Improvement of a CNC Automation Approach in AFM (Atomic Force Microscopy) Probe-Based Machining

Abstract

The main objective of the work presented is the improvement of a Computer Numeric Control (CNC) automatic approach for Atomic Force Microscopy (AFM) probe-based machining. It is split in two different phases corresponding, respectively, to the improvement of the range of tip motions and the study of machining errors in function of the cutting force. In the first part, it is proposed to develop a CAD/CAM approach under LabVIEW™, which will allow an enhanced level of motion control of the stage of the AFM for performing AFM probe-based machining operations, as well as, a higher portability among different AFM instruments. Therefore, several programs in the mentioned software were developed to perform machining tasks alongside different types of complex trajectories. Specially, along curvilinear paths (Bézier curves or polynomial splines), which has not been technically feasible until now. All the programs developed in LabVIEW™ are based on parametric equations, which were improved adding motion laws to enhance its behaviour, namely in terms of smoothness. Some studies were also performed to study a way to translate the numeric signal generated by LabVIEW™ into an analog signal, readable by the nanopositioning table, in Lille, or the AFM, in Cardiff. It was possible to do so, as well as, to send this signal to the nanotable using specific National Instruments™’ devices with BNC connectors. Then, in the second phase of this project, the AFM in Cardiff was used. The machined grooves performed with it were analysed and the data gathered with the photodiode was translated into cutting force (normal and tangential force).This allows the user to find a possible source of errors, so that it is possible to correct them by anticipation. Moreover, the obtained grooves were evaluated in terms of pile-ups formation and in terms of depth and width, according to the load applied.

O objetivo deste trabalho é a melhoria da automação de um processo de maquinagem CNC utilizando um Microscópio de Forças Atómicas (MFA), cuja ferramenta de remoção de material se baseia numa sonda. Este trabalho está dividido em duas fases distintas, sendo estas, a melhoria da gama de movimentos da ponta da sonda (que vai penetrar no material), e o estudo dos erros de maquinagem em função da força de corte aplicada. Na primeira parte deste estudo, é desenvolvida uma abordagem CAD/CAM usando o software LabVIEW™, que permitirá obter um maior nível de controlo sobre o MFA para a realização de tarefas de maquinagem, bem como uma maior portabilidade entre os diferentes instrumentos de forças atómicas existentes. Deste modo, foram realizados vários programas para efetuar trajetórias complexas, em LabVIEW™, especialmente, segundo trajetórias curvilíneas (curvas de Bézier ou curvas polinomiais definidas por dois ou mais nós), o que não tinha sido possível realizar até então. Todos os programas desenvolvidos no software já mencionado são baseados em equações paramétricas, sendo melhorados introduzindo leis de movimento para aperfeiçoar o comportamento do MFA durante a maquinagem, nomeadamente em termos da suavidade do movimento. Foram realizados alguns estudos para permitir fazer a conversão do sinal numérico geral pelo LabVIEW™, para sinal analógico, lido pela mesa nanométrica, em Lille, ou pelo MFA, em Cardiff. Tal tarefa foi possível de concretizar, bem como o envio deste sinal para a mesa nanométrica, usando alguns dispositivos da National Instruments™ com ligações BNC. Na segunda fase deste projeto foi utilizado o MFA, em Cardiff, foram concretizadas simples tarefas de maquinagem (pequenos sulcos), que posteriormente foram analisados. Os dados do processo de maquinagem recolhidos com a ajuda do foto-díodo permitiram mais tarde, calcular a força de corte (normal e tangencial). Esta possibilidade revela-se crucial neste estudo, uma vez que poderá ser possível descobrir uma possível fonte de erros relacionada com estas forças envolvidas no processo de corte e, assim, corrigi-los antecipadamente. Além do que foi acima descrito, os sulcos realizados foram também avaliados em termos da quantidade de material removido, da sua profundidade e largura, relativamente à carga inicialmente aplicada.