Integracija laserskog nišana za moderne aplikacije

Većina ljudi misli da su laserski nišani samo za vatreno oružje, ali tehnologija se proširila daleko izvan tog početnog tržišta. Radimo sa laserskim sistemima za nišanjenje od 2019. godine, a aplikacije se nastavljaju širiti u industrijske, medicinske i robotske sektore gdje je precizno usmjeravanje važno.

Osnovni princip se nije mnogo promijenio - projektujete vidljivi ili IR zrak koji označava gdje će nešto udariti ili gdje će alat zahvatiti. Ali izvođenje se brzo komplikuje kada uzmete u obzir opcije montaže, zahtjeve za napajanjem i uvjete okoline.

Crimson Trace je objavio svoju Rail Master seriju još 2018. godine, a te jedinice su mogle podnijeti 1000G trzajnog udara. Ta specifikacija je postala mjerilo za industrijsku montažu jer ako preživi trzaj vatrenog oružja, izdržat će većinu okruženja vibracija u proizvodnji. Model RM-110 je imao oko 280 dolara u maloprodaji (cijene crimsontrace.com od 2020.), što je bilo strmo, ali vam je dalo crveni laser od 5 mW koji je ostao na nuli nakon ponovljenih udara.

Za rad na montažnoj liniji, testirali smo Streamlight TLR seriju uz neke jeftinije opcije stranih proizvođača. Temperaturni drift je bio ubojiti - jedinice koje su koštale ispod 50 dolara pomjerile bi svoju tačku cilja za 3-4 inča na 20 stopa kada bi prešli sa 60 stepeni F na 95 stepeni F u radnoj temperaturi. Streamlight jedinice (oko 180-220 USD u zavisnosti od modela) su držale nulu unutar 0,5 inča u tom rasponu prema našem testiranju na klupi u ljeto 2021.

Ipak, ne treba vam uvijek taj nivo stabilnosti. U potpunosti zavisi od toga šta radite.

Laser Sight

Ovo postaje čudno jer sastavljanje medicinskih uređaja često zahtijeva lasere klase 2 (ispod 1 mW izlazne snage prema FDA propisima - accessdata.fda.gov ima punu klasifikaciju), ali je potrebna preciznost pozicioniranja ispod 0,1 mm na radnoj udaljenosti od 300-500 mm. Coherent Inc. proizvodi laserske module koji zadovoljavaju te specifikacije - njihova CUBE serija košta oko 400-600 dolara po jedinici u zavisnosti od talasne dužine i izlazne snage.

Prošle godine smo integrisali neke crvene lasere od 635 nm u sistem sastavljanja katetera. Talasna dužina je važnija nego što ljudi shvataju - 635nm se pokazuje mnogo bolje od 650nm pod tipičnim fluorescentnim osvjetljenjem, nešto poput 4x vidljivije prema tehničkoj dokumentaciji Laserexa. Razlika u troškovima je možda 15-20%, ali se isplati kada operateri koriste sistem poravnanja u smjenama od 8 sati.

Zeleni laseri (obično 532nm) su čak vidljiviji ljudskim očima, otprilike 5x više od crvenih pri istoj izlaznoj snazi. Ali koštaju više i brže troše baterije. Izmjerili smo potrošnju struje na zelenom modulu od 5mW na 180mA naspram 120mA za ekvivalentni crveni izlaz. Za ručne alate koji su važni. Za fiksne instalacije sa zidnim napajanjem, koristite zelenu ako budžet dozvoljava.

ABB Robotics je počeo da integriše laserske pokazivače u svoju IRB seriju oko 2017. za podučavanje operacija sa privjescima. Olakšalo je tehničarima da vizualiziraju putanje robota bez pokretanja operacija uživo. Laserski moduli koje su koristili nisu bili ništa fensi - u osnovi su prepakovane komercijalne jedinice sa boljom montažom na udarce i kućištem sa IP67 oznakom.

Fanuc je zauzeo drugačiji pristup sa svojim CRX kolaborativnim robotima, stavljajući laserski emiter u prirubnicu alata i koristeći ga za vizualizaciju sigurnosne zone. Njihov sistem projektuje tačku prečnika 10-15 mm koja se kreće sa krajnjim efektorom. Potrošnja energije traje oko 2W neprekidno, što dolazi direktno iz budžeta snage alata. To morate uzeti u obzir pri određivanju hvataljki ili drugih krajnjih efektora.

Universal Robots ne uključuje laserske nišane kao standard, ali njihov UR+ ekosistem ima nekoliko opcija trećih-strana. Robotiq ručna kamera se ponekad uparuje s koaksijalnim laserom za mjerenje dubine, iako to ulazi u teritoriju strukturirane svjetlosti, a ne na jednostavno nišanjenje.

