Научная статья на тему 'ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НАНО-ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ КЕНДРОСКОП'

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НАНО-ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ КЕНДРОСКОП Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
55
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КЕНДРОСКОП / ОСЕВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ГОЛОГРАФИЯ / ПРОЕКТИРОВАНИЕ / ПОЛЕВАЯ ЭМИССИЯ / НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ / АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ / АРДУИНО / ЭНКОДЕР / ПЬЕЗО КЕРАМИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР / ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Антонов Степан Романович

Отображение нанообъектов по сей день остается одной из наиболее трудных и актуальных задач науки и техники. Характерным недостатком существующих методов микроскопии для исследования нанообъектов является отсутствие объемности изображения. Для заполнения этого пробела Санкт-Петербургский государственный университет и Северо-Восточный федеральный университет совместно разрабатывают электронно-голографическую установку для изучения структуры тонких пленок, волокон и макромолекул, работающую в условиях сверхвысокого вакуума. Чтобы получить полную картину исследуемого объекта, используется система грубой и тонкой подвижки. Для получения достоверных и точных данных необходимо повысить точность позиционирования острийного катода относительно исследуемого объекта. Для повышения точности в ходе научной исследовательской работы были созданы чертежи новой тонкой подвижки, создаваемой на основе пьезокерамических трубок серии PT130. Точность грубой подвижки была повышена благодаря использованию абсолютного энкодера M6A2-38F10B-5C-2.5M. Создана функциональная схема для установки Кендроскоп, которая позволила создать программу управления для грубой и тонкой подвижки с обратной связью по оси Z. Программа позволяет управлять процессом в автоматическом и ручном режимах. Благодаря наличию обратной связи по оси Z появилась возможность защиты от протыкания острием исследуемого объекта при приближении и сканировании.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DESIGNING THE NANO-POSITIONING SYSTEM FOR THE KENDROSCOPE

The display of nano objects to this day remains one of the most difficult and urgent tasks of science and technology. The characteristic disadvantages of existing microscopy methods for studying nano objects are the lack of image volume. To fill this gap, together with St. Petersburg State University and Northeastern Federal University, an electron-holographic installation is being developed to study the structure of thin films, fibers and macromolecules, operating under ultra-high vacuum conditions. To get a complete picture of the investigated object, a system of coarse and fine movement is used. In order to obtain reliable and accurate data, it is necessary to improve the accuracy of positioning of the sharp cathode relative to the object under investigation. To improve accuracy, drawings of a new fine movement created on the basis of piezoceramic tubes of the PT130 series were created during scientific research. The accuracy of coarse movement was improved due to the use of the absolute encoder M6A2-38F10B-5C-2.5M. A functional diagram has been created for the Kendroscope installation, which made it possible to create a control program for coarse and fine movement with feedback along the Z axis. The program allows you to control the process automatically and manually. Due to the presence of feedback along the Z axis, it became possible to protect against piercing of the object under study by the tip when approaching and scanning.

Текст научной работы на тему «ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НАНО-ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ КЕНДРОСКОП»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК: 53.086: 620.3: 681.58.8

С. Р. Антонов

Проектирование системы нано-позиционирования для установки Кендроскоп

СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, Россия

Аннотация. Отображение нанообъектов по сей день остается одной из наиболее трудных и актуальных задач науки и техники. Характерным недостатком существующих методов микроскопии для исследования нанообъектов является отсутствие объемности изображения. Для заполнения этого пробела Санкт-Петербургский государственный университет и СевероВосточный федеральный университет совместно разрабатывают электронно-голографическую установку для изучения структуры тонких пленок, волокон и макромолекул, работающую в условиях сверхвысокого вакуума. Чтобы получить полную картину исследуемого объекта, используется система грубой и тонкой подвижки. Для получения достоверных и точных данных необходимо повысить точность позиционирования острийного катода относительно исследуемого объекта. Для повышения точности в ходе научной исследовательской работы были созданы чертежи новой тонкой подвижки, создаваемой на основе пьезокерамических трубок серии РТ130. Точность грубой подвижки была повышена благодаря использованию абсолютного энкодера М6А2-38F10B-5C-2.5M. Создана функциональная схема для установки Кендроскоп, которая позволила создать программу управления для грубой и тонкой подвижки с обратной связью по оси Z. Программа позволяет управлять процессом в автоматическом и ручном режимах. Благодаря наличию обратной связи по оси Z появилась возможность защиты от протыкания острием исследуемого объекта при приближении и сканировании.

