یکپارچه سازی دید لیزری برای کاربردهای مدرن

اکثر مردم فکر می کنند که مناظر لیزری فقط برای سلاح گرم هستند، اما این فناوری بسیار فراتر از بازار اولیه گسترش یافته است. ما از سال 2019 با سیستم‌های هدف‌گیری لیزری کار کرده‌ایم و برنامه‌های کاربردی همچنان در بخش‌های صنعتی، پزشکی و روباتیک گسترش می‌یابند که در آن نقطه‌گیری دقیق اهمیت دارد.

اصل اساسی تغییر زیادی نکرده است - شما یک پرتو مرئی یا IR را نشان می‌دهید که مشخص می‌کند در کجا ضربه می‌خورد یا جایی که ابزار درگیر می‌شود. اما وقتی گزینه‌های نصب، نیازهای برق و شرایط محیطی را در نظر بگیرید، اجرا به سرعت پیچیده می‌شود.

Crimson Trace سری Rail Master خود را در سال 2018 منتشر کرد و آن واحدها می توانستند 1000 گرم شوک پس زدگی را تحمل کنند. این مشخصات به معیاری برای نصب صنعتی تبدیل شد، زیرا اگر از پس زدن سلاح گرم جان سالم به در ببرد، بیشتر محیط های ارتعاشی در تولید را کنترل می کند. مدل RM-110 حدود 280 دلار خرده‌فروشی داشت (قیمت crimsontrace.com از سال 2020)، که بسیار شیب‌دار بود، اما یک لیزر قرمز 5 میلی‌واتی به شما داد که پس از ضربه‌های مکرر صفر می‌ماند.

برای کارهای خط مونتاژ، سری TLR Streamlight را در کنار برخی گزینه‌های ارزان‌تر از تولیدکنندگان خارج از کشور آزمایش کردیم. تغییر دما باعث شد که واحدهای - که کمتر از 50 دلار قیمت دارند، نقطه هدف خود را به میزان 3-4 اینچ در فاصله 20 فوتی در هنگام رفتن از دمای 60 درجه فارنهایت به دمای 95 درجه فارنهایت تغییر دهند. واحدهای Streamlight (حدود 180 تا 220 دلار بسته به مدل) طبق آزمایش نیمکت ما در تابستان 2021، صفر را در 0.5 اینچ در آن محدوده نگه داشتند.

شما همیشه به آن سطح از ثبات نیاز ندارید. کاملاً به کاری که انجام می دهید بستگی دارد.

Laser Sight

این عجیب می شود زیرا مونتاژ دستگاه پزشکی اغلب به لیزرهای کلاس 2 نیاز دارد (بر اساس مقررات FDA خروجی کمتر از 1 میلی وات - accessdata.fda.gov دارای طبقه بندی کامل است) اما به دقت موقعیت یابی زیر 0.1 میلی متر در فواصل کاری 300-500 میلی متر نیاز دارد. Coherent Inc. ماژول‌های لیزری را می‌سازد که با این مشخصات مطابقت دارند - سری CUBE آن‌ها بسته به طول موج و توان خروجی حدود 400 تا 600 دلار در هر واحد قیمت دارند.

ما سال گذشته لیزرهای قرمز 635 نانومتری را در یک سیستم مونتاژ کاتتر ادغام کردیم. طول موج بیش از آن چیزی است که مردم تصور می کنند - 635nm در نور فلورسنت معمولی، بسیار بهتر از 650 نانومتر نشان می دهد، چیزی حدود 4 برابر بیشتر دیده می شود طبق مستندات فنی Laserex. تفاوت هزینه ممکن است 15-20٪ باشد، اما زمانی که اپراتورها از سیستم تراز برای شیفت های 8 ساعته استفاده می کنند ارزش آن را دارد.

لیزرهای سبز (معمولاً 532 نانومتر) حتی برای چشم انسان بیشتر قابل مشاهده هستند، تقریباً 5 برابر بیشتر از قرمز در همان توان خروجی. اما آنها هزینه بیشتری دارند و باتری را سریعتر می خورند. ما کشش جریان را روی یک ماژول سبز 5 میلی‌واتی در 180 میلی آمپر در مقابل 120 میلی آمپر برای خروجی قرمز معادل اندازه‌گیری کردیم. برای ابزارهای دستی که مهم است. برای تاسیسات ثابت با برق دیوار، اگر بودجه اجازه می دهد، از رنگ سبز استفاده کنید.

