CN105702545A - 带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，其不仅采用了偏扫绕组来产生垂直于电子束飞行参考方向的磁场，而且还采用了聚焦补偿绕组来产生平行于电子束飞行参考方向的磁场。偏扫装置三绕组的轴线相互垂直，三绕组间不存在互感效应。聚焦补偿绕组的驱动电源采用频率一阶补偿方式，适当选择聚焦补偿绕组的驱动电源的控制电路参数，使得聚焦补偿绕组励磁电流的频率补偿基本抵消铁磁损耗电流分量的影响，从而保证静态和动态的电子束焦点补偿效果的一致性。

Description

带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统

技术领域

本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统。

背景技术

电子束快速成型机在3D元件的制造过程中，其X-Y平面的方向控制则一般由偏扫装置完成，而Z轴的方向控制则由机械运动完成。偏扫装置的工作机理与机械运动存在根本的区别，偏扫装置依靠磁场的作用来操纵电子束的运动轨迹。由于磁场作用的工作机理以及制造工艺的影响，磁场的磁感应强度与其励磁电流之间呈非线性关系，且聚焦与偏扫之间也存在交叉影响，因此电子束快速成型机中3D元件制造过程的控制较一般的机械加工3D元件的控制更为复杂。特别是聚焦电流一定时电子束的焦点随电子束的偏移矢量变化，目前聚焦校正补偿功能由常规聚焦装置承担，各偏移矢量的补偿值为静态的补偿数据，电子束快速成型机聚焦补偿快速变化的动态过程，由此常规聚焦装置很难实现精确的动态补偿功能，主要体现如下不足之处：

1.如果动态与静态共用一个绕组，由于电感较大，势必影响校正电流响应速度，满足不了电子束快速成型机聚焦快速补偿要求。

2.如果动态与静态分别用不同绕组，两绕组间的变压器效应，动态励磁电流相互影响，不能产生精确的动态磁场。

3.由于常规聚焦磁路的结构使然，其励磁电流的动态分量大部分将转化成铁磁损耗，不能产生足够的动态磁场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有电子束快速成型机难以实现电子束的精确聚焦的问题，提供一种带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，主要由中央控制单元、驱动电源、电子束发生装置、主聚焦装置和偏扫装置组成。上述偏扫装置包括铁磁框架和偏扫绕组；该铁磁框架设有内柱，其内柱的轴线中空处形成电子束飞行通道；该偏扫绕组由X轴绕组和Y轴绕组组成；X轴绕组和Y轴绕组按一定规律分布上下平行绕制在铁磁框架的内柱内侧，且X轴绕组和Y轴绕组的轴线正交；X轴绕组与X轴绕组的驱动电源相连，Y轴绕组与Y轴绕组的驱动电源相连，通电后X轴绕组和Y轴绕组产生垂直于电子束飞行参考方向的合成磁场。其不同之处是，上述偏扫装置还进一步包括聚焦补偿绕组；该聚焦补偿绕组螺旋绕制在铁磁框架的内柱外侧，聚焦补偿绕组、X轴绕组与Y轴绕组三者的轴线两两正交；铁磁框架的内柱上开设有一内外贯通的磁隙；聚焦补偿绕组与聚焦补偿绕组的驱动电源相连，通电后聚焦补偿绕组产生的磁场通过磁隙扩散至电子束通道，形成平行于电子束飞行参考方向的磁场。

上述方案中，铁磁框架的电子束飞行通道呈上小下大的喇叭形轴对称结构。

上述方案中，铁磁框架由高阻高频软磁材料制成。

上述方案中，聚焦补偿绕组的驱动电源接收中央控制单元发出的聚焦补偿电压指令U^*，聚焦补偿绕组的驱动电源将该聚焦补偿电压指令U^*转换为聚焦补偿电流指令I^*，并将聚焦补偿电流指令I^*线性放大后提供给聚焦补偿绕组驱动电流I；其中聚焦补偿电流指令I^*的幅值与聚焦补偿电压指令U^*的幅值之比是频率的一阶函数关系。

