CN108372355B - 一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法。用于实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。它包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组、主控制系统、选丝及送丝系统、送丝控制管理单元、电子枪运动工作台、成形零件带载工作台、电源控制系统、电子枪电磁控制系统、电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元、机器视觉识别装置、图像处理单元、熔丝路径规划系统；该装置载丝种类多且量大，可以大幅提高异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件加工制造的生产效率；电子束源根据熔化丝材的材质，实时调节输出功率，满足其熔化沉积成形的需求。

Description

一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体的说，是一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，本发明还涉及实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造方法。

背景技术

增材制造技术是近二十年来制造技术领域的一次重大革新，是一种能有效缩短研制周期、降低成本，并且能制造一些采用常规技术难以制造的形状复杂的零部件新型制造技术，采用增材制造技术可以快速、直接、准确地将设计思想转化为具有一定结构性能的零件。

当前，增材制造装置主要有以等离子、电弧、电子束、激光等为热源装置。

以等离子或电弧为热源的增材制造技术，由于其弧柱截面积大，使加热区域很大，难以应用于选区熔化，当前主要应用于熔丝增材制造。但由于这两种热源都是在大气环境下工作，难以用于钛合金等高附加值材料的快速制造；此外这两种热源的弧柱难以大幅压缩，导致单位面积热输入极小，也很难用于带有高熔点材料的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制备。

以电子束为热源的增材制造技术包括电子束选区熔化增材制造和电子束熔丝增材制造，这两种技术工作模式差别较大。电子束选区熔化增材制造除了真空电子束装置以外，还需要送粉、铺粉、粉末回收、气氛控制等装置，一般用于小型复杂结构零部件的加工。如果制造异质叠层零部件，则成形一层材料后，在成形下一层材料前，需要全部更换粉缸内的金属粉末，清理粉末回收装置中的金属粉末；如此反复，使得生产效率及其低下。并且粉末清理很难做到百分之百干净，难免会使不同材质金属材料混合在一起，再次分离费时费力，很容易造成金属粉末的污染，难以回收利用。在当前技术条件下，电子束选区熔化制造异质叠层金属结构的零部件几乎不可能实现。

目前，国内外电子束熔丝成形技术一般都是用来制造同种材料的零部件，普遍采用单丝或双丝送丝装置，按照预定轨迹成形出零部件。如果需要制备异质叠层金属结构、内埋异种材料的零部件，现有装置需要频繁启/停电子束源和真空系统、更换不同材料丝材，对于小型电子束熔丝试验装置，用于试验研究，勉强能够使用。但对于大型结构的零部件，真空室体积相对要大得多，频繁启/停大型真空系统，使得生产效率难以大幅提高；频繁更换丝材，使得成形零部件质量难以保障。

现有电子束熔丝沉积增材制造装置已经难以适应异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制造需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法，实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。

为解决上述技术问题，本发明一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，还包括：

主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；

至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；

送丝控制管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝装置根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，另外一个载丝器电机保持停止状态；

电子枪运动工作台，用于装载电子枪，并接收主控制系统指令，带动电子枪按照设定路径移动；

成形零件带载工作台，承载金属基板及其零件，并受主控制系统控制进行移动；

电源控制系统，用于对相关电源参数进行控制，包括加速电源控制电路、灯丝加热电源控制电路、偏压电源控制电路、丝材对应功率调节电路；

电子枪电磁控制系统，接受主控制系统控制，用于根据不同丝材调节聚焦电流输出、调整电子束束斑加热区域、改变磁场分布，包括合轴线圈控制电路、聚焦线圈控制电路、扫描线圈控制电路、丝材对应聚焦电流调节电路；

电子枪运动控制单元，包括使电子枪进行空间运动的控制电路；

工作台运动控制单元，用于控制成形零件带载工作台运动；

机器视觉识别装置，用于采集工作区图像信息；

图像处理单元，用于将采集的工作区图像进行处理后，发送至主控制系统；

熔丝路径规划系统，用于将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动参数。

上面所述主控制系统为基于CNC与PLC的控制系统。

上面所述选丝及送丝系统包括第一选丝及送丝系统、第二选丝及送丝系统、第三选丝及送丝系统、第四选丝及送丝系统。

上面所述每一套选丝及送丝系统包括两个载丝器，每个载丝器可以装载同种或异种丝材，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝装置根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，另外一个载丝器电机保持停止状态。

上面所述主控制系统中保存有预先获得的每一种丝材的最佳成形效果所需要的功率及对应的束流参数形成的工艺数据库，在熔丝成形过程中，主控制系统将丝材选用信号输入到丝材对应的功率调节电路，该电路调用工艺数据库中的功率参数，调节高压电源给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号。

上面所述真空室及真空泵组包括：真空室、真空室的真空泵组、真空室真空度检测电路、电子枪真空泵组、电子枪真空度检测电路。

在熔丝成形过程中，所述熔丝路径规划系统将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台空间运动速度、方向信息，输入到主控制系统中，主控制系统在熔丝成形过程中，发出指令，并由电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元进行运动控制。

