張偉 蔣布輝 陳曉 栗琪凱 孔令其

摘要：針對國內(nèi)電子束偏轉(zhuǎn)掃描線圈的磁感應(yīng)強度較低、均勻性較差，掃描速度較慢等不足，基于Helmholtz線圈的工作原理，采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計了電子束偏轉(zhuǎn)掃描線圈;提出一種雙逆推主電路拓撲結(jié)構(gòu)，使掃描線圈的驅(qū)動電壓增加一倍，從而提高了掃描線圈驅(qū)動電流的變化速度;采用電流霍爾傳感器和PID調(diào)節(jié)電路設(shè)計了驅(qū)動電流閉環(huán)控制電路，并利用Labview軟件開發(fā)了電子束高速掃描控制程序。結(jié)果表明：該電子束高速掃描系統(tǒng)掃描線圈的磁感應(yīng)強度和均勻性能夠滿足大角度電子束偏轉(zhuǎn)掃描要求，并有效提高驅(qū)動電流的變化速率，可以實現(xiàn)電子束高速掃描。

關(guān)鍵詞：電子束;高速掃描;偏轉(zhuǎn)線圈;驅(qū)動電路

中圖分類號：TG456.3 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）06-0007-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.02

0 ? ?前言

由于電子束幾乎沒有質(zhì)量和慣性，并且在磁場中受洛倫茲力作用會改變其運動方向，因此可以通過改變磁感應(yīng)強度來實現(xiàn)電子束非接觸、偏轉(zhuǎn)控制。在電子束加工中，通常采用偏轉(zhuǎn)線圈來產(chǎn)生磁場，實時調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)線圈的電流可改變磁場的大小和方向，使電子束流偏轉(zhuǎn)到工件的不同位置，從而實現(xiàn)多束流加工，比如多束流焊接、電子束選區(qū)熔化、電子束熔絲增材隨行退火、電子束毛化等。電子束偏轉(zhuǎn)技術(shù)雖然在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)應(yīng)用于消除電子束焊接缺陷，但是由于控制技術(shù)的限制，偏轉(zhuǎn)角度、掃描頻率受到限制，多用于多束流焊接[1-4]。目前，德國 SST 公司研制的電子束偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)已實現(xiàn)了 200 kHz 的高頻偏轉(zhuǎn);瑞典Arcam 公司在電子束高頻高速偏轉(zhuǎn)技術(shù)方面取得了重大突破，并基于該技術(shù)開發(fā)了電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)和裝備，已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)在高速偏轉(zhuǎn)掃描方面的研究起步較晚，一方面，偏轉(zhuǎn)掃描線圈多為環(huán)形結(jié)構(gòu)，其磁感線平行度差，且磁感應(yīng)強度較低、磁場均勻性差，電子束偏轉(zhuǎn)角度小，一般僅用于焊接中電子束在熔池附近的小幅擺動，很難實現(xiàn)電子束大角度偏轉(zhuǎn)的精確控制及滿足電子束快速制造中大面積掃描的要求。另一方面，現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)掃描線圈采用磁芯結(jié)構(gòu)，使得偏轉(zhuǎn)掃描線圈的感抗較大，導(dǎo)致線圈的偏轉(zhuǎn)掃描頻率大都較低;掃描線圈的驅(qū)動電路一般采用低壓運算放大器進行電流放大，驅(qū)動電壓低、驅(qū)動電流小，并且驅(qū)動電流的變化速度慢，使得電子束的掃描速度也較慢，容易在掃描過程中留下掃描痕跡，不利于精密零件的加工[5-7]。

文中針對現(xiàn)有電子束掃描系統(tǒng)存在的問題和不足，設(shè)計了基于Helmholtz線圈的新型電子束高速掃描系統(tǒng)并進行了試驗研究。

1 系統(tǒng)組成

電子束高速掃描系統(tǒng)主要由掃描控制工控機、任意波形發(fā)生卡、X方向掃描線圈電流驅(qū)動電路、Y方向掃描線圈電流驅(qū)動電路以及高頻高速掃描線圈組成，如圖1所示。

首先，將掃描數(shù)據(jù)輸入工控機，控制程序自動讀取并解析G代碼文件，然后規(guī)劃掃描路徑并轉(zhuǎn)換成X、Y方向的掃描數(shù)據(jù)，再將掃描數(shù)據(jù)寫入任意波形發(fā)生卡，波形發(fā)生卡選用阿爾泰 PCI8103;啟動任意波形發(fā)生卡后輸出X、Y方向兩路掃描波形，該輸出波形分別經(jīng)X、Y方向掃描線圈電流驅(qū)動電路連接至高頻高速掃描線圈，實時調(diào)節(jié)掃描線圈內(nèi)部的電磁場，從而實現(xiàn)電子束偏轉(zhuǎn)掃描控制。X、Y方向兩路輸出波形的電壓范圍為 -5～+5 V，控制驅(qū)動電路輸出-2～+2 A的掃描線圈驅(qū)動電流。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 掃描線圈

