Integrace laserového vidění pro moderní aplikace

Většina lidí si myslí, že laserové zaměřovače jsou pouze pro střelné zbraně, ale tato technologie se rozšířila daleko za tento původní trh. S laserovými zaměřovacími systémy pracujeme od roku 2019 a aplikace se neustále rozšiřují do průmyslových, lékařských a robotických odvětví, kde záleží na přesném zaměřování.

Základní princip se příliš nezměnil - promítáte viditelný nebo infračervený paprsek, který označuje, kam něco dopadne nebo kam se dostane nástroj. Ale provedení se rychle zkomplikuje, když zohledníte možnosti montáže, požadavky na napájení a podmínky prostředí.

Crimson Trace vydali svou sérii Rail Master již v roce 2018 a tyto jednotky dokázaly zvládnout 1000G zpětného rázu. Tato specifikace se stala měřítkem pro průmyslovou montáž, protože pokud přežije zpětný ráz střelné zbraně, zvládne většinu vibrací ve výrobě. Model RM-110 měl maloobchodní prodej asi 280 USD (cena crimsontrace.com od roku 2020), což bylo strmé, ale dalo vám 5 mW červený laser, který po opakovaných nárazech zůstal na nule.

Pro práci na montážní lince jsme testovali řadu TLR společnosti Streamlight spolu s některými levnějšími možnostmi od zámořských výrobců. Teplotní posun byl zabijácký - jednotky, které stály pod 50 $, posunuly svůj cílový bod o 3-4 palce na 20 stopách při přechodu z 60 °F na 95 °F na dílenské teplotě. Jednotky Streamlight (kolem 180–220 USD v závislosti na modelu) si podle našeho testování na stolici v létě 2021 udržely nulu v rozmezí 0,5 palce v tomto rozsahu.

Ne vždy však potřebujete takovou úroveň stability. Záleží zcela na tom, co děláte.

Laser Sight

To je divné, protože montáž lékařských zařízení často vyžaduje lasery třídy 2 (výstup nižší než 1 mW podle předpisů FDA - accessdata.fda.gov má úplnou klasifikaci), ale vyžaduje přesnost polohování pod 0,1 mm při pracovních vzdálenostech 300-500 mm. Coherent Inc. vyrábí laserové moduly, které splňují tyto specifikace – jejich série CUBE stojí kolem 400-600 USD za jednotku v závislosti na vlnové délce a výstupním výkonu.

Minulý rok jsme integrovali některé 635nm červené lasery do systému sestavování katétru. Na vlnové délce záleží víc, než si lidé uvědomují, - 635nm se ukazuje mnohem lépe než 650nm pod typickým zářivkovým osvětlením, což je podle technické dokumentace Laserexu asi 4x viditelnější. Rozdíl v nákladech je možná 15-20 %, ale vyplatí se to, když operátoři používají systém vyrovnání pro 8hodinové směny.

Zelené lasery (typicky 532nm) jsou pro lidské oči ještě viditelnější, zhruba 5x více než červené při stejném výkonu. Ale stojí více a rychleji spotřebovávají baterie. Měřili jsme odběr proudu na 5mW zeleném modulu při 180mA oproti 120mA pro ekvivalentní červený výstup. Pro ruční nářadí, na čem záleží. Pro pevné instalace s napájením ze zdi použijte zelenou, pokud to rozpočet umožňuje.

ABB Robotics začala kolem roku 2017 integrovat laserová ukazovátka do své řady IRB pro operace s přívěsným učením. Technikům bylo mnohem snazší vizualizovat cesty robota bez spouštění živých operací. Laserové moduly, které používali, nebyly nic přepychového - v podstatě přebalené komerční jednotky s lepší montáží proti nárazům a kryty s krytím IP67.

Společnost Fanuc zvolila se svými kolaborativními roboty CRX jiný přístup, vložila laserový emitor do příruby nástroje a použila jej pro vizualizaci bezpečnostní zóny. Jejich systém promítá bod o průměru 10-15 mm, který se pohybuje s koncovým efektorem. Spotřeba energie je přibližně 2 W nepřetržitě, což jde přímo z rozpočtu na napájení nástroje. S tím musíte počítat při specifikaci chapadel nebo jiných koncových efektorů.

Universal Robots standardně nezahrnuje laserové zaměřovače, ale jejich ekosystém UR+ má několik možností třetích-stran. Náramková kamera Robotiq se někdy spáruje s koaxiálním laserem pro měření hloubky, i když se to dostává spíše do strukturovaného světelného území než do jednoduchého zaměřování.

