电子束焊机焊缝示教寻迹方法及系统技术领域
本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种电子束焊机焊缝示教寻迹方
法及系统。
背景技术
电子束焊机是一种性能卓越的焊接设备，但该种设备需在真空环境中工作，给焊
接过程的观察、监控等带来了极大的不便。目前电子束焊机一般都是通过观察窗、摄像头等
手段监控焊接过程。这种光学观察系统虽然观察直观、操作简便，但对焊缝的精确示教寻迹
却存在较大的缺陷：
1、光学观察系统的视差依靠人为经验矫正，缺乏可量化的判断参数，主观随机性
大。
2、光学观察系统易被污染，影响观察清晰度。
3、需要通过电子束在焊件上“打点”的方式判断电子束斑与焊缝的重合度，“打点”
对焊件表面构成一定损伤，不宜对精密焊件进行“打点”。
随着电子束焊机的性能要求越来越高，通过光学观察系统以人为经验定位焊缝的
方法将被淘汰，需要建立一套可量化参数的定位焊缝的方法，以便快速、精确地对焊缝进行
示教寻迹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有通过光学观察系统以人为经验定位焊缝的方
法所存在的精度不高的问题，提供一种电子束焊机焊缝示教寻迹方法及系统。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电子束焊机焊缝示教寻迹方法，具体包括如下步骤：
步骤1、借助光学观察系统，操作工作台带动其上的焊件移动，让焊件焊缝上的其
中1个特征点移动到电子束斑点附近，并记录工作台此时的位置坐标(x0，y0)；
步骤2、操作工作台，让工作台仅沿着x轴或仅沿着y轴移动，并使得电子束斑点移
动轨迹与焊缝轨迹交叉；工作台每移动一个固定的距离δ，便记录一次工作台的实际位置坐
标及对应的二次电子信号值Ie；
步骤3、计算工作台在本次移动过程中，所有记录点的二次电子信号值Ie的平均值
Iem；
步骤4、计算二次电子信号的阈值Iek，其中
Iek＝αIem
式中，α为二次电子信号的阈值系数，Iem为二次电子信号的平均值；
步骤5、寻找二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域，并据此确定该
特征点所对应的工作台的精确位置坐标；即
当工作台沿着x轴移动时，二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域
为x1～x2，则该特征点所对应的工作台的精确位置坐标为
当工作台沿着y轴移动时，二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域
为y1～y2，则该特征点所对应的工作台的精确位置坐标为
步骤6、重新选择焊件焊缝上的1个新的特征点，并重复步骤2-5，直至确定完焊件
焊缝上所有特征点所对应的工作台的精确位置坐标；
步骤7、根据焊件焊缝轨迹的几何形状及尺寸及步骤6所得到的特征点的精确位置
坐标，由中央控制单元编程驱动工作台9运动，使得焊件的完整焊缝轨迹依次通过电子束斑
点进行焊接。
上述步骤2中，需要将加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，并将电子束流通过闭环
控制稳定于Ib值。
上述步骤2中，加速电压Ua按工作电压要求设定；电子束流Ib的取值范围为0.01～
1mA。
上述步骤2中，距离δ的取值范围0.01～0.1mm；步骤4中，二次电子信号阈值系数α
的取值范围0.2～0.5。
另一种电子束焊机焊缝示教寻迹方法，具体包括如下步骤：
步骤1、借助光学观察系统，调节偏扫电源的电流，使得电子束斑点移动到焊件焊
缝上的其中1个特征点附近，并记录电子束斑点在该位置所对应的偏扫电源的电流值(Ix0，
Iy0)；
步骤2、仅调节偏扫电源的x轴电流或仅调节偏扫电源的y轴电流，使得电子束斑点
移动轨迹与焊缝轨迹交叉；偏扫电源每变化一个固定的电流值μ，便记录一次偏扫电源的实
际电流值及对应的二次电子信号值Ie；
步骤3、计算偏扫电源在本次调节过程中，所有记录点的二次电子信号值Ie的平均
