Интеграција со ласерски вид за модерни апликации

Повеќето луѓе мислат дека ласерските глетки се само за огнено оружје, но технологијата се прошири многу подалеку од тој првичен пазар. Работиме со ласерски системи за нишане од 2019 година, а апликациите продолжуваат да се прошируваат во индустриски, медицински и роботички сектори каде прецизноста е важна.

Основниот принцип не е многу променет - вие проектирате видлив или IR зрак што означува каде нешто ќе удри или каде ќе се вклучи алатката. Но, извршувањето брзо се комплицира кога ќе ги земете предвид опциите за монтирање, барањата за енергија и условите на околината.

Crimson Trace ја објави својата серија Rail Master уште во 2018 година, а тие единици можеа да се справат со удар од 1000G. Тие спецификации станаа репер за индустриско монтирање бидејќи ако преживее одвратно огнено оружје, ќе се справи со повеќето средини со вибрации во производството. Моделот RM-110 имаше малопродажба од околу 280 долари (цена на crimsontrace.com од 2020 година), што беше стрмно, но ви даде црвен ласер од 5 mW кој остана нула по повторените удари.

За работа со склопување, ја тестиравме серијата TLR на Streamlight заедно со некои поевтини опции од странските производители. Температурниот нанос беше убиствен - единици кои чинат под 50 долари ќе ја поместат својата цел за 3-4 инчи на 20 стапки кога се движат од 60 степени F до 95 степени F на температурите на подот во продавницата. Единиците Streamlight (околу 180-220 долари во зависност од моделот) држат нула на 0,5 инчи низ тој опсег според нашето тестирање на клупата во летото 2021 година.

Сепак, не секогаш ви треба тоа ниво на стабилност. Целосно зависи од она што го правите.

Laser Sight

Ова станува чудно бидејќи склопувањето на медицинските уреди често бара ласери од класа 2 (излез под 1 mW според прописите на FDA - accessdata.fda.gov ги има целосните класификации), но потребна е точност на позиционирање под 0,1 mm на работни растојанија од 300-500 mm. Coherent Inc. прави ласерски модули кои ги исполнуваат тие спецификации - нивната серија CUBE чини околу 400-600 долари по единица во зависност од брановата должина и излезната моќност.

Минатата година интегриравме црвени ласери од 635 nm во системот за склопување на катетер. Брановата должина е повеќе важна отколку што луѓето сфаќаат - 635nm се појавува многу подобро од 650 nm при типично флуоресцентно осветлување, нешто како 4 пати повидливо според техничката документација на Laserex. Разликата во трошоците е можеби 15-20%, но вреди кога операторите го користат системот за усогласување за 8-часовни смени.

Зелените ласери (обично 532 nm) се уште повидливи за човечките очи, приближно 5 пати повеќе од црвените со иста излезна моќност. Но, тие чинат повеќе и ги јадат батериите побрзо. Го мериме исцрпувањето на струјата на зелен модул од 5 mW на 180 mA наспроти 120 mA за еквивалентен црвен излез. За рачни алатки што се важни. За фиксни инсталации со моќност на ѕид, користете зелена боја ако дозволува буџетот.

ABB Robotics започна со интегрирање на ласерски покажувачи во нивната серија IRB околу 2017 година за операции со приврзоци. На техничарите им олесни да ги визуелизираат патеките на роботите без да работат во живо. Ласерските модули што ги користеа не беа ништо фенси - во основа препакувани комерцијални единици со подобра монтажа на удари и куќишта со оцена IP67.

Fanuc зазеде поинаков пристап со нивните колаборативни роботи CRX, ставајќи го ласерскиот емитер во прирабницата на алатот и користејќи го за визуелизација на безбедносната зона. Нивниот систем проектира точка со дијаметар од 10-15 mm што се движи со крајниот ефектор. Потрошувачката на енергија работи околу 2W континуирано, што излегува директно од буџетот за напојување на алатот. Треба да го земете предвид тоа кога ги специфицирате држачите или другите крајни ефектори.

Universal Robots не вклучува стандардни ласерски нишани, но нивниот UR+ екосистем има неколку- опции од трети страни. Robotiq Wrist Camera понекогаш се поврзува со коаксијален ласер за мерење на длабочина, иако тоа е навлегување во структурирана светлосна територија наместо едноставно нишанење.

