Integracja celownika laserowego do nowoczesnych zastosowań

Większość ludzi uważa, że celowniki laserowe służą wyłącznie do broni palnej, ale technologia ta rozprzestrzeniła się daleko poza pierwotny rynek. Od 2019 roku współpracujemy z laserowymi systemami celowniczymi, a zastosowania stale się rozszerzają na sektory przemysłowe, medyczne i robotykę, w których liczy się precyzja wskazywania.

Podstawowa zasada nie uległa większym zmianom, - wyświetlasz wiązkę światła widzialnego lub podczerwieni, która wskazuje miejsce, w które coś uderzy lub w które uderzy narzędzie. Jednak wykonanie szybko się komplikuje, jeśli weźmie się pod uwagę opcje montażu, wymagania dotyczące zasilania i warunki środowiskowe.

Crimson Trace wypuściło serię Rail Master w 2018 roku, a jednostki te były w stanie wytrzymać wstrząs odrzutu o wartości 1000 G. Specyfikacja ta stała się punktem odniesienia dla montażu przemysłowego, ponieważ jeśli wytrzyma odrzut broni palnej, poradzi sobie z większością wibracyjnych środowisk produkcyjnych. Model RM-110 kosztował w sprzedaży detalicznej około 280 dolarów (ceny na stronie crimsontrace.com z 2020 r.), co było wysoką ceną, ale zapewniał czerwony laser o mocy 5 mW, który pozostawał wyzerowany po wielokrotnych uderzeniach.

Do pracy na linii montażowej przetestowaliśmy serię TLR firmy Streamlight wraz z tańszymi opcjami od zagranicznych producentów. Dryf temperaturowy był zabójczy. Jednostki - kosztujące poniżej 50 dolarów przesuwały punkt celowania o 3–4 cale w odległości 20 stóp przy przejściu z temperatury 60 stopni F do 95 stopni F w hali produkcyjnej. Zgodnie z naszymi testami laboratoryjnymi przeprowadzonymi latem 2021 r. jednostki Streamlight (około 180–220 USD w zależności od modelu) utrzymywały zero w promieniu 0,5 cala w tym zakresie.

Jednak nie zawsze potrzebny jest taki poziom stabilności. Zależy całkowicie od tego, co robisz.

Laser Sight

Robi się to dziwnie, ponieważ montaż urządzenia medycznego często wymaga laserów klasy 2 (poniżej 1 mW mocy wyjściowej zgodnie z przepisami FDA na stronie - accessdata.fda.gov zawiera pełną klasyfikację), ale wymaga dokładności pozycjonowania poniżej 0,1 mm przy odległości roboczej 300-500 mm. Firma Coherent Inc. produkuje moduły laserowe spełniające te wymagania – ich seria CUBE kosztuje około 400–600 dolarów za sztukę, w zależności od długości fali i mocy wyjściowej.

W zeszłym roku zintegrowaliśmy kilka czerwonych laserów o długości fali 635 nm z systemem montażu cewników. Długość fali ma większe znaczenie, niż się ludziom wydaje. - 635nm jest znacznie lepsza niż 650 nm w typowym oświetleniu fluorescencyjnym, czyli około 4 razy bardziej widoczna, zgodnie z dokumentacją techniczną Laserex. Różnica w kosztach wynosi może 15–20%, ale jest tego warta, gdy operatorzy korzystają z systemu wyrównywania podczas 8-godzinnych zmian.

Zielone lasery (zwykle 532 nm) są jeszcze lepiej widoczne dla ludzkich oczu, około 5 razy lepiej niż czerwone przy tej samej mocy wyjściowej. Ale kosztują więcej i szybciej zjadają baterie. Zmierzyliśmy pobór prądu w zielonym module o mocy 5 mW przy 180 mA w porównaniu do 120 mA dla równoważnego wyjścia czerwonego. W przypadku narzędzi przenośnych to ma znaczenie. W przypadku instalacji stacjonarnych z zasilaniem ściennym użyj koloru zielonego, jeśli pozwala na to budżet.