值Iem；
步骤4、计算二次电子信号的阈值Iek，其中
Iek＝βIem
式中，β为二次电子信号的阈值系数，Iem为二次电子信号的平均值；
步骤5、寻找二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域，并据此确定该
特征点所对应的偏扫电源的精确电流值；即
当调节偏扫电源的x轴电流时，二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的
区域为Ix1～Ix2，则该特征点所对应的偏扫电源的精确电流值为
当调节偏扫电源的y轴电流时，二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的
区域为Iy1～Iy2，则该特征点所对应的偏扫电源的精确电流值为
步骤6、重新选择焊件焊缝上的1个新的特征点，并重复步骤2-5，直至确定完焊件
焊缝上所有特征点所对应的偏扫电源的精确电流值；
步骤7、中央控制单元根据步骤6所得到的偏扫电源的精确电流值去驱动偏扫电源
的变化，使得焊件的完整焊缝轨迹依次通过电子束斑点进行焊接；根据焊件焊缝轨迹的几
何形状及尺寸及步骤6所得到的特征点的的偏扫电源的精确电流值，由中央控制单元编程
去驱动偏扫电源电流变化，使得电子束斑点依次沿着焊件的完整焊缝轨迹移动进行焊接。
上述步骤2中，需要将加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，并将电子束流通过闭环
控制稳定于Ib值。
上述步骤2中，加速电压Ua按工作电压要求设定；电子束流Ib的取值范围为0.01～
1mA。
上述步骤2中，电流值μ设定为1个偏扫电流数字设定最小分辨率值；二次电子信号
阈值系数β的取值范围0.2～0.5。
实现上述方法的电子束焊机焊缝示教寻迹系统，由中央控制单元、电子束发生器
电源、聚焦电源、偏扫电源、变送器、电子枪、真空工作室、二次电子收集器、工作台和工作台
驱动电源组成；
中央控制单元：承担整台设备的监测与控制，并配置实现焊缝示教寻迹的程序；焊
缝示教寻迹程序控制偏扫电源的电流使得电子束斑点在焊件上移动，或控制工作台移动使
得焊件相对电子束斑点运动，移动过程同时采集各点二次电子收集器的二次电子信号值，
根据采集到的二次电子信号数据精确定位焊缝轨迹上的特征点；
电子束发生器电源：中央控制单元经电子束发生器电源连接电子枪的电子束发生
器；
聚焦电源：中央控制单元经聚焦电源连接电子枪的聚焦装置；
偏扫电源：中央控制单元经偏扫电源连接电子枪的偏扫装置；在中央控制单元的
控制下，改变偏扫电源x轴或y轴的驱动电流，并使得偏扫装置引导电子束斑点移动；
变送器：接收二次电子收集器信号，通过整形放大送达中央控制单元；
电子枪：产生电子束的装置，在电子枪中由上到下依次同轴分布电子束发生器、聚
焦装置和偏扫装置；
真空工作室：位于电子枪的正下方；
二次电子收集器：安装在真空工作室内部，电子束入口处；二次电子收集器接收电
子束扫描过程产生的二次电子信息，并返回至中央控制单元；
工作台：安装在真空工作室内部，用于支撑焊件；在中央控制单元的控制下，工作
台带动焊件在垂直于电子枪轴线的x-y平面上移动；
工作台驱动电源：中央控制单元经工作台驱动电源连接工作台的电动机。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、建立了一套可量化参数的定位焊缝的方法，以便快速、精确地对焊缝进行示教
寻迹；
2、采用微束示教寻迹，可避免电子束对焊件表面的损伤。
附图说明
图1为电子束焊机焊缝示教寻迹系统的结构示意图。
图2为二次电子与焊缝位置关系图。
图3为基于工作台运动焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法的步骤图。
图4为基于偏扫运动焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法的步骤图。
图中标记：1、中央控制单元；2、电子束发生器电源；3、聚焦电源；4、偏扫电源；5、变
