Lāzera redzes integrācija modernām lietojumprogrammām

Lielākā daļa cilvēku domā, ka lāzera tēmēkļi ir paredzēti tikai šaujamieročiem, taču tehnoloģija ir izplatījusies daudz tālāk par sākotnējo tirgu. Mēs strādājam ar lāzera mērķēšanas sistēmām kopš 2019. gada, un lietojumprogrammas turpina paplašināties rūpniecības, medicīnas un robotikas nozarēs, kur ir svarīga precizitāte.

Pamatprincips nav daudz mainījies - jūs projicējat redzamu vai IR staru, kas iezīmē vietu, kur kaut kas trāpīs vai kur rīks iesaistīsies. Taču izpilde kļūst sarežģīta ātri, ja ņem vērā montāžas iespējas, jaudas prasības un vides apstākļus.

Kas liek lāzera tēmēkļiem darboties rūpnieciskos apstākļos

Crimson Trace izlaida savu Rail Master sēriju 2018. gadā, un šīs vienības varēja izturēt 1000 G atsitiena triecienu. Šī specifikācija kļuva par etalonu rūpnieciskai montāžai, jo, ja tas izturēs šaujamieroča atsitienu, tas izturēs lielāko daļu vibrācijas vides ražošanā. Modeļa RM-110 mazumtirdzniecības cena bija aptuveni 280 $ (crimsontrace.com cenas no 2020. gada), kas bija stāvas, taču nodrošināja 5 mW sarkano lāzeru, kas pēc atkārtotiem triecieniem palika nulles stāvoklī.

Lai strādātu ar montāžas līniju, mēs pārbaudījām Streamlight TLR sēriju kopā ar dažām lētākām iespējām no ārzemju ražotājiem. Temperatūras novirze bija nopietns iemesls, - vienības, kas maksāja zem 50 ASV dolāriem, mainīja savu mērķa punktu par 3–4 collām 20 pēdu augstumā, mainot temperatūru no 60 °F uz 95 °F. Saskaņā ar mūsu stenda testēšanu 2021. gada vasarā Streamlight vienības (aptuveni 180–220 ASV dolāri atkarībā no modeļa) šajā diapazonā saglabāja nulli 0,5 collu robežās.

Tomēr jums ne vienmēr ir nepieciešams šāds stabilitātes līmenis. Pilnībā atkarīgs no tā, ko jūs darāt.

Medicīnisko ierīču ražošanai ir vajadzīgas dažādas specifikācijas

Tas kļūst dīvaini, jo medicīnisko ierīču montāžai bieži ir nepieciešami 2. klases lāzeri (jauda ir mazāka par 1 mW saskaņā ar FDA noteikumiem - accessdata.fda.gov ir pilna klasifikācija), bet pozicionēšanas precizitāte ir mazāka par 0,1 mm, ja darba attālums ir 300-500 mm. Coherent Inc. ražo lāzera moduļus, kas atbilst šīm specifikācijām — to CUBE sērija maksā aptuveni 400–600 USD par vienību atkarībā no viļņa garuma un jaudas.

Mēs pagājušajā gadā integrējām dažus 635 nm sarkanos lāzerus katetra montāžas sistēmā. Viļņa garums ir svarīgāks, nekā cilvēki saprot, - 635nm parādās daudz labāk nekā 650 nm parastā dienasgaismas apgaismojumā, kas ir aptuveni 4x redzamāks saskaņā ar Laserex tehnisko dokumentāciju. Izmaksu atšķirība var būt 15-20%, bet tā ir vērta, ja operatori izmanto izlīdzināšanas sistēmu 8 stundu maiņās.

Zaļie lāzeri (parasti 532 nm) ir vēl labāk redzami cilvēka acīm, aptuveni 5x vairāk nekā sarkanie ar tādu pašu jaudu. Bet tie maksā vairāk un ātrāk apēd baterijas. Mēs izmērījām strāvas patēriņu 5mW zaļajam modulim pie 180mA pret 120mA līdzvērtīgai sarkanai izejai. Rokas instrumentiem, kam ir nozīme. Stacionārām instalācijām ar sienas strāvu izmantojiet zaļo krāsu, ja to atļauj budžets.