Ключевые слова: Кендроскоп, осевая электронная голография, проектирование, полевая эмиссия, нанопозиционирование, автоматизация измерительной установки, Ардуино, энкодер, пьезо керамический актюатор, программирование.

DOI 10.255877SVFU.2022.53.69.003

АНТОНОВ Степан Романович - к. ф.-м. н., доцент кафедры радиофизики и электронных систем ФТИ, СВФУ им. М.К. Аммосова. E-mail: nstiven@mail.ru

ANTONOV Stepan Romanovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Radiophysics and Electronic Systems Institute of Physics and Technologies, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education M.K. Ammosov North-Eastern Federal University.

S. R. Antonov

Designing the nano-positioning system for the Kendroscope

M.K. Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia

Abstract. The display of nano objects to this day remains one of the most difficult and urgent tasks of science and technology. The characteristic disadvantages of existing microscopy methods for studying nano objects are the lack of image volume. To fill this gap, together with St. Petersburg State University and Northeastern Federal University, an electron-holographic installation is being developed to study the structure of thin films, fibers and macromolecules, operating under ultra-high vacuum conditions. To get a complete picture of the investigated object, a system of coarse and fine movement is used. In order to obtain reliable and accurate data, it is necessary to improve the accuracy of positioning of the sharp cathode relative to the object under investigation. To improve accuracy, drawings of a new fine movement created on the basis of piezoceramic tubes of the PT130 series were created during scientific research. The accuracy of coarse movement was improved due to the use of the absolute encoder M6A2-38F10B-5C-2.5M. A functional diagram has been created for the Kendroscope installation, which made it possible to create a control program for coarse and fine movement with feedback along the Z axis. The program allows you to control the process automatically and manually. Due to the presence of feedback along the Z axis, it became possible to protect against piercing of the object under study by the tip when approaching and scanning.

Keywords: Kendroscope, design, nanopositioning, automation of the measuring device, Arduino, piezoelectric actuator.

Введение

Отображение нанообъектов по сей день остается одной из наиболее трудных и актуальных задач науки и техники. Характерным недостатком существующих методов микроскопии для исследования нанообъектов является отсутствие объемности изображения. Для заполнения этого пробела совместно с Санкт-Петербургским государственным университетом и Северо-Восточным федеральным университетом разрабатывается электронно-голографическая установка для изучения структуры тонких пленок, волокон и макромолекул.

Для получения изображения исследуемого объекта в Кендроскопе используется безлинзовый низкоэнергетический проекционный метод для осевой электронной голографии [1]. Для регистрации очень слабых электронных пучков в камере внутри Кендроскопа должно соблюдаться условие сверхвысокого вакуума. Чтобы получить полную картину исследуемого объекта используется система грубой и тонкой подвижки.

Повышение точности позиционирования на данный момент является актуальной проблемой. Традиционные электромеханические системы упираются в целый ряд трудностей для решения данной проблемы. Эти проблемы возникают из-за необходимости микро- и наноперемещений в сверхвысоком вакууме. Такие устройства, как электромагнитные, пьезоэлектрические, магнитострикционные и тепловые

преобразовательные позволяют преодолеть многие недостатки традиционных исполнительных устройств, используемых в атмосферном давлении. По анализу литературы лидирующую позицию, обгоняя все остальные типы устройств, занимают пьезокерамические актюаторы [2]. Их преимущество в энергосбережении, миниатюризации и простоте подключения к компьютерным системам управления по сравнению с другими устройствами того же типа. Из-за популярности пьезокерамических актюаторов накладываются серьезные требования на производителей данных устройств в пользу улучшения свойств и характеристик пьезокерамических актюаторов и повышения стабильности этих устройств [3].

Целью работы является разработка системы нанопозиционирования для сверхвысоковакуумной установки Кендроскоп. В ходе выполнения работы разрабатывается механизм тонкой подвижки для системы нанопозиционирования и создаются программы для управления системы микро и нанопозиционирования с обратной связью по оси 2.