Građevinski laserski nivoi su sasvim druga kategorija, ali vrijedni spomena. Bosch GLL serija i Dewalt DW088 koriste lasere klase 2 i projektne linije umjesto tačaka. DW088 košta oko 150 dolara i baca okomite linije sa preciznošću do ±1/8 inča na 30 stopa (dewalt.com specifikacija). Ove stvari su postale dovoljno jeftine da se pojavljuju u malim radnjama za rad na izgledu.

Proračuni trajanja baterije postaju neuredni jer efikasnost laserske diode varira s temperaturom. Tipična crvena laserska dioda može biti 15-20% efikasna, što znači da 80-85% ulazne snage postaje toplina. Zbog toga je instalacijama za kontinuirani rad potreban hladnjak čak i za module male snage.

Izmjerili smo crveni laserski modul od 5 mW koji povlači 90 mA na 3,3 V -, što je oko 300 mW ulaza za izlaz od 5 mW, dakle otprilike 17% efikasnosti. Isključivanje baterije CR123A (kapaciteta 1500mAh pri 3V) daje vam teoretski radni vijek od 16-17 sati, ali ćete u praksi vidjeti više od 12-14 sati jer napon baterije pada pod opterećenjem.

Sama montaža uzrokuje polovinu problema koje vidimo kod terenskih instalacija. M3 montažne rupe su standardne, ali dubina navoja varira između proizvođača. Neki kineski moduli imaju M3x0.5 navoje na 4 mm dubine, drugi idu 6 mm dubine. Zvuči trivijalno, ali kada pokušavate da montirate kroz aluminijsku ploču od 3 mm s odgovarajućim zahvatom navoja, ta razlika od 2 mm određuje da li možete koristiti standardni vijak ili vam je potreban prilagođeni hardver.

Surefire koristi vlasnički sistem za hvatanje tračnica na svojim X400 svjetlima oružja koji također odlično funkcionira za industrijsku montažu na T-prorez za ekstruziju aluminija. Sila stezanja je podesiva i ne oslanja se na moment navoja, što pomaže u održavanju nule u okruženjima sa visokim-vibracijama. Jedinice koštaju oko 600 dolara, ali traju zauvijek. Imamo nešto u radu od 2018. bez održavanja osim zamjene baterija.

Laser Sight

IR laseri (obično 850nm ili 940nm talasne dužine) se pojavljuju na senzorima kamere, ali ne i ljudskim očima. Korisno za aplikacije mašinskog vida gde ne želite da vidljiva svetlost ometa vidne linije operatera. Edmund Optics prodaje 850nm module oko 200${{7}300$ koji se uparuju sa standardnim industrijskim kamerama. Kamere serije Basler ace imaju dobru osjetljivost u tom rasponu - njihov model acA1920-40gm pokazuje 50% kvantne efikasnosti na 850nm prema podacima (baslerweb.com).

940nm postaje još nevidljiviji, ali osjetljivost kamere opada. Većina silikonskih senzora ima možda 30% QE na 940nm naspram 50% na 850nm, tako da odustajete od signala radi bolje prikrivenosti. Isplati se samo ako ljudska-vidljiva svjetlost zaista predstavlja problem.

Laserski alati za poravnanje za optičke sisteme ponekad koriste IR jer rade u okruženjima u kojima vidljivo rasulo svjetlo uzrokuje probleme. Laseri za IR poravnanje kompanije Newport Corporation koštaju 800-1200 dolara, ali vam daju podesivu izlaznu snagu i bolji kvalitet zraka od jeftinih modula. M² vrijednosti ispod 1,1 naspram 1,3-1,5 za komercijalne jedinice. To je važno kada pokušavate da uparite male otvore ili održavate kolimaciju na velikim udaljenostima.

Ipak, ne koristimo ih osim ako aplikacija to ne zahtijeva. Troškovi se brzo zbrajaju.

"Laserski pokazivač od 5 mW" mogao bi imati divergenciju zraka bilo gdje od 0,5 miliradijana do 1,5 miliradijana. Na 10 metara to je razlika između tačke od 5 mm i tačke od 15 mm. Proizvođači to ponekad navode, ponekad ne.

Jeftini zeleni laseri iz Amazona imaju tendenciju divergencije od 1,2-1,5 mrad. Izmjerili smo nekoliko jedinica sa jednostavnim podešavanjem - laser na fiksnoj udaljenosti, bijelu metu, mjerenje promjera tačke pomoću čeljusti. Nije baš moguće pratiti NIST, ali dovoljno dobro za rad aplikacija. Skuplji DPSS zeleni laseri iz CNI ili Laserglow Technologies obično dolaze ispod 1,0 mrad sa boljim kružnim profilima zraka.

Profil snopa je važan kada pokušavate pogoditi male mete. Gausov snop vam daje čistu centralnu tačku sa postepenim opadanjem. Jeftiniji diodni laseri ponekad imaju eliptične ili nepravilne profile koji otežavaju precizno ciljanje. Jedini način da znate je ili vjerovati proizvođačevoj specifikaciji (rizično bez-imena brendova) ili testirati sebe.