Robotikas lietojumprogrammas strauji pieaug

Ap 2017. gadu ABB Robotics sāka integrēt lāzerrādītājus savā IRB sērijā, lai mācītu piekariņu darbības. Tehniķiem ir daudz vieglāk vizualizēt robotu ceļus, neveicot dzīvas darbības. Lāzera moduļi, ko viņi izmantoja, nebija nekas brīnišķīgs -, būtībā pārsaiņotas komerciālas vienības ar labāku trieciena stiprinājumu un IP67 novērtējuma korpusiem.

Fanuc izmantoja atšķirīgu pieeju saviem CRX sadarbības robotiem, ievietojot lāzera emitētāju instrumenta atlokā un izmantojot to drošības zonas vizualizēšanai. Viņu sistēma projicē 10–15 mm diametra punktu, kas pārvietojas kopā ar gala efektoru. Enerģijas patēriņš ir aptuveni 2 W nepārtraukti, un tas ir tieši no instrumenta jaudas budžeta. Tas jāņem vērā, norādot satvērējus vai citus gala efektus.

Universal Robots standarta aprīkojumā neiekļauj lāzera tēmēkļus, taču to UR+ ekosistēmai ir vairākas trešo pušu iespējas. Robotiq Wrist Camera dažkārt tiek savienota pārī ar koaksiālo lāzeru dziļuma mērīšanai, lai gan tas drīzāk nonāk strukturētā gaismas zonā, nevis vienkārši mērķējot.

Celtniecības lāzera līmeņi ir pavisam cita kategorija, taču ir vērts pieminēt. Bosch GLL sērija un Dewalt DW088 izmanto 2. klases lāzerus un projektu līnijas punktu vietā. DW088 cena ir aptuveni 150 ASV dolāri un met perpendikulāras līnijas ar precizitāti līdz ±1/8 collas 30 pēdu augstumā (dewalt.com specifikāciju lapa). Šīs lietas ir kļuvušas pietiekami lētas, lai tās varētu parādīties mazo veikalu vidē, lai veiktu izkārtojumu.

Faktiski svarīgi jaudas un montāžas apsvērumi

Akumulatora darbības laika aprēķini kļūst netīri, jo lāzerdiodes efektivitāte mainās atkarībā no temperatūras. Tipiska sarkanā lāzera diode var būt 15-20% efektīva, kas nozīmē, ka 80–85% ieejas jaudas kļūst par siltumu. Tāpēc nepārtrauktas darbības instalācijām ir nepieciešama siltuma novadīšana pat mazjaudas moduļiem.

Mēs izmērījām 5 mW sarkano lāzera moduli, kas pievelk 90 mA pie 3,3 V -, kas ir aptuveni 300 mW ieeja 5 mW izvadei, tātad aptuveni 17% efektivitāte. Palaižot to no CR123A akumulatora (1500 mAh jauda pie 3 V), teorētiskais darbības laiks ir 16–17 stundas, bet praksē redzēsit vairāk kā 12–14 stundas, jo akumulatora spriegums pazeminās zem slodzes.

Montāža pati par sevi rada pusi no problēmām, ko mēs redzam lauka instalācijās. M3 montāžas caurumi ir standarta, bet vītnes dziļums dažādiem ražotājiem ir atšķirīgs. Daži ķīniešu moduļi nosaka M3 x 0,5 vītnes 4 mm dziļumā, citi – 6 mm dziļumā. Izklausās triviāli, taču, mēģinot uzstādīt caur 3 mm alumīnija plāksni ar pareizu vītnes sasaisti, šī 2 mm atšķirība nosaka, vai varat izmantot standarta skrūvi vai nepieciešama pielāgota aparatūra.

Surefire savās X400 ieroču gaismās izmanto patentētu sliežu satvērēja sistēmu, kas lieliski darbojas arī rūpnieciskai montāžai T-spraugas alumīnija ekstrūzijai. Saspiedes spēks ir regulējams un nav atkarīgs no vītnes griezes momenta, kas palīdz uzturēt nulli augstas-vibrācijas vidēs. Vienības maksā apmēram 600 USD, bet kalpo mūžīgi. Mēs esam strādājuši kopš 2018. gada bez apkopes, izņemot akumulatoru nomaiņu.

