Modern Uygulamalar için Lazer Görüş Entegrasyonu

Çoğu insan lazer nişangahların sadece ateşli silahlara yönelik olduğunu düşünüyor ancak teknoloji bu ilk pazarın çok ötesine yayıldı. 2019'dan bu yana lazer hedefleme sistemleriyle çalışıyoruz ve uygulamalar, hassas işaretlemenin önemli olduğu endüstriyel, tıbbi ve robotik sektörlerine doğru genişlemeye devam ediyor.

Temel prensip pek değişmedi - bir şeyin nereye çarpacağını veya bir aletin devreye gireceğini işaretleyen görünür veya kızılötesi bir ışın yansıtıyorsunuz. Ancak montaj seçeneklerini, güç gereksinimlerini ve çevre koşullarını hesaba kattığınızda uygulama hızla karmaşıklaşır.

Crimson Trace, Rail Master serisini 2018'de piyasaya sürdü ve bu birimler 1000G geri tepme şokunu kaldırabiliyordu. Bu spesifikasyon endüstriyel montaj için bir referans noktası haline geldi çünkü ateşli silahın geri tepmesine dayanabilirse üretimdeki çoğu titreşim ortamıyla başa çıkabilir. RM-110 modelinin perakende satışı yaklaşık 280 dolardı (crimsontrace.com fiyatı 2020'den itibaren), bu oldukça yüksekti ancak tekrarlanan darbelerden sonra sıfırda kalan 5 mW'lık bir kırmızı lazer sağlıyordu.

Montaj hattı çalışmaları için Streamlight'ın TLR serisini ve yurtdışındaki üreticilerin daha ucuz seçeneklerini test ettik. Sıcaklık kayması, maliyeti 50 doların altında olan öldürücü - birimlerin, atölye sıcaklığı 60 derece F'den 95 derece F'ye çıkarken 20 feet'te hedef noktalarını 3-4 inç kaydırmasıydı. Streamlight birimleri (modele bağlı olarak yaklaşık 180-220 ABD doları), 2021 yazında yaptığımız laboratuvar testlerine göre bu aralıkta 0,5 inç dahilinde sıfırda kaldı.

Ancak her zaman bu düzeyde bir istikrara ihtiyacınız yoktur. Tamamen ne yaptığınıza bağlı.

Laser Sight

Bu durum tuhaflaşıyor çünkü tıbbi cihaz montajı sıklıkla Sınıf 2 lazerler gerektiriyor (FDA yönetmeliklerine göre 1 mW çıkış altında - erişimdata.fda.gov tüm sınıflandırmalara sahiptir) ancak 300-500 mm'lik çalışma mesafelerinde 0,1 mm'nin altında konumlandırma doğruluğuna ihtiyaç duyuyor. Coherent Inc. bu spesifikasyonlara uygun lazer modülleri üretiyor; CUBE serileri, dalga boyuna ve güç çıkışına bağlı olarak birim başına yaklaşık 400-600 $ civarında fiyatlandırılıyor.

Geçen yıl bazı 635nm kırmızı lazerleri kateter montaj sistemine entegre ettik. Dalga boyu, insanların fark ettiğinden daha önemlidir - 635nm, tipik floresan aydınlatma altında 650 nm'den çok daha iyi görünür; bu, Laserex'in teknik belgelerine göre 4 kat daha görünür bir değerdir. Maliyet farkı belki %15-20 olabilir ama operatörler hizalama sistemini 8 saatlik vardiyalar için kullandıklarında buna değer.

Yeşil lazerler (tipik olarak 532nm), aynı güç çıkışında kırmızı lazerlerden kabaca 5 kat daha fazla, insan gözüyle daha da görünür durumdadır. Ancak daha pahalıya mal oluyorlar ve pilleri daha hızlı tüketiyorlar. Eşdeğer kırmızı çıkış için 180 mA'ya karşı 120 mA'da 5 mW'lık bir yeşil modüldeki akım çekişini ölçtük. Önemli olan el aletleri için. Duvardan elektrikle çalışan sabit kurulumlar için bütçe izin veriyorsa yeşili kullanın.

ABB Robotics, 2017 yılı civarında, asılı kumanda operasyonları için lazer işaretleyicileri IRB serisine entegre etmeye başladı. Teknisyenlerin canlı operasyonlar yürütmeden robot yollarını görselleştirmesi çok daha kolay hale getirildi. Kullandıkları lazer modülleri hiç de süslü değildi - temelde daha iyi şok montajına ve IP67 dereceli muhafazalara sahip yeniden paketlenmiş ticari birimlerdi.

