ui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Rll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RlO连接取样电阻R13 -端；
[0021] 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，电压信号Uf为反馈信号，所述二极管D2的阴极与功率调整管Τ2的集电极相接，二极 管D2的阳极与功率调整管Τ2的发射极相接，二极管D3的阳极与功率调整管Τ3的集电极 相接，二极管D3的阴极与功率调整管Τ3的发射极相接。
[0022] 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ITf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，Iff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。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本实用新型聚焦装置剖视图；
[0024] 图2为主聚焦电源原理图；
[0025] 图3为副聚焦电源原理图；
[0026] 图4为电子枪结构示意图。
[0027] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0028] 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】
[0029] 以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用 新型，并非用于限定本实用新型的范围。
[0030] 如图1至4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；
[0031] 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；
[0032] 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ITf与取样电压信号 Uf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4输出稳定的主聚焦 电流IF;
[0033] 所述副聚焦电源8,其与主聚焦绕组4连接，将给定电压信号ITf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Uf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If;
[0034] 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M和U"
[0035] 所述主聚焦电源7包括整流滤波电路ZLl、功率调整管Tl、二极管Dl、电感LU取 样电阻R6、电阻Rl?R5、电容Cl和运算放大器ICl ;
[0036] 所述整流滤波电路ZLl的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZLl的正 极输出端接至NPN型功率调整管Tl的集电极，负极输出端接至二极管Dl的阳极；
[0037] 所述功率调整管Tl基极经电阻R5接至运算放大器ICl的输出端，功率调整管Tl 发射极与二极管Dl阴极连接，并连接至取样电阻R6 -端和电阻R3 -端，所述电阻R3另一 端连接至运算放大器ICl的反相输入端；
[0038] 所述取样电阻R6上输出电压信号Uf为反馈信号，取样电阻R6另一端接地，并与 主聚焦绕组5 -端连接，主聚焦绕组5另一端通过电感Ll接至二极管Dl的阳极；
[0039] 所述运算放大器ICl的同相输入端经电阻Rl接地，运算放大器ICl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ITf输出端，运算放大器ICl的输出端经电阻 R4和电容Cl连接至运算放大器ICl的反相输入端。
[0040] 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 ;
[0041] 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；
[0042] 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Ui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Rll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RlO连接取样电阻R13 -端；
[0043] 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，电压信号Uf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。
[0044] 本装置的工作原理，所述计算机控制单元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U;和ITf，主聚焦电源7将给定电压信号ITf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4输出稳定的主聚焦电 流IF;副聚焦电源8,将给定电压信号Ui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仏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If。
[0045] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 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； 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)、主聚焦绕组（5)、副聚焦绕组（4)、磁隙（6);所述导磁内框架⑵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⑷均绕在导磁内框架⑵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 Uf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IF; 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Ui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Uf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If; 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 ⑵和副聚焦电源⑶连接，分别向主聚焦电源（7)和副聚焦电源⑶输出给定电压信号 UX
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，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 Rl?R5、电容Cl和运算放大器ICl ; 所述整流滤波电路ZLl的输入端连接外部输入的交流电，整流滤波电路ZLl的正极输 出端接至NPN型功率调整管Tl的集电极，负极输出端接至二极管Dl的阳极； 所述功率调整管Tl基极经电阻R5接至运算放大器ICl的输出端，功率调整管Tl发射 极与二极管Dl阴极连接，并连接至取样电阻R6 -端和电阻R3 -端，所述电阻R3另一端连 接至运算放大器ICl的反相输入端； 所述取样电阻R6上输出电压信号Uf为反馈信号，取样电阻R6另一端接地，并与主聚 焦绕组（5) -端连接，主聚焦绕组（5)另一端通过电感Ll接至二极管Dl的阳极； 所述运算放大器ICl的同相输入端经电阻Rl接地，运算放大器ICl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ITf输出端，运算放大器ICl的输出端经电阻R4和 电容Cl连接至运算放大器ICl的反相输入端。
3. 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，其特征在于：所述副 聚焦电源（8)包括整流滤波电路212、功率调整管12和13、二极管02和03、取样电阻1?13、 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Iff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Rll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 RlO连接取样电阻R13 -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 If，电压信号Uf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。
【文档编号】H01J37/305GK204167255SQ201420440656
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】黄小东, 韦寿祺, 费翔, 陆思恒, 郭华艳, 陆苇 申请人:桂林狮达机电技术工程有限公司