Integrare cu laser pentru aplicații moderne

Majoritatea oamenilor cred că obiectivele laser sunt doar pentru arme de foc, dar tehnologia s-a răspândit cu mult dincolo de această piață inițială. Lucrăm cu sisteme de țintire cu laser din 2019, iar aplicațiile continuă să se extindă în sectoarele industriale, medicale și robotice, unde punctarea cu precizie contează.

Principiul de bază nu s-a schimbat prea mult - proiectați un fascicul vizibil sau IR care marchează locul în care se va lovi ceva sau unde se va angaja un instrument. Dar execuția se complică rapid atunci când luați în considerare opțiunile de montare, cerințele de putere și condițiile de mediu.

Crimson Trace și-a lansat seria Rail Master în 2018, iar acele unități ar putea suporta 1000G de șoc de recul. Aceste specificații au devenit un punct de referință pentru montarea industrială, deoarece, dacă supraviețuiește reculului armei de foc, se va ocupa de majoritatea mediilor de vibrații din producție. Modelul RM-110 a rulat aproximativ 280 de dolari cu amănuntul (prețul crimsontrace.com din 2020), care a fost abrupt, dar vă oferea un laser roșu de 5mW care a rămas la zero după impacturi repetate.

Pentru lucrul pe linia de asamblare, am testat seria Streamlight TLR alături de câteva opțiuni mai ieftine de la producători de peste mări. Deviația de temperatură a fost motivul pentru care - unitățile ucigașe care costă sub 50 USD și-ar schimba punctul de țintă cu 3-4 inci la 20 de picioare atunci când trec de la 60 de grade F la 95 de grade F la nivelul atelierului. Unitățile Streamlight (aproximativ 180-220 USD, în funcție de model) au ținut zero în 0,5 inci în intervalul respectiv, conform testelor noastre pe bancă din vara anului 2021.

Totuși, nu aveți întotdeauna nevoie de acest nivel de stabilitate. Depinde în întregime de ceea ce faci.

Laser Sight

Acest lucru devine ciudat, deoarece asamblarea dispozitivelor medicale necesită adesea lasere de clasa 2 (sub 1 mW de ieșire conform reglementărilor FDA - accessdata.fda.gov are clasificările complete), dar necesită o precizie de poziționare sub 0,1 mm la distanțe de lucru de 300-500 mm. Coherent Inc. produce module laser care respectă aceste specificații - seria lor CUBE costă aproximativ 400-600 USD pe unitate, în funcție de lungimea de undă și puterea de ieșire.

Am integrat câteva lasere roșii de 635 nm într-un sistem de asamblare a cateterului anul trecut. Lungimea de undă contează mai mult decât își dau seama oamenii că - 635nm arată mult mai bine decât 650 nm la iluminare fluorescentă tipică, ceva de genul de 4 ori mai vizibil conform documentației tehnice a Laserex. Diferența de cost este poate de 15-20%, dar merită atunci când operatorii folosesc sistemul de aliniere pentru ture de 8 ore.

Laserele verzi (de obicei de 532 nm) sunt și mai vizibile pentru ochii oamenilor, de aproximativ 5 ori mai multe decât roșii la aceeași putere. Dar costă mai mult și mănâncă bateriile mai repede. Am măsurat consumul de curent pe un modul verde de 5mW la 180mA față de 120mA pentru o ieșire roșie echivalentă. Pentru instrumentele portabile care contează. Pentru instalatii fixe cu putere de perete, folositi verde daca bugetul o permite.

ABB Robotics a început să integreze pointere laser în seria lor IRB în jurul anului 2017 pentru operațiunile de predare cu pendant. Le-a făcut mult mai ușor pentru tehnicieni să vizualizeze traseele robotului fără a rula operațiuni live. Modulele laser pe care le-au folosit nu erau deloc de lux -, practic, unități comerciale reambalate, cu montare la șoc mai bună și carcase clasificate IP67.

Fanuc a adoptat o abordare diferită cu roboții lor colaborativi CRX, punând emițătorul laser în flanșa sculei și folosindu-l pentru vizualizarea zonei de siguranță. Sistemul lor proiectează un punct cu diametrul de 10-15 mm care se mișcă cu efectorul final. Consumul de energie este de aproximativ 2 W continuu, care provine direct din bugetul de putere al sculei. Trebuie să țineți cont de acest lucru atunci când specificați dispozitive de prindere sau alți efectori de capăt.

Universal Robots nu include obiective laser ca standard, dar ecosistemul lor UR+ are mai multe opțiuni-terților. Camera Robotiq Wrist este uneori asociată cu un laser coaxial pentru măsurarea adâncimii, deși acest lucru ajunge mai degrabă în teritoriu de lumină structurată decât în simpla țintire.

