高能束流的控制

激光束加工装置原理图
由于激光束流是以斑点形式照射在工 件上，因此，加工工艺的质量与束斑 的强度（功率）、形状及轨迹相关。
光斑的强度控制主要是靠调节激光电源的功率来完 成；由于激光电源为直流或脉冲形式，带有变压、整 流环节；当其功率较小时，可采用上节所述的移相调 功方法对激光电源的功率进行调节。如果激光功率较 大，其电源采用磁调变压器，可对磁调环节的进行移 相调压，同样可以完成对激光斑强度的调节。 由于电源功率的阶跃变化较激光输出有一定的迟延， 因此，光斑强度调节的频率不宜太高。对于需要光强 突然变化的要求，需用钨块遮挡方法；钨块的遮挡动 作控制属于位式控制，计算机的控制输出参见上述的 I/O 隔离、驱动环节。
五 束斑与工件间介质的控制 流体压力、流量及质量控制
流体信号采集的传感、变送及A/D见测控 仿真课的第三讲；控制环节见测控仿真课的第九讲---。 介质（环境）即斑点处的气氛，可参照化 学热处理的测控方法。 介质（环境）还包括“三束”工作室内的 “压力”（真空度）状态。 粉体材料（给粉）控制---刮盘式，螺旋式--靠驱动电机的转速控制；振动式控制其幅度 和频率。
第六讲 高能束流及其加工过程 的控制
高能束流通常是指激光束、电子束及离子 束等载能粒子流，俗称“三束”；其功率密度 在103W/cm2以上，定向作用在金属（材料） 的表面，使照射斑处瞬间产生物理、化学或结 构的变化。 谈及控制，自然涉及束流的强度，形状 及轨迹；工件（材料）的移动和两者之间的介 质（环境）等三个方面，本节主要介绍“三束” 相关这三个方面的内容。
主要内容
一 二 三 四 五 激光束流强度与轨迹控制 电子束流强度与轨迹控制 离子束的控制 束流加工中的工件位移控制 束斑与工件间介质的控制
？高能束斑可被看作是一刀具；分析以下加工 与机械加工的特征关系：作用在一转动的面 上；作用在一个面上：沿一条线作用；
一 激光束流强度与轨迹控制
将受激活的工作物质放在两端有反射镜的光学 谐振腔中，并提供外界辐射（光泵），如氙灯、氪 灯或辉光放电等，则受激辐射将不断产生激光光子。 其中运动方向与光腔不一致的光子从侧面逸出并转 换为热能；运动方向与光腔轴线一致的光子被两面 反射镜不断反射，这些光子穿过受激发处于粒子数 反转的工作物质时，将引发粒子产生受激辐射光， 使沿光腔轴方向的光子数不断迅速增多，当此光强 增大到超过光腔的光损耗阈值时，部分光子将从有 部分反射作用的窗口，透射出一束高光子兼并度的 激光。此激光束经反射镜的折射变向及透镜的聚焦 即可在工件上形成照射斑。其原理见图示
e w KT
）
式中A是与材料相关的系数，T是阴极温度，eФ W是 阴极材料的逸出功，k是Boltzmann常数。由此可知， 当灯丝的材料与形状确定后，电子束的动能与灯丝 电压UD及加速电压UB呈正向关系。两种电压的调节 及其计算机控制方法可参见前面一节所述。
斑点轨迹，前面所述的激光可以由光学透镜及折 射镜完成。本节介绍的电子束，却需靠静电场 （透镜），磁场（透镜）及偏转电磁场的作用。
电子束发生、 控制装置 原理图
电子束的动能及其斑点轨迹控制
由以上介绍的动能概念 eUB 可知，其中热电子 e 数量取决于灯丝的温度和表面积：受到热激励，阴 极材料中 Fermi 能极处的电子有可能克服功函数 Ф W 的作用而逸出进入真空区。根据Richardson定律，热 发射电流密度为 J0=AT2exp（
磁偏转器
对于大偏转角的情况，常用一对鞍形 带屏蔽环的空心线圈，如图所示。 由于线圈端部对偏转作用很弱，因此， 将其端部导线向外翻卷成鞍状，这种 偏转器可以在很大的偏转角下工作， 并能保持良好的线性。
对偏转线圈（X，Y扫描）的控制 线圈电压与 束流轨迹
控制硬件 框图
三 离子束的控制
由于离子束是带正电的粒子，某些方面的性质类似电子，因 此可以用电场力和磁场力的作用使其聚焦或偏转。离子束的选 分系统也是利用其在磁力作用下离心旋转来实现的。 离子束的产生过程：将选定的某种元素的原子在离子源中 电离成离子。后经引出电极，进入加速系统，在加速电压 V 的 作用下，使每个离子具有qV的能量，q为离子的电荷。
激光束扫描轨迹控制方法示意
二 电子束流强度与轨迹控制
电子具有微粒性，同时也具有波动性。由此，它 和可见光是相同的，这就使得电子束可望成为 新的加热光源。m0是电子静态时的质量； v是 电子运动速度，此运动速度可表示为：
v=
2eU B m0
式中e是电子所带的电荷；UB为加速电压；两者 的积eUB称之电子束的动能。
三束的强度控制
偶合变压器的机械式控制 原理简单，接触磨损，不宜频繁调节； 可控硅调功 结构简洁，污染电网，功率受限； 磁调变压器 设计先进，可控性好，成本较高。
四 束流加工中的工件位移控制
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直线电机 直线电（动）机是将电能直接转换成直线运 动机械能、而不需要任何转换机构的传动装置。 直线电机 (b)与旋转电机 (a)结构原理对比示意图 如下。两套直线电机，可组合出平面运动机构
两维移动机构