Fanuc, CRX işbirlikçi robotlarıyla farklı bir yaklaşım benimseyerek lazer yayıcıyı alet flanşına yerleştirdi ve bunu güvenlik bölgesi görselleştirmesi için kullandı. Sistemleri, uç efektörle birlikte hareket eden 10-15 mm çapında bir nokta yansıtır. Güç tüketimi sürekli olarak yaklaşık 2W civarındadır ve bu, doğrudan aletin güç bütçesinden gelir. Tutucuları veya diğer uç efektörleri belirlerken bunu hesaba katmanız gerekir.

Universal Robots standart olarak lazer nişangahları içermez ancak UR+ ekosisteminde birkaç-taraf seçeneği bulunur. Robotiq Bilek Kamerası bazen derinlik ölçümü için koaksiyel bir lazerle eşleştirilir; ancak bu, basit hedefleme yerine yapılandırılmış ışık alanına girmek anlamına gelir.

İnşaat lazer seviyeleri tamamen farklı bir kategoridir ancak bahsetmeye değer. Bosch'un GLL serisi ve Dewalt'ın DW088'inin her ikisi de sınıf 2 lazerleri ve noktalar yerine proje çizgilerini kullanıyor. DW088, 150 dolar civarında çalışır ve 30 feet'te ±1/8 inç hassasiyetinde dikey çizgiler atar (dewalt.com teknik özellik sayfası). Bu şeyler yeterince ucuzladı ve küçük mağaza ortamlarında tasarım çalışmaları için ortaya çıktılar.

Pil ömrü hesaplamaları karmaşıklaşıyor çünkü lazer diyot verimliliği sıcaklığa göre değişiyor. Tipik bir kırmızı lazer diyot %15-20 verimli olabilir, yani giriş gücünün %80-85'i ısı haline gelir. Bu nedenle sürekli çalışan kurulumlarda düşük güçlü modüller için bile ısı emiciye ihtiyaç duyulur.

3,3V -'de 90mA çeken 5mW'lık bir kırmızı lazer modülünü ölçtük; bu, 5mW çıkış için yaklaşık 300mW giriş anlamına gelir, yani kabaca %17 verimliliktir. Bunu bir CR123A pille (3V'de 1500mAh kapasite) çalıştırmak size 16-17 saatlik teorik çalışma süresi sağlar, ancak pil voltajı yük altında düştüğü için pratikte 12-14 saat gibi daha fazlasını göreceksiniz.

Montajın kendisi saha kurulumlarında gördüğümüz sorunların yarısına neden olur. M3 montaj delikleri standarttır ancak diş derinliği üreticiler arasında farklılık gösterir. Bazı Çin modüllerinde M3x0,5 dişler 4 mm derinlikte, diğerleri ise 6 mm derinliktedir. Önemsiz gibi görünüyor ancak 3 mm'lik alüminyum plakayı uygun diş bağlantısıyla monte etmeye çalıştığınızda, bu 2 mm'lik fark, standart bir cıvata kullanıp kullanamayacağınızı veya özel donanıma ihtiyacınız olup olmadığını belirler.

Surefire, X400 silah ışıklarında, T-yuvası alüminyum ekstrüzyona endüstriyel montaj için de harika çalışan özel bir ray kavrama sistemi kullanıyor. Sıkıştırma kuvveti ayarlanabilir ve diş torkuna bağlı değildir, bu da yüksek-titreşimli ortamlarda sıfırın korunmasına yardımcı olur. Birimlerin maliyeti yaklaşık 600 dolardır ancak sonsuza kadar dayanır. 2018'den beri akü değiştirmenin ötesinde sıfır bakımla çalışıyoruz.

Laser Sight

IR lazerler (tipik olarak 850 nm veya 940 nm dalga boyları) kamera sensörlerinde görünür ancak insan gözünde görülmez. Görünür ışığın operatörün görüş hattını etkilemesini istemediğiniz yapay görme uygulamaları için kullanışlıdır. Edmund Optics, standart endüstriyel kameralarla eşleşen, yaklaşık 200-300 $ civarında 850nm modüller satıyor. Basler ace serisi kameralar bu aralıkta iyi bir hassasiyete sahip; acA1920-40gm modeli, veri sayfasına (baslerweb.com) göre 850 nm'de %50 kuantum verimliliği gösteriyor.