Nivelurile laser de construcție sunt o categorie complet diferită, dar merită menționată. Seria GLL de la Bosch și DW088 de la Dewalt folosesc ambele lasere de clasa 2 și linii de proiect în loc de puncte. DW088 rulează în jur de 150 USD și aruncă linii perpendiculare cu o precizie de ± 1/8 inch la 30 de picioare (foșa de specificații dewalt.com). Aceste lucruri au devenit suficient de ieftine încât să apară în medii de magazine mici pentru lucrări de amenajare.

Calculele de viață a bateriei devin dezordonate, deoarece eficiența diodei laser variază în funcție de temperatură. O diodă laser roșie tipică poate avea o eficiență de 15-20%, ceea ce înseamnă că 80-85% din puterea de intrare devine căldură. De aceea, instalațiile în regim continuu au nevoie de radiație chiar și pentru modulele de putere redusă.

Am măsurat un modul laser roșu de 5 mW care trage 90 mA la 3,3 V -, adică aproximativ 300 mW de intrare pentru o ieșire de 5 mW, deci o eficiență de aproximativ 17%. Utilizarea acesteia de pe o baterie CR123A (capacitate de 1500 mAh la 3 V) vă oferă o durată de funcționare teoretică de 16-17 ore, dar veți vedea mai mult ca 12-14 ore în practică, deoarece tensiunea bateriei scade sub sarcină.

Montarea în sine provoacă jumătate din problemele pe care le vedem la instalațiile pe teren. Găurile de montare M3 sunt standard, dar adâncimea filetului variază de la producător. Unele module chinezești prevăd filete M3x0,5 la 4 mm adâncime, altele ajung la 6 mm adâncime. Sună banal, dar atunci când încercați să montați printr-o placă de aluminiu de 3 mm cu angajare corectă a filetului, acea diferență de 2 mm determină dacă puteți utiliza un șurub standard sau aveți nevoie de hardware personalizat.

Surefire folosește un sistem de prindere șine brevetat pe luminile lor pentru arme X400, care funcționează excelent și pentru montarea industrială pe extrudarea de aluminiu cu fantă T-. Forța de strângere este reglabilă și nu se bazează pe cuplul filetului, ceea ce ajută la menținerea zero în medii cu-vibrații ridicate. Unitățile costă aproximativ 600 USD, dar durează pentru totdeauna. Avem ceva în funcțiune din 2018, fără întreținere, dincolo de schimbarea bateriilor.

Laser Sight

Laserele IR (de obicei cu lungimi de undă de 850 nm sau 940 nm) apar pe senzorii camerei, dar nu și în ochii omului. Util pentru aplicațiile de viziune artificială în care nu doriți ca lumina vizibilă să interfereze cu liniile de vedere ale operatorului. Edmund Optics vinde module de 850 nm în jur de 200-300 USD care se împerechează cu camere industriale standard. Camerele din seria Basler ace au o sensibilitate bună în acest interval - modelul lor acA1920-40gm arată o eficiență cuantică de 50% la 850 nm conform fișei de date (baslerweb.com).

940nm devine și mai invizibil, dar sensibilitatea camerei scade. Majoritatea senzorilor de siliciu au poate 30% QE la 940nm față de 50% la 850nm, așa că renunți la semnal pentru o mai bună acoperire. Merită doar dacă-lumina vizibilă umană este cu adevărat o problemă.

Instrumentele de aliniere laser pentru sisteme optice folosesc uneori IR, deoarece lucrează în medii în care lumina parazită vizibilă cauzează probleme. Laserele de aliniere IR de la Newport Corporation rulează 800-1200 USD, dar vă oferă putere de ieșire reglabilă și o calitate mai bună a fasciculului decât modulele ieftine. Valori M² sub 1,1 față de 1,3-1,5 pentru unitățile comerciale. Acest lucru contează atunci când încercați să vă cuplați în deschideri mici sau să mențineți colimația pe distanțe lungi.

Nu le folosim decât dacă aplicația o cere. Costul crește rapid.

Un „indicator laser de 5 mW” ar putea avea divergențe ale fasciculului de la 0,5 miliradiani până la 1,5 miliradiani. La 10 metri, aceasta este diferența dintre un punct de 5 mm și unul de 15 mm. Producătorii specifică uneori acest lucru, alteori nu.

Laserele verzi ieftine de la Amazon tind să aibă o divergență de 1,2-1,5 mrad. Am măsurat mai multe unități cu o configurare simplă - laser la distanță fixă, țintă albă, măsurați diametrul spotului cu șublere. Nu este tocmai trasabil NIST, dar suficient de bun pentru aplicarea. Laserele verzi DPSS mai scumpe de la CNI sau Laserglow Technologies vin de obicei sub 1,0 mrad cu profile de fascicul circular mai bune.

Profilul fasciculului contează atunci când încercați să atingeți ținte mici. Un fascicul gaussian vă oferă un punct central curat, cu o deplasare graduală. Laserele cu diodă mai ieftine au uneori profiluri eliptice sau neregulate care îngreunează țintirea precisă. Singura modalitate de a ști este fie să ai încredere în fișa de specificații a producătorului (riscătoare cu mărci fără-nume) sau să te testezi.

