+ All Categories
Transcript
Page 1: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3

2

DDISERTATIONISERTATION R RESEARCH ESEARCH SSTATUSTATUS

DDEVELOPING AN EVELOPING AN AAUTOMATED UTOMATED BBEAM EAM AALIGNMENT LIGNMENT SSOLUTION FOROLUTION FOR CETAL BTL CETAL BTL

"POLITEHNICA" UNIVERSITY OF BUCHARESTFACULTY OF APPLIED SCIENCES

MASTER'S PROGRAM: Laser and Accelerator Engineering and Applications

BucharestThe 21st of January 2016

Grad Student:Grad Student:Ing. Mihail-Gabriel BărbuțăIng. Mihail-Gabriel Bărbuță

Coordinator:Coordinator:Prof. Emil-Ioan SlușanschiProf. Emil-Ioan Slușanschi

Page 2: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 3

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Page 3: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 4

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Page 4: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 5

CETAL Overview

Page 5: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 6

CETAL BTL Overview

6 m

3.65 m

11 m

1 m 2.5 m

–––– 1.7 m

Beam Transport Line (BTL):

– 10-5 mbar vacuum, 3.5 m3

– 26 m in total length

– 6 motorized mirrors

– 160 mm FWHMbeam diameter

Page 6: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 7

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Page 7: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8

Problem definition

Current situation:

● Manual alignment takes time, requires two operators

● Beam drift due to pressure differential

Requirements:

● Accurately determine the beam deviation

● Command the mirror motor driver to correct the deviation

● Ability to manually control mirror orientations

Page 8: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 9

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Page 9: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 10

Mirror Positioning

Motion constraints:

● M1-M5 – two-axis (in scope: M1, M2, M3)

● OAP1 – 5-axis (out of scope)

–––– M1

––– M2

M3 ––––––––––––––– –––––– OAP1M4 –––––––––––––––

Page 10: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 11

Mirror design

Design:

● Mirror (310 x 230 x 65 mm)

● Kinematic Mounting Frame

● Mount

● Turning box

Actuators: PI-Micos MP-20

– Travel range: 13 mm

– Max. speed: 0.1 mm/s

– Resolution: 0.1 μm

– Backlash: ±1 μm

Page 11: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 12

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Page 12: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 13

Image processing aquisition:

Topology:

● M1 is aligned using image on M2 (near-field)

● M2, M3 are aligned using image on M4 (far-field)

–––– M1

––– M2

M3 ––––––––––––––– M4 –––––––––––––––

Page 13: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 14

Image processing diagnostics:

Cameras:● Near-field camera on M2: Webcam, 640 x 480 pixels● Far-field camera on M4: Basler 782 x 582 pixels

Page 14: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 15

Image processing near-field processing:

Near-field images:

● With alignment mask

● Without alignment mask

Identified issues:

● Mirror defects (red)

● “High-tech” diffuser mounts (green)

● Noise

● …

Page 15: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 16

Image processing near-field processing:

Identified issues (cont'd):

● Sync issue (purple)

● Clipping (orange)

● Internal reflections (cyan)

Page 16: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 17

Image processing far-field processing:

Far-field images:

● Misaligned

● Aligned

Identified issues:

● Internal reflections

Page 17: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 18

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Page 18: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 19

Automation Milestones:

Milestones:

1) Accurately determine beam deviation

2) Manual motor control with GUI

3) Loop integration

Nice to have:

● NF beam centroid without mask

● Calibrated mirror motion profiles

● Interlock integration

● Scalability

Page 19: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 20

Automation Architecture:

Architecture and integration:

NF CCD Camera

FF CCD CameraBTL Control PC

BTL DB Server

MirrorMotorDriver

BTL Command Station

M1

M2

M3

M4

M5

Page 20: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 21

Automation Application:

Program structure:

Acquire near-field image

Post-processing

Mask shape detect

Display on GUI overlay

Command M1 correction

Acquire far-field image

Post-processing

Display on GUI overlay

Command M2 correction

Command M3 correction

coarse

fine

Append log fileAppend log file

Determine centroid deviation

Determine centre

Page 21: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 22

Automation Development:

Development:

● Python – integration with existing command framework

● Libraries: numpy, scipy, OpenCV, matplotlib

● GUI solution TBD

Page 22: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 23

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Page 23: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 24

Conclusions

● Beam alignment automation is necessary

● Performed requirements and risks analysis

● Designed application architecture and topology

● Proposed solution will use mostly existing infrastructure

Page 24: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 25

Outlook

● Code implementation and integration

● GUI design

● Testing phase and commissioning

● Potential implementation on other mirrors

Page 25: POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8 Problem definition Current situation: Manual alignment takes

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 26

Thanks for your attention :)


Top Related