Około 2017 roku firma ABB Robotics rozpoczęła integrowanie wskaźników laserowych ze swoją serią IRB w celu wykonywania operacji za pomocą pilota zdalnego sterowania. Znacznie ułatwiono technikom wizualizację ścieżek robota bez wykonywania operacji na żywo. Zastosowane przez nich moduły laserowe nie były niczym nadzwyczajnym, - w zasadzie przebudowanymi jednostkami komercyjnymi z lepszym mocowaniem przeciwwstrząsowym i obudowami o stopniu ochrony IP67.

Firma Fanuc przyjęła inne podejście w przypadku robotów współpracujących CRX, umieszczając emiter laserowy w kołnierzu narzędzia i wykorzystując go do wizualizacji stref bezpieczeństwa. Ich system wyświetla plamkę o średnicy 10–15 mm, która porusza się wraz z efektorem końcowym. Zużycie energii ciągłej wynosi około 2 W, co wynika bezpośrednio z budżetu mocy narzędzia. Należy to uwzględnić przy określaniu chwytaków lub innych efektorów końcowych.

Firma Universal Robots nie zawiera w standardzie celowników laserowych, ale ich ekosystem UR+ oferuje kilka-opcji innych firm. Kamera nadgarstkowa Robotiq jest czasami łączona z laserem współosiowym w celu pomiaru głębokości, chociaż dotyczy to obszaru światła strukturalnego, a nie prostego celowania.

Poziomice laserowe budowlane to zupełnie inna kategoria, ale warto o nich wspomnieć. Zarówno seria GLL firmy Bosch, jak i DW088 firmy Dewalt wykorzystują lasery klasy 2 i linie projektowe zamiast kropek. DW088 kosztuje około 150 dolarów i rzuca prostopadłe linie z dokładnością do ±1/8 cala z odległości 30 stóp (arkusz specyfikacji dewalt.com). Te rzeczy stały się na tyle tanie, że pojawiają się w małych sklepach do prac związanych z układem.

Obliczenia żywotności baterii stają się niejasne, ponieważ wydajność diody laserowej zmienia się w zależności od temperatury. Typowa czerwona dioda laserowa może mieć sprawność 15-20%, co oznacza, że 80–85% mocy wejściowej zamienia się w ciepło. Dlatego instalacje o pracy ciągłej wymagają odprowadzania ciepła nawet w przypadku modułów o małej mocy.

Zmierzyliśmy moduł czerwonego lasera o mocy 5 mW pobierający 90 mA przy 3,3 V -, czyli około 300 mW na wejściu przy 5 mW na wyjściu, czyli wydajność około 17%. Zasilanie baterią CR123A (pojemność 1500 mAh przy 3 V) daje teoretyczny czas pracy wynoszący 16–17 godzin, ale w praktyce zobaczysz więcej niż 12–14 godzin, ponieważ napięcie baterii spada pod obciążeniem.

Sam montaż powoduje połowę problemów, jakie widzimy w instalacjach terenowych. Otwory montażowe M3 są standardowe, ale głębokość gwintu różni się w zależności od producenta. Niektóre chińskie moduły mają gwinty M3x0,5 o głębokości 4 mm, inne o głębokości 6 mm. Brzmi banalnie, ale gdy próbujesz zamontować przez aluminiową płytkę o grubości 3 mm z odpowiednim połączeniem gwintu, różnica 2 mm decyduje o tym, czy możesz użyć standardowej śruby, czy potrzebujesz niestandardowego sprzętu.

Surefire korzysta z opatentowanego systemu chwytaka szynowego w lampach do broni X400, który doskonale sprawdza się również w przypadku montażu przemysłowego w profilu aluminiowym z rowkiem T-. Siłę mocowania można regulować i nie jest ona zależna od momentu obrotowego gwintu, co pomaga utrzymać wartość zerową w środowiskach o wysokich-wibracjach. Jednostki kosztują około 600 dolarów, ale działają wiecznie. Od 2018 r. działamy bezobsługowo, poza wymianą akumulatorów.