一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造方法，包括以下步骤：

（1）根据所加工的零件，分析所需要的丝材种类，将每一种丝材所需要的功率存储在丝材对应功率调节电路中， 每一种丝材所需要的聚焦电流存储在丝材对应聚焦电流调节电路中；

（2）在熔丝路径规划系统中对零件进行分层，对于每一层的熔丝沉积，规划电子枪运动工作台、 成形零件带载工作台不同时刻的运动速度和方向，将相关数据存储到主控制系统中；

（3）为各个送丝单元载丝器装载丝材所需要的各种丝材；在真空室真空度达到设定要求后，主控制系统输出控制电子枪运动到指定位置；

（4）主控制系统按照预先设定程序启动所需要选丝及送丝系统，送出所需丝材，同时启动高压电源、聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，完成一种丝材熔丝沉积后，关闭高压电源和聚焦电流调节电路；

（5）主控制系统控制选丝及送丝系统对丝材进行更换；然后通过调整电子枪运动工作台、 成形零件带载工作台，将电子枪熔丝堆积点调整到新的位置，重新开启高压电源和聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，再次熔丝堆积成形；

重复（4）、（5）步骤，直到零件加工完成。

采用上述方案后，由于设置了主控制系统、选丝及送丝系统、送丝控制管理单元、电子枪运动工作台、成形零件带载工作台、电源控制系统、电子枪电磁控制系统、电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元、机器视觉识别装置、图像处理单元、熔丝路径规划系统，主控制系统与其他子系统实现信息、指令自由流通；得以对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行精确、高效的统筹控制；并具备以下优点：（1）载丝种类多且量大，可以大幅提高异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件加工制造的生产效率；（2）电子束源根据熔化丝材的材质，实时调节输出功率，满足其熔化沉积成形的需求；（3）电子枪运动机构带动送丝单元一起运动，提高控制的灵活性。

附图说明

图1是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置的送丝结构的示意图。

图2是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置的示意图。

图3是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置中电源控制系统框图。

图4是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置中送丝控制管理单元框图。

图5是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置中电子枪电磁控制系统框图。

图6是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置中电子枪与工作台运动控制单元框图。

图7是一个实施例中一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置中真空检测控制单元框图。

图8是一种梯度材料的试样示例1。

图9是试样示例1的关键控制系统工作时序。

图10是另一种梯度材料的试样示例2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以下描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实现本发明所述功能的主控制系统可采用多种现有技术的方案，例如可以基于CNC、PLC或单片机等，属于公知技术，此处以基于CNC与PLC的控制系统为例进行阐述。

本发明中的选丝及送丝系统，为多套相同系统并列组合结构，以此获得较大载丝量和控制的灵活度，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；在本实施方式中，主要以四套选丝及送丝系统为例进行阐述，而其他情形（两套、三套等）都可以以此类同，以相应数量的选丝及送丝系统，参照同种控制原理并排设置即可。

参见图1、图2所示，一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置主要包括：基于CNC与PLC的控制系统001、第一选丝及送丝系统002、第二选丝及送丝系统003、第三选丝及送丝系统004、第四选丝及送丝系统005、电子枪运动工作台17、电子枪18、成形零件带载工作台21、高压电源22、电源控制系统23、送丝控制管理单元24、电子枪电磁控制系统25、电子枪运动控制单元26、工作台运动控制单元27、真空检测控制单元28、图像处理单元29、真空室及真空泵组30、机器视觉识别装置31、熔丝路径规划系统32。

参见图1所示，第一选丝及送丝系统002由第一选丝装置1、第一送丝装置5、第一送丝单元载丝器І9、第一送丝单元载丝器Π10组成；第二选丝及送丝系统003由第二选丝装置2、第二送丝装置6、第二送丝单元载丝器І11、第二送丝单元载丝器Π12组成；第三选丝及送丝系统004由第三选丝装置3、第三送丝装置7、第三送丝单元载丝器І13、第三送丝单元载丝器Π14组成；第四选丝及送丝系统005由第四选丝装置4、第四送丝装置8、第四送丝单元载丝器І15、第四送丝单元载丝器Π16组成。

各个送丝单元载丝器可以装载同种丝材或者是不同规格异质丝材，所述各个送丝单元载丝器由电机带动，可以实现正转和反转运动，方便各个选丝装置对丝材进行选择。

参见图1所示，电子枪18固定在电子枪运动工作台17上，电子枪18与电子枪运动工作台17同步进行Z向（垂直方向）和Y向（某水平方向）运动；成形零件带载工作台21承载金属基板20及其零件根据熔丝运行轨迹进行X向（与Y向垂直的水平方向）运动。

