Page 1
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
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
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
Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate
Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 5
CETAL Overview
Page 5
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate
Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 26
Thanks for your attention :)