专利名称：电子束扫描加热控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电子束扫描加热控制方法，特别是一种电子束扫描加热轨迹和方式控制方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
采用电子束对材料进行加工时，根据对材料的具体加工要求，要求电子束能够按照预先设定好的运动轨迹和运动方式运动，成为可控移动热源。一般电子束焊机都具有扫描功能，但只能使电子束产生微小偏转，使之在焊缝宽度范围内作微小摆动，且只能扫描出几种固定图形，如圆、椭圆、直线等，其目的是在焊接过程中，使电子束起到对熔池的搅拌作用，以达到一些特殊焊接工艺的要求，不能实现电子束扫描轨迹及扫描方式的编辑及电子束按设定轨迹及方式运动，无法实现电子束做为移动热源的功能。经过对现有技术的检索查新，至今尚未发现此类电子束扫描轨迹和扫描方式控制方面的报道。
发明内容
本发明针对背景技术的不足和缺陷，提供一种电子束扫描加热控制方法，使其能够根据材料的特定要求设计电子束扫描轨迹和扫描方式，使电子束可以按照设定的轨迹和方式运动，成为可控移动热源。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下电子束扫描轨迹采用X、Y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位移分量，借助于编程生成两路模拟驱动信号，以指定的刷新率不断地输出给由X、Y两对绕组构成的附加偏转线圈，在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在X-Y平面内产生相应的偏转，周期性地在X-Y平面内按设定的轨迹和方式运动，从而达到本发明的目的。
以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下(1)首先根据工件实际的加工要求确定电子束扫描加热区域尺寸和扫描加热方式，X、Y位移分量为连续函数，则表现为连续扫描加热，X、Y位移分量为离散信号，则表现为断续扫描加热；(2)根据加热需求，确定工件加热区域一个扫描周期所需点的总数，设为n，及刷新率，即每秒输出的点数；(3)通过程序计算出或由数据文件给出一个扫描周期中n个点的横纵坐标分量，用(Xi，Yi)表示，(0≤i≤n-1)，并将每一个坐标分量Xi和Yi同乘以一个比例系数k后构成二维数组，k用来调节两路输出模拟信号的幅值；(4)将二维数组的X行、Y行数据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，以指定的刷新率不断地输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈，其中X分量和Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按所要求的轨迹和方式运动。
上述步骤(3)中，根据需要，通过使某些点的数据在二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，即该点的数据越多，则电子束在该点停留时间越长，反之就短。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ti＝T×mi/M式中ti为一个扫描周期内电子束在某点的停留时间，mi为该点数据在数组中重复次数，M为二维数组中所包含的(Xi，Yi)数据对总数，T为一个扫描周期所用时间。
上述步骤(3)中，如果Xi，Yi给出的n个点间隔趋向于零，则两路模拟电压信号输入附加偏转线圈形成连续扫描轨迹；如果Xi，Yi给出的n个点间隔较大，则形成断续扫描；如果Xi，Yi给出的n个点集中在某些点上，则形成点状扫描；如果Xi，Yi给出的n个点形成各种直线或曲线，则形成线状扫描；如果在一个扫描周期中，Xi，Yi给出的n个点既构成若干不连续点，也构成若干线，则形成线、点结合扫描；如果Xi，Yi给出的n个点分布在一个区域内，则扫描成一片区域。步骤(3)中，调节k值，使功率放大器输入为满刻度，得到所需的两路输出模拟信号的幅值。
上述步骤(4)中，数据采集卡所输出的模拟信号的功率不足以驱动附加偏转线圈来产生足够强的磁场，因此还采用了两台功率放大器分别对这两路模拟信号进行放大，再经过匹配电阻输入附加偏转线圈。