Laser Sight

Lasery podczerwone (zwykle o długości fali 850 nm lub 940 nm) są widoczne na czujnikach kamery, ale nie w ludzkich oczach. Przydatne w zastosowaniach związanych z wizją maszynową, gdzie nie chcesz, aby światło widzialne zakłócało pole widzenia operatora. Edmund Optics sprzedaje moduły 850 nm za około 200-300 dolarów, które współpracują ze standardowymi kamerami przemysłowymi. Kamery z serii Basler ace charakteryzują się w tym zakresie dobrą czułością – ich model acA1920-40gm wykazuje 50% wydajność kwantową przy 850 nm, zgodnie z arkuszem danych (baslerweb.com).

940 nm staje się jeszcze bardziej niewidoczne, ale czułość aparatu spada. Większość czujników krzemowych ma może 30% QE przy 940 nm w porównaniu do 50% przy 850 nm, więc rezygnujesz z sygnału na rzecz lepszej ukrycia. Warto tylko wtedy,-jeśli ludzkie światło widzialne naprawdę stanowi problem.

Laserowe narzędzia do wyrównywania systemów optycznych czasami wykorzystują podczerwień, ponieważ działają w środowiskach, w których widoczne światło rozproszone powoduje problemy. Lasery wyrównujące na podczerwień firmy Newport Corporation kosztują 800–1200 dolarów, ale zapewniają regulowaną moc wyjściową i lepszą jakość wiązki niż tanie moduły. Wartości M² poniżej 1,1 w porównaniu do 1,3-1,5 dla lokali komercyjnych. Ma to znaczenie, gdy próbujesz łączyć obiektywy w małe apertury lub utrzymywać kolimację na dużych odległościach.

Nie używamy ich jednak, chyba że aplikacja tego wymaga. Koszty szybko się sumują.

„Wskaźnik laserowy o mocy 5 mW” może wykazywać rozbieżność wiązki w zakresie od 0,5 miliradiana do 1,5 miliradiana. Na 10 metrach jest to różnica między kropką 5 mm a kropką 15 mm. Producenci czasami to określają, czasami nie.

Tanie zielone lasery firmy Amazon charakteryzują się rozbieżnością rzędu 1,2-1,5 mrad. Zmierzyliśmy kilka jednostek w prosty sposób – laser w stałej odległości, biały cel, zmierzyliśmy średnicę plamki za pomocą suwmiarki. Nie do końca identyfikowalne według NIST, ale wystarczająco dobre do pracy z aplikacjami. Droższe zielone lasery DPSS firmy CNI lub Laserglow Technologies zwykle mają moc poniżej 1,0 mrad i mają lepsze profile wiązki kołowej.

Profil wiązki ma znaczenie, gdy próbujesz trafić w małe cele. Wiązka Gaussa zapewnia czyste, centralne miejsce ze stopniowym opadaniem. Tańsze lasery diodowe mają czasami eliptyczne lub nieregularne profile, które utrudniają precyzyjne celowanie. Jedynym sposobem, aby się tego dowiedzieć, jest zaufanie do specyfikacji producenta (jest to ryzykowne w przypadku braku-imiennych marek) lub samodzielne przetestowanie.

W przypadku zestrojenia narzędzi chirurgicznych ostatecznie określiliśmy maksymalną rozbieżność na poziomie 0,6 mrad, ponieważ odległość robocza wynosiła 400 mm, a rozmiar celu miał średnicę 2 mm. To daje trochę luzu, ale niewiele. Premia kosztowa w przypadku mniejszej rozbieżności wyniosła około 40% w porównaniu ze standardowymi modułami przemysłowymi.

Umieszczamy laserowe systemy osiowania w konfiguracji frezarki CNC w celu automatycznego ustawiania narzędzi. Wydawało się proste: - zamontuj laser na obudowie wrzeciona, rzuć wiązkę na stały cel odniesienia, zmierz odchylenie przed każdą wymianą narzędzia. Sprawdził się dobrze w testach, nie powiódł się w produkcji, ponieważ mgła płynu tnącego uszkodziła okno lasera w ciągu 2 tygodni. Nikt o tym nie myślał na etapie projektowania.

Rozwiązaniem było dodanie dyszy czyszczącej sprężonym powietrzem, która utrzymywałaby stały przepływ powietrza przez aperturę lasera. Dodano 45 USD na części i 2 godziny czasu instalacji na maszynę. Powinien być w oryginalnym projekcie.