参见图2所示，熔丝路径规划系统32将熔丝成形轨迹转化成电子枪运动控制单元26、工作台运动控制单元27相应的运动方向、速度等参数，达到按照预定轨迹熔丝成形的目的。

参见图2所示，真空室及真空泵组30的真空室外安装有机器视觉识别装置31，机器视觉识别装置31将采集图像经过图像处理单元29处理后，送到基于CNC与PLC的控制系统001的显示界面，方便操作人员在在熔丝成形过程中，对零部件成形状态进行实时监测，及时发现缺陷进行更正，以提高加工质量。

参见图3所示，电源控制系统23由加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233、丝材对应功率调节电路234组成。

参见图3所示，基于CNC与PLC的控制系统001根据熔丝路径规划系统32确定不同时刻丝材的选用信号，输入到丝材对应功率调节电路234，由丝材对应功率调节电路234分别输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号到加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233，调节高压电源功率输出，实现最佳熔丝沉积成形效果。

参见图3所示，高压电源22将高压反馈信号输入到加速电源控制电路231，由加速电源控制电路231根据其获得的加速电压给定信号，进行加速电压闭环PID调节，同时加速电源控制电路231将高压反馈信号进行滤波隔离处理后，转化成加速电压显示信号，输入到基于CNC与PLC的控制系统001，转化成操作人员易识别符号显示于操作界面上；高压电源22将灯丝加热电流反馈信号输入到灯丝加热电源控制电路232，由灯丝加热电源控制电路232根据其获得的灯丝加热电流给定信号，进行灯丝加热电源闭环PID调节，同时灯丝加热电源控制电路232将灯丝加热电流反馈信号进行滤波隔离处理后，转化成灯丝加热电流显示信号，输入到基于CNC与PLC的控制系统001，实时显示于操作界面上；高压电源22将束流反馈信号输入到偏压电源控制电路233，由偏压电源控制电路233根据其获得的束流给定信号，进行偏压电源闭环PID调节，同时偏压电源控制电路233将束流反馈信号进行滤波隔离处理后，转化成束流显示信号，输入到基于CNC与PLC的控制系统001，实时显示于操作界面上，方便操作者对高压电源工作状态进行实时监测。

参见图4所示，送丝控制管理单元24由第一选丝控制电路241、第二选丝控制电路242、第三选丝控制电路243、第四选丝控制电路244、第一送丝控制电路245、第二送丝控制电路246、第三送丝控制电路247、第四送丝控制电路248组成。

参见图4所示，送丝控制管理单元24的特征在于：第一选丝控制电路241控制第一送丝单元载丝器І9、第一送丝单元载丝器Π10、第一选丝装置1；第一送丝控制电路245控制第一送丝装置5；第二选丝控制电路242控制第二送丝单元载丝器І11、第二送丝单元载丝器Π12、第二选丝装置2；第二送丝控制电路246控制第二送丝装置6；第三选丝控制电路243控制第三送丝单元载丝器І13、第三送丝单元载丝器Π14、第三选丝装置3；第三送丝控制电路247控制第三送丝装置7；第四选丝控制电路244控制第四送丝单元载丝器І15、第四送丝单元载丝器Π16、第四选丝装置4；第四送丝控制电路248控制第四送丝装置8。

第一选丝控制电路241接收基于CNC和PLC的控制系统001输出的载丝器使能信号1、载丝器使能信号2；第二选丝控制电路242接收基于CNC和PLC的控制系统001输出的载丝器使能信号3、载丝器使能信号4；第三选丝控制电路243接收基于CNC和PLC的控制系统001输出的载丝器使能信号5、载丝器使能信号6；第四选丝控制电路244接收基于CNC和PLC的控制系统001输出的载丝器使能信号7、载丝器使能信号8；所述使能信号均为高低电平的电压信号，大于5V以上为高电平使能信号，小于1V为低电平关闭信号。

在熔丝成形过程中，当需要第一选丝及送丝系统002的一种丝材输出时，基于CNC和PLC的控制系统001首先输出小于1V的低电平第一送丝启动/停止信号，第一送丝控制电路245使第一送丝装置5关闭；第一选丝控制电路241根据接收到的载丝器使能信号1、载丝器使能信号2，判断是否使能第一送丝单元载丝器І9或第一送丝单元载丝器Π10；在确定需要使能的载丝器后，第一选丝控制电路241使第一选丝及送丝系统002中不需要继续使能的载丝器停止正转，转为反转，第一选丝装置1判断反转的载丝器是否将其丝材回撤到位，回撤到位，第一选丝控制电路241关闭不需要使能的载丝器；启动需要使能载丝器，使其正转，第一选丝装置1判断需要使能的载丝器送丝是否到位；所选丝材到位，第一选丝控制电路241输出载丝器工作状态反馈信号1到基于CNC和PLC的控制系统001，此时，基于CNC和PLC的控制系统001输出电平大于5V的第一送丝启动停止信号，使得第一送丝控制电路245控制第一送丝装置5启动，输出所需要丝材。