步骤(4)中，附加偏转线圈安装在电子束的前进路径中，该线圈由两组绕组组成，分别控制电子束在X、Y方向的偏转，两路模拟信号分别输入附加偏转线圈X、Y绕组后，附加偏转线圈中所产生的X、Y方向的磁场使电子束产生X、Y平面内的偏转，合成的结果就是所要求的扫描轨迹和扫描方式，使电子束按程序设定的运动轨迹及运动方式运动。
上述步骤(4)中，可以通过刷新率来设置扫描频率并可以实时地显示出来，即用刷新率除以一个扫描周期所需点数就得到扫描频率。
本发明采用了虚拟仪器LabVIEW进行编程实现模拟驱动信号的生成和输出，不仅编程方便、可离线编程，而且所输出的模拟信号及合成结果可以在计算机屏幕上直观地显示出来，便于程序的修改；同时应用了NI公司的数据采集卡输出模拟信号，能实现高速数据采集和处理，可以方便地控制和显示扫描频率，其精度和速度满足需要。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例，基于方法的装置由工控机、数据采集卡、功率放大器、匹配电阻、附加偏转线圈、电子枪、真空室、扫描电子束组成。附加偏转线圈安装在扫描电子束的前进路径上，该线圈由控制电子束在x、y方向运动的两组绕组组成。离线编辑好的电子束扫描轨迹及运动方式的控制程序在工控机中运行，数据采集卡安装在工控机中。
要求的扫描轨迹为圆形，用方程X2+Y2＝1来描述，则其X、Y方向的分量分别为X＝costY＝sint0≤t≤2π确定一个扫描周期内所需点的总数为1000，刷新率为10000点/秒。利用计算机程序计算出一个周期内1000个点的横纵坐标分量，即(Xi，Yi)，(0≤i≤n-1，n为点的总数，此处n＝1000)。
式中Xi＝cos(2πi/n)
Yi＝sin(2πi/n)式中，i为整数，0≤i≤n-1，n＝1000将每一个坐标分量Xi和Yi同乘以k后构成二维数组，k值用来调节两路输出模拟量的幅值，将二维数组的X、Y分量分别通过数据采集卡的模拟量输出通道同时输出，形成两路模拟电压信号，以指定的每秒10000点的刷新率不断地输出给功率放大器，经功率放大器放大后，再经过匹配电阻分别输入给附加偏转线圈的X、Y绕组，其中X分量、Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈X、Y绕组中产生的磁场使电子束产生X、Y平面内的偏转，使电子束在X-Y平面内沿设定轨迹进行周期运动。调节k值，使功率放大器输入为满刻度，调节功率放大器的输出调节旋钮，使电子束扫描轨迹符合要求。
以上扫描轨迹为圆形，对其它类型的扫描轨迹与此同理。
对于更为复杂的组合图形，可将图形的不同区段分别用不同的函数来处理，分别得到各点的横纵坐标分量，再同乘以k并按照正确的顺序组成二维数组。
对于难以用数学函数表达的不规则扫描轨迹，可以采用数据文件的形式来构成扫描轨迹中各点的横纵坐标分量(Xi，Yi)，即将扫描轨迹中各点的横纵坐标分量(Xi，Yi)以数据文件的形式保存，使用时由程序读取该数据文件中的(Xi，Yi)值，其余同上。
本发明具有实质性的特点和显著进步，本发明不仅可以控制电子束扫描轨迹，可产生任意的扫描轨迹，而且电子束扫描方式也可任意设定，实现了将电子束作为可控移动热源的优良的控制性能，针对扫描轨迹中各个点进行控制，可实现连续及断续扫描、点状及线状扫描、任意方式组合，电子束运动轨迹编程方便，即编即用。
权利要求
1.一种电子束扫描加热控制方法，其特征在于，方法如下电子束扫描轨迹采用X、Y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位移分量，借助于编程生成两路模拟驱动信号，以指定的刷新率不断地输出给由X、Y两对绕组构成的附加偏转线圈，在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在X-Y平面内产生相应的偏转，周期性地在X-Y平面内按设定的轨迹和方式运动。
2.根据权利要求1所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，具体步骤如下(1)首先根据工件实际的加工要求确定电子束扫描加热区域尺寸和扫描加热方式，X、Y位移分量为连续函数，则表现为连续扫描加热，X、Y位移分量为离散信号，则表现为断续扫描加热；(2)根据加热需求，确定工件加热区域一个扫描周期内所需点的总数，设为n，及刷新率，即每秒输出的点数；(3)通过程序计算出或由数据文件给出一个扫描周期中n个点的横纵坐标分量，用Xi，Yi表示，i，n为整数，0≤i≤n-1，并将每一个坐标分量Xi和Yi同乘以一个比例系数k后构成二维数组，k用来调节两路输出模拟量的幅值；(4)将二维数组的X行、Y行数据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，以指定的刷新率不断地输出给由X、Y两对绕组组成的附加偏转线圈，其中X分量和Y分量分别输入一个绕组，在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束周期性地在X-Y平面内按所要求的轨迹和方式运动。