ABB Robotics در حدود سال 2017 شروع به ادغام نشانگرهای لیزری در سری IRB خود برای آموزش عملیات آویز کرد. تجسم مسیرهای ربات را بدون اجرای عملیات زنده برای تکنسین ها آسان تر کرد. ماژول‌های لیزری که آنها استفاده می‌کردند، هیچ چیز شیکی نداشتند - اساساً واحدهای تجاری بسته‌بندی شده با ضربه‌گیر بهتر و محفظه‌های دارای رتبه IP67 بودند.

Fanuc با ربات‌های مشترک CRX خود رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت و فرستنده لیزر را در فلنج ابزار قرار داد و از آن برای تجسم منطقه ایمنی استفاده کرد. سیستم آنها یک نقطه به قطر 10-15 میلی متر را نشان می دهد که با افکتور انتهایی حرکت می کند. مصرف برق تقریباً 2 وات مداوم است که مستقیماً از بودجه برق ابزار خارج می شود. هنگام تعیین گیره ها یا سایر افکت های انتهایی باید آن را در نظر بگیرید.

یونیورسال روبات‌ها مناظر لیزری را به‌صورت استاندارد شامل نمی‌شوند، اما اکوسیستم UR+ آن‌ها چندین گزینه-طرف سوم دارد. دوربین مچ دست Robotiq گاهی اوقات برای اندازه‌گیری عمق با لیزر کواکسیال جفت می‌شود، هرچند که به جای هدف‌گیری ساده، وارد قلمرو نوری ساختاریافته می‌شود.

سطوح لیزر ساختمانی یک مقوله کاملا متفاوت است اما قابل ذکر است. سری GLL بوش و DW088 دیوالت هر دو از لیزرهای کلاس 2 و خطوط پروژه به جای نقطه استفاده می کنند. DW088 حدود 150 دلار قیمت دارد و خطوط عمود بر دقت 1/8 ± اینچ را در 30 فوت پرتاب می کند (برگ مشخصات dewalt.com). این چیزها به قدری ارزان شده اند که در محیط های مغازه های کوچک برای کارهای چیدمان نمایش داده می شوند.

محاسبات عمر باتری بهم ریخته می شود زیرا راندمان دیود لیزر با دما متفاوت است. یک دیود لیزر قرمز معمولی ممکن است 15{4}}20% کارایی داشته باشد، به این معنی که 80-85% از توان ورودی تبدیل به گرما می شود. به همین دلیل است که تاسیسات مستمر حتی برای ماژول های کم توان نیاز به فروپاشی گرما دارند.

ما یک ماژول لیزر قرمز 5 میلی‌واتی را اندازه‌گیری کردیم که 90 میلی‌آمپر را در 3.3 ولت - می‌کشد که تقریباً ورودی 300 میلی‌وات برای خروجی 5 میلی‌وات است، بنابراین تقریباً 17 درصد راندمان. با استفاده از یک باتری CR123A (ظرفیت 1500 میلی آمپر ساعت در 3 ولت) زمان کار تئوری 16 تا 17 ساعت به شما می رسد، اما در عمل بیشتر از 12 تا 14 ساعت خواهید دید زیرا ولتاژ باتری تحت بار کاهش می یابد.

خود نصب نیمی از مشکلاتی را که در تاسیسات میدانی می بینیم ایجاد می کند. سوراخ های نصب M3 استاندارد هستند، اما عمق رزوه بین تولید کنندگان متفاوت است. برخی از ماژول‌های چینی رزوه‌های M3x0.5 را در عمق 4 میلی‌متر مشخص می‌کنند، برخی دیگر به عمق 6 میلی‌متر می‌روند. به نظر بی اهمیت به نظر می رسد، اما زمانی که می خواهید از صفحه آلومینیومی 3 میلی متری با درگیر شدن با نخ مناسب سوار شوید، این تفاوت 2 میلی متری تعیین می کند که آیا می توانید از پیچ استاندارد استفاده کنید یا به سخت افزار سفارشی نیاز دارید.

Surefire از یک سیستم ریل گیر اختصاصی روی چراغ های سلاح X400 خود استفاده می کند که برای نصب صنعتی روی اکستروژن آلومینیومی اسلات T{1}} نیز عالی عمل می کند. نیروی گیره قابل تنظیم است و به گشتاور رزوه تکیه نمی کند، که به حفظ صفر در محیط های{3} با ارتعاش بالا کمک می کند. واحدها حدود 600 دلار قیمت دارند اما برای همیشه ماندگار هستند. ما از سال 2018 با تعمیر و نگهداری صفر فراتر از تعویض باتری کار کرده ایم.

