שילוב ראיית לייזר עבור יישומים מודרניים

רוב האנשים חושבים שכוונות לייזר מיועדות רק לנשק חם, אבל הטכנולוגיה התפשטה הרבה מעבר לשוק הראשוני הזה. אנחנו עובדים עם מערכות מכוון לייזר מאז 2019, והיישומים ממשיכים להתרחב למגזרים תעשייתיים, רפואיים ורובוטיקה שבהם יש חשיבות להצבעה מדויקת.

העיקרון הבסיסי לא השתנה הרבה - אתה מקרין אלומת IR גלויה או IR המסמנת היכן משהו יפגע או היכן כלי יפעל. אבל הביצוע מסתבך במהירות כאשר לוקחים בחשבון אפשרויות הרכבה, דרישות הספק ותנאי סביבה.

Crimson Trace הוציאה את סדרת Rail Master שלהם בשנת 2018, והיחידות הללו יכלו להתמודד עם 1000G של הלם רתיעה. המפרט הזה הפך לאמת מידה להרכבה תעשייתית מכיוון שאם הוא ישרוד רתיעה מנשק חם, הוא יטפל ברוב סביבות הרטט בייצור. דגם ה-RM-110 הרוויח כ-280 דולר קמעונאי (תמחור crimsontrace.com משנת 2020), שהיה תלול אך נתן לך לייזר אדום של 5mW שנשאר מאופס לאחר פגיעות חוזרות.

עבור עבודות פס ייצור, בדקנו את סדרת ה-TLR של Streamlight לצד כמה אפשרויות זולות יותר מיצרנים בחו"ל. סחף הטמפרטורות היה הקטנה של - יחידות שעולות מתחת ל-$50 היו מעבירות את נקודת המטרה שלהן ב-3-4 אינצ'ים ב-20 רגל כאשר הן עוברות מ-60 מעלות פרנהייט ל-95 מעלות פרנהייט של רצפת החנות. יחידות ה-Streamlight (בסביבות 180-220 $ תלוי בדגם) החזיקו אפס בטווח של 0.5 אינץ' על פני טווח זה, לפי בדיקות הספסל שלנו בקיץ 2021.

עם זאת, לא תמיד צריך את רמת היציבות הזו. תלוי לגמרי מה אתה עושה.

Laser Sight

זה נהיה מוזר מכיוון שהרכבת מכשיר רפואי דורשת לעתים קרובות לייזרים מסוג 2 (תחת תפוקה של 1mW לפי תקנות ה-FDA - ל-accessdata.fda.gov יש את הסיווגים המלאים), אבל צריך דיוק מיקום מתחת ל-0.1 מ"מ במרחקי עבודה של 300-500 מ"מ. Coherent Inc מייצרת מודולי לייזר שמתאימים למפרט הזה - סדרת ה-CUBE שלהם עולה בסביבות 400-600 דולר ליחידה בהתאם לאורך הגל ותפוקת ההספק.

שילבנו כמה לייזרים אדומים של 635 ננומטר במערכת הרכבת צנתר בשנה שעברה. אורך הגל חשוב יותר ממה שאנשים מבינים - 635ננומטר מופיע הרבה יותר מ-650 ננומטר תחת תאורת פלורסנט טיפוסית, משהו כמו פי 4 גלוי יותר לפי התיעוד הטכני של Laserex. ההבדל בעלויות הוא אולי 15-20% אבל שווה את זה כאשר מפעילים משתמשים במערכת היישור עבור משמרות של 8 שעות.

לייזרים ירוקים (בדרך כלל 532 ננומטר) נראים אפילו יותר לעיניים אנושיות, בערך פי 5 יותר מאדומים באותה הספק. אבל הם עולים יותר ואוכלים סוללות מהר יותר. מדדנו גרירת זרם במודול ירוק של 5mW ב-180mA לעומת 120mA עבור פלט אדום שווה ערך. לכלים כף יד חשובים. עבור התקנות קבועות עם חשמל בקיר, השתמש בירוק אם התקציב מאפשר.