3.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，上述步骤(3)中，根据需要，通过使某些点的数据在二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，即该点的数据越多，则电子束在该点停留时间越长，反之就短；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ti＝T×mi/M式中ti为一个扫描周期内电子束在某点的停留时间，mi为该点数据在数组中重复次数，M为二维数组中所包含的Xi，Yi数据对总数，T为一个扫描周期所用时间。
4.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，步骤(3)中，如果Xi，Yi给出的n个点间隔趋向于零，则两路模拟电压信号输入附加偏转线圈形成连续扫描轨迹；如果Xi，Yi给出的n个点间隔较大，则形成断续扫描；如果Xi，Yi给出的n个点集中在某些点上，则形成点状扫描；如果Xi，Yi给出的n个点形成各种直线或曲线，则形成线状扫描；如果在一个扫描周期中，Xi，Yi给出的n个点既构成若干不连续点，也构成若干线，则形成线、点结合扫描；如果Xi，Yi给出的n个点分布在一个区域内，则扫描成一片区域。
5.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，步骤(3)中调节k值，使功率放大器输入为满刻度，得到所需的两路输出模拟信号的幅值。
6.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，步骤(4)中采用两台功率放大器分别对数据采集卡所输出的模拟信号进行放大，再经过匹配电阻输入附加偏转线圈。
7.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，步骤(4)中，附加偏转线圈设置在电子束的前进路径中，该线圈由两组绕组组成，分别控制电子束在X、Y方向的偏转，两路模拟信号分别输入附加偏转线圈X、Y绕组后，附加偏转线圈中所产生的X、Y方向的磁场使电子束产生X、Y平面内的偏转，合成的结果就是所要求的扫描轨迹和扫描方式，使电子束的运动轨迹及运动方式按照程序设定来进行。
8.根据权利要求2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，步骤(4)中，通过刷新率来设置扫描频率并实时地显示出来，即用刷新率除以一个扫描周期所需点数就得到扫描频率。
9.根据权利要求1或2所述的电子束扫描加热控制方法，其特征是，采用虚拟仪器LabVIEW进行编程实现模拟电压信号的生成和输出，输出的模拟信号及合成结果在计算机屏幕上直观地显示出来，同时用NI公司的数据采集卡输出模拟信号，控制和显示扫描频率。
全文摘要
一种电子束扫描加热控制方法属于焊接技术领域。方法如下电子束扫描轨迹采用X、Y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位移分量，借助于编程生成两路模拟驱动信号，以指定的刷新率不断地输出给由X、Y两对绕组构成的附加偏转线圈，在附加偏转线圈中产生的磁场使电子束在X－Y平面内产生相应的偏转，周期性地在X－Y平面内按设定的轨迹和方式运动。本发明可以控制电子束扫描轨迹和产生任意的扫描轨迹，而且电子束扫描方式也可任意设定，针对扫描轨迹中各个点进行控制，可实现连续及断续扫描、点状及线状扫描、任意方式组合，电子束运动轨迹编程方便，即编即用。
文档编号B23K15/02GK1472031SQ0311699
公开日2004年2月4日 申请日期2003年5月16日 优先权日2003年5月16日
发明者俞海良, 黄哲贇, 王学东, 姚舜, 李仕民, 楼松年, 张毓新 申请人:上海交通大学, 上海航天动力机械研究所