(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811383622.1
(22)申请日 2018.11.20
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区清华园1号
(72)发明人 都东 常树鹤 张昊宇 王力
常保华 彭国栋 薛博策 魏昂昂
(74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事
务所(普通合伙) 11201
代理人 罗文
(51)Int.Cl.
B23K 15/00(2006.01)
B23K 15/02(2006.01)
B33Y 50/02(2015.01)
(54)发明名称
统
(57)摘要
本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造
实时监控系统，属于电子束成形制造监控技术领
域。在进行电子束熔丝沉积过程同时，对工件进
行预热和随行热处理。同时实时采集预热区域、
分别将生成的预热区域图像用于沉积过程的路
径规划，熔池区域图像用于熔池热输入的闭环控
制，随行热处理区域图像用于成形件的缺陷检
测。本发明监控系统，可以根据需要，方便的调整
预热、加工和热处理的功率大小。本发明的监控
系统基于背散射电子成像原理，可以适应大束流
高金属蒸气的环境。同时可实时成像，无需离线
进行单独的成像扫描，
提高了生产效率。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109465531 A 2019.03.15
C N 109465531
A
1.一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，其特征在于该系统包括：电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈、背散射电子传感器、数据采集卡、工控机、波形发生卡、驱动器和显示器；所述的电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器依次由上而下同轴安装，同轴安装后的电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器置于待沉积增材制造工件的上方，使电子阴极发射的电子束经加速、偏转后聚焦到待沉积增材制造工件的表面；
所述的数据采集卡用于通过信号线采集背散射电子传感器的电压信号，并将该电压信号通过信号线发送至工控机；
所述工控机，用于根据接收到的电压信号，通过图像处理程序生成待沉积增材制造工件表面的图像信息，并计算出当前电子阴极的电流控制信号、偏压杯的电子束束流控制信号、阳极的加速电压控制信号、偏转线圈的控制信号和聚焦线圈控制信号，并将控制信号发送到波形发生卡；
所述的波形发生卡，用于根据工控机产生的控制信号，生成相应的波形控制信号，并将该波形控制信号
通过信号线发送给驱动器；
所述的驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，分别控制电子阴极、偏压杯、阳极、偏转线圈和聚焦线圈；
所述显示器，用于将工控机生成的待沉积增材制造工件表面的图像信息显示在屏幕上。
权 利 要 求 书1/1页CN 109465531 A
一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，属于电子束成形制造监控技术领域。
背景技术
[0002]工艺可重复性和质量一致性是衡量该生产制造技术的关键，这在航空航天、医疗领域尤为重要。然而电子束成形制造过程中环境参数多变，例如设备参数的不稳定、成形过程中的热积累、金属材料成分的变化等。这使得仅依靠传统的技术无法实现成形过程的连续稳定。近年来越来越多的电子束成形制
造生产商将过程监控技术增加到设备中去，其中最多的就是视觉监控技术。然而在电子束成形制造加工环境中存在很强的金属蒸气污染，这是由于局部的高温使得大量金属原子蒸发，观察窗的光学玻璃很快被蒸镀上一层金属膜而无法观察。
[0003]与传统的光学监控系统相比，利用电子束轰击工件表面产生的背散射电子和二次电子也可对工件进行清晰有效的监控。例如中国专利CN106180718A，公开了一种具备在线检测功能的电子束快速成型设备及其运行方法，其工作原理是对成形后的工件表面进行小束流电子束扫描，二次电子收集器接受电子束微束扫描过程产生的二次电子信息，中央控制单元采集返回的二次电子信息进行成像，以此检测制造层是否存在缺陷。该专利技术的缺点是二次电子由于自身能量较低，自工件运动至传感器的飞行时间较长，成像时间较长，只能在加工完一层后，在成形间歇期进行在线成像，而不能在成形期间进行实时成像，这降低了整个成型过程的生产效率。
发明内容
[0004]本发明的目的是提出一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，用于在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，通过分时复用的方式，将电子束快速偏转依次扫描预热区域、加工区域和热处理区域，在进行电子束熔丝沉积过程中的预热、熔丝加工和随行热处理。以实现沉积前的路径规划和沉积后的缺陷检测，同时可保证熔池区域大小稳定，进而保证成形过程和产品质量的一致性。
[0005]本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，包括：电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈、背散射电子传感器、数据采集卡、工控机、波形发生卡、驱动器和显示器；所述的电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器依次由上而下同轴安装，同轴安装后的电子阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器置于待沉积增材制造工件的上方，使电子阴极发射的电子束经加速、偏转后聚焦到待沉积增材制造工件的表面；
[0006]所述的数据采集卡用于通过信号线采集背散射电子传感器的电压信号，并将该电压信号通过信号线发送至工控机；
[0007]所述工控机，用于根据接收到的电压信号，通过图像处理程序生成待沉积增材制