Нивоата на градежните ласери се сосема друга категорија, но вреди да се спомене. Серијата GLL на Bosch и DW088 на Dewalt користат ласери од класа 2 и проектни линии наместо точки. DW088 чини околу 150 долари и фрла нормални линии прецизни до ± 1/8 инчи на 30 стапки (спецификациски лист на dewalt.com). Овие работи станаа доволно евтини што се појавуваат во мали продавници за работа со распоред.

Пресметките на траењето на батеријата стануваат неуредни бидејќи ефикасноста на ласерската диода варира во зависност од температурата. Типична црвена ласерска диода може да биде 15-20% ефикасна, што значи дека 80-85% од влезната моќност станува топлина. Затоа, на инсталациите со континуирана работа им треба потопување на топлина дури и за модули со мала моќност.

Измеривме црвен ласерски модул од 5 mW што влече 90 mA на 3,3 V - што е околу 300 mW влез за излез од 5 mW, што значи приближно 17% ефикасност. Исклучувањето на батеријата CR123A (капацитет од 1500 mAh на 3V) ви дава теоретско време на работа од 16-17 часа, но во пракса ќе видите повеќе од 12-14 часа бидејќи напонот на батеријата паѓа под оптоварување.

Самата монтажа предизвикува половина од проблемите што ги гледаме кај теренските инсталации. Дупките за монтирање М3 се стандардни, но длабочината на конецот варира помеѓу производителите. Некои кинески модули специфицираат нишки M3x0.5 на длабочина од 4 мм, други одат до 6 мм. Звучи тривијално, но кога се обидувате да се монтирате низ алуминиумска плоча од 3 мм со соодветно заглавување на конецот, таа разлика од 2 мм одредува дали можете да користите стандардна завртка или ви треба прилагоден хардвер.

Surefire користи комерцијален систем за грабеж на шините на нивните светла за оружје X400, кој исто така работи одлично за индустриска монтажа на истиснување на алуминиумски слот T-. Силата на стегање е прилагодлива и не се потпира на вртежниот момент на конецот, што помага да се одржи нула во средини со високи-вибрации. Единиците чинат околу 600 долари, но траат вечно. Работиме од 2018 година со нула одржување, освен замена на батерии.

Laser Sight

IR ласерите (обично бранови должини од 850 nm или 940 nm) се појавуваат на сензорите на камерата, но не и на човечките очи. Корисно за апликации за машинско гледање каде што не сакате видлива светлина да ги попречува линиите на видот на операторот. Edmund Optics продава модули од 850 nm околу 200-300 долари кои се комбинираат со стандардни индустриски камери. Камерите од серијата Basler ace имаат добра чувствителност во тој опсег - нивниот модел acA1920-40gm покажува 50% квантна ефикасност на 850 nm по лист со податоци (baslerweb.com).

940 nm стануваат уште поневидливи, но чувствителноста на камерата опаѓа. Повеќето силиконски сензори имаат можеби 30% QE на 940nm наспроти 50% на 850nm, така што се откажувате од сигналот за подобра прикриеност. Вреди само ако човечката-видлива светлина е навистина проблем.

Алатките за ласерско порамнување за оптички системи понекогаш користат IR бидејќи работат во средини каде што видливата залутана светлина предизвикува проблеми. IR ласерите за усогласување на Newport Corporation работат 800-1200 долари, но ви даваат прилагодлива излезна моќност и подобар квалитет на зракот од евтините модули. Вредности на M² под 1,1 наспроти 1,3-1,5 за комерцијални единици. Тоа е важно кога се обидувате да се споите во мали отвори или да одржувате колимација на долги растојанија.

Ние не ги користиме тие освен ако апликацијата не го бара тоа. Трошоците се собираат брзо.

„Ласерски покажувач од 5 mW“ може да има дивергенција на зракот од 0,5 до 1,5 милирадијани. На 10 метри тоа е разликата помеѓу точка од 5 мм и точка од 15 мм. Производителите понекогаш го специфицираат ова, понекогаш не.

Евтините зелени ласери од Амазон имаат тенденција да работат 1,2-1,5 mrad дивергенција. Измеривме неколку единици со едноставно поставување - ласер на фиксно растојание, бела цел, мерење на дијаметар на точка со дебеломер. Не точно NIST може да се следи, но доволно добар за работа со апликации. Поскапите зелени ласери DPSS од CNI или Laserglow Technologies обично доаѓаат под 1,0 mrad со подобри профили на кружен зрак.

Профилот на зракот е важен кога се обидувате да погодите мали цели. Гаусовиот зрак ви дава чиста централна точка со постепено превртување. Поевтините диодни ласери понекогаш имаат елипсовидни или неправилни профили кои го отежнуваат прецизното нишане. Единствениот начин да знаете е или да му верувате на листот со спецификации на производителот (ризично без-марки со име) или да се тестирате.