在熔丝成形过程中，当需要第二选丝及送丝系统003的一种丝材输出时，基于CNC和PLC的控制系统001首先输出小于1V的低电平第二送丝启动/停止信号，第二送丝控制电路246使第二送丝装置6关闭；第二选丝控制电路242根据接收到的载丝器使能信号3、载丝器使能信号4，判断是否使能第二送丝单元载丝器І11、第二送丝单元载丝器Π12；在确定需要使能的载丝器后，第二选丝控制电路242使第二选丝及送丝系统003中不需要继续使能的载丝器停止正转，转为反转，第二选丝装置2判断反转的载丝器是否将其丝材回撤到位，回撤到位，第二选丝控制电路242关闭不需要使能的载丝器；启动需要使能载丝器，使其正转，第二选丝装置2判断需要使能的载丝器送丝是否到位；所选丝材到位，第二选丝控制电路242输出载丝器工作状态反馈信号2到基于CNC和PLC的控制系统001，此时，基于CNC和PLC的控制系统001输出电平大于5V的第二送丝启动停止信号，使得第二送丝控制电路246控制第二送丝装置6启动，输出所需要丝材。

在熔丝成形过程中，当需要第三选丝及送丝系统004的一种丝材输出时，基于CNC和PLC的控制系统001首先输出小于1V的低电平第三送丝启动/停止信号，第三送丝控制电路247使第三送丝装置7关闭；第三选丝控制电路243根据接收到的载丝器使能信号5、载丝器使能信号5，判断是否使能第三送丝单元载丝器І13、第三送丝单元载丝器Π14；在确定需要使能的载丝器后，第三选丝控制电路243使第三选丝及送丝系统004中不需要继续使能的载丝器停止正转，转为反转，第三选丝装置3判断反转的载丝器是否将其丝材回撤到位，回撤到位，第三选丝控制电路243关闭不需要使能的载丝器；启动需要使能载丝器，使其正转，第三选丝装置3判断需要使能的载丝器送丝是否到位；所选丝材到位，第三选丝控制电路243输出载丝器工作状态反馈信号3到基于CNC和PLC的控制系统001，此时，基于CNC和PLC的控制系统001输出电平大于5V的第三送丝启动停止信号，使得第三送丝控制电路247控制第三送丝装置7启动，输出所需要丝材。

在熔丝成形过程中，当需要第四选丝及送丝系统005的一种丝材输出时，基于CNC和PLC的控制系统001首先输出小于1V的低电平第四送丝启动/停止信号，第四送丝控制电路248使第四送丝装置8关闭；第四选丝控制电路244根据接收到的载丝器使能信号7、载丝器使能信号8，判断是否使能第四送丝单元载丝器І15、第四送丝单元载丝器Π16；在确定需要使能的载丝器后，第四选丝控制电路244使第四选丝及送丝系统005中不需要继续使能的载丝器停止正转，转为反转，第四选丝装置4判断反转的载丝器是否将其丝材回撤到位，回撤到位，第四选丝控制电路244关闭不需要使能的载丝器；启动需要使能载丝器，使其正转，第四选丝装置4判断需要使能的载丝器送丝是否到位；所选丝材到位，第四选丝控制电路244输出载丝器工作状态反馈信号4到基于CNC和PLC的控制系统001，此时，基于CNC和PLC的控制系统001输出电平大于5V的第四送丝启动停止信号，使得第四送丝控制电路248控制第四送丝装置8启动，输出所需要丝材。

参见图5所示，电子枪电磁控制系统25包括：合轴线圈控制电路251、聚焦线圈控制电路252、扫描线圈控制电路253、丝材对应聚焦电流调节电路254。

基于CNC与PLC的控制系统001根据熔丝路径规划系统32确定不同时刻丝材的选用信号，输入到丝材对应聚焦电流调节电路254，由丝材对应聚焦电流调节电路254输出聚焦电流给定信号到聚焦线圈控制电路252，调节聚焦电流输出，获得最大电子束流能量密度，提高熔丝沉积成形效率。电子枪电磁控制系统25的合轴线圈控制电路251向合轴线圈输出的电流包括X向+电流、X向-电流、Y向+电流、Y向-电流，当电子束斑位置调整完毕后，合轴线圈控制电路251向合轴线圈输出的电流在设备运行过程中，保持不变。为了调整电子束束斑加热区域，改变零部件表面的热源分布状态，由基于CNC与PLC的控制系统001输出X向交流偏转信号和Y向交流偏转信号到扫描线圈控制电路253，扫描线圈控制电路253控制扫描线圈X向和Y向线圈电流变化，改变磁场分布，实现电子束的偏转扫描。