送器；6、电子枪；61、电子束发生器；62、聚焦装置；63、偏扫装置；7、真空工作室；8、二次电子
收集器；9、工作台；10、工作台驱动电源；11、焊件。
具体实施方式
一种电子束焊机焊缝示教寻迹系统，如图1所示，由中央控制单元1、电子束发生器
电源2、聚焦电源3、偏扫电源4、变送器5、电子枪6、真空工作室7、二次电子收集器8、工作台9
和工作台驱动电源10组成。
中央控制单元1：承担整台设备的监测与控制，并配置实现焊缝示教寻迹的程序。
焊缝示教寻迹程序控制偏扫电源4的电流使得电子束斑点在焊件11上移动，或控制工作台9
移动使得焊件11相对电子束斑点运动，移动过程同时采集各点二次电子收集器8的二次电
子信号值，根据采集到的二次电子信号数据精确定位焊缝轨迹上的特征点。
电子束发生器电源2：包括电子束发生器61的阴极加热电源、电子束的加速高压电
源和电子束控制栅偏电源。中央控制单元1经电子束发生器电源2连接电子枪6的电子束发
生器61。
聚焦电源3：提供聚焦装置62中聚焦绕组的驱动电源。中央控制单元1经聚焦电源3
连接电子枪6的聚焦装置62。
偏扫电源4：提供偏扫装置63中x偏扫绕组和y偏扫绕组的驱动电源。中央控制单元
1经偏扫电源4连接电子枪6的偏扫装置63。
变送器5：接收二次电子收集器8信号，通过整形放大送达中央控制单元1。
电子枪6：产生电子束的装置，在电子枪6中由上到下依次同轴分布电子束发生器
61、聚焦装置62和偏扫装置63。
真空工作室7：由25～30mm厚的钢板焊接加工而成，真空工作室7的壁、门及壁、门
上所开的窗和孔都需能耐1个大气压力，同时具备真空密封和防x射线泄漏功能。真空工作
室7位于电子枪6的正下方，其上方开设有电子束入口。
二次电子收集器8：安装在真空工作室7内部，电子束入口处。二次电子收集器8接
收电子束扫描过程产生的二次电子信息。
工作台9：安装在真空工作室7内部，用于支撑焊件11，并带动焊件11运动。工作台9
至少具备垂直于电子枪6轴线的x-y二维运动轴。
工作台驱动电源10：提供工作台9电动机的驱动电源。中央控制单元1经工作台驱
动电源10连接工作台9的电动机。
焊件11：焊件11放置在真空工作室7内，并位于真空工作室7电子束入口正下方及
工作台9的上方。
本发明电子束焊机焊缝示教寻迹的原理如下：
轨迹为二维曲线的焊件11，其焊缝轨迹基本图形有线段和圆弧，各种二维曲线焊
缝轨迹在工艺上均可用一条或多条线段和/或一条或多条圆弧组合逼近。基本图形关联类
型有两线段斜交、两线段平行、两线段垂直、两线段与一圆弧相切、一线段与一圆弧相交、一
线段与一圆弧相交、一线段与一圆弧相切、两圆弧相交、两圆弧相切。根据焊件11焊缝轨迹
图形将其分解为一段或多段相关联的基本图形。
由几何学可以确定决定基本图形的特征点数，即两点决定一直线、三点决定一个
圆。而焊缝轨迹中某基本图形段的特征点数由该基本图形段的类型和与其关联的基本图形
段的类型及关联类型确定，一线段的特征点数小于或等于2，一圆弧的特征点数小于或等于
3。示教寻迹工作的关键是特征点坐标的确定。
电子束加工设备在加速电压稳定于Ua值以及电子束流稳定于Ib值的工况下，电子
束离开电子枪6后射到其飞行路线上的焊件11平面上产生二次电子，二次电子信号值Ie与
焊缝位置的关系如图2所示，如果电子束斑点移动轨迹与焊缝轨迹相交，当电子束斑点落在
焊缝上时，二次电子信号值Ie明显突然变小。检测二次电子信号值Ie明显突然变小区域所对
应的位置坐标中点，即视为焊缝截面中线位置。根据上述原理定位特征点坐标。
实施例1：
上述系统所实现的一种基于工作台运动焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法，如
图3所示，具体包括如下步骤：
第一步：准备工作。
①在真空工作室7内放置好焊件11。
②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪6室及真空工作室7抽气。
③设定参数：加速电压Ua按工作电压要求设定，一般为额定电压；示教电子束流Ib