Helmholtz線圈一般由一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈組成，并且兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離與圓形線圈的半徑相等，這樣在其公共軸線中心點附近小范圍區(qū)域可以產(chǎn)生均勻的磁場，是目前獲取小范圍均勻磁場的重要手段。因此，基于Helmholtz線圈的工作原理[8]，結(jié)合電子槍的結(jié)構(gòu)[9]，設(shè)計了高速掃描線圈，其工作原理示意和掃描線圈實物如圖2所示。

在圖2中，X方向掃描線圈由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的矩形線圈x1和x2串聯(lián)而成，并且線圈x1和x2的間距約等于矩形邊長的1/2，產(chǎn)生的磁場方向與線圈x1和x2的軸線相同，用來調(diào)節(jié)X方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量;同樣，Y方向掃描線圈也是由一對形狀和匝數(shù)相同、共軸平行的矩形線圈y1和y2串聯(lián)而成，并且線圈y1和y2的間距約等于矩形邊長的1/2，產(chǎn)生的磁場方向與線圈y1和y2的軸線相同，用來調(diào)節(jié)Y方向上的電子束偏轉(zhuǎn)量。其中，X方向線圈的軸線與Y方向線圈的軸線相互垂直，相交于中心點O，這樣在O點附件區(qū)域就可以獲得均勻的X方向和Y方向磁場。

圖2b為制作好的高速掃描線圈。掃描線圈采用空心結(jié)構(gòu)，可獲得較低的感抗，X方向和Y方向線圈的電感量約為1.25 mH。當(dāng)線圈安匝數(shù)為240 A時，掃描線圈中心區(qū)域的磁感應(yīng)強度均大于20 Gs[10]。

2.2 掃描線圈驅(qū)動電路

在通電瞬間掃描線圈及其驅(qū)動電路可以等效為電壓源與電感的串聯(lián)電路[11-12]，如圖3所示。其中，L為線圈電感，ro為線圈內(nèi)阻，U為電壓源的輸出電壓。

由此可得：

式中 i為掃描線圈中的勵磁電流。電子束掃描速度的快慢取決于勵磁電流i的變化率，則式（1）可變換為：

與掃描線圈驅(qū)動電源電壓相比，線圈內(nèi)阻的壓降可以忽略，因此由式（2）可知，掃描線圈的驅(qū)動電源電壓越高，線圈電流的變化率就越大，即可實現(xiàn)掃描線圈磁場的高速變化，從而實現(xiàn)電子束高速掃描?；诖?，提出了一種雙逆推電路拓撲，通過功率放大器PA93輸出端的正向電壓和反向電壓推拉，使掃描線圈驅(qū)動電壓增加一倍，從而提高掃描線圈驅(qū)動電流的變化速率。雙逆推主電路拓撲結(jié)構(gòu)的原理如圖4所示。

在圖4中，采用高壓高速大電流功率放大器PA93作為放大電路，電源電壓最大可達±200 V，可以實現(xiàn)高壓輸出;同時，雙逆推主電路拓撲結(jié)構(gòu)通過正向電壓和反向電壓推拉，X方向掃描線圈的驅(qū)動電壓為UX+與UX-的差值，為單路功放輸出驅(qū)動電壓的2倍，由此線圈驅(qū)動電流的變化速度也為單路功放驅(qū)動的2倍。

2.3 驅(qū)動電流閉環(huán)控制

為了實現(xiàn)掃描線圈驅(qū)動電流的精確可控，采用電流霍爾傳感器和PID調(diào)節(jié)電路設(shè)計了驅(qū)動電流閉環(huán)控制電路，其工作原理如圖5所示。

在圖5中，掃描工控機解析G代碼文件后獲得掃描數(shù)據(jù)并寫入任意波形發(fā)生卡，啟動波形發(fā)生卡后獲得X、Y方向兩路輸出波形，分別作為X和Y方向掃描線圈驅(qū)動電流閉環(huán)控制的電流給定信號IXg和IYg。其中，IXg與X方向掃描線圈的電流反饋信號IXf進行誤差運算，將結(jié)果再輸入PID調(diào)節(jié)電路Ⅰ得到輸出電壓值UXg，該UXg作為雙逆推功放電路的輸入，然后功率放大電路Ⅰ-1和功率放大電路Ⅰ-2的輸出再連接至X方向掃描線圈，驅(qū)動掃描線圈產(chǎn)生掃描電流。當(dāng)PI調(diào)節(jié)電路進入穩(wěn)態(tài)工作時，IXg與IXf的誤差為零，即實現(xiàn)了X方向掃描線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)精確控制。同樣，IXg與Y方向掃描線圈的電流反饋信號IYf進行誤差運算，然后經(jīng)PI調(diào)節(jié)電路和雙逆推功放電路實現(xiàn)Y方向掃描線圈驅(qū)動電流的閉環(huán)精確控制。

