金属熔滴精确充电控制装置及控制金属熔滴精确充电方法

摘要

本发明公开了一种金属熔滴精确充电控制装置，包括激光器(1)、充电电极(3)、绝缘熔滴回收槽(4)、光电转换器(5)、计算机(7)、充电调制单元(8)和电量检测单元(9)，特别是还包括光电信号处理单元(6)，激光器(1)与光电转换器(5)的中心线重合，激光器(1)发出的激光束与金属射流(2)垂直相交，与激光器(1)发出的激光束平行、前后放置一对充电电极(3)，光电转换器(5)通过光电流信号接入光电信号处理单元(6)。还公开了上述控制装置控制金属熔滴精确充电方法，通过激光束光强发生的变化，通过光电转换器(5)转化为相应的电流信号，转换为单个熔滴所需要的充电电压，通过计算机控制，实现熔滴的精确充电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属熔滴精确充电控制装置，还涉及用这种控制装置控制金属熔滴精确充电方法。

背景技术

均匀熔滴喷射快速成型技术首先由美国麻省理工学院和加州大学在上世纪90年代初提出，它是将喷墨打印技术的思路应用到制造领域而开发的一种新型的快速成型工艺。其基本原理就是利用激振系统和偏转电极，将毛细管中流出的熔融金属流在高速喷射过程中离散成一致的金属熔滴，准确地沉积在控制基板上，并按设计要求逐层“堆积”，直至成形出复杂的几何造型。该技术是在无氧环境中进行，通过激振使毛细射流断裂为均匀熔滴流；再对微熔滴进行选择性充电，带电微滴在电场偏转，利用先进的三维数控成型系统控制基板的运动，并逐层叠加，可直接成形出所需的零件实体。为了实现单颗熔滴的充电和在静电场中实现精密定位，充电脉冲的频率应与熔滴产生的频率同步，并需要控制充电电压从而控制熔滴的充电电量。

文献“Kazutoshi Asano，Yasuhiro Funayama，Kyoko Yatsuzuka and YoshioHigashiyama.SPHERICAL PAPTICLE SORTING BY USING DROPLETDEFLECTION TECHNOLOGY.Journal of Electrostatics 35(1995)3-12”介绍了一种利用激光散射方法对微小液滴进行精确充电控制。其工作原理是：当激光器光束聚集对液滴探测时，液滴的散射光被两个光电倍增管吸收，再对光电倍增管输出信号放大、峰值保持。通过对熔滴的断裂点和喷射速度的确定来决定充电脉冲延迟时间，实现充电电极协调。

该方法是针对5～20μm小粒子进行充电控制，不能对＞100μm大粒子液滴进行充电控制。

发明内容

为了克服现有技术不能对＞100μm大粒子液滴进行充电控制的不足，本发明提供一种金属熔滴精确充电控制装置，可以对熔滴直径在100～400μm的金属熔滴进行精确充电控制。

本发明还提供利用上述充电控制装置控制金属熔滴精确充电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：金属熔滴精确充电控制装置，包括激光器1、充电电极3、绝缘熔滴回收槽4、光电转换器5、计算机7、充电调制单元8和电量检测单元9，特别是还包括光电信号处理单元6，激光器1与光电转换器5的中心线重合，激光器1发出的激光束与金属射流2垂直相交，与激光器1发出的激光束平行、前后放置一对充电电极3；光电转换器5通过光电流信号接入光电信号处理单元6，光电信号处理单元6通过电压脉冲信号接入充电调制单元8；金属射流2下面的绝缘熔滴回收槽4，通过电量检测单元9检测出熔滴的总电量数据和熔滴总数量数据接入计算机7，计算机7控制光电信号处理单元6通过充电调制单元8调制电压信号控制充电电极3。

所述的充电电极3由两块绝缘铜板组成，其中一块绝缘铜板接充电电源正电极，另外一块绝缘铜板接地。

所述的光电信号处理单元6包括电流电压转化电路、电压比较器和CPLD芯片，电流电压转化电路，电压比较器和CPLD芯片顺次电连接后，前端接光电转换器5的输出信号，后端输出信号同时接入计算机7和充电调制单元8。