取值范围0.01～1mA；离散检测移动距离δ取值范围0.01～0.1mm；二次电子信号阈值系数α
取值范围0.2～0.5。
④电子枪6室及真空工作室7真空条件满足后，选择工作台运动示教寻迹工作状
态，启动电子束发生器电源2、聚焦电源3和工作台驱动电源10，进入第二步。
第二步：特征点预定位。
借助光学观察系统，操作工作台9把焊缝待定位特征点移动到电子束斑点附近，记
录工作台9此时的位置坐标(x0，y0)。
第三步：试验确定电子束在焊件11表面上二次电子信号值Ie与焊缝位置关系。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。在待定位
特征点附近操作工作台9中的x轴移动，使得电子束斑点移动轨迹与焊缝轨迹交叉，x轴每移
动一个距离δ，记录一下x轴坐标及对应的二次电子信号值Ie。
第四步：确定特征点坐标。
①计算x轴移动过程各记录点二次电子信号值Ie的平均值Iem，即Iem等于各记录点
二次电子信号值Ie的总和除以记录点数。
②计算二次电子信号阈值Iek，即Iek＝αIem。
③检测二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域为x1～x2，则焊缝特
征点精确坐标为
第五步：定位新特征点坐标。重复第二步到第四步就能确定焊缝各特征点的精确
坐标。根据焊缝的几何形状及尺寸，示教确定焊缝上各特征点的坐标，再由中央控制单元1
编程驱动工作台9运动使得焊件11的完整焊缝轨迹依次通过电子束斑点进行焊接。
实施例2：
上述系统所实现的一种基于工作台运动焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法，如
图3所示，具体包括如下步骤：
第一步：准备工作。
①在真空工作室7内放置好焊件11。
②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪6室及真空工作室7抽气。
③设定参数：加速电压Ua按工作电压要求设定，一般为额定电压；示教电子束流Ib
取值范围0.01～1mA；离散检测移动距离δ取值范围0.01～0.1mm；二次电子信号阈值系数α
取值范围0.2～0.5。
④电子枪6室及真空工作室7真空条件满足后，选择工作台运动示教寻迹工作状
态，启动电子束发生器电源2、聚焦电源3和工作台驱动电源10，进入第二步。
第二步：特征点预定位。
借助光学观察系统，操作工作台9把焊缝待定位特征点移动到电子束斑点附近，记
录工作台9此时的位置坐标(x0，y0)。
第三步：试验确定电子束在焊件11表面上二次电子信号值Ie与焊缝位置关系。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。在待定位
特征点附近操作工作台9中的y轴移动，使得电子束斑点移动轨迹与焊缝轨迹交叉，y轴每移
动一个距离δ，记录一下y轴坐标及对应的二次电子信号值Ie。
第四步：确定特征点坐标。
①计算y轴移动过程各记录点二次电子信号值Ie的平均值Iem，即Iem等于各记录点
二次电子信号值Ie的总和除以记录点数。
②计算二次电子信号阈值Iek，即Iek＝αIem。
③检测二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域为y1～y2，则焊缝特
征点精确坐标为
第五步：定位新特征点坐标。
重复第二步到第四步就能确定焊缝各特征点的精确坐标。根据焊缝的几何形状及
尺寸，示教确定焊缝上各特征点的坐标，再由中央控制单元1编程驱动工作台9运动使得焊
件11的完整焊缝轨迹依次通过电子束斑点进行焊接。
实施例3：
上述系统所实现的一种基于电子束偏扫焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法，如
图4所示，具体包括如下步骤：
第一步：准备工作。
①在真空工作室7内放置好焊件11。
②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪6室及真空工作室7抽气。