Stavební laserové hladiny jsou úplně jiná kategorie, ale stojí za zmínku. Řada GLL Bosch a Dewalt DW088 používají lasery třídy 2 a promítají čáry místo bodů. DW088 stojí kolem 150 USD a vrhá kolmé čáry s přesností ±1/8 palce na 30 stop (dewalt.com spec sheet). Tyto věci zlevnily natolik, že se objevují v prostředí malých obchodů pro práci s návrhem.

Výpočty životnosti baterie jsou chaotické, protože účinnost laserové diody se mění s teplotou. Typická červená laserová dioda může mít účinnost 15-20 %, což znamená, že 80–85 % vstupní energie tvoří teplo. To je důvod, proč instalace s nepřetržitým provozem potřebují odvod tepla i pro moduly s nízkým výkonem.

Naměřili jsme 5 mW červený laserový modul, který odebírá 90 mA při 3,3 V -, což je asi 300 mW vstup pro 5 mW výstup, tedy zhruba 17% účinnost. Provoz na baterii CR123A (kapacita 1500 mAh při 3V) vám poskytne teoretickou výdrž 16–17 hodin, ale v praxi uvidíte spíše 12–14 hodin, protože napětí baterie při zátěži klesá.

Samotná montáž způsobuje polovinu problémů, které vidíme u polních instalací. Montážní otvory M3 jsou standardní, ale hloubka závitu se u různých výrobců liší. Některé čínské moduly specifikují závity M3x0,5 na hloubku 4 mm, jiné jdou do hloubky 6 mm. Zní to triviálně, ale když se snažíte namontovat přes 3mm hliníkovou desku se správným závitem, tento 2mm rozdíl určuje, zda můžete použít standardní šroub nebo potřebujete vlastní hardware.

Surefire používá u svých světel X400 proprietární kolejnicový uchopovací systém, který také skvěle funguje pro průmyslovou montáž do T-drážky hliníku. Upínací síla je nastavitelná a nezávisí na kroutícím momentu závitu, což pomáhá udržovat nulu v prostředí s vysokými-vibracemi. Jednotky stojí asi 600 $, ale vydrží navždy. Některé běží od roku 2018 s nulovou údržbou kromě výměny baterií.

Laser Sight

IR lasery (typicky vlnové délky 850nm nebo 940nm) se zobrazují na kamerových senzorech, ale ne pro lidské oči. Užitečné pro aplikace strojového vidění, kde nechcete, aby viditelné světlo rušilo linie pohledu operátora. Edmund Optics prodává 850nm moduly za přibližně 200{7}}300 USD, které se spárují se standardními průmyslovými kamerami. Kamery řady Basler ace mají v tomto rozsahu dobrou citlivost – jejich model acA1920-40gm vykazuje podle datasheetu (baslerweb.com) 50% kvantovou účinnost při 850nm.

940nm je ještě neviditelnější, ale citlivost fotoaparátu klesá. Většina křemíkových senzorů má možná 30% QE při 940nm oproti 50% při 850nm, takže se vzdáváte signálu kvůli lepšímu utajení. Stojí to za to, pouze pokud je lidské-viditelné světlo skutečně problém.

Nástroje pro laserové zarovnání pro optické systémy někdy používají IR, protože pracují v prostředích, kde viditelné rozptýlené světlo způsobuje problémy. IR zaměřovací lasery Newport Corporation běží za 800-1200 USD, ale poskytují vám nastavitelný výkon a lepší kvalitu paprsku než levné moduly. Hodnoty M² pod 1,1 oproti 1,3-1,5 pro komerční jednotky. Na tom záleží, když se snažíte spojit do malých otvorů nebo udržovat kolimaci na velké vzdálenosti.

Nepoužíváme je, pokud to aplikace nevyžaduje. Náklady se rychle sčítají.

"5mW laserové ukazovátko" může mít divergenci paprsku kdekoli od 0,5 miliradiánu do 1,5 miliradiánu. Na 10 metrů je to rozdíl mezi 5 mm a 15 mm tečkou. Výrobci to někdy specifikují, někdy ne.

Levné zelené lasery od Amazonu mívají divergenci 1,2-1,5 mrad. Změřili jsme několik jednotek jednoduchým nastavením - laser na pevnou vzdálenost, bílý cíl, změřte průměr bodu pomocí posuvného měřítka. Ne přesně sledovatelné NIST, ale dost dobré pro práci s aplikacemi. Dražší zelené lasery DPSS od CNI nebo Laserglow Technologies se obvykle pohybují pod 1,0 mrad s lepšími kruhovými profily paprsku.

Profil paprsku je důležitý, když se snažíte zasáhnout malé cíle. Gaussův paprsek vám poskytuje čisté centrální místo s postupným odvíjením. Levnější diodové lasery mají někdy eliptické nebo nepravidelné profily, které ztěžují přesné míření. Jediný způsob, jak to zjistit, je buď důvěřovat listu se specifikacemi výrobce (u značek bez-jména riskantní), nebo se otestovat.