参见图6所示，电子枪运动控制单元26包括电子枪Z向运动控制电路261、电子枪Y向运动控制电路262。

电子枪运动工作台17包括Z向工作台171、Y向工作台172。

工作台运动控制单元27包括工作台X向运动控制电路271、工作台A向（水平面内的旋转运动方向）运动控制电路272。

成形零件带载工作台21包括X向工作台211、A向工作台212。其中，A向为水平面内的旋转运动方向。

参见图6所示，电子枪运动控制单元26的特征在于：熔丝路径规划系统32将熔丝成形轨迹转化电子枪Z向、Y向运动速度、方向信息输入到基于CNC与PLC的控制系统001，基于CNC与PLC的控制系统001在熔丝成形过程中，根据熔丝的需求，输出Z向运动速度给定、Z向运动方向给定信号到电子枪Z向运动控制电路261，由电子枪Z向运动控制电路261调整Z向工作台171的运动速度和方向；基于CNC与PLC的控制系统001在熔丝成形过程中，还需要输出Y向运动速度给定、Y向运动方向给定信号到电子枪Y向运动控制电路262，由电子枪Y向运动控制电路262调整Y向工作台172的运动速度和方向；电子枪Z向运动控制电路261将Z向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，同时，电子枪Y向运动控制电路262将Y向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，并显示在交互界面上，方便操作者对电子枪的运动状态进行跟踪。

参见图6所示，工作台运动控制单元27的特征在于：熔丝路径规划系统32将熔丝成形轨迹转化工作台X向、工作台A向运动速度、方向信息输入到基于CNC与PLC的控制系统001，基于CNC与PLC的控制系统001在熔丝成形过程中，根据熔丝的需求，输出X向运动速度给定、X向运动方向给定信号到工作台X向运动控制电路271，由工作台X向运动控制电路271调整X向工作台211的运动速度和方向；基于CNC与PLC的控制系统001在熔丝成形过程中，还可根据需要输出A向运动速度给定、A向运动方向给定信号到工作台A向运动控制电路272，由工作台A向运动控制电路272调整A向工作台212的运动速度和方向；工作台X向运动控制电路271将X向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，在A向工作台使能时，工作台A向运动控制电路272将A向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，并显示在交互界面上，方便操作者对工作台的运动状态进行跟踪。

参见图7所示，真空室及真空泵组30包括：电子枪真空度检测电路301、电子枪真空泵组302、真空室真空度检测电路303、真空室的真空泵组304、真空室305。

参见图7所示，真空室及真空泵组30的特征在于：基于CNC与PLC的控制系统001输出高电平电子枪真空泵组启动/停止信号，使得电子枪的真空泵组302启动，同时电子枪真空度检测电路301将检测到的电子枪的真空度反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，为基于CNC与PLC的控制系统001控制电子枪真空泵组的高真空和低真空泵组提供逻辑判断标准。

参见图7所示，真空室及真空泵组30的特征在于：基于CNC与PLC的控制系统001输出高电平真空室真空泵组启动/停止信号，使得真空室的真空泵组304启动，同时真空室真空度检测电路303将检测到的真空室的真空度反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，为基于CNC与PLC的控制系统001控制真空室真空泵组的高真空和低真空泵组提供逻辑判断标准。

实施例1

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9，对本发明一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及其加工方法的工作过程进行说明，为获得如图8所示熔丝成形效果，加工制造方法如下：

第一步骤，确保图8所示每一种丝材所需要的功率存储在丝材对应功率调节电路234中， 每一种丝材所需要的聚焦电流存储在丝材对应聚焦电流调节电路254中，如不存在，经过系列工艺试验，获得图8所示某一种或几种丝材对应最优功率和聚焦电流参数，将其分别存入丝材对应功率调节电路234、丝材对应聚焦电流调节电路254中；

第二步骤，在熔丝路径规划系统32中对零件进行分层，对于每一层的熔丝沉积，规划X向工作台211不同时刻运动速度和方向，规划电子枪Z向工作台171、Y向工作台172的运动速度和方向，将相关数据存储到基于CNC与PLC的控制系统001中；

同时，为第一送丝单元载丝器І9装载丝材A，为第一送丝单元载丝器Π10装载丝材AB，为第二送丝单元载丝器І11装载丝材B，为第二送丝单元载丝器Π12装载丝材BC，为第三送丝单元载丝器І13装载丝材C，为第三送丝单元载丝器Π14装载丝材CD，为第四送丝单元载丝器І15装载丝材D，为第四送丝单元载丝器Π16装载丝材DA；

第三步骤，在设备运行开始之前，对设备的水、电、气进行检查；所述第二步骤和第三步骤可以同步进行；

第四步骤，关闭真空室大门，基于CNC与PLC的控制系统001输出高电平的真空室真空泵组启动/停止信号，使真空室真空泵组304启动；同时基于CNC与PLC的控制系统001输出高电平的的电子枪真空泵组启动/停止信号，使电子枪真空泵组302启动；真空室真空度检测电路303将检测到的真空室真空度反馈信号，电子枪真空度检测电路301将检测到的电子枪真空度反馈信号分别输入到基于CNC与PLC的控制系统001；