Материалы и методы исследования

Установка Кендроскоп

Кендроскоп - это экспериментальный электронный проектор на базе малогабаритной сверхвысоковакуумной камеры. Имеет точечный высококогерентный источник электронов, систему микро- и нанопозиционирования и регистрирующую систему. Электронным источником является полевой наноострийный катод. Для регистрации сверхслабых интерференционных сигналов используется детектор открытого типа, выполненный на основе микроканальной пластины (МКП) и люминесцентного экрана, называемый координатно-чувствительным детектором (КЧД). От величины разрешения КЧД будет зависеть конечное увеличение нанообъекта микроскопом. Для стабильной и безопасной работы КЧД используются высокоточные источники питания со встроенной защитой по току на основе микроконтроллерного управления.

В последние десятилетия для научных целей был разработан ряд детектирующих устройств, в которых выходной сигнал несет информацию о месте попадания в детектор частицы или кванта, вызвавших этот сигнал, - так называемые координатно-чувствительные детекторы (КЧД). Для целей эксперимента по специальному заказу был разработан и изготовлен МКП детектор открытого типа с люминесцентным экраном. Основными элементами устройства является МКП и экран. В конструкцию входят МКП 56-15 с внешним диаметром 56 мм, диаметром канала 15 микрон и люминесцентный экран желто-зеленого свечения. Экран изготовлен из волоконно-оптического стекла с нанесением люминофора [4].

Результатом проведенного исследования является интерференционная картина, формирующаяся на экране КЧД. Формирование этого изображения происходит при прохождении электронного луча через исследуемый объект. Небольшая часть электронного пучка взаимодействует с объектом, а остальная преобладающая часть пучка попадает на экран в виде нерассеянной волны. На экране наложение этих волн предстает в виде типичной голографической картины, которая содержит полную информацию об объекте. Математическая реконструкция такой картины дает трехмерное изображение объекта [5].

Результаты

На создаваемой установке в последние годы получены теневые изображения тонких пленок серебра [6], оптимальная толщина которых была рассчитана в 2014 г. [7]. Но для получения более точных данных необходимо повысить точность приближения и осуществить автоматическую защиту от возможного протыкания острием исследуемого объекта во время приближения и измерений. Для этого проводится модернизация установки и создание новых улучшенных систем приближения. Первым шагом к

Рис. 1. Упрощенная схема Кендроскопа

достижению цели является автоматизация системы грубой подвижки. На рис. 1. представлена упрощенная схема Кендроскопа. Внутри камеры Кендроскопа находится острийный катод, который перемещается только по оси Z, то есть вверх или вниз. Перемещение по оси Z будет осуществляться с помощью шаговых двигателей, которые находятся вне вакуумной камеры. Исследуемый образец фиксируется на специальной подложке, которая может перемещаться по осям X, Y, Z. Движения платформы, то есть подложки, на котором закреплен исследуемый образец, будет осуществляться пьезокерамическими актюаторами. Как видно из рис. 1, система подвижки состоит из двух ступеней, грубой и тонкой. Такой подход обоснован из-за сложности реализации в сверхвысоком вакууме системы позиционирования в микрометровом диапазоне, который состоит из шаговых двигателей. Двухступенчатая система приближения позволяет достичь очень точного позиционирования вплоть до нанометрового диапазона.

Система грубой подвижки

Первая ступень называется грубой подвижкой и имеет максимальную точность позиционирования в микрометрах. Такая точность достигается с помощью микрометрического винта. Винт крепится к шаговому двигателю через редуктор. Редуктор увеличивает крутящий момент двигателя, из-за большой разницы давления между двумя средами образуется большая нагрузка на двигатели.

Управление тонкой и грубой подвижкой осуществляется через микроконтроллер Arduino Mega.

На первой ступени позиционирования грубая подвижка управляет шаговыми двигателями по оси Z через драйвер. Драйвер позволяет установить связь между микроконтроллером и шаговыми двигателями, так как напряжения на выводах микроконтроллера 5 В не хватает на работу шаговых двигателей. Драйвер питается с отдельного блока питания на 12 В.