Kompensacja temperatury to kolejna rzecz, która gryzie ludzi. Specjalizujemy się w laserowym systemie pozycjonowania dla narzędzia do układania kompozytów, które działa w temperaturze od 65 stopni F do 140 stopni F. Producent modułu laserowego podał, że jego urządzenie ma temperaturę znamionową 140 stopni F, ale nie wspomniał, że przesunięcie zera jest gwarantowane tylko do 120 stopni F. Poza tym rozszerzalność cieplna wspornika montażowego przesunęła wiązkę o 0,060 cala na 20 stóp. Całkowicie nie do przyjęcia ze względu na tolerancje układu.

Skończyło się na przejściu na innego producenta (Laser Components DG GmbH, ich seria FP), który wyraźnie dostarczył dane dotyczące kompensacji temperatury. Koszt był podobny, około 380 dolarów za moduł, ale faktycznie przetestowano i udokumentowano zachowanie, na którym nam zależało.

Laser Sight

W przypadku-masowej produkcji, w której celownik laserowy jest wbudowany w produkt, czasami wystarczy bezpośrednio zamontować surową diodę i obwód sterownika, zamiast kupować gotowy moduł. Zrobiliśmy to w przypadku urządzenia medycznego, które wymagało czerwonego lasera o mocy 3 mW. - Zakup diod Osram PLT5 450 w ilości 1000 kosztował około 4,20 USD za sztukę (ceny na rok 2023 dla dystrybutorów na stronie Osram.com) plus kolejne 2–3 USD za układ scalony sterownika i elementy pasywne. Kompletne moduły kosztują 25–40 USD za sztukę, więc majsterkowanie ma sens w dużych ilościach.

Wadą jest to, że samodzielnie projektujesz układ optyczny, radiator, sprawdzasz obwód sterownika i testujesz niezawodność. Jak na coś, co wchodzi w skład urządzenia medycznego wymagającego zgłoszenia przez FDA, jest to znacząca praca inżynieryjna. Łącznie spędziliśmy około 200 godzin na projektowaniu i walidacji, ale zaoszczędziliśmy około 18 000 dolarów na kosztach komponentów w trakcie produkcji. Warto w 1000+ jednostkach, nie warto poniżej 500 jednostek.

Kolimacyjna optyka to najtrudniejsza część. Aby uzyskać przyzwoitą jakość wiązki z gołej diody, potrzebujesz soczewki asferycznej lub systemu-wieloelementowego. Edmund Optics sprzedaje soczewki asferyczne do kolimacji laserowej w cenie od 25 do 50 dolarów, w zależności od NA i średnicy. Jednak uzyskanie dobrej kolimacji wymaga precyzyjnego odstępu między diodą a soczewką, zwykle w granicach 0,05 mm. Oznacza to albo precyzyjną obróbkę obudowy, albo śruby regulacyjne z blokadą.

Niektórzy producenci radzą sobie z tym, stosując-wstępnie kolimowane moduły diodowe. Thorlabs oferuje serię CPS, która łączy w sobie diodę, sterownik i optykę kolimacyjną w kompaktowej obudowie TO-. Około 80-120 dolarów za sztukę, co jest wciąż tańsze niż gotowe wskaźniki laserowe i zapewnia większą elastyczność projektowania.

Nie wiem, dlaczego więcej osób nie używa ich w aplikacjach wbudowanych. Rozwiązują większość problemów związanych z tolerancją mechaniczną, utrzymując jednocześnie rozsądne koszty przy umiarkowanych ilościach.

Do przenośnych modułów laserowych w zakresie 1-5mW,bateria litowa CR1/3Ndziałają zaskakująco dobrze. Są fizycznie małe, ale mają pojemność 170 mAh przy 3 V, co wystarcza na 8–10 godzin pracy na typowych modułach czerwonego lasera. Używaliśmy ich w ręcznych narzędziach do wyrównywania, w których baterie AA były zbyt nieporęczne. Koszt wynosi około 2-3 USD za ogniwo, a okres przydatności do spożycia wynosi 10+ lat, co ma znaczenie w przypadku zapasów zapasowych.