Pentru alinierea instrumentelor chirurgicale am ajuns să specificam o divergență maximă de 0,6 mrad, deoarece distanța de lucru a fost de 400 mm și dimensiunea țintei a fost de 2 mm diametru. Asta iti da putina panta, dar nu prea mult. Prima de cost pentru o divergență mai strânsă a fost de aproximativ 40% față de modulele industriale standard.

Am introdus sisteme de aliniere cu laser într-o configurație de freză CNC pentru setarea automată a sculelor. Mi s-a părut simplu - Montați laserul pe carcasa axului, proiectați fasciculul pe ținta de referință fixă, măsurați abaterea înainte de fiecare schimbare a sculei. A funcționat bine la testare, a eșuat în producție deoarece ceața fluidului de tăiere a degradat fereastra laserului în decurs de 2 săptămâni. Nimeni nu s-a gândit la asta în faza de proiectare.

Soluția a fost adăugarea unei duze de purjare a aerului comprimat care a menținut fluxul constant de aer prin deschiderea laserului. S-au adăugat 45 USD în piese și 2 ore timp de instalare per mașină. Ar fi trebuit să fie în designul original.

Compensarea temperaturii este un alt lucru care mușcă oamenii. Am specificat un sistem de poziționare cu laser pentru un instrument compozit de aranjare care să funcționeze de la 65 de grade F la 140 de grade F. Producătorul de module laser a spus că unitatea lor a fost evaluată la 140 de grade F, dar nu a menționat că deplasarea zero era garantată doar la 120 de grade F. Mai sus, dilatarea termică a suportului de montare s-a deplasat la 6 cm cu 2 fețe. Total inacceptabil pentru toleranțele layup.

Am trecut prin a trece la un alt producător (Laser Components DG GmbH, seria lor FP) care a furnizat în mod explicit date de compensare a temperaturii. Costul a fost similar, în jur de 380 USD per modul, dar au testat și documentat comportamentul la care ne păsa.

Laser Sight

Pentru producția de-volum mare în care vizorul laser este încorporat în produs, uneori montați direct dioda brută și circuitul driverului, în loc să cumpărați un modul finit. Am făcut acest lucru pentru un dispozitiv medical care avea nevoie de un laser roșu de 3mW - cumpărând diode Osram PLT5 450 la cantitatea de 1000, a costat aproximativ 4,20 USD fiecare (prețul osram.com 2023 pentru distribuitori), plus încă 2-3 USD pentru circuitul integrat al driverului și pasive. Modulele complete costă 25-40 USD fiecare, așa că DIY avea sens la volum.

Dezavantajul este că vă faceți propriul design optic, radiația, validarea circuitului driverului și testarea fiabilității. Pentru ceva ce intră într-un dispozitiv medical care necesită depunerea FDA, aceasta este o muncă de inginerie substanțială. Am petrecut aproximativ 200 de ore în total pentru proiectare și validare, dar am economisit aproximativ 18.000 USD în costurile componentelor pe parcursul producției. Merită la 1000+ unități, nu merită sub 500 de unități.

Optica colimatoare este partea dificilă. Aveți nevoie fie de o lentilă asferică, fie de un sistem cu mai multe elemente-pentru a obține o calitate decentă a fasciculului de la o diodă goală. Edmund Optics vinde lentile asferice pentru colimare laser începând cu aproximativ 25-50 USD, în funcție de NA și diametru. Dar obținerea unei colimări bune necesită o distanță precisă între diodă și lentilă, de obicei în 0,05 mm. Aceasta înseamnă fie prelucrarea de precizie a carcasei, fie șuruburi de reglare cu blocare.

Unii producători ocolesc acest lucru cu module de diode pre-colimate. Thorlabs are seria CPS care combină dioda, driverul și optica de colimare într-un pachet compact TO-can. Aproximativ 80-120 USD pe unitate, ceea ce este în continuare mai ieftin decât indicatoarele laser finisate și vă oferă mai multă flexibilitate de proiectare.

Nu sunt sigur de ce mai mulți oameni nu le folosesc pentru aplicații încorporate. Ele rezolvă majoritatea problemelor de toleranță mecanică, menținând în același timp costurile rezonabile la volume moderate.

Pentru modulele laser portabile în intervalul 1-5mW,baterie litiu CR1/3Nfunctioneaza surprinzator de bine. Sunt mici din punct de vedere fizic, dar au o capacitate de 170 mAh la 3 V, suficient pentru 8-10 ore de funcționare pe modulele laser roșii tipice. Le-am folosit în instrumente de aliniere portabile unde bateriile AA erau prea voluminoase. Costul este de aproximativ 2-3 USD per celulă în cantitate, iar perioada de valabilitate este de 10+ ani, ceea ce contează pentru inventarul de rezervă.