③设定参数：加速电压Ua按工作电压要求设定，一般为额定电压；示教电子束流Ib
取值范围0.01～1mA；偏扫电流离散变化步距μ设定为1个偏扫电流数字设定最小分辨率值；
二次电子信号阈值系数β取值范围0.2～0.5。
④电子枪6室及真空工作室7真空条件满足后，选择电子束偏移示教寻迹工作状
态，启动电子束发生器电源2、聚焦电源3和偏扫电源4，进入第二步。
第二步：特征点预定位。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。借助光学
观察系统，调节偏扫电源4电流把电子束斑点移动到焊缝待定位特征点附近，记录电子束斑
点此位置偏扫电源4的电流值(Ix0，Iy0)。
第三步：试验确定电子束在焊件11表面上二次电子信号值Ie与焊缝位置关系。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。在特征点
附近调节偏扫电源4中x轴电流单调变化，使得电子束斑点移动轨迹与焊缝轨迹交叉，x轴偏
扫电源4电流每变化一个μ，记录一下x轴偏扫电源4电流值及对应的二次电子信号值Ie。
第四步：确定焊缝特征点坐标。
①计算x轴偏扫电源4电流变化过程各记录点二次电子信号值Ie的平均值Iem，即Iem
等于各记录点二次电子信号值Ie的总和除以记录点数。
②计算二次电子信号阈值Iek，即Iek＝βIem。
③检测二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域为Ix1～Ix2，则焊缝
特征点偏扫电源4的精确电流为
第五步：确定焊缝新特征点坐标。
重复第二步到第四步就能确定焊缝各特征点偏扫电源4的精确电流。根据焊缝的
几何形状及尺寸，示教确定焊缝上各特征偏扫电源4的电流，再由中央控制单元1编程控制
偏扫装置63使得电子束斑点依次沿着焊件11的完整焊缝轨迹移动进行焊接。
实施例4：
上述系统所实现的一种基于电子束偏扫焊接的电子束焊机焊缝示教寻迹方法，如
图4所示，具体包括如下步骤：
第一步：准备工作。
①在真空工作室7内放置好焊件11。
②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪6室及真空工作室7抽气。
③设定参数：加速电压Ua按工作电压要求设定，一般为额定电压；示教电子束流Ib
取值范围0.01～1mA；偏扫电流离散变化步距μ设定为1个偏扫电流数字设定最小分辨率值；
二次电子信号阈值系数β取值范围0.2～0.5。
④电子枪6室及真空工作室7真空条件满足后，选择电子束偏移示教寻迹工作状
态，启动电子束发生器电源2、聚焦电源3和偏扫电源4，进入第二步。
第二步：特征点预定位。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。借助光学
观察系统，调节偏扫电源4电流把电子束斑点移动到焊缝待定位特征点附近，记录电子束斑
点此位置偏扫电源4的电流值(Ix0，Iy0)。
第三步：试验确定电子束在焊件11表面上二次电子信号值Ie与焊缝位置关系。
加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。在特征点
附近调节偏扫电源4中y轴电流单调变化，使得电子束斑点移动轨迹与焊缝轨迹交叉，y轴偏
扫电源4电流每变化一个μ，记录一下y轴偏扫电源4电流值及对应的二次电子信号值Ie。
第四步：确定焊缝特征点坐标。
①计算x轴偏扫电源4电流变化过程各记录点二次电子信号值Ie的平均值Iem，即Iem
等于各记录点二次电子信号值Ie的总和除以记录点数。
②计算二次电子信号阈值Iek，即Iek＝βIem。
③检测二次电子信号值Ie不大于二次电子信号阈值Iek的区域为Iy1～Iy2，则焊缝
特征点偏扫电源4的精确电流为
第五步：确定焊缝新特征点坐标。
重复第二步到第四步就能确定焊缝各特征点偏扫电源4的精确电流。根据焊缝的
几何形状及尺寸，示教确定焊缝上各特征偏扫电源4的电流，再由中央控制单元1编程控制
偏扫装置63使得电子束斑点依次沿着焊件11的完整焊缝轨迹移动进行焊接。