ABB Robotics החלה לשלב מצביעי לייזר בסדרת ה-IRB שלהם בסביבות 2017 לצורך לימוד פעולות תליון. הקל הרבה יותר על טכנאים לדמיין נתיבים של רובוט מבלי להפעיל פעולות בזמן אמת. מודולי הלייזר שבהם השתמשו לא היו מפוארים -, בעצם, יחידות מסחריות שנארזו מחדש עם הרכבה טובה יותר של זעזועים ובתי דירוג IP67.

Fanuc נקטה בגישה שונה עם הרובוטים השיתופיים CRX שלהם, הכניסה את פולט הלייזר לאוגן הכלי והשתמשה בו להדמיה של אזור בטיחות. המערכת שלהם מקרינה נקודה בקוטר 10-15 מ"מ שזזה עם אפקטור הקצה. צריכת החשמל פועלת כ-2W ברציפות, מה שמגיע היישר מתקציב כוח הכלי. אתה צריך לקחת בחשבון את זה כאשר אתה מציין grippers או אפקטורי קצה אחרים.

Universal Robots לא כולל כוונות לייזר כסטנדרט, אבל למערכת האקולוגית UR+ שלהם יש כמה אפשרויות של צד שלישי-. מצלמת שורש כף היד של Robotiq לפעמים מתאימה ללייזר קואקסיאלי למדידת עומק, אם כי זה נכנס לטריטוריה של אור מובנה ולא לכיוון פשוט.

רמות לייזר לבנייה הן קטגוריה אחרת לגמרי אבל ראוי להזכיר. סדרת GLL של Bosch ו-DW088 של Dewalt משתמשות שניהם בלייזרים מסוג 2 ומקרינים קווים במקום נקודות. ה-DW088 עולה בסביבות 150$ וזורק קווים מאונכים מדויקים עד ±1/8 אינץ' בגובה 30 רגל (דף מפרט של dewalt.com). הדברים האלה נעשו זולים מספיק כדי שהם מופיעים בסביבות חנויות קטנות לעבודות פריסה.

חישובי חיי הסוללה מבולגנים מכיוון שיעילות דיודות הלייזר משתנה בהתאם לטמפרטורה. דיודת לייזר אדומה טיפוסית עשויה להיות יעילה של 15-20%, כלומר 80-85% מהספק המבוא הופך לחום. זו הסיבה שמתקנים בשימוש רציף זקוקים לשקיעת חום אפילו עבור מודולים בהספק נמוך.

מדדנו מודול לייזר אדום של 5mW המושך 90mA ב-3.3V - שזה בערך 300mW קלט עבור פלט של 5mW, אז בערך 17% יעילות. הפעלת זה באמצעות סוללת CR123A (קיבולת 1500mAh ב-3V) נותנת לך זמן ריצה תיאורטי של 16-17 שעות, אבל תראה יותר כמו 12-14 שעות בפועל מכיוון שמתח הסוללה יורד בעומס.

ההרכבה עצמה גורמת למחצית מהבעיות שאנו רואים בהתקנות בשטח. חורי הרכבה M3 הם סטנדרטיים אך עומק הברגה משתנה בין היצרנים. חלק מהמודולים הסיניים מפרטים חוטי M3x0.5 בעומק 4 מ"מ, אחרים מגיעים לעומק של 6 מ"מ. נשמע טריוויאלי אבל כשאתה מנסה להרכיב דרך לוח אלומיניום בגודל 3 מ"מ עם חיבור הברגה תקין, ההבדל הזה של 2 מ"מ קובע אם אתה יכול להשתמש בבורג סטנדרטי או צריך חומרה מותאמת אישית.

Surefire משתמשת במערכת תופסת מסילה קניינית על פנסי הנשק X400 שלהם, שעובדת מצוין גם להרכבה תעשייתית לשיחול אלומיניום חריץ T-. כוח ההידוק מתכוונן ואינו מסתמך על מומנט הברגה, מה שעוזר לשמור על אפס בסביבות- רטט גבוהות. יחידות עולות כ-$600 אך מחזיקות מעמד לנצח. יש לנו קצת עבודה מאז 2018 עם אפס תחזוקה מעבר להחלפת סוללות.