Laser Sight

لیزرهای مادون قرمز (معمولاً با طول موج 850 نانومتر یا 940 نانومتر) در سنسورهای دوربین نمایش داده می شوند اما در چشم انسان دیده نمی شوند. برای کاربردهای بینایی ماشین که نمی خواهید نور مرئی با خطوط دید اپراتور تداخل داشته باشد مفید است. Edmund Optics ماژول‌های 850 نانومتری را حدود 200{7}}300 دلار می‌فروشد که با دوربین‌های صنعتی استاندارد جفت می‌شوند. دوربین های سری Basler ace حساسیت خوبی در این محدوده دارند - مدل acA1920-40gm آنها 50 درصد راندمان کوانتومی را در 850 نانومتر در هر برگه داده نشان می دهد (baslerweb.com).

940 نانومتر حتی نامرئی تر می شود اما حساسیت دوربین کاهش می یابد. اکثر سنسورهای سیلیکونی شاید 30 درصد QE در 940 نانومتر در مقابل 50 درصد در 850 نانومتر داشته باشند، بنابراین شما از سیگنال برای پنهان کاری بهتر چشم پوشی می کنید. فقط زمانی ارزش دارد که نور مرئی انسان واقعاً مشکل ساز باشد.

ابزارهای همترازی لیزری برای سیستم‌های نوری گاهی اوقات از IR استفاده می‌کنند، زیرا در محیط‌هایی کار می‌کنند که نور سرگردان مرئی باعث ایجاد مشکل می‌شود. لیزرهای تراز IR شرکت نیوپورت 800 تا 1200 دلار کار می کنند، اما توان خروجی قابل تنظیم و کیفیت پرتو بهتری را نسبت به ماژول های ارزان ارائه می دهند. مقادیر M² زیر 1.1 در مقابل 1.3-1.5 برای واحدهای تجاری. زمانی که می‌خواهید در دیافراگم‌های کوچک جفت شوید یا کولیماسیون را در فواصل طولانی حفظ کنید، اهمیت دارد.

ما از آنها استفاده نمی کنیم مگر اینکه برنامه آن را بخواهد. هزینه به سرعت اضافه می شود.

یک «اشاره‌گر لیزری 5 میلی‌واتی» می‌تواند دارای واگرایی پرتویی از 0.5 میلی‌رادیان تا 1.5 میلی‌رادیان باشد. در 10 متر این تفاوت بین نقطه 5 میلی متری و نقطه 15 میلی متری است. تولیدکنندگان گاهی اوقات این را مشخص می کنند، گاهی اوقات نه.

لیزرهای سبز ارزان قیمت آمازون دارای واگرایی 1.2-1.5 mrad هستند. ما چندین واحد را با یک تنظیم ساده اندازه گیری کردیم - لیزر در فاصله ثابت، هدف سفید، اندازه گیری قطر نقطه با کولیس. دقیقاً NIST قابل ردیابی نیست، اما برای کارهای کاربردی به اندازه کافی خوب است. لیزرهای سبز گرانتر DPSS از CNI یا Laserglow Technologies معمولا کمتر از 1.0 mrad با پروفیل های پرتو دایره ای بهتر عرضه می شوند.

هنگامی که می خواهید به اهداف کوچک ضربه بزنید، نمایه پرتو اهمیت دارد. یک پرتو گاوسی یک نقطه مرکزی تمیز با رول کردن تدریجی به شما می دهد. لیزرهای دیود ارزان‌تر گاهی اوقات دارای پروفایل‌های بیضوی یا نامنظم هستند که هدف‌گیری دقیق را سخت‌تر می‌کنند. تنها راه برای دانستن این است که یا به برگه مشخصات سازنده اعتماد کنید (خطرناک بدون برندهای-) یا خودتان را آزمایش کنید.

برای تراز کردن ابزار جراحی، ما حداکثر واگرایی 0.6 میلی‌رداد را تعیین کردیم، زیرا فاصله کاری 400 میلی‌متر و اندازه هدف 2 میلی‌متر بود. این به شما کمی شیب می دهد اما نه زیاد. حق بیمه هزینه برای واگرایی شدیدتر حدود 40 درصد نسبت به ماژول های صنعتی استاندارد بود.

ما سیستم های تراز لیزری را برای تنظیم خودکار ابزار در یک کارخانه CNC قرار دادیم. به نظر ساده می‌رسید - لیزر را روی محفظه دوک نصب کنید، پرتو را روی هدف مرجع ثابت قرار دهید، قبل از هر تغییر ابزار، انحراف را اندازه‌گیری کنید. در آزمایش خوب کار کرد، در تولید ناموفق بود زیرا برش غبار سیال پنجره لیزر را در عرض 2 هفته تخریب کرد. هیچ کس در مرحله طراحی به آن فکر نکرد.