造工件表面的图像信息，并计算出当前电子阴极的电流控制信号、偏压杯的电子束束流控制信号、阳极的加速电压控制信号、偏转线圈的控制信号和聚焦线圈控制信号，并将控制信号发送到波形发生卡；
[0008]所述的波形发生卡，用于根据工控机产生的控制信号，生成相应的波形控制信号，并将该波形控制信号通过信号线发送给驱动器；
[0009]所述的驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，分别控制电子阴极、偏压杯、阳极、偏转线圈和聚焦线圈；
[0010]所述显示器，用于将工控机生成的待沉积增材制造工件表面的图像信息显示在屏幕上。
[0011]本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，其优点是：
[0012]本发明的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，通过分时复用的方式，实现了在进行电子束熔丝沉积过程同时，对工件进行预热和随行热处理。同时实时采集预热区域、熔池区域和随行热处理区域的背散射电子信号，分别将生成的预热区域图像用于沉积过程的路径规划，熔池区域图像用于熔池热输入的闭环控制，随行热处理区域图像用于成形件的缺陷检测。本发明系统可以实现三种电子束束流的控制模式，根据需要，方便的调整预热、加工和热处理的功率大小。本发明的监控系统基于背散射电子成像原理，可以适应大束流高金属蒸气的环境。同时可以在沉积过程中实时成像，无需离线进行单独的成像扫描，提高了生产效率。
附图说明
[0013]图1为本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统的结构示意图。[0014]图1中，1为电子阴极，2为电子束，3为偏压杯，4为阳极，5为聚焦线圈，6为偏转线圈，7为背散射电子传感器，8为待沉积增材制造工件，9为随行热处理区域，10为熔池区域，11为预热区域，12为背散射电子，13为数据采集卡，14为显示器，15为工控机，16为波形发生卡，17为驱动器。
具体实施方式
[0015]本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，其结构如图1所示，包括：电子阴极1、偏压杯3、阳极4、聚焦线圈5、偏转线圈6、背散射电子传感器7、数据采集卡13、工控机15、波形发生卡16、驱动器17和显示器14。电子阴极1、偏压杯3、阳极4、聚焦线圈5、偏转线圈6和背散射电子传感器7依次由上而下同轴安装，同轴安装后的电子阴极1、偏压杯3、阳极4、聚焦线圈5、偏转线圈6和背散射电子传感器7置于待沉积增材制造工件8的上方，使电子阴极1发射的电子束2经加速、偏转后聚焦到待沉积增材制造工件8的表面。[0016]其中的数据采集卡13用于通过信号线采集背散射电子传感器7的电压信号，并将该电压信号通过信号线发送至工控机15；
[0017]其中的工控机15，用于根据接收到的电压信号，通过图像处理程序生成待沉积增材制造工件表面的图像信息，并计算出当前电子阴极1的电流控制信号、偏压杯3的电子束束流控制信号、阳极4的加速电压控制信号、偏转线圈5的控制信号和聚焦线圈6的控制信号，最后将所有控制信号发送到波形发生卡16；
[0018]所述的波形发生卡16，用于根据工控机15产生的控制信号，生成相应的波形控制信号，并将该波形控制信号通过信号线发送给驱动器；
[0019]所述的驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，分别控制电子阴极1、偏压杯3、阳极4、偏转线圈5和聚焦线圈6；
[0020]所述显示器14，用于将工控机15生成的待沉积增材制造工件8表面的图像信息显示在屏幕上。
[0021]以下结合附图，详细介绍本发明监控系统的工作原理和工作过程：
[0022]将如图1所示的监控系统置于真空室内，关闭真空室门，抽真空。根据工艺所指定的预热功率、预热面积、加工功率、加工面积、热处理功率、热处理面积，选取对应的束流模式及对应的扫描点数。工控机15根据所选取的扫描图形、扫描点数、束流模式，生成对应的阴极电流控制信号、电子束束流控制信号、加速电压控制信号、偏转线圈控制信号、聚焦线圈控制信号。波形发生卡16根据工控机15所生成的信号产生控制波形。驱动器17将波形发生卡16生成的控制波形放大为驱动电流，驱动对应的阴极1、偏压杯3、阳极4生成指定束流大小和加速电压的电子束2。驱动聚焦线圈5，偏转线圈6将电子束2很好的聚焦偏转至指定位置。电子束2在偏转线圈6的作用下，依次经历过预热区域、熔池区域和热处理区域的各个点的位置。电子束2中的大部分电子与待沉积增材制造工件8发生动能交换，将电子的动能转化工件的热能，起到预热、熔丝、随性热处理的作用。同时电子束2中的小部分电子与待沉积增材制造工件8碰撞后发生反射，运动至背散射电子传感器7处，被其捕获，产生电流信号。背散射传感器7将次电流信号转化为电压信号被数据采集卡13采集至工控机15。工控机15将当前的电子束偏转位置映射为图像中的位置，将采集到的背散射电子信号幅值映射为图像中该位置的灰度值，即可获得三个区域的背散射电子图像，并将该图像投放至显示器14。该图像中的预热区域部分用于沉积过程的路径规划，熔池区域部分用于熔池热输入的闭环控制，随行热处理区域部分用于成形件的缺陷检测。
[0023]上述偏转线圈控制信号由工控机根据用户定义的扫描图形生成。扫描图形由三部分子扫描图形组成，如图1所示。其中随行热处理区9和预热区域11为矩形，熔池区域10为圆形。各子扫描图形由若干扫描点组成。设定用于预热、形成熔池、热处理的各部分功率，通过调整各区域对应的子扫描图形的点数和相应的束流大小实现对熔丝沉积增材制造的实时监控。
[0024]在本发明的一个实施例中，使用的聚焦线圈电感15mH，电阻20欧姆，偏转线圈电感1mH，电阻2欧姆，背散射电子传感器采用中国专利CN201510995742.7中发明的型号，数据采集卡采用的是北京研华兴业电子科技有限公司的PCI-1714，显示器选用的是北京研华兴业电子科技有限公司的FPM-3171G，工控机选用的是北京研华兴业电子科技有限公司的IPC-610MB-30HDE，波形发生卡选用的是北京研华兴业电子科技有限公司的PCI-1721，驱动器选用的是瑞贝斯电子科技有限公司的CHP-10K30M-5353-N。
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