Laser Sight

לייזרים IR (בדרך כלל אורכי גל של 850 ננומטר או 940 ננומטר) מופיעים בחיישני מצלמה אך לא בעיניים אנושיות. שימושי עבור יישומי ראיית מכונה שבהם אינך רוצה שאור גלוי יפריע לקווי הראייה של המפעיל. Edmund Optics מוכרת מודולים של 850nm בסביבות $200-300 שמתאימים למצלמות תעשייתיות סטנדרטיות. למצלמות מסדרת Basler ace יש רגישות טובה בטווח הזה - דגם ה-acA1920-40gm שלהן מציג יעילות קוונטית של 50% ב-850nm לפי גיליון הנתונים (baslerweb.com).

940 ננומטר הופכים אפילו יותר בלתי נראה אבל רגישות המצלמה יורדת. לרוב חיישני הסיליקון יש אולי 30% QE ב-940 ננומטר לעומת 50% ב-850 ננומטר, אז אתה מוותר על האות למען חשאיות טובה יותר. כדאי רק אם -אור גלוי אנושי הוא באמת בעיה.

כלי יישור לייזר למערכות אופטיות משתמשים לפעמים ב-IR מכיוון שהם עובדים בסביבות שבהן אור תועה גלוי גורם לבעיות. לייזרים יישור IR של Newport Corporation פועלים 800-1200 דולר אך נותנים לך פלט כוח מתכוונן ואיכות אלומה טובה יותר ממודולים זולים. ערכי M² מתחת ל-1.1 לעומת 1.3-1.5 עבור יחידות מסחריות. זה משנה כשאתה מנסה להתחבר לפתחים קטנים או לשמור על קולימציה למרחקים ארוכים.

אנחנו לא משתמשים באלה אלא אם כן האפליקציה דורשת זאת. העלות מצטברת מהר.

ל"מצביע לייזר של 5mW" יכול להיות סטייה של קרן בין 0.5 מילי רדיאן ל 1.5 מילי רדיאן. ב-10 מטר זה ההבדל בין נקודה של 5 מ"מ לנקודה של 15 מ"מ. יצרנים לפעמים מפרטים את זה, לפעמים לא.

הלייזרים הירוקים הזולים מאמזון נוטים להפעיל סטייה של 1.2-1.5 mrad. מדדנו מספר יחידות בהגדרה פשוטה - לייזר במרחק קבוע, מטרה לבנה, מדידת קוטר נקודה עם קליפרים. לא בדיוק ניתן למעקב אחר NIST אבל מספיק טוב לעבודת יישום. לייזרים ירוקים DPSS היקרים יותר מ-CNI או Laserglow Technologies מגיעים בדרך כלל מתחת ל-1.0 mrad עם פרופילי אלומה מעגליים טובים יותר.

פרופיל קרן חשוב כאשר אתה מנסה לפגוע במטרות קטנות. קרן גאוס מעניקה לך נקודה מרכזית נקייה עם גלגול הדרגתי. ללייזרי דיודה זולים יותר יש לפעמים פרופילים אליפטיים או לא סדירים שמקשים על הכוונה המדויקת. הדרך היחידה לדעת היא לסמוך על גיליון המפרט של היצרן (מסוכן ללא מותגים-) או לבדוק את עצמך.

עבור יישור מכשירים כירורגיים בסופו של דבר ציינו 0.6 מראד סטייה מקסימלית מכיוון שמרחק העבודה היה 400 מ"מ וגודל המטרה היה קוטר 2 מ"מ. זה נותן לך קצת דפוק אבל לא הרבה. פרמיית העלות עבור סטייה הדוקה יותר הייתה כ-40% לעומת מודולים תעשייתיים סטנדרטיים.

הכנסנו מערכות יישור לייזר להגדרת טחנת CNC להגדרת כלי אוטומטי. נראה פשוט - התקן לייזר לבית ציר, הקרן קרן על יעד ייחוס קבוע, מדוד סטייה לפני כל החלפת כלי. עבד מצוין בבדיקה, נכשל בייצור כי חיתוך ערפל נוזלים הרס את חלון הלייזר תוך שבועיים. אף אחד לא חשב על זה בשלב התכנון.

הפתרון היה הוספת פיית טיהור אוויר דחוס ששמרה על זרימת אוויר קבועה על פני פתח הלייזר. נוספו $45 בחלקים ושעתיים זמן התקנה לכל מכונה. היה צריך להיות בעיצוב המקורי.