Движение системой грубой подвижки будет осуществляться шаговыми двигателями (ШД) ПБМГ 200-265 [8]. Один оборот двигателя составляет 200 шагов на 360 градусов. Редуктор позволяет нивелировать огромные нагрузки во время движения ШД из-за сверхвысокого вакуума. И дополнительно увеличивает количество шагов ШД

Передаточное соотношение редуктора равно 1/137. Управление ШД осуществляется драйвером через микроконтроллер Arduino.

Программа для грубой подвижки одновременно управляет двумя ШД. Для вращения ШД микроконтроллер Arduino подает на выводы ШИМ (широтно-импульсного модулятора) импульсы с длительностью 1 мс. Один шаг для ШД равен 1 поданному импульсу.

В системе грубой подвижки вращающееся движение ШД преобразовано в линейное движение с помощью микрометрического винта 9SM127M. Он позволяет достичь точности позиционирования от 10 до 0,5 мкм. Чувствительность данного микрометрического винта способствует более плавному движению по оси Z, которая осуществляется с помощью шагового двигателя. А удерживаемый вес - при давлении вдоль оси винта, который составляет 50 Н, хорошо удерживает разницу давления между вакуумом и нормальным атмосферным давлением.

Шаговой двигатель имеет недостаток, называемый резонансом. Этот эффект проявляется из-за падения момента вращения на некоторых скоростях. В следствие этого могут быть пропущены шаги и теряется синхронность работы двигателей. Эффект обнаруживается в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой двигателя.

Для решения этой проблемы используется абсолютный энкодер. Абсолютный энкодер (АЭ) регистрирует пропуски шагов. Использование АЭ совместно с ШД позволяет создать обратную связь. Вследствие этого исключается ошибка в позиционировании для грубой подвижки.

Абсолютный энкодер также решает проблему с сохранением начальной точки старта для шагового двигателя. На программном уровне достичь этого довольно сложная задача. Так как ПЗУ микроконтроллера сразу стирается после выключения питания. А использование энергонезависимой памяти создает новые проблемы. Отличие абсолютного энкодера от других видов энкодера состоит в запоминании своего положения ротора независимо от питания. Это достигается с помощью специальных двоичных кодов на каждое деление ротора. Примером может послужить код Грея [9].

Подключение абсолютного энкодера осуществляется через интерфейс RS-485. Для подключения АЭ к микроконтроллеру используется SSI интерфейс. Таким образом, осуществляется быстрая передача данных между микроконтроллером и абсолютным энкодером. В нашем случае микроконтроллер - это ведущее устройство (master), а абсолютный энкодер - ведомое устройство (slave).

Абсолютный энкодер M6A2-38F10B-5C-2.5M имеет 5 выводов для подключения к микроконтроллеру. Первый вывод, который имеет красный цвет на проводе - это вывод питания +5В для питания абсолютного энкодера через микроконтроллер. Второй вывод (черная проводка) - это общая земля GND. Третий вывод (черная проводка) называется CS, этот протокол позволяет выбирать, к какому ведомому устройству должно обращаться ведущее устройство путем адресации каждого ведомого устройства. Четвертый вывод (зеленая проводка) CLK - это тактовые импульсы, которые строго генерируются ведущим устройством (master) к ведомым (slave). Пятый вывод (белая проводка) DAT -это полудуплексный каскад, который в зависимости от передачи данных меняет свое значение от MOSI (master output slave input) до MISO (master input slave output) и наоборот. Передача данных в данном случае производится только в одном направлении, а потом после этого может менять направление передачи данных. То есть невозможна одновременная передача данных в обоих направлениях.

Система тонкой подвижки

Вторая ступень называется тонкой подвижкой и имеет максимальную точность позиционирования по оси X, Y, Z в нанометровом диапазоне. Для достижения таких точностей используются пьезоактюаторы (пьезотрубки).