上述方案中，聚焦补偿绕组的驱动电源包括电阻R1-R6，电感L1，运算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二极管D1、D2，以及整流滤波电路ZL1；整流滤波电路ZL1的输入端与外部输入的两组交流电AC1和AC2相连；整流滤波电路ZL1的公共输出端与聚焦补偿绕组的一端相接，整流滤波电路ZL1的正输出端接N型功率管T1的集电极，整流滤波电路ZL1的负输出端接P型功率管T2的集电极；二极管D1的阳极连接N型功率管T1的发射极，二极管D1的阴极连接N型功率管T1的集电极；二极管D2的阳极连接P型功率管T2的集电极，二极管D2的阴极连接P型功率管T2的发射极；电阻R1的一端接收聚焦补偿电压指令U^*；电阻R1的另一端分别接至电阻R2、电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地；电阻R3另一端和电阻R4的一端同时连接运算放大器IC1的反相输入端；运算放大器IC1的同相输入端接地；运算放大器IC1的输出端连接电阻R5的一端；电阻R4的另一端同时连接N型功率管T1的发射极、P型功率管T2的发射极和电阻R6的一端；电阻R5的另一端同时连接N型功率管T1的基极和P型功率管T2的基极；电阻R6的另一端同时接地和接聚焦补偿绕组的另一端。

与现有技术相比，本发明的聚焦补偿绕组集成在偏扫装置上，不仅采用了偏扫绕组来产生垂直于电子束飞行参考方向的磁场，而且还采用了聚焦补偿绕组来产生平行于电子束飞行参考方向的磁场。偏扫装置三绕组的轴线相互垂直，三绕组间不存在互感效应。偏扫装置磁路的铁磁框架采用高阻高频软磁材料做成，磁场响应速度高，铁磁损耗小。聚焦补偿绕组的驱动电源采用频率一阶补偿方式，同样幅值的聚焦补偿电压指令U^*，指令信号频率越高，驱动电源输出电流越大。聚焦补偿绕组的等效电路中代表铁磁损耗的电流分量是励磁电流频率的1.1～1.3次方关系，适当选择聚焦补偿绕组的驱动电源的控制电路参数，使得聚焦补偿绕组励磁电流的频率补偿基本抵消铁磁损耗电流分量的影响，从而保证静态和动态的电子束焦点补偿效果的一致性。

附图说明

图1为带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统的示意图。

图2为图1中偏扫装置的正视图。

图3为图1中偏扫装置的俯视图。

图4为图1中偏扫装置的仰视图。

图5为聚焦补偿绕组的驱动电源电路图。

图中标记：1、中央控制单元；2、驱动电源；3、电子束发生装置；4、主聚焦装置；5、偏扫装置；5.1、聚焦补偿绕组；5.2、偏扫绕组；5.3、磁隙；5.4、铁磁框架；6、电子束；7、工件。

具体实施方式

带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，如图1所示，主要由中央控制单元1、驱动电源2、电子束发生装置3、主聚焦装置4和偏扫装置5组成。电子束发生装置3、主聚焦装置4和偏扫装置5自上而下对中合轴布设。电子束发生装置3发出的电子束6经过主聚焦装置4汇聚到工件7表面的O点，偏扫装置5对电子束的飞行方向进行控制后入射到工件7上表面的d点。

为了能够实现电子束6的精确聚焦，本发明的偏扫装置5由铁磁框架5.4、磁隙5.3、偏扫绕组5.2和聚焦补偿绕组5.1构成，如图2-4所示。由于偏扫绕组5.2包括X轴绕组和Y轴绕组，因此为了能够对偏扫装置5的所有绕组实现驱动，驱动电源2包括X轴绕组的驱动电源2、Y轴绕组的驱动电源2和聚焦补偿绕组5.1的驱动电源2。

铁磁框架5.4呈中空的轴对称结构。在本发明优选实施例中，铁磁框架5.4由高阻高频软磁材料制成。铁磁框架5.4的内部设有纵向延伸的内柱，其内柱所围城的轴线中空处形成了铁磁框架5.4的内孔，该内孔为电子束6飞行通道。铁磁框架5.4内孔即电子束6飞行通道可以为上下一致的圆柱状轴对称结构，也可以呈上小下大的喇叭形轴对称结构。在本发明优选实施例中，铁磁框架5.4内孔呈上小下大的喇叭形轴对称结构。铁磁框架5.4的内柱上开设有一内外贯通的磁隙5.3结构。