פיצוי טמפרטורה הוא דבר נוסף שנושך אנשים. ציינו מערכת מיצוב לייזר לכלי הנחת מרוכב שיפעל מ-65 מעלות פרנהייט עד 140 מעלות פרנהייט. יצרן מודול הלייזר אמר שהיחידה שלהם מדורגת ל-140 מעלות פרנהייט אך לא הזכירה שאפס תזוזה מובטחת רק ל-120 מעלות פרנהייט. מעל זה, התרחבות תרמית של תושבת ההרכבה הזיזה את הקרן ב-020 אינץ'. לגמרי לא מקובל על סובלנות layup.

בסופו של דבר עבר ליצרן אחר (Laser Components DG GmbH, סדרת ה-FP שלהם) שסיפק במפורש נתוני פיצוי טמפרטורה. העלות הייתה דומה, בסביבות $380 למודול, אבל הם למעשה בדקו ותיעדו את ההתנהגות שאכפת לנו ממנה.

Laser Sight

לייצור-בנפח גבוה שבו כוונת הלייזר מוטבעת במוצר, לפעמים אתה פשוט מתקין את הדיודה הגולמית ואת מעגל הדרייבר ישירות במקום לקנות מודול מוגמר. עשינו זאת עבור מכשיר רפואי שהיה צריך לייזר אדום 3mW - לרכישת דיודות Osram PLT5 450 בכמות של 1000 עלה בערך 4.20$ כל אחת (תמחור osram.com 2023 למפיצים), ועוד 2-3$ עבור IC הנהג ופאסיביים. מודולים שלמים עולים $25-40 כל אחד, אז עשה זאת בעצמך היה הגיוני בנפח.

החיסרון הוא שאתה עושה עיצוב אופטי משלך, צליית קירור, אימות מעגלים של מנהלי התקנים ובדיקות מהימנות. עבור משהו שנכנס למכשיר רפואי שדורש הגשת ה-FDA, זו עבודה הנדסית משמעותית. בילינו כ-200 שעות בסך הכל על עיצוב ואימות, אבל חסכנו בערך 18,000 דולר בעלויות רכיבים במהלך מחזור הייצור. שווה את זה ב-1000+ יחידות, לא שווה את זה מתחת ל-500 יחידות.

אופטיקה מאוחדת היא החלק המסובך. אתה צריך עדשה אספרית או מערכת מרובת -אלמנטים כדי לקבל איכות קרן נאותה מדיודה חשופה. אדמונד אופטיקס מוכרת עדשות אספריות עבור קולימציה בלייזר החל בסביבות 25-50 דולר תלוי ב-NA ובקוטר. אבל השגת קולימציה טובה דורשת מרווח מדויק בין דיודה לעדשה, בדרך כלל בטווח של 0.05 מ"מ. זה אומר או עיבוד מדויק של הבית או ברגים כוונון עם נעילה.

חלק מהיצרנים עוקפים את זה עם-מודולי דיודה מאוחדים מראש. ל- Thorlabs יש את סדרת ה-CPS שלהם המשלבת דיודה, דרייבר ואופטיקה קולימציה בחבילת TO-קומפקטית. בסביבות $80-120 ליחידה, וזה עדיין זול יותר מצביעי לייזר מוגמרים ומעניק לך יותר גמישות עיצובית.

לא בטוח מדוע יותר אנשים לא משתמשים בהם עבור יישומים משובצים. הם פותרים את רוב בעיות הסובלנות המכאניות תוך שמירה על עלויות סבירות בנפחים מתונים.

עבור מודולי לייזר ניידים בטווח 1-5mW,סוללת ליתיום CR1/3Nעובד בצורה מפתיעה. הם זעירים מבחינה פיזית אבל מחזיקים 170mAh ב-3V, מספיק ל-8-10 שעות ריצה במודולי לייזר אדום טיפוסיים. השתמשנו בהם בכלי יישור כף יד שבהם סוללות AA היו מגושמות מדי. העלות נעה בסביבות $2-3 לתא בכמות, וחיי המדף הם 10+ שנים, מה שחשוב למלאי פנוי.