第五步骤，当基于CNC与PLC的控制系统001检测到真空室、电子枪的真空度达到设定要求后，基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪Z向运动速度给定信号、低电平Z向运动方向给定信号给电子枪Z向运动控制电路261，控制电子枪18向下移动，电子枪Z向运动控制电路261将电子枪Z向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，当检测电子枪18移动到需要熔丝成形位置a点，基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪Z向运动速度给定信号为0，使电子枪Z向工作台171停止；

第六步骤，基于CNC与PLC的控制系统001输出第一送丝启动/停止信号高电平，使得第一选丝及送丝系统002中的第一送丝控制电路245控制第一送丝装置5启动，其余选丝及送丝系统均处于停止状态；基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号1为高电平，其它载丝器使能信号均为低电平，第一选丝控制电路241使能第一送丝单元载丝器І9，使其正转，第一选丝装置1使得丝材A通过，将其送入第一送丝装置5；

第七步骤，基于CNC与PLC的控制系统001在0~t0时间段，保持第一送丝启动/停止信号为高电平，载丝器使能信号1为高电平，使得第一选丝及送丝系统002输出A丝材；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出A丝材先用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在0~t0时间段，保持输出聚焦电流I1；同时，基于CNC与PLC的控制系统001开启高压电源22，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，使得高压电源在0~t0时间段，保持功率为P1的输出；

第八步骤，基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪Y向运动速度给定、Y向运动方向给定信号到电子枪Y向运动控制电路262，使电子枪的Y向工作台带动电子枪172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在0~ t0时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到a′点，即图8所示A丝材熔化成形区域加工完成；

第九步骤，在t0时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号1为低电平给第一选丝控制电路241，使第一送丝单元载丝器І9停止正转，使第一选丝及送丝系统002不再输出A丝材，A丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度b′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到b点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第十步骤，在t0~t1时间段，T0时间段，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号1给第一选丝控制电路241，第一选丝控制电路241控制第一送丝单元载丝器І9反转，由第一选丝装置1判断丝材A是否撤出，第一选丝装置1将丝材A位置信号反馈给第一选丝控制电路241，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，当丝材A撤出第一选丝装置1，在T1时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号1为低电平，第一选丝控制电路241使第一送丝单元载丝器І9停止；基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号2为高电平，第一选丝控制电路241控制第一送丝单元载丝器Π10使其正转，第一选丝装置1将丝材AB位置信号反馈给第一选丝控制电路241，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第一选丝装置1检测到AB丝材通过时，在t1时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出AB丝材先用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t1~t2时间段，保持输出聚焦电流I2；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材AB选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t1~t2时间段，保持功率为P2的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t1~ t2时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到b′点，即图8所示AB丝材熔化成形区域加工完成；

第十一步骤，在t2时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号2为低电平给第一选丝控制电路241，使第一送丝单元载丝器Π10停止正转，使第一选丝及送丝系统002不再输出AB丝材，AB丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度c′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到c点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第十二步骤，在t2~t3时间段，T2时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号3为高电平，第二选丝控制电路242控制第二送丝单元载丝器І11使其正转，第二选丝装置2将丝材B位置信号反馈给第二选丝控制电路242，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第二选丝装置2检测到B丝材通过时，在t3时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出B丝材先用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t3~t4时间段，保持输出聚焦电流I3；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材B选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t3~t4时间段，保持功率为P3的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t3~ t4时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到c′点，即图8所示B丝材熔化成形区域加工完成；

第十三步骤，在t4时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号3为低电平给第二选丝控制电路242，使第二送丝单元载丝器І11停止正转，使第二选丝及送丝系统003不再输出B丝材，B丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度d′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到d点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第十四步骤，在t4~t5时间段，T3时间段，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号3给第二选丝控制电路242，第二选丝控制电路242控制第二送丝单元载丝器І11反转，由第二选丝装置2判断丝材B是否撤出，第二选丝装置2将丝材B位置信号反馈给第二选丝控制电路242，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，当丝材B撤出第二选丝装置2，在T4时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号3为低电平，第二选丝控制电路242使第二送丝单元载丝器І11停止；基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号4为高电平，第二选丝控制电路242控制第二送丝单元载丝器Π12使其正转，第二选丝装置2将丝材BC位置信号反馈给第二选丝控制电路242，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第二选丝装置2检测到BC丝材通过时，在t5时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出BC丝材选用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t5~t6时间段，保持输出聚焦电流I4；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材BC选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t5~t6时间段，保持功率为P4的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t5~ t6时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到d′点，即图8所示BC丝材熔化成形区域加工完成；

第十五步骤，在t6时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号4为低电平给第二选丝控制电路242，使第二送丝单元载丝器Π12停止正转，使第二选丝及送丝系统003不再输出BC丝材，BC丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度e′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到e点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第十六步骤，在t6~t7时间段，T5时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号5为高电平，第三选丝控制电路243控制第三送丝单元载丝器І13使其正转，第三选丝装置3将丝材C位置信号反馈给第三选丝控制电路243，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第三选丝装置3检测到C丝材通过时，在t7时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出C丝材选用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t7~t8时间段，保持输出聚焦电流I5；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材C选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t7~t8时间段，保持功率为P5的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t7~ t8时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到e′点，即图8所示C丝材熔化成形区域加工完成；