X轴绕组和Y轴绕组按一定规律分布上下平行绕制在铁磁框架5.4的内柱内侧，且X轴绕组和Y轴绕组的轴线呈90°正交。X轴绕组与X轴绕组的驱动电源2相连，Y轴绕组与Y轴绕组的驱动电源2相连，通电后X轴绕组和Y轴绕组产生垂直于电子束6飞行参考方向的合成磁场。

聚焦补偿绕组5.1螺旋绕制在铁磁框架5.4的内柱外侧，聚焦补偿绕组5.1、X轴绕组与Y轴绕组三者的轴线两两呈90°正交，它们产生的磁场轴线亦相互垂直，因此三绕组间可忽略互感效应。聚焦补偿绕组5.1与聚焦补偿绕组的驱动电源2相连，通电后聚焦补偿绕组5.1产生磁场通过磁隙5.3扩散至电子束6飞行通道，形成平行于电子束6飞行参考方向的磁场。

聚焦补偿绕组的驱动电源2，如图5所示，包括电阻R1-R6，电感L1，运算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二极管D1、D2，以及整流滤波电路ZL1。整流滤波电路ZL1的输入端与外部输入的两组交流电AC1和AC2相连。整流滤波电路ZL1的公共输出端与聚焦补偿绕组5.1的一端相接，整流滤波电路ZL1的正输出端接N型功率管T1的集电极，整流滤波电路ZL1的负输出端接P型功率管T2的集电极。二极管D1的阳极连接N型功率管T1的发射极，二极管D1的阴极连接N型功率管T1的集电极。二极管D2的阳极连接P型功率管T2的集电极，二极管D2的阴极连接P型功率管T2的发射极。电阻R1的一端接收聚焦补偿电压指令U^*。电阻R1的另一端分别接至电阻R2、电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地。电阻R3另一端和电阻R4的一端同时连接运算放大器IC1的反相输入端。运算放大器IC1的同相输入端接地。运算放大器IC1的输出端连接电阻R5的一端。电阻R4的另一端同时连接N型功率管T1的发射极、P型功率管T2的发射极和电阻R6的一端。电阻R5的另一端同时连接N型功率管T1的基极和P型功率管T2的基极。电阻R6的另一端同时接地和接聚焦补偿绕组5.1的另一端。

聚焦补偿绕组的驱动电源2接收中央控制单元1发出的聚焦补偿电压指令U^*，聚焦补偿绕组的驱动电源2将该聚焦补偿电压指令U^*转换为聚焦补偿电流指令I^*，并将聚焦补偿电流指令I^*线性放大后提供给聚焦补偿绕组5.1驱动电流I。其中聚焦补偿电流指令I^*的幅值与聚焦补偿电压指令U^*的幅值之比是频率的一阶函数关系。

根据电路原理上述聚焦补偿绕组的驱动电源2中流经电阻R3的电流即为聚焦补偿电流指令I^*，U^*、I^*与频率f即ω的关系为：

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{U}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{R2+j\mathrm{\ω}L1}{R1R2+R2R3+R3R1+j\mathrm{\ω}L1(R1+R3)},$

${\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{U}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}\right|}_{\mathrm{\ω}\→0}=\frac{R2}{R1R2+R2R3+R3R1}=\frac{1}{R1+R3+\frac{R3R1}{R2}}$ (直流为最小值)，

${\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{U}}^{*}}\right|}_{\mathrm{\ω}\→\∞}=\frac{1}{R1+R3}$ (最大值)，

由上式可知，指令信号频率越大，I^*与U^*比值越大，I^*与U^*比值为频率的一阶函数。

根据电路原理上述聚焦补偿绕组5.1的驱动电源2输出电流I与电流指令I^*成线性比例关系。

聚焦补偿绕组5.1可用一个等效电路图表示，电阻R为绕组铜漆包线的总电阻，电感L为绕组等效电感，电阻Rf代表磁路铁芯损耗，电阻Rf是频率的函数，流过电阻Rf的电流I_f与流过聚焦补偿绕组5.1总电流I比值是频率的1.1～1.3次方关系。铁磁框架5.4采用高阻高频软磁材料使得流过电阻Rf的电流I_f比例较少，所以聚焦补偿绕组5.1励磁电流采用频率一阶补偿便可以获得较为理想的动态补偿效果。