Kad ar redzamu sarkanu nepietiek

IR lāzeri (parasti 850 nm vai 940 nm viļņu garumi) tiek rādīti kameras sensoros, bet ne cilvēka acīs. Noderīgs mašīnredzes lietojumos, kur nevēlaties, lai redzamā gaisma traucētu operatora redzes līnijām. Uzņēmums Edmund Optics pārdod 850 nm moduļus aptuveni 200-300 ASV dolāru apmērā, kas ir savienoti pārī ar standarta rūpnieciskajām kamerām. Basler ace sērijas kamerām ir laba jutība šajā diapazonā - to acA1920-40gm modelis uzrāda 50% kvantu efektivitāti pie 850 nm datu lapā (baslerweb.com).

940 nm kļūst vēl neredzamāks, bet kameras jutība samazinās. Lielākajai daļai silīcija sensoru ir varbūt 30% QE pie 940 nm, salīdzinot ar 50% pie 850 nm, tāpēc jūs atsakāties no signāla, lai iegūtu labāku slepenību. Tas ir tā vērts tikai tad, ja cilvēka-redzamā gaisma patiešām ir problēma.

Optisko sistēmu lāzera izlīdzināšanas rīki dažkārt izmanto infrasarkano staru, jo tie darbojas vidē, kur redzamā izkliedētā gaisma rada problēmas. Ņūportas korporācijas IR izlīdzināšanas lāzeri maksā 800–1200 USD, taču nodrošina regulējamu jaudu un labāku staru kūļa kvalitāti nekā lēti moduļi. M² vērtības ir mazākas par 1,1, salīdzinot ar 1,3–1,5 komerciālām vienībām. Tam ir nozīme, mēģinot savienot mazās atverēs vai uzturēt kolimāciju lielos attālumos.

Mēs tos neizmantojam, ja vien lietojumprogramma to nepieprasa. Izmaksas strauji pieaug.

Punktu lielums un atšķirības neviens labi neizskaidro

"5mW lāzera rādītājam" var būt staru novirze no 0,5 miliradiāniem līdz 1,5 miliradiāniem. Ar 10 metriem tā ir atšķirība starp 5 mm punktu un 15 mm punktu. Ražotāji dažreiz to nosaka, dažreiz nē.

Lētie zaļie lāzeri no Amazon mēdz darboties par 1,2-1,5 mrad novirzi. Mēs izmērījām vairākas vienības ar vienkāršu uzstādījumu - lāzers fiksētā attālumā, balts mērķis, mēra vietas diametru ar suportiem. Nav precīzi NIST izsekojams, bet pietiekami labs lietojuma darbam. CNI vai Laserglow Technologies dārgākie DPSS zaļie lāzeri parasti ir mazāki par 1,0 mrad ar labākiem apļveida staru profiliem.

Stara profilam ir nozīme, mēģinot trāpīt maziem mērķiem. Gausa stars nodrošina tīru centrālo vietu ar pakāpenisku nolaišanos. Lētākiem diožu lāzeriem dažreiz ir eliptiski vai neregulāri profili, kas apgrūtina precīzu mērķēšanu. Vienīgais veids, kā uzzināt, ir uzticēties ražotāja specifikāciju lapai (riskanti bez-nosaukuma zīmoliem) vai pārbaudīt sevi.

Ķirurģiskā instrumenta izlīdzināšanai mēs noteicām maksimālo novirzi 0,6 mrad, jo darba attālums bija 400 mm un mērķa izmērs bija 2 mm diametrā. Tas dod jums nelielu netīrību, bet ne daudz. Izmaksu piemaksa par stingrāku novirzi bija aptuveni 40% salīdzinājumā ar standarta rūpnieciskajiem moduļiem.

Pagājušā gada reālas uzstādīšanas problēmas

Mēs ievietojam lāzera izlīdzināšanas sistēmas CNC frēzēšanas iestatījumos automatizētai instrumentu iestatīšanai. Šķita vienkārši, - piestipriniet lāzeru uz vārpstas korpusu, projicējiet staru uz fiksētu atskaites mērķi, izmēriet novirzi pirms katras instrumenta maiņas. Pārbaudē darbojās labi, ražošanā neizdevās, jo griešanas šķidruma migla 2 nedēļu laikā sabojāja lāzera logu. Projektēšanas posmā neviens par to nedomāja.

Risinājums bija pievienot saspiestā gaisa iztukšošanas sprauslu, kas uzturēja pastāvīgu gaisa plūsmu pāri lāzera apertūrai. Pievienots 45 USD pa daļām un 2 stundu uzstādīšanas laiks vienai mašīnai. Tam vajadzēja būt oriģinālajā dizainā.

