基于Helmholtz線圈的電子束高速掃描系統(tǒng)設計

張偉 蔣布輝 陳曉 栗琪凱 孔令其

摘要：針對國內電子束偏轉掃描線圈的磁感應強度較低、均勻性較差，掃描速度較慢等不足，基于Helmholtz線圈的工作原理，采用空心結構設計了電子束偏轉掃描線圈;提出一種雙逆推主電路拓撲結構，使掃描線圈的驅動電壓增加一倍，從而提高了掃描線圈驅動電流的變化速度;采用電流霍爾傳感器和PID調節(jié)電路設計了驅動電流閉環(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。結果表明：該電子束高速掃描系統(tǒng)掃描線圈的磁感應強度和均勻性能夠滿足大角度電子束偏轉掃描要求，并有效提高驅動電流的變化速率，可以實現(xiàn)電子束高速掃描。

關鍵詞：電子束;高速掃描;偏轉線圈;驅動電路

中圖分類號：TG456.3 ? ? ?文獻標志碼：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強度來實現(xiàn)電子束非接觸、偏轉控制。在電子束加工中，通常采用偏轉線圈來產生磁場，實時調節(jié)偏轉線圈的電流可改變磁場的大小和方向，使電子束流偏轉到工件的不同位置，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。電子束偏轉技術雖然在20世紀70年代就已經應用于消除電子束焊接缺陷，但是由于控制技術的限制，偏轉角度、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掃描系統(tǒng)已實現(xiàn)了 200 kHz 的高頻偏轉;瑞典Arcam 公司在電子束高頻高速偏轉技術方面取得了重大突破，并基于該技術開發(fā)了電子束選區(qū)熔化增材制造技術和裝備，已經在航空航天、生物醫(yī)療等領域取得了廣泛應用。

國內在高速偏轉掃描方面的研究起步較晚，一方面，偏轉掃描線圈多為環(huán)形結構，其磁感線平行度差，且磁感應強度較低、磁場均勻性差，電子束偏轉角度小，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)有的偏轉掃描線圈采用磁芯結構，使得偏轉掃描線圈的感抗較大，導致線圈的偏轉掃描頻率大都較低;掃描線圈的驅動電路一般采用低壓運算放大器進行電流放大，驅動電壓低、驅動電流小，并且驅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動電路、Y方向掃描線圈電流驅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X、Y方向掃描線圈電流驅動電路連接至高頻高速掃描線圈，實時調節(jié)掃描線圈內部的電磁場，從而實現(xiàn)電子束偏轉掃描控制。X、Y方向兩路輸出波形的電壓范圍為 -5～+5 V，控制驅動電路輸出-2～+2 A的掃描線圈驅動電流。

2 硬件電路設計

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]，結合電子槍的結構[9]，設計了高速掃描線圈，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，產生的磁場方向與線圈x1和x2的軸線相同，用來調節(jié)X方向上的電子束偏轉量;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，產生的磁場方向與線圈y1和y2的軸線相同，用來調節(jié)Y方向上的電子束偏轉量。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構，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。當線圈安匝數(shù)為240 A時，掃描線圈中心區(qū)域的磁感應強度均大于20 Gs[10]。

2.2 掃描線圈驅動電路

在通電瞬間掃描線圈及其驅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：

與掃描線圈驅動電源電壓相比，線圈內阻的壓降可以忽略，因此由式（2）可知，掃描線圈的驅動電源電壓越高，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。基于此，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，使掃描線圈驅動電壓增加一倍，從而提高掃描線圈驅動電流的變化速率。雙逆推主電路拓撲結構的原理如圖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構通過正向電壓和反向電壓推拉，X方向掃描線圈的驅動電壓為UX+與UX-的差值，為單路功放輸出驅動電壓的2倍，由此線圈驅動電流的變化速度也為單路功放驅動的2倍。

2.3 驅動電流閉環(huán)控制

為了實現(xiàn)掃描線圈驅動電流的精確可控，采用電流霍爾傳感器和PID調節(jié)電路設計了驅動電流閉環(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，將結果再輸入PID調節(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，驅動掃描線圈產生掃描電流。當PI調節(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PI調節(jié)電路和雙逆推功放電路實現(xiàn)Y方向掃描線圈驅動電流的閉環(huán)精確控制。

3 控制程序設計

基于Labview軟件設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，通過界面設置好電子槍的相關參數(shù)后，通過主界面輸入G代碼文件（TXT 格式文件），程序對文件進行逐行解析，通過檢索文件中的G代碼命令關鍵字，并根據(jù)不同命令及相關參數(shù)進行插補運算，計算出掃描軌跡中各點坐標，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原點，取z=-40 mm、

z=0、z=40 mm三個平面，分別測量平面內各點的磁感應強度，測量點的坐標如表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點的磁感應強度，結果如圖 8所示。從測量結果可以看出，各點的磁感應強度值均大于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掃描要求。

4.2 掃描波形輸出

將掃描線圈裝入電子槍中，當高速掃描驅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。當以圖9所示的方波信號驅動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，由此可計算出電子束在100 μs時間內偏轉距離可達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 結論

（1）設計了專門的偏轉掃描線圈及其高速驅動電路，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)設計。

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

（3）基于Helmholtz線圈的工作原理，采用空心結構設計了電子束偏轉掃描線圈，當線圈安匝數(shù)為240 A時，掃描線圈中心區(qū)域的磁感應強度均大于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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