Claims (5)

1.带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，主要由中央控制单元(1)、驱动电源(2)、电子束发生装置(3)、主聚焦装置(4)和偏扫装置(5)组成；

上述偏扫装置(5)包括铁磁框架(5.4)和偏扫绕组(5.2)；该铁磁框架(5.4)设有内柱，其内柱的轴线中空处形成电子束(6)飞行通道；该偏扫绕组(5.2)由X轴绕组和Y轴绕组组成；X轴绕组和Y轴绕组按一定规律分布上下平行绕制在铁磁框架(5.4)的内柱内侧，且X轴绕组和Y轴绕组的轴线正交；X轴绕组与X轴绕组的驱动电源(2)相连，Y轴绕组与Y轴绕组的驱动电源(2)相连，通电后X轴绕组和Y轴绕组产生垂直于电子束(6)飞行参考方向的合成磁场；

其特征在于：

上述偏扫装置(5)还进一步包括聚焦补偿绕组(5.1)；该聚焦补偿绕组(5.1)螺旋绕制在铁磁框架(5.4)的内柱外侧，聚焦补偿绕组(5.1)、X轴绕组与Y轴绕组三者的轴线两两正交；铁磁框架(5.4)的内柱上开设有一内外贯通的磁隙(5.3)；聚焦补偿绕组(5.1)与聚焦补偿绕组的驱动电源(2)相连，通电后聚焦补偿绕组(5.1)产生的磁场通过磁隙(5.3)扩散至电子束(6)通道，形成平行于电子束(6)飞行参考方向的磁场。

2.根据权利要求1所述带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，其特征在于：铁磁框架(5.4)的电子束(6)飞行通道呈上小下大的喇叭形轴对称结构。

3.根据权利要求1所述带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，其特征在于：铁磁框架(5.4)由高阻高频软磁材料制成。

4.根据权利要求1所述带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，其特征在于：聚焦补偿绕组的驱动电源(2)接收中央控制单元(1)发出的聚焦补偿电压指令U^*，聚焦补偿绕组的驱动电源(2)将该聚焦补偿电压指令U^*转换为聚焦补偿电流指令I^*，并将聚焦补偿电流指令I^*线性放大后提供给聚焦补偿绕组(5.1)驱动电流I；其中聚焦补偿电流指令I^*的幅值与聚焦补偿电压指令U^*的幅值之比是频率的一阶函数关系。

5.根据权利要求4所述带有聚焦补偿功能的电子束快速成型机电子枪系统，其特征在于：上述聚焦补偿绕组的驱动电源(2)包括电阻R1-R6，电感L1，运算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二极管D1、D2，以及整流滤波电路ZL1；

整流滤波电路ZL1的输入端与外部输入的两组交流电AC1和AC2相连；整流滤波电路ZL1的公共输出端与聚焦补偿绕组(5.1)的一端相接，整流滤波电路ZL1的正输出端接N型功率管T1的集电极，整流滤波电路ZL1的负输出端接P型功率管T2的集电极；二极管D1的阳极连接N型功率管T1的发射极，二极管D1的阴极连接N型功率管T1的集电极；二极管D2的阳极连接P型功率管T2的集电极，二极管D2的阴极连接P型功率管T2的发射极；

电阻R1的一端接收聚焦补偿电压指令U^*；电阻R1的另一端分别接至电阻R2、电阻R3的一端，电阻R2的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端接地；电阻R3另一端和电阻R4的一端同时连接运算放大器IC1的反相输入端；运算放大器IC1的同相输入端接地；运算放大器IC1的输出端连接电阻R5的一端；电阻R4的另一端同时连接N型功率管T1的发射极、P型功率管T2的发射极和电阻R6的一端；电阻R5的另一端同时连接N型功率管T1的基极和P型功率管T2的基极；电阻R6的另一端同时接地和接聚焦补偿绕组(5.1)的另一端。