第十七步骤，在t8时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号5为低电平给第三选丝控制电路243，使第三送丝单元载丝器І13停止正转，使第三选丝及送丝系统004不再输出C丝材，C丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度f′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到f点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第十八步骤，在t8~t9时间段，T6时间段，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号5给第三选丝控制电路243，第三选丝控制电路243控制第三送丝单元载丝器І13反转，由第三选丝装置3判断丝材C是否撤出，第三选丝装置3将丝材C位置信号反馈给第三选丝控制电路243，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，当丝材C撤出第三选丝装置3，在T7时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号5为低电平，第三选丝控制电路243使第三送丝单元载丝器І13停止；基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号6为高电平，第三选丝控制电路243控制第三送丝单元载丝器Π14使其正转，第三选丝装置2将丝材CD位置信号反馈给第三选丝控制电路243，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第三选丝装置3检测到CD丝材通过时，在t9时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出CD丝材选用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t9~t10时间段，保持输出聚焦电流I6；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材CD选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t9~t10时间段，保持功率为P6的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003 、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t9~ t10时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到f′点，即图8所示CD丝材熔化成形区域加工完成；

第十九步骤，在t10时刻，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号6为低电平给第三选丝控制电路243，使第三送丝单元载丝器Π14停止正转，使第三选丝及送丝系统004不再输出CD丝材，CD丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为高电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由左向右运动，当达到一个丝材熔化宽度g′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到g点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第二十步骤，在t10~t11时间段，T8时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使载丝器使能信号7为高电平，第四选丝控制电路244控制第四送丝单元载丝器І15使其正转，第四选丝装置4将丝材D位置信号反馈给第四选丝控制电路244，由其反馈给基于CNC与PLC的控制系统001，第四选丝装置4检测到D丝材通过时，在t11时刻，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应聚焦电流调节电路254输出D丝材选用信号，丝材对应聚焦电流调节电路254向聚焦线圈控制电路252输出聚焦电流给定信号，使电子枪18中的聚焦线圈在t11~t12时间段，保持输出聚焦电流I7；同时，基于CNC与PLC的控制系统001向丝材对应功率调节电路234输入丝材D选用信号，丝材对应功率调节电路234分别向加速电源控制电路231、灯丝加热电源控制电路232、偏压电源控制电路233输出加速电压给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号，开启高压电源22，使得高压电源22在t11~t12时间段，保持功率为P7的输出；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为高电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由前向后运动，同时Y向工作台172带动第一选丝及送丝系统002 、第二选丝及送丝系统003、第三选丝及送丝系统004 、第四选丝及送丝系统005由前向后运动，在t11~ t12时间段，基于CNC与PLC的控制系统001使Z向工作台、X向工作台保持静止，直到g′点，即图8所示D丝材熔化成形区域加工完成；

第二十一步骤，在t12时刻后，基于CNC与PLC的控制系统001输出载丝器使能信号8为低电平给第四选丝控制电路244，使第四送丝单元载丝器І15停止正转，使第四选丝及送丝系统004不再输出D丝材，D丝材送丝停止；基于CNC与PLC的控制系统001输出高压电源启动/停止信号为低电平，使高压电源22停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出电子枪电磁控制启动/停止信号为低电平，使电子枪电磁控制系统25停止工作；基于CNC与PLC的控制系统001输出Y向运动速度给定为零，使电子枪Y工作台172停止运动；基于CNC与PLC的控制系统001输出Z向运动速度给定信号，高电平Z向运动方向给定信号给电子枪Z向运动控制电路261，使其控制电子枪Z向工作台，带动电子枪18由下向上移动，电子枪Z向运动控制电路261将检测到电子枪的Z向运动反馈信号输入到基于CNC与PLC的控制系统001，当检测到电子枪18移动高度达到h1位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出Z向运动速度给定信号为零，使Z向工作台停止运动；然后，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号，同时，基于CNC与PLC的控制系统001向工作台X向运动控制电路271输出X向运动方向给定为低电平，使工作台X向运动控制电路271控制X向工作台由右向左运动，工作台X向运动控制电路271将X向工作台211的运动状态反馈到基于CNC与PLC的控制系统001，当检测X向工作台运动到a1′点位置，基于CNC与PLC的控制系统001输出X向运动速度给定信号为零，X向工作台211停止运动，恢复静止状态；基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动方向给定为低电平，同时向其输出Y向运动速度给定信号，一个大于零的信号，使电子枪Y向运动控制电路262控制电子枪Y向工作台172由后向前运动，使其运动到a1点位置，基于CNC与PLC的控制系统001 向电子枪运动控制电路262输出Y向运动速度给定信号为零，使电子枪Y向工作台172停止运动；