Для предотвращения пробоя при закреплении в установке между пьезоэлементом и корпусом используются керамические вкладки. Управление пьезоэлементами осуществляется через систему согласования. Согласование производится между напряжениями микроконтроллера 5 В и пьезоэлемента. Микроконтроллер подключается к источнику питания, тем самым осуществляется управление пьезотрубками. Через систему согласования измеряются ток и напряжение, подаваемые источником питания к пьезотрубкам. Это позволяет контролировать движение пьезотрубок по оси X, Y и Z.

Движение по оси X, Y и Z для тонкой подвижки осуществляется пьезокерамическими трубками серии PT130 [10].

Для управления пьезокерамическими трубками необходимо рабочее напряжение не менее 500 В. Такие напряжения невозможно получить из обычных блоков питания. Для получения таких напряжений используются высоковольтные (ВВ) источники питания, которые могут генерировать напряжение до нескольких киловольт. Таким образом, управление пьезокерамическими трубками будет осуществляться через ВВ источник питания. А микроконтроллер через систему согласования будет управлять ВВ источником питания. Для управления пьезокерамическими трубками будет использован высоковольтный источник питания серии HVL. Регулируемые прецизионные высоковольтные источники питания серии HVL предназначены для обеспечения питания высокочувствительных датчиков света (лавинные фотодиоды, ФЭУ, МКП), ионов (ЭУ), поджига плазмы, магнетронов и т. д. Представленный источник высокого напряжения обладает сверхмалыми выходными шумами, хорошим коэффициентом регуляции и высокими массогабаритными показателями, что позволяет производить измерения сверхмалых физических величин с высокой точностью. Высокие характеристики позволяют отнести данные высоковольтные блоки питания к классу исследовательских. Источники имеют встроенную защиту от перегрева, короткого замыкания, дуги и перегрузки. Серия высоковольтных DC/DC преобразователей HVL - это регулируемые от 0 до номинального напряжения однополярные источники, с выходной мощностью до 5 Вт. Источники выполнены в виде герметичных компактных блоков, залитых компаундом. Управление ВВ источником питания будет осуществляться через аналоговые входы Arduino Mega. Рабочее напряжение управляющих выводов Arduino Mega составляет 5 В.

Конструкция системы нанопозиционирования

Для системы нанопозиционирования были разработаны чертежи на программе SketchUp 2017. Разработка чертежей осуществлялась только для тонкой подвижки, так как для грубой подвижки не потребуется создавать новые конструкционные детали. Детали для тонкой подвижки должны быть созданы из нержавеющей стали. В сверхвысоком вакууме обычная сталь или не бескислородные металлы испускают кислород, что не позволяет получить вакуум нужной чистоты.

Конструкция для тонкой подвижки состоит из нескольких деталей, которые двигаются по осям X, Y и Z. Основание конструкции (рис. 2) для тонкой подвижки служит для надежного крепления всех остальных деталей внутри установки. Через среднее отверстие с диаметром 25 мм будут проходить электронные пучки.

Перемещение по оси Z выполняет нижняя платформа (рис. 3), а перемещение по оси X, Y выполняет верхняя платформа. Закрепление пьезоэлементов по оси X и Y осуществляется пружинами из нержавеющей стали, которые служат и возвратной системой при сокращении размеров пьезотрубки.

Деталь номер два, которая изображена на рис. 4, служит для крепления пьезо-элементов, которые двигаются по оси X и Y. Деталь под номером три связан с деталью номер два, которая фиксирует пьезоэлементы. Деталь номер четыре будет находиться между нижней платформой и верхней. Эта деталь служит для создания скольжения, чтобы движение по оси X и Y было плавным. Скольжение верхней платформы

Рис. 2. Основание для тонкой подвижки

Рис. 3. Нижняя платформа для перемещения по оси Ъ

Рис. 4. Внутренние конструкционные компоненты

Рис. 5. Платформа для перемещения по оси X и Y

обеспечивают шарики из подшипника, так как в сверхвысоком вакууме силы трения резко возрастают, что вызывает ряд проблем со скольжением. А шарики из подшипника имеют малую площадь соприкосновения с поверхностью платформой перемещения по оси X и ^

Верхняя платформа, которая называется платформой для перемещения по оси X и Y, изображена на рис. 5. Отверстие по середине детали обеспечивает свободный поток

Рис. 6. Компонент для крепления пьезо-трубок по оси X и Y

электронов между катодом и исследуемым образцом, что позволяет КЧД регистрировать интерференционную картинку исследуемого образца. Малые отверстия служат для надежного крепления винтами компонента для фиксации пьезокерамических актюаторов.