راه حل اضافه کردن یک نازل تصفیه هوای فشرده بود که جریان هوا را در سراسر دیافراگم لیزر ثابت نگه می داشت. اضافه شدن 45 دلار به قطعات و 2 ساعت زمان نصب برای هر دستگاه. باید در طرح اصلی بود

جبران دما یکی دیگر از مواردی است که افراد را گاز می گیرد. ما یک سیستم موقعیت یابی لیزری را برای یک ابزار چیدمان کامپوزیت تعیین کردیم که از 65 درجه فارنهایت تا 140 درجه فارنهایت کار می کند. سازنده ماژول لیزر گفت که واحد آنها دارای درجه بندی 140 درجه فارنهایت است اما اشاره نکرد که جابجایی صفر فقط تا 120 درجه فارنهایت تضمین شده است. بالاتر از آن، انبساط حرارتی پایه نصب در 60 درجه فارنهایت براکت در 020 اینچ حرکت می کند. برای تلورانس های layup کاملا غیر قابل قبول است.

در نهایت به تولیدکننده دیگری (Laser Components DG GmbH، سری FP آنها) تغییر یافت که به صراحت داده های جبران دما را ارائه می کرد. هزینه مشابه بود، حدود 380 دلار برای هر ماژول، اما آنها در واقع رفتاری که ما به آن اهمیت می‌دادیم را آزمایش و مستند کردند.

Laser Sight

برای تولید-با حجم بالا که در آن دید لیزری در محصول تعبیه شده است، گاهی اوقات به جای خرید یک ماژول کامل، دیود خام و مدار درایور را مستقیماً نصب می‌کنید. ما این کار را برای یک دستگاه پزشکی انجام دادیم که به لیزر قرمز 3 میلی‌واتی نیاز داشت - دیودهای Osram PLT5 450 را با مقدار 1000 خریداری کرد که هر کدام حدود 4.20 دلار قیمت داشت (قیمت osram.com 2023 برای توزیع‌کنندگان)، به علاوه 2 تا 3 دلار دیگر برای آی سی درایور و غیرفعال‌ها. ماژول های کامل هر کدام 25 تا 40 دلار هزینه دارند، بنابراین DIY در حجم منطقی است.

نقطه ضعف این است که شما طراحی نوری، هیت سینک، اعتبارسنجی مدار راننده و تست قابلیت اطمینان خود را انجام می دهید. برای چیزی که وارد یک دستگاه پزشکی می شود و نیاز به ارائه FDA دارد، کار مهندسی قابل توجهی است. ما در مجموع حدود 200 ساعت را صرف طراحی و اعتبار سنجی کردیم، اما تقریباً 18000 دلار در هزینه قطعات در طول دوره تولید صرفه جویی کردیم. ارزش آن در 1000+ واحد است، زیر 500 واحد ارزش آن را ندارد.

اپتیک های تلاقی بخش مشکل هستند. برای دریافت کیفیت پرتو مناسب از یک دیود لخت، به یک لنز غیر کروی یا یک سیستم چند عنصری- نیاز دارید. ادموند اپتیک لنزهای غیر کروی را برای کولیماسیون لیزری با قیمت حدود 25 تا 50 دلار بسته به NA و قطر می فروشد. اما به دست آوردن همخوانی خوب نیاز به فاصله دقیق بین دیود و لنز دارد، معمولاً در 0.05 میلی متر. یعنی یا ماشینکاری دقیق محفظه یا پیچ های تنظیم با قفل.

برخی از تولیدکنندگان با استفاده از ماژول‌های دیود از قبل هماهنگ‌شده این مشکل را برطرف می‌کنند. Thorlabs سری CPS خود را دارد که دیود، درایور و اپتیک های همسو را در یک بسته TO- فشرده ترکیب می کند. حدود 80-120 دلار در هر واحد که هنوز هم ارزان تر از نشانگرهای لیزری تمام شده است و به شما انعطاف بیشتری در طراحی می دهد.

مطمئن نیستم که چرا افراد بیشتری از اینها برای برنامه های تعبیه شده استفاده نمی کنند. آنها اکثر مشکلات تحمل مکانیکی را حل می کنند و در عین حال هزینه ها را در حجم متوسط معقول نگه می دارند.

برای ماژول های لیزر قابل حمل در محدوده 1-5 میلی وات،باتری لیتیوم CR1/3Nبه طرز شگفت انگیزی خوب کار می کنند آنها از نظر فیزیکی کوچک هستند اما 170 میلی آمپر ساعت در 3 ولت دارند که برای 8 تا 10 ساعت کار بر روی ماژول های لیزر قرمز معمولی کافی است. ما از آنها در ابزارهای تراز دستی که باتری های AA خیلی حجیم بودند استفاده کرده ایم. هزینه در مقدار حدود 2-3 دلار در هر سلول است و ماندگاری 10+ سال است که برای موجودی یدکی مهم است.