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 激光束流强度与轨迹控制二 电子束流强度与轨迹控制三 离子束的控制四 束流加工中的工件位移控制五 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 。
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=
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。
0
B
m
eU2
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（ ）
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。
KT
e w
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。
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 。
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。
两维移动机构
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 激光束流强度与轨迹控制二 电子束流强度与轨迹控制三 离子束的控制四 束流加工中的工件位移控制五 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 。
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=
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。
0
B
m
eU2
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（ ）
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。
KT
e w
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。
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 。
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。
两维移动机构