На рис. 6 изображена деталь, которая будет осуществлять движение по оси X и Y. Деталь № 6 крепится к детали № 5. По оси X и Y находятся два сплошных отверстия с резьбой и посередине находится отверстие для фиксации пьезокерамических актюаторов по своим осям. Два сквозных отверстия служат для крепления пружин, что позволяет свободно двигаться по своим осям, при этом не давая пьезокерамическим актюаторам выйти из положения фиксации.

Следующим шагом проектирования является создание управления электромеханическими устройствами установки.

Программная реализация системы позиционирования

Для создания управляющей программы необходимо создать функциональную схему установки. Она позволяет визуализировать все исполнительные устройства, которыми необходимо управлять с помощью программы.

Функциональная схема системы позиционирования, представленная на рис. 7, описывает общую картину подключения всех работающих элементов. Главным управляющим звеном в функциональной схеме является микроконтроллер Arduino Mega. К нему подключаются две подфункциональные схемы, такие как схема для грубой и тонкой подвижки. Драйвера для ШД питаются с блока питания на 12 В. А питание абсолютных энкодеров производится через напряжение микроконтроллера на 5 В. Для тонкой подвижки пьезокерамические актюаторы питаются через высоковольтные блоки питания на 1000 В. Управление пьезоактюаторами через высоковольтные блоки питания производится через ШИМ вывод микроконтроллера. В данном высоковольтном

Рис. 7. Функциональная схема системы нанопозиционирования

блоке питания имеется специальный вывод управления на 5 В, что позволяет напрямую подключить микроконтроллер к блоку питания. Для измерения напряжения на высоковольтном источнике питания имеется вывод на 50 В. Чтобы подключить вывод на 50 В к аналоговым входам микроконтроллера, нужно уменьшить напряжение до 5 В. Это достигается через делители напряжения, которые осуществляют понижение напряжения с 50 В на 5 В.

Программа управления системой нанопозиционирования разделена на две части. В самом начале программы будет инициализирована программа для грубой подвижки, которая управляет шаговыми двигателями. После успешного приближения катода к исследуемому образцу программа для грубой подвижки завершает свою работу и начинается работа программы для тонкой подвижки. Тонкая подвижка будет манипулировать сразу несколькими пьезоэлементами, так как позиционирование для тонкой подвижки будет вестись одновременно на трех осях. После того как программа получит команду завершения работы, происходит инициализация программы отката катода на начальное положение. Все движения по трем осям запоминаются на отдельно выделенную ячейку памяти, чтобы инициализировать программу отката на начальное положение.

Управление шаговыми двигателями производится в двух режимах. Для определения рабочего расстояния между катодом и образцом вводится ток допустимое, что позволит программе остановить работу программы грубой подвижки при достижении рабочей области между катодом и образцом.

Автоматический режим - суть работы автоматического режима заключается в движении катода по оси z до микрометрического расстояния между катодом и исследуемым объектом. Из-за высокой разницы давления между сверхвысоким вакуумом и внешней средой нагрузка на шаговые двигатели очень большая. Чтобы уменьшить влияние

Рис. 8. Блок схема программы грубой подвижки

пропуска шагов, движение на ШД будет контролироваться абсолютным энкодером, что позволит выявить различные внештатные ситуации. При заклинивании двигателя программа автоматически остановит работу программы и выдаст через com порт сообщение об ошибке.

Ручной режим - это прямое управление движениями шаговых двигателей с помощью определенных команд с терминала управления. Ручной режим позволяет корректировать рабочее расстояние между катодом и исследуемым образцом. Так как ток допустимое может иметь различные значения из-за свойств самого исследуемого образца.

Алгоритм управления шаговыми двигателями представлен в виде блок-схемы. Составление блок-схемы позволяет создать общую идею программы и соответственно ее можно перевести на любой известный язык программирования, в том числе и на язык Arduino (wiring).

На рис. 8 представлена блок-схема программы для грубой подвижки.