3 控制程序設(shè)計

基于Labview軟件設(shè)計了通用型電子束高速掃描控制程序[13]，其主界面如圖6所示。

該控制程序除了支持G代碼文件讀入掃描數(shù)據(jù)外，還支持圖片格式輸入、手動繪制圖形和手動繪制波形輸入等方式。此外，為了方便觀察輸入的掃描數(shù)據(jù)是否正確，在主界面上還可以分別顯示X方向掃描波形、Y方向掃描波形，以及X和Y方向合成掃描波形。

通過G代碼文件輸入掃描數(shù)據(jù)的控制程序流程如圖 7 所示。首先，通過界面設(shè)置好電子槍的相關(guān)參數(shù)后，通過主界面輸入G代碼文件（TXT 格式文件），程序?qū)ξ募M行逐行解析，通過檢索文件中的G代碼命令關(guān)鍵字，并根據(jù)不同命令及相關(guān)參數(shù)進行插補運算，計算出掃描軌跡中各點坐標(biāo)，然后生成 X和 Y方向兩路掃描數(shù)據(jù)。在解析完所有G代碼文件后分別將兩路掃描數(shù)據(jù)寫入波形發(fā)生卡中，然后啟動波形發(fā)生卡即可輸出X和Y方向兩路掃描控制波形，分別作為X和Y方向掃描線圈驅(qū)動電流閉環(huán)控制的電流給定信號IXg和IYg。

4 試驗

4.1 掃描線圈磁場測試

將掃描線圈中心定義為坐標(biāo)原點，取z=-40 mm、

z=0、z=40 mm三個平面，分別測量平面內(nèi)各點的磁感應(yīng)強度，測量點的坐標(biāo)如表1所示。

分別在X方向和Y方向掃描線圈中通2 A直流電流，采用HT201 便攜式數(shù)字高斯計測量各坐標(biāo)點的磁感應(yīng)強度，結(jié)果如圖 8所示。從測量結(jié)果可以看出，各點的磁感應(yīng)強度值均大于20 Gs，且電磁場分布比較均勻，最大差值僅為3.5 Gs，可以滿足電子束大角度偏轉(zhuǎn)掃描要求。

4.2 掃描波形輸出

將掃描線圈裝入電子槍中，當(dāng)高速掃描驅(qū)動電路的電流給定信號為方波信號時，測得掃描線圈中的驅(qū)動電流如圖9所示。

圖9中，CH2為掃描線圈電流給定信號，CH1為掃描線圈電流反饋信號。電流反饋采用LEM的電流霍爾傳感器進行采樣，變比為1∶100，取樣電阻為200 Ω?？梢钥闯?，掃描線圈驅(qū)動電流從-2 A到+2 A變化時，其上升、下降沿時間均為100 μs，具有較快的電流變化速度。當(dāng)以圖9所示的方波信號驅(qū)動X、Y方向線圈，線圈電流由-2～+2 A變化，電子束在X、Y方向可分別實現(xiàn)-175 mm至+175 mm距離的偏轉(zhuǎn)，由此可計算出電子束在100 μs時間內(nèi)偏轉(zhuǎn)距離可達350 mm，即電子束的掃描速度達到3 500 m/s，可以實現(xiàn)電子束的高速掃描。

正弦波和三角波的掃描波形如圖10所示，其中CH2為電流給定信號，CH1為電流反饋信號。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了專門的偏轉(zhuǎn)掃描線圈及其高速驅(qū)動電路，基于Labview開發(fā)了通用型電子束高速掃描控制程序，在此基礎(chǔ)上采用工控機、任意波形發(fā)生卡完成了電子束高速掃描系統(tǒng)設(shè)計。

（2）提出了雙逆推主電路拓撲結(jié)構(gòu)，通過正向電壓和反向電壓推拉，使掃描線圈驅(qū)動電壓增加一倍，從而提高掃描線圈驅(qū)動電流的變化速率。

（3）基于Helmholtz線圈的工作原理，采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計了電子束偏轉(zhuǎn)掃描線圈，當(dāng)線圈安匝數(shù)為240 A時，掃描線圈中心區(qū)域的磁感應(yīng)強度均大于20 Gs，掃描速度可達3 500 m/s，掃描范圍最大為350 mm×350 mm。

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