第二十二步骤，为了获得与第一层相同结构的熔丝成形效果，从a1点开始，重复第六步骤~第二十步骤，直到第二层熔丝沉积层加工完成；从第五步骤，基于CNC与PLC的控制系统001保持真空室及真空泵组30 一直处于开启状态，指导图8所示零件制造完成，当检测真空故障时，输出报警信号，由操作者判断是否需要中断或继续进行加工过程；

第二十三步骤，基于CNC与PLC的控制系统001关闭所有Z向工作台171、Y向工作台172、X向工作台211、高压电源22；基于CNC与PLC的控制系统001输出低电平的真空室真空泵组启动/停止信号，使真空室真空泵组304进入停止程序；同时基于CNC与PLC的控制系统001输出低电平的的电子枪真空泵组启动/停止信号，使电子枪真空泵组302也进入停止程序，当泵组转速降低到预定转速后，可以真空室放气，打开真空室大门，取出零件。

实施例2

如图10所示，对本发明一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置还可获得如图10所示的熔丝成形效果，其总体控制原理与实施例1相近，主要区别在于熔丝路径规划系统所规划的路径参数不同，需要不同的水平面旋转运动参数，关键控制系统工作时序、电源参数设置、选丝送丝设置亦有所不同。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，其特征在于，还包括：

主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；

至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；

送丝控制管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝装置根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，不工作的载丝器电机保持停止状态；

电子枪运动工作台，用于装载电子枪，并接收主控制系统指令，带动电子枪按照设定路径移动；

成形零件带载工作台，承载金属基板及其零件，并受主控制系统控制进行移动；

电源控制系统，用于对相关电源参数进行控制，包括加速电源控制电路、灯丝加热电源控制电路、偏压电源控制电路、丝材对应功率调节电路；

电子枪电磁控制系统，接受主控制系统控制，用于根据不同丝材调节聚焦电流输出、调整电子束束斑加热区域、改变磁场分布，包括合轴线圈控制电路、聚焦线圈控制电路、扫描线圈控制电路、丝材对应聚焦电流调节电路；

电子枪运动控制单元，包括使电子枪进行空间运动的控制电路；

工作台运动控制单元，用于控制成形零件带载工作台运动；

机器视觉识别装置，用于采集工作区图像信息；

图像处理单元，用于将采集的工作区图像进行处理后，发送至主控制系统；

熔丝路径规划系统，用于将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动参数。

2.根据权利要求1所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述主控制系统为基于CNC与PLC的控制系统。

3.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述选丝及送丝系统包括第一选丝及送丝系统、第二选丝及送丝系统、第三选丝及送丝系统、第四选丝及送丝系统。

4.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，每一套选丝及送丝系统包括两个载丝器，每个载丝器可以装载同种或异种丝材，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝装置根据所获得的指令，决定所需载丝器电机正转，对外输出丝材，其它载丝器电机保持停止状态。

5.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述主控制系统中保存有预先获得的每一种丝材的最佳成形效果所需要的功率及对应的束流参数形成的工艺数据库，在熔丝成形过程中，主控制系统将丝材选用信号输入到丝材对应的功率调节电路，该电路调用工艺数据库中的功率参数，调节高压电源给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号。

6.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于：所述真空室及真空泵组包括：真空室、真空室的真空泵组、真空室真空度检测电路、电子枪真空泵组、电子枪真空度检测电路；所述真空室真空度检测电路将真空室真空度反馈信号输至主控制系统，电子枪真空度检测电路将电子枪真空度反馈信号输至主控制系统，用以按照设定逻辑控制真空泵组。

7.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于：在熔丝成形过程中，所述熔丝路径规划系统将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动速度、方向信息，输入到主控制系统中，主控制系统在熔丝成形过程中，发出指令，并由电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元进行运动控制。

8.如权利要求1所述的一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）根据所加工的零件，分析所需要的丝材种类，将每一种丝材所需要的功率存储在丝材对应功率调节电路中， 每一种丝材所需要的聚焦电流存储在丝材对应聚焦电流调节电路中；

（2）在熔丝路径规划系统中对零件进行分层，对于每一层的熔丝沉积，规划电子枪运动工作台、 成形零件带载工作台不同时刻的运动速度和方向，将相关数据存储到主控制系统中；

（3）为各个选丝及送丝系统的载丝器装载所需要的各种丝材；在真空室真空度达到设定要求后，主控制系统输出控制指令，使电子枪运动到指定位置；

（4）主控制系统按照预先设定程序启动所需要选丝及送丝系统，送出所需丝材，同时启动高压电源、聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，完成一种丝材熔丝沉积后，关闭高压电源和聚焦电流调节电路；

（5）主控制系统控制选丝及送丝系统对丝材进行更换；然后通过调整电子枪运动工作台、 成形零件带载工作台，将电子枪熔丝堆积点调整到新的位置，重新开启高压电源和聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，再次熔丝堆积成形；

重复（4）、（5）步骤，直到零件加工完成。

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