Pro vyrovnání chirurgických nástrojů jsme nakonec určili maximum divergence 0,6 mrad, protože pracovní vzdálenost byla 400 mm a velikost cíle byla 2 mm v průměru. To vám dá trochu zábran, ale ne moc. Nákladová prémie za těsnější divergenci byla asi 40 % oproti standardním průmyslovým modulům.

Vložili jsme laserové ustavovací systémy do CNC frézovacího nastavení pro automatické ustavování nástrojů. Zdálo se to jednoduché - namontujte laser na pouzdro vřetena, promítejte paprsek na pevný referenční cíl, změřte odchylku před každou výměnou nástroje. Při testování fungoval dobře, ve výrobě selhal, protože mlha řezné kapaliny během 2 týdnů degradovala okénko laseru. Ve fázi návrhu na to nikdo nepomyslel.

Řešením bylo přidání trysky pro čištění stlačeného vzduchu, která udržovala konstantní proudění vzduchu přes laserovou aperturu. Přidáno 45 USD na díly a 2 hodiny doby instalace na stroj. Mělo to být v původním designu.

Teplotní kompenzace je další věc, která lidi kouše. Specifikovali jsme laserový polohovací systém pro kompozitní pokládací nástroj, který by fungoval od 65 stupňů F do 140 stupňů F. Výrobce laserového modulu uvedl, že jejich jednotka byla dimenzována na 140 stupňů F, ale nezmínil, že nulový posun byl zaručen pouze do 120 stupňů F. Nad tím tepelná roztažnost montážního držáku posunula paprsek o 0,060 palce na 20 stopách. Naprosto nepřijatelné pro tolerance pokládky.

Skončilo to přechodem k jinému výrobci (Laser Components DG GmbH, jejich řada FP), který výslovně poskytl údaje o teplotní kompenzaci. Cena byla podobná, kolem 380 USD za modul, ale ve skutečnosti testovali a dokumentovali chování, na kterém nám záleželo.

Laser Sight

U velko{0}}objemové výroby, kdy je laserový zaměřovač zabudován do produktu, někdy stačí namontovat nezpracovanou diodu a obvod ovladače přímo, než abyste kupovali hotový modul. Udělali jsme to pro lékařské zařízení, které potřebovalo 3mW červený laser -. Nákup diod Osram PLT5 450 v množství 1000 stál přibližně 4,20 USD (cena pro distributory na webu osram.com 2023), plus další 2–3 USD za IC ovladače a pasiv. Kompletní moduly stojí 25-40 $ každý, takže DIY dávalo smysl v objemu.

Nevýhodou je, že děláte svůj vlastní optický design, chladič, ověřování obvodu ovladače a testování spolehlivosti. Pro něco, co jde do lékařského zařízení, které vyžaduje předložení FDA, je to značná inženýrská práce. Návrhem a ověřováním jsme strávili celkem asi 200 hodin, ale během výrobního cyklu jsme ušetřili zhruba 18 000 USD na nákladech na komponenty. Stojí za to za 1000+ jednotek, nestojí za to pod 500 jednotek.

Kolimační optika je složitá část. Abyste získali slušnou kvalitu paprsku z holé diody, potřebujete buď asférickou čočku, nebo víceprvkový-systém. Edmund Optics prodává asférické čočky pro laserovou kolimaci od 25 do 50 USD v závislosti na NA a průměru. Ale dosažení dobré kolimace vyžaduje přesnou vzdálenost mezi diodou a čočkou, obvykle do 0,05 mm. To znamená buď přesné opracování pouzdra nebo seřizovací šrouby s aretací.

Někteří výrobci to řeší pomocí před{0}}kolimovaných diodových modulů. Thorlabs má svou řadu CPS, která kombinuje diodu, ovladač a kolimační optiku v kompaktním balení TO-dózy. Přibližně 80–120 USD za jednotku, což je stále levnější než hotová laserová ukazovátka a poskytuje vám větší flexibilitu designu.

Nejste si jisti, proč je více lidí nepoužívá pro vestavěné aplikace. Řeší většinu problémů s mechanickou tolerancí a přitom udržují přiměřené náklady při středních objemech.

Pro přenosné laserové moduly v rozsahu 1-5mW,lithiová baterie CR1/3Nfungovat překvapivě dobře. Jsou fyzicky malé, ale obsahují 170 mAh při 3V, což stačí na 8-10 hodin provozu na typických červených laserových modulech. Použili jsme je v ručních vyrovnávacích nástrojích, kde byly AA baterie příliš objemné. Náklady se pohybují kolem 2–3 USD na buňku v množství a skladovatelnost je 10+ let, což je důležité pro volné zásoby.