电子束选区熔化数字式扫描控制系统研究

论文摘要

电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）技术是一种金属材料的快速制造技术。从1994年提出电子束金属快速成形的概念至今，电子束选区熔化成形技术的产品已经应用于医疗、国防、航天等多个领域。进一步拓展电子束选区熔化产品的应用范围，需要提高电子束选区熔化成形零件的尺寸、精度和质量。现有的电子束偏转控制系统存在较大的电子束偏转定位误差，在较大范围扫描时电子束束斑直径增大降低了电子束功率密度和成形精度。本文针对以上问题，开发了电子束选区熔化数字式扫描控制系统。本论文首先讨论了实现精确到点的电子束偏转和聚焦控制所需要的硬件基础和控制软件。根据偏转精度要求和数据传输速率的要求选择了一款4通道的高速任意波形发生器，并利用VC++开发数字式自动成形控制软件，为数字式偏转误差纠正和动态聚焦奠定基础；同时实现了新的数据存储方式，打破了原系统中扫描路径只能为简单线段排列的限制，方便用户实现多种扫描路径。从提高电子束偏转精度出发，分析了电子束偏转误差的主要原因——电子束在磁场中的非线性偏转。基于电子束偏转中数字控制量与扫描偏转量的对应关系，用图像处理的方法准确提取纠偏网格中所需的角点坐标，并用插值算法建立偏转量与控制量之间的误差纠偏表。实验结果表明该数字纠偏方式可以大幅度的提高电子束偏转精度。从成形中维持恒定的电子束束斑直径出发，分析了电子束在偏转角增大时束斑发散的原因。基于理论推导和实验结果，计算出扫描空间中每个点所对应的动态聚焦电流，并建立偏转量与聚焦电流补偿量对应的聚焦补偿表。实验结果表明数字式动态聚焦可以控制电子束的聚焦束斑尺寸。探索了利用动态聚焦实现光栅扫描的方法。光栅式扫描在X、Y两个方向扫描频率恒定，可消除由于扫描波形频率变化引起的偏转误差，及扫描线段长度变化导致的不良热效应。研究实现了动态聚焦光栅扫描数据的存储模式，实现了动态聚焦光栅扫描的雏形，并用实验验证该模式的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 电子束选区熔化技术概述
• 1.1.1 快速制造技术概述
• 1.1.2 电子束选区熔化成形原理及发展现状
• 1.2 电子束选区熔化成形复杂精密零件
• 1.2.1 电子束选取熔化成形复杂精密零件的优势
• 1.2.2 电子束选区熔化成形较大尺寸精密零件的限制
• 1.3 课题意义和目标
• 1.3.1 原扫描控制系统构成和缺陷
• 1.3.2 扫描控制系统的改进目标
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 数字式扫描控制系统的开发
• 2.1 电子束扫描控制系统的硬件选择
• 2.1.1 电子束偏转误差及聚焦纠正对硬件的要求
• 2.1.2 数据下载速率对硬件的要求
• 2.1.3 选定数模转换卡的参数
• 2.2 数字式扫描控制系统中零件层片信息的存储
• 2.2.1 原扫描控制系统中零件层片信息的存储
• 2.2.2 数字式扫描控制系统中零件层片信息的存储方式
• 2.3 数字式扫描控制软件的 VC++编程实现
• 2.3.1 多线程时序控制
• 2.3.2 粉末预热模式的改变
• 2.3.3 偏转误差纠正和动态聚焦的实现
• 2.3.4 其它功能的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 电子束扫描偏转误差的数字式纠正方法
• 3.1 前言
• 3.2 电子束扫描偏转误差的产生原理
• 3.2.1 电子束通过有界匀强磁场的偏转量
• 3.2.2 电子束偏转误差分析
• 3.3 非线性偏转误差纠正方案分析
• 3.3.1 更改线圈设计减小偏转误差
• 3.3.2 偏转数字控制量补偿减小偏转误差
• 3.4 纠偏参考点提取的图形处理算法
• 3.4.1 Harris角点检测原理
• 3.4.2 角点提取效果分析
• 3.4.3 像素坐标到实际坐标的转换
• 3.5 插值算法获取纠正后的偏转控制量
• 3.5.1 数字式非线性偏差纠正的插值算法
• 3.5.2 数字式非线性误差纠偏的实验效果
• 3.6 本章小结
• 第4章 电子束动态聚焦的数字式实现方法
• 4.1 前言
• 4.2 电子束在磁场中的聚焦
• 4.2.1 电子束的磁聚焦原理
• 4.2.2 电子束散焦分析
• 4.2.3 电子束动态聚焦补偿的理论计算
• 4.3 电子束动态聚焦的实现方案
• 4.4 电子束动态聚焦的应用
• 4.4.1 动态聚焦扫描效果
• 4.4.2 动态聚焦技术的其它用途
• 4.5 本章小结
• 第5章 电子束动态聚焦方式的光栅式扫描
• 5.1 电子束光栅式扫描方案
• 5.1.1 栅极偏压高速关断的实现方式
• 5.1.2 电子束束闸的实现方式
• 5.1.3 电子束动态聚焦的实现方式
• 5.2 电子束动态聚焦的光栅式扫描
• 5.2.1 零件成形层面的存储方式
• 5.2.2 动态聚焦方式的光栅式扫描的优点
• 5.3 电子束动态聚焦的光栅式扫描验证
• 5.3.1 动态聚焦光栅式扫描光板扫描效果
• 5.3.2 散焦扫描对粉末区的影响
• 5.3.3 动态聚焦光栅式扫描的可行性
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果