Za poravnanje hirurškog instrumenta na kraju smo odredili maksimalnu divergenciju od 0,6 mrad jer je radna udaljenost bila 400 mm, a veličina mete je bila prečnika 2 mm. To vam daje malo posla, ali ne mnogo. Premija troškova za veću divergenciju je bila oko 40% u odnosu na standardne industrijske module.

Laserske sisteme za poravnanje stavljamo u postavu CNC glodala za automatizirano podešavanje alata. Činilo se jednostavno - montirati laser na kućište vretena, projektovati zraku na fiksnu referentnu metu, mjeriti odstupanje prije svake promjene alata. Dobro je radio na testiranju, nije uspio u proizvodnji jer je magla tekućine za rezanje degradirala laserski prozor u roku od 2 sedmice. O tome niko nije razmišljao u fazi projektovanja.

Rješenje je bilo dodavanje mlaznice za pročišćavanje komprimovanog zraka koja je održavala konstantan protok zraka kroz laserski otvor. Dodato $45 u dijelovima i 2 sata vremena instalacije po mašini. Trebao je biti u originalnom dizajnu.

Temperaturna kompenzacija je još jedna stvar koja grize ljude. Specificirali smo laserski sistem pozicioniranja za kompozitni alat za postavljanje koji bi radio od 65 stepeni F do 140 stepeni F. Proizvođač laserskog modula je rekao da je njihova jedinica ocenjena na 140 stepeni F, ali nije spomenuo da je nulti pomak zagarantovan samo na 120 stepeni F. Iznad toga, termičko širenje nosača za montiranje pomeralo je snop za 020 stopa za 020 stopa. Potpuno neprihvatljivo za tolerancije polaganja.

Završio je prelazak na drugog proizvođača (Laser Components DG GmbH, njihova FP serija) koji je eksplicitno dao podatke o temperaturnoj kompenzaciji. Cijena je bila slična, oko 380 dolara po modulu, ali su zapravo testirali i dokumentirali ponašanje do kojeg nam je stalo.

Laser Sight

Za{0}}proizvodnju velikog obima gdje je laserski nišan ugrađen u proizvod, ponekad jednostavno montirate sirovu diodu i upravljački sklop direktno umjesto da kupujete gotov modul. Ovo smo uradili za medicinski uređaj kojem je bio potreban crveni laser od 3 mW - kupovina Osram PLT5 450 dioda u količini od 1000 koštala je oko 4,20 USD po komadu (cijene na osram.com 2023. za distributere), plus još 2-3 USD za upravljački sklop i pasive. Kompletni moduli koštaju 25-40 dolara svaki, tako da je "uradi sam" imalo smisla u količini.

Loša strana je što radite svoj vlastiti optički dizajn, hladnjak, validaciju upravljačkog kola i testiranje pouzdanosti. Za nešto što ide u medicinski uređaj za šta je potrebna prijava FDA, to je značajan inženjerski rad. Ukupno smo potrošili oko 200 sati na dizajn i validaciju, ali smo uštedeli otprilike 18.000 dolara u troškovima komponenti tokom proizvodnje. Vrijedi za 1000+ jedinica, ne isplati se ispod 500 jedinica.

Kolimirajuća optika je lukav dio. Trebate ili asferično sočivo ili sistem sa više-elemenata da dobijete pristojan kvalitet zraka od gole diode. Edmund Optics prodaje asferična sočiva za lasersku kolimaciju počevši od 25-50 USD u zavisnosti od NA i prečnika. Ali za postizanje dobre kolimacije potreban je precizan razmak između diode i sočiva, obično unutar 0,05 mm. To znači ili preciznu obradu kućišta ili vijke za podešavanje sa zaključavanjem.

Neki proizvođači to zaobilaze s unaprijed-kolimiranim diodnim modulima. Thorlabs ima svoju CPS seriju koja kombinuje diodu, drajver i kolimirajuću optiku u kompaktnom pakovanju TO-kante. Oko 80-120 USD po jedinici, što je još uvijek jeftinije od gotovih laserskih pokazivača i daje vam veću fleksibilnost dizajna.

Nisam siguran zašto ih više ljudi ne koristi za ugrađene aplikacije. Oni rješavaju većinu problema mehaničke tolerancije dok i dalje održavaju razumne troškove pri umjerenim količinama.

Za prijenosne laserske module u rasponu od 1-5mW,litijumska CR1/3N baterijarade iznenađujuće dobro. Fizički su maleni, ali imaju 170 mAh na 3V, dovoljno za 8-10 sati rada na tipičnim crvenim laserskim modulima. Koristili smo ih u ručnim alatima za poravnanje gdje su AA baterije bile previše glomazne. Cijena se kreće oko 2-3 USD po ćeliji u količini, a rok trajanja je 10+ godina što je bitno za rezervni inventar.