一种上述控制装置控制金属熔滴精确充电方法，包括下述步骤：

1)接通激光器1电源，使激光器1发出的激光束与成型系统喷出金属熔滴形成的金属射流2垂直相交，激光束全部或部分被金属熔滴阻挡，光强发生相应的变化；

2)变化的光强通过光电转换器5使光信号转化为相应的电流信号：

3)放大的电流信号通过光电信号处理单元6中的电流电压转化电路转化为相应的电压信号，并对电压信号放大；放大的电压信号通过电压比较器转化为TTL/CMOS信号进入CPLD芯片，计算机7控制光电信号处理单元6通过充电调制单元8调制电压信号控制充电电极3，产生与熔滴频率一致的充电脉冲信号；

4)同时，电量检测单元9通过绝缘熔滴回收槽4检测熔滴总体电量，其结果上传到计算机7，同时计算机7通过光电信号处理单元6采集的熔滴总数量数据，计算出单个熔滴的平均电量，转换为单个熔滴所需要的充电电压，实现熔滴的精确充电。

本发明的有益效果是，采用激光对射技术以及信号处理电路部分对金属熔滴实现数量、频率的检测。通过测量总体电量和均匀带电微小物体的数量来计算单个均匀带电微小物体的电量，利用测量的熔滴电量来调整充电系统的电压，实现熔滴沉积精度以及沉积轨迹的精密控制。同时对产生熔滴频率实行检测，产生熔滴同步充电脉冲，实现单个熔滴充电精确控制。本方法就是通过采集熔滴产生频率，实现充电的同步以及平均电量的检测从而控制熔滴精确充电。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明金属熔滴精确充电控制装置示意图。

图2是本发明方法中熔滴直径不小于激光光斑直径时光束被阻挡示意图。

图3是本发明方法中熔滴直径不小于激光光斑直径时光束未被阻挡示意图。

图4是本发明方法中熔滴直径小于激光光斑直径时光束被阻挡示意图。

图5是本发明方法中熔滴直径小于激光光斑直径时光束被阻挡示意图。

1-激光器  2-金属射流  3-充电电极  4-绝缘熔滴回收槽  5-光电转换器  6-光电信号处理单元  7-计算机  8-充电调制单元  9-电量检测单元

具体实施方式

实施例1：参照图1，金属熔滴精确充电控制装置，包括激光器1、充电电极3、绝缘熔滴回收槽4、光电转换器5、计算机7、充电调制单元8和电量检测单元9；特别是还包括光电信号处理单元6；激光器1与光电转换器5的中心线重合，激光器1发出的激光束与金属射流2垂直相交，光电转换器5通过光电流信号输出接入光电信号处理单元6，光电信号处理单元6通过软件设计输出电压脉冲信号以及熔滴总数量，电压脉冲信号接入充电调制单元8。在金属射流2下面为绝缘熔滴回收槽4，通过电量检测单元9检测出熔滴的总电量，熔滴的总电量数据和熔滴总数量数据都接入计算机7实现单个电量检测，通过计算机7和光电信号处理单元6控制充电调制单元8，充电调制单元8通过调制电压信号控制充电电极3。

充电电极3由间距为5cm的两块平行绝缘铜板组成，其中一块绝缘铜板接充电电源正电极，另外一块绝缘铜板接地，激光光束平行通过两块平行绝缘铜板中心；光电转换器5采用PIN光电二极管，光电信号处理单元6由电流电压转化电路、电压比较器和CPLD芯片组成，电流电压转化电路的功能是将电流信号转化为电压信号，电压比较器的型号为AD53519，其中光电转换器5的输出信号接入电流电压转化电路，通过电流电压转化电路使光电流信号转化为电压信号，再把电压信号接入电压比较器，输入的信号通过电压比较器调理，其输出信号最后接入CPLD芯片；充电调制单元8为调制充电电压大小的电路；电量检测单元9为检测电量的装置。