За усогласување на хируршките инструменти завршивме со спецификација од 0,6 mrad максимум дивергенција бидејќи работното растојание беше 400 mm, а големината на целта беше со дијаметар од 2 mm. Тоа ви дава малку замав, но не многу. Премијата на трошоците за построга дивергенција беше околу 40% во однос на стандардните индустриски модули.

Ставаме ласерски системи за усогласување во поставка CNC мелница за автоматско поставување на алатот. Се чинеше едноставно - монтирајте ласер на куќиштето на вретеното, проектирајте го зракот на фиксна референтна цел, измерете го отстапувањето пред секоја промена на алатката. Работеше добро при тестирањето, не успеа во производството бидејќи течната магла за сечење го деградираше ласерскиот прозорец во рок од 2 недели. Никој не размислуваше за тоа во фазата на дизајнирање.

Решението беше додавање млазница за прочистување на компримиран воздух што одржуваше постојан проток на воздух низ ласерската бленда. Додадени 45 долари во делови и 2 часа време за инсталација по машина. Требаше да биде во оригиналниот дизајн.

Надоместувањето на температурата е уште една работа што ги гризе луѓето. Спецификувавме ласерски систем за позиционирање за композитна алатка за поставување што ќе работи од 65 степени F до 140 степени F. Производителот на ласерскиот модул рече дека нивната единица е оценета на 140 степени F, но не спомна дека нултата поместување е загарантирана само на 120 степени F. Целосно неприфатливо за толеранции на распоред.

Заврши префрлување на различен производител (Laser Components DG GmbH, нивната серија FP) кој експлицитно дава податоци за компензација на температурата. Цената беше слична, околу 380 долари по модул, но тие всушност го тестираа и документираа однесувањето за кое се грижевме.

Laser Sight

За производство со голем-волумен волумен каде што ласерскиот нишан е вграден во производот, понекогаш само директно ги монтирате необработеното коло на диодата и двигателот наместо да купувате готов модул. Ова го направивме за медицински уред на кој му требаше црвен ласер од 3 mW - за купување на Osram PLT5 450 диоди во количина од 1000 по цена од околу 4,20 долари (цена на osram.com 2023 година за дистрибутерите), плус уште 2-3 долари за IC на возачот и пасивните. Целосните модули чинат по 25-40 долари, така што DIY има смисла во обем.

Негативната страна е што правите сопствен оптички дизајн, ладилник, валидација на колото на возачот и тестирање на доверливост. За нешто што влегува во медицински уред што бара поднесување на FDA, тоа е значителна инженерска работа. Потрошивме вкупно околу 200 часа на дизајн и валидација, но заштедивме приближно 18.000 долари во трошоците за компонентите во текот на производството. Вреди за 1000+ единици, не вреди под 500 единици.

Колимирачката оптика е незгодниот дел. Потребна ви е или асферична леќа или повеќе{1}}елементен систем за да добиете пристоен квалитет на зракот од гола диода. Edmund Optics продава асферични леќи за ласерска колиминација, почнувајќи од околу 25-50 долари во зависност од NA и дијаметарот. Но, за да се добие добра колимација потребно е прецизно растојание помеѓу диодата и објективот, обично во рамките на 0,05 mm. Тоа значи или прецизна обработка на куќиштето или приспособувачки завртки со заклучување.

Некои производители го заобиколуваат ова со претходно-колимирани диодни модули. Thorlabs ја има својата серија CPS која комбинира диода, драјвер и оптика за коламирање во компактно пакување TO-конзерви. Околу 80-120 долари по единица, што е сепак поевтино од готовите ласерски покажувачи и ви дава поголема флексибилност на дизајнот.

Не сум сигурен зошто повеќе луѓе не ги користат овие за вградени апликации. Тие ги решаваат повеќето од проблемите со механичката толеранција додека сè уште ги одржуваат трошоците разумни при умерени волумени.

За преносни ласерски модули во опсег од 1-5 mW,литиумска батерија CR1/3Nработи изненадувачки добро. Тие се физички мали, но пакуваат 170 mAh на 3V, доволно за 8-10 часа работа на типични црвени ласерски модули. Ги користевме во рачни алатки за порамнување каде АА батериите беа премногу гломазни. Трошоците се околу 2-3 долари по ќелија во количина, а рокот на траење е 10+ години што е важно за резервниот залихи.