Рис. 9. Блок-схема программы грубой подвижки

Скорость передачи данных 115200 бит/с (бод). Это обеспечивает высокую скорость реагирования программы на внештатные ситуации. Например, обратная связь для шагового двигателя обеспечивает абсолютный энкодер. При пропуске шагов ШД программа мгновенно останавливает работу движения грубой подвижки путем сравнивания данных с энкодера и программного вычисления на количество сделанных шагов шаговым двигателем.

Управление пьезоактюаторами производится через систему согласования с микроконтроллера. Пьезоактюаторы через систему согласования подключены к ВВ источнику питания. Управление пьезоактюаторами будет осуществляться через ВВ источники питания, которые, в свою очередь, будут подключены к ШИМ выводам Arduino Mega через систему согласования. Разрядность ШИМ выводов у микроконтроллера Atmega составляет 8 бит, то есть имеет значение 255 единиц. А для управления пьезоактюаторами потребуется разрядность 10 бит. Это достигается с помощью изменения регистра таймера в микроконтроллере программными средствами.

После того как программа получила команду на завершение работы для грубой подвижки, происходит инициализация программы для тонкой подвижки (ТП) (рис. 9).

В начале программы вводится значение допустимого тока, которое будет использоваться в качестве константы для обратной связи. Следующим шагом является выбор варианта работы ТП. Количество вариантов работы равно трем. Первый вариант - это ручной ввод количества максимального шага. Второй вариант - это максимальное количество шагов, равное 500. При выборе третьего варианта количество шагов равно 1000. Для начала движения необходимо выбрать направления движения, и при каждом шаге для безопасности производится проверка величины тока с острия на превышение допустимого тока. Во время движения по оси X или Y осуществляется работа обратной связи для контроля расстояния между исследуемым образцом и источником электронов. Благодаря этому сохраняется одинаковое расстояние по оси 2. После ввода команды на завершение работы система возвращается в начальное положение. На этом заканчивается управление системой позиционирования.

Заключение

В ходе работы были разработаны чертежи для тонкой подвижки из нержавеющей стали и создана программа для грубой и тонкой подвижки с обратной связью по оси 2 для тонкой и грубой подвижки.

Программа прошла тестирование и готова к работе. Тестирование программы грубой подвижки прошло успешно. А тестирование программы для тонкой подвижки проходило на макетах, которые симулируют пьезокерамические актюаторы.

Благодаря новой улучшенной конструкции тонкой подвижки и использованию абсолютного энкодера и добавления системы обратной связи по 2 надеемся увеличить точность позиционирования и уменьшить вероятность повреждения исследуемого объекта путем протыкания во время приближения на заданное расстояние и во время проведения исследования.

В дальнейшем созданная конструкция тонкой подвижки и программа управления для позиционирования будет внедрена на разрабатываемую установку Кендроскоп.

Л и т е р а т у р а

1. Егоров, Н. В. Безлинзовый низкоэнергетический проекционный микроскоп для осевой электронной голографии (кендроскоп) / Н. В. Егоров, Л. И. Антонова, П. С. Татаринов [и др].

- Текст: непосредственный // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исследования. - 2000.

- № 5. - С. 157.

2. Панич, А. Е. Пьезокерамические актюаторы / А. Е. Панич. - Ростов на Дону : РГУ, 2008.

- 159 с. - Текст: непосредственный.

3. Бобцов, А. А. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений / А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров [и др]. - Санкт-Петербург : Санкт-Петербург ИТМО, 2011. - 131 с. - Текст: непосредственный.

4. Егоров, Н. В. Исследование оптимальных условий работы вакуумного голографического микроскопа / Н. В. Егоров, А. Ю. Гилева, Л. И. [и др.] - Текст: непосредственный // Поверхность. Рентген. синхротрон. и нейтрон. исследования. - 2017. - № 4. - С. 71-73.

5. Карпов, А. Г. Численное восстановление голографических изображений для исследования структуры тонких пленок / А. Г. Карпов, А. Г. Федоров - Текст: непосредственный // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 10 : Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. - 2011. - Вып. 2. - С. 76-80.