实施例2，参照图1～3。光源选择红外光点状光斑激光器1，输出波长808nm；最小光斑直径≤Φ300μm；光束发散度：0.2～1.5mard；出光功率：5mw。对于光电转换器5选择PIN光电二极管。激光器1和光电转换器5相隔30cm，在激光器1和光电转换器5中间为喷嘴喷出的金属熔滴，激光器1与光电转换器5的中心线重合，激光器1发出的激光束与金属射流2垂直相交。

对于熔滴直径为300-400μm，首先接通激光器1电源，使激光器发出光斑，再控制其系统从喷嘴喷出的金属熔滴，此时熔滴直径大于激光器1光斑直径，熔滴下落在激光器光斑正前方，则激光光束被熔滴挡住，从而使光电转换器5接受的光强几乎为零。熔滴不在激光器1的正前方时，则光电转换器5接受的光强增加。

光电信号处理单元5由电流电压转化电路、电压比较器和CPLD芯片组成，对于有变化光强通过光电转换器5转化为相关的光电流信号，光电流信号通过电流电压转化电路使光电流信号转化为电压信号，再通过电压比较器使电压信号转化为TTL/CMOS信号，TTL/CMOS信号接入CPLD芯片，通过对CPLD芯片的在线编程，能够检测出熔滴产生频率以及熔滴粒子总数量，再产生与熔滴产生频率相同的充电脉冲信号。利用绝缘熔滴回收槽4和电量检测单元9对熔滴电量总量检测，由计算机7采集熔滴电量总量数据和熔滴的总数量数据，计算出单个熔滴的电量，并且归纳出单个熔滴的电量和充电电压关系Q_d＝-V_c*C_e，其中C_e＝Klog(S₀/S_C)，K和S₀为实验常数，S_C为电极之间的距离。再通过充电调制单元8对充电电极3实现了协调控制，从而精确控制金属熔滴电量。

实施例3，参照图1、4～5。光源选择红外光点状光斑激光器1，输出波长808nm；最小光斑直径≤Φ300μm；光束发散度：0.2～1.5mard；出光功率：5mw。对于光电转换器5选择PIN光电二极管。激光器1和光电转换器5相隔30cm，在激光器1和光电转换器5中间为喷嘴喷出的金属熔滴，激光器1与光电转换器5的中心线重合，激光器1发出的激光束与金属射流2垂直相交。

对于熔滴直径为100～300um，首先接通激光器1电源，使激光器发出光斑，再控制其系统从喷嘴喷出的金属熔滴，在某一时刻，由于微滴向下运动，使其在进入激光器光斑范围内前一时刻而此时没有任何微滴从光斑中流失；在下一时刻，微滴进入激光器光斑范围但这时还没有任何微滴从光斑中流失，这两个时刻相比较，前一个时刻光斑范围内的微滴数量比后一时刻少一个，则相应光强就比后一时刻弱，通过光电转换器5转化的光电流必然比后一时刻小。

光强的变化通过光电转换器5转化为光电流的变化，此时光电流是峰值变化的模拟信号，通过光电信号处理单元6模块中电压比较器转化为TTL/CMOS信号，TTL/CMOS信号接入CPLD芯片，通过对CPLD芯片的在线编程，能够检测出熔滴产生频率以及熔滴粒子总数量，再产生与熔滴产生频率相同的充电脉冲信号。利用绝缘熔滴回收槽4和电量检测单元9对熔滴电量总量检测，由计算机7采集熔滴电量总量数据和熔滴的总数量数据，计算出单个熔滴的电量，并且归纳出单个熔滴的电量和充电电压关系Q_d＝-V_c*C_e，其中C_e＝Klog(S₀/S_C)，K和S₀为实验常数，S_C为电极之间的距离。再通过充电调制单元8对充电电极3实现了协调控制，从而精确控制金属熔滴电量。