Temperatūras kompensācija ir vēl viena lieta, kas kož cilvēkiem. Mēs specifikējām lāzera pozicionēšanas sistēmu kompozītmateriāla izkārtojuma rīkam, kas darbotos no 65 °F līdz 140 °F. Lāzera moduļu ražotājs teica, ka viņu ierīcei ir 140 °F, taču neminēja, ka nulles nobīde ir garantēta tikai līdz 120 °F. Virs tam montāžas kronšteina termiskā izplešanās pabīdīja 0,06 pēdas par . Pilnīgi nepieņemami attiecībā uz izvietojuma pielaidēm.

Rezultātā pārgāja uz citu ražotāju (Laser Components DG GmbH, viņu FP sērija), kas skaidri sniedza temperatūras kompensācijas datus. Izmaksas bija līdzīgas, aptuveni 380 USD par moduli, taču viņi faktiski pārbaudīja un dokumentēja uzvedību, kas mums rūpēja.

Kāpēc dažas lietojumprogrammas joprojām izmanto tukšas diodes

Liela-apjoma ražošanai, kur lāzera tēmēklis ir iegults produktā, dažreiz jūs vienkārši uzstādāt neapstrādātu diodes un draivera ķēdi tieši, nevis iegādājaties gatavu moduli. Mēs to darījām medicīnas ierīcei, kurai bija nepieciešams 3 mW sarkanais lāzers -, iegādājoties Osram PLT5 450 diodes par 1000 datu, katrai cenai bija aptuveni 4,20 ASV dolāri (osram.com 2023. gada cenas izplatītājiem), kā arī vēl 2–3 USD par draivera IC un pasīvām ierīcēm. Pilnīgi moduļi maksā 25–40 USD katrs, tāpēc DIY bija jēga no apjoma.

Negatīvā puse ir tāda, ka jūs pats veicat optisko dizainu, siltuma novadīšanu, draivera ķēdes validāciju un uzticamības testēšanu. Attiecībā uz kaut ko, kas tiek izmantots medicīnas ierīcē, kas ir jāiesniedz FDA, tas ir būtisks inženierijas darbs. Mēs kopumā pavadījām aptuveni 200 stundas projektēšanai un apstiprināšanai, bet ražošanas laikā ietaupījām aptuveni 18 000 USD no komponentu izmaksām. Vērts par 1000+ vienībām, nevis zem 500 vienībām.

Kolimējošā optika ir sarežģīta daļa. Lai iegūtu pienācīgu stara kvalitāti no tukšas diodes, jums ir nepieciešams asfērisks objektīvs vai vairāku{1}}elementu sistēma. Edmund Optics pārdod asfēriskas lēcas lāzera kolimācijai, sākot no aptuveni 25–50 USD atkarībā no NA un diametra. Bet, lai panāktu labu kolimāciju, ir nepieciešams precīzs attālums starp diodi un objektīvu, parasti 0,05 mm robežās. Tas nozīmē vai nu precīzu korpusa apstrādi, vai regulēšanas skrūves ar bloķēšanu.

Daži ražotāji to apiet ar iepriekš{0}}kollimētu diožu moduļiem. Thorlabs piedāvā savu CPS sēriju, kas apvieno diodes, draiverus un kolimēšanas optiku kompaktā TO-kannā. Apmēram USD 80–120 par vienību, kas joprojām ir lētāk nekā gatavie lāzera rādītāji un nodrošina lielāku dizaina elastību.

Neesat pārliecināts, kāpēc vairāk cilvēku tās neizmanto iegultajām lietojumprogrammām. Tie atrisina lielāko daļu mehāniskās pielaides problēmu, vienlaikus saglabājot saprātīgas izmaksas pie mērena apjoma.

Pārnēsājamiem lāzera moduļiem 1-5mW diapazonā,litija CR1/3N akumulatorsstrādā pārsteidzoši labi. Tie ir fiziski mazi, taču tie ir 170 mAh pie 3 V, kas ir pietiekami 8–10 stundu darbības laikam ar tipiskiem sarkaniem lāzera moduļiem. Mēs tos esam izmantojuši rokas izlīdzināšanas rīkos, kur AA baterijas bija pārāk apjomīgas. Izmaksas ir aptuveni 2–3 ASV dolāri par vienu šūnu, un glabāšanas laiks ir 10+ gadi, kas ir svarīgi rezerves krājumiem.