6. Егоров, Н. В. Теоретическая и экспериментальная оценки электрических параметров голографического микроскопа / Н. В. Егоров, Л. И. Антонова, А. Г. Карпов [и др]. - Текст: непосредственный // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исследования. - 2020. - № 10.

- С. 79-84.

7. Егоров, Н. В. Исследование электрофизических параметров голографического микроскопа / Н. В. Егоров, В. В. Трофимов, С. Р. Антонов [и др]. - Текст: непосредственный // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтрон. исследования. - 2014. - № 8. - С. 14-17.

8. Шаговый двигатель ПБМГ 200 265 - Характеристики. URL: http://libixur.ru/2012/11/shagovyj-dvigatel-pbmg-200-265-harakteristiki/ . - Текст: электронный.

9. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. - Москва : Мир, 1989. - 199 с.

- Текст: непосредственный.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10. Пьезокерамические трубки-актуаторы PT120, PT130, PT140. - URL: http://www.rusnanonet.ru/ equipment/pt120_pt130_pt140/. - Текст: электронный.

R e f e r e n c e s

1. Egorov, N. V. Bezlinzovyj nizkoenergeticheskij proekcionnyj mikroskop dlya osevoj elektronnoj golografii (kendroskop) / N. V. Egorov, L. I. Antonova, P. S. Tatarinov [i dr]. - Tekst: neposredstvennyj // Poverhnost'. Rentgen., sinhrotron. i nejtron. issledovaniya. - 2000. - № 5. - S. 157.

2. Panich, A. E. P'ezokeramicheskie aktyuatory / A. E. Panich. - Rostov na Donu : RGU, 2008.

- 159 s. - Tekst: neposredstvennyj.

3. Bobcov, A. A. Ispolnitel'nye ustrojstva i sistemy dlya mikroperemeshchenij / A. A. Bobcov, V. I. Bojkov, S. V. Bystrov [i dr]. - Sankt-Peterburg : Sankt-Peterburg ITMO, 2011. - 131 s. - Tekst: neposredstvennyj.

4. Egorov, N. V. Issledovanie optimal'nyh uslovij raboty vakuumnogo golograficheskogo mikroskopa / N. V. Egorov, A. Yu. Gileva, L. I. [i dr.] - Tekst: neposredstvennyj // Poverhnost'. Rentgen. sinhrotron. i nejtron. issledovaniya. - 2017. - № 4. - S. 71-73.

5. Karpov, A. G. CHislennoe vosstanovlenie golograficheskih izobrazhenij dlya issledovaniya struktury tonkih plenok / A. G. Karpov, A. G. Fedorov - Tekst: neposredstvennyj // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 10 : Prikladnaya matematika. Informatika. Processy upravleniya. - 2011. - Vyp. 2.

- S. 76-80.

6. Egorov, N. V. Teoreticheskaya i eksperimental'naya ocenki elektricheskih parametrov golograficheskogo mikroskopa / N. V. Egorov, L. I. Antonova, A. G. Karpov [i dr]. - Tekst: neposredstvennyj // Poverhnost'. Rentgen., sinhrotron. i nejtron. issledovaniya. - 2020. - № 10. - S. 79-84.

7. Egorov, N. V. Issledovanie elektrofizicheskih parametrov golograficheskogo mikroskopa / N. V. Egorov, V. V. Trofimov, S. R. Antonov [i dr]. - Tekst: neposredstvennyj // Poverhnost'. Rentgen., sinhrotron. i nejtron. issledovaniya. - 2014. - № 8. - S. 14-17.

8. Shagovyj dvigatel' PBMG 200 265 - Harakteristiki. - URL: http://libixur.ru/2012/11/shagovyj-dvigatel-pbmg-200-265-harakteristiki/ . - Tekst: elektronnyj.

9. Vigleb, G. Datchiki. Ustrojstvo i primenenie / G. Vigleb. - Moskva : Mir, 1989. - 199 s. - Tekst: neposredstvennyj.

10. P'ezokeramicheskie trubki-aktuatory PT120, PT130, PT140. - URL: http://www.rusnanonet.ru/ equipment/pt120_pt130_pt140/. - Tekst: elektronnyj.

^iMSr^Sr

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.