940nm daha da görünmez hale geliyor ancak kamera hassasiyeti düşüyor. Çoğu silikon sensörün QE'si 940 nm'de %30 iken 850 nm'de %50'dir, yani daha iyi gizlilik için sinyalden vazgeçiyorsunuz. Ancak insanın-görünür ışığının gerçekten bir sorun olması durumunda buna değer.

Optik sistemlere yönelik lazer hizalama araçları bazen IR kullanır çünkü görünür dağınık ışığın sorunlara neden olduğu ortamlarda çalışırlar. Newport Corporation'ın IR hizalama lazerleri 800-1200 ABD Doları tutarındadır ancak size ucuz modüllerden daha ayarlanabilir güç çıkışı ve daha iyi ışın kalitesi sağlar. Ticari ünitelerde M² değerleri 1,1'in altındayken, ticari ünitelerde 1,3-1,5'tir. Küçük açıklıklara bağlanmaya veya uzun mesafelerde kolimasyonu sürdürmeye çalıştığınızda bu önemlidir.

Uygulama gerektirmedikçe bunları kullanmayız. Maliyet hızla artıyor.

Bir "5mW lazer işaretleyici", 0,5 miliradyan ila 1,5 miliradyan arasında herhangi bir ışın sapmasına sahip olabilir. 10 metrede bu, 5 mm'lik bir nokta ile 15 mm'lik bir nokta arasındaki farktır. Üreticiler bazen bunu belirtir, bazen belirtmez.

Amazon'dan gelen ucuz yeşil lazerler 1,2-1,5 mrad'lık sapma gösterme eğilimindedir. Basit bir kurulumla birkaç ünite ölçtük: sabit mesafede lazer, beyaz hedef, nokta çapını kumpasla ölçtük. Tam olarak NIST izlenebilir değil ancak uygulama çalışması için yeterince iyi. CNI veya Laserglow Technologies'in daha pahalı DPSS yeşil lazerleri genellikle daha iyi dairesel ışın profilleriyle 1,0 mrad'ın altındadır.

Küçük hedefleri vurmaya çalıştığınızda ışın profili önemlidir. Gauss ışını, kademeli olarak azalmayla size temiz bir merkezi nokta sağlar. Daha ucuz diyot lazerler bazen hassas hedeflemeyi zorlaştıran eliptik veya düzensiz profillere sahiptir. Bunu bilmenin tek yolu ya üreticinin teknik özellik sayfasına güvenmek (marka-'sı olmayanlar risklidir) ya da kendinizi test etmektir.

Cerrahi alet hizalaması için maksimum 0,6 mrad sapma belirledik çünkü çalışma mesafesi 400 mm ve hedef boyutu 2 mm çaptı. Bu sana biraz eğim verir ama fazla değil. Daha sıkı sapmanın maliyet primi, standart endüstriyel modüllere göre yaklaşık %40 civarındaydı.

Otomatik takım ayarı için lazer hizalama sistemlerini CNC freze kurulumuna yerleştirdik. Basit gibi görünen - lazeri fener mili muhafazasına monte edin, ışını sabit referans hedefine yansıtın, her takım değişiminden önce sapmayı ölçün. Testlerde iyi çalıştı, kesme sıvısı sisi lazer penceresini 2 hafta içinde bozduğu için üretimde başarısız oldu. Tasarım aşamasında bunu kimse düşünmedi.

Çözüm, lazer açıklığı boyunca sabit hava akışını koruyan bir basınçlı hava temizleme nozülü eklemekti. Parça başına 45 ABD doları ve makine başına 2 saatlik kurulum süresi eklendi. Orijinal tasarımda olmalıydı.

Sıcaklık telafisi insanları ısıran başka bir şeydir. 65 derece F ila 140 derece F arasında çalışacak bir kompozit yerleştirme aleti için bir lazer konumlandırma sistemi belirledik. Lazer modülü üreticisi, ünitelerinin 140 derece F olarak derecelendirildiğini söyledi ancak sıfır kaydırmanın yalnızca 120 derece F'ye kadar garanti edildiğinden bahsetmedi. Bunun üzerinde, montaj braketinin termal genleşmesi, ışını 20 fitte 0,060 inç hareket ettirdi. Yerleştirme toleransları açısından kesinlikle kabul edilemez.

Açıkça sıcaklık telafisi verileri sağlayan farklı bir üreticiye (Laser Components DG GmbH, onların FP serisi) geçiş yapıldı. Maliyet modül başına yaklaşık 380 dolardı, ancak aslında bizim önemsediğimiz davranışı test ettiler ve belgelediler.

Laser Sight

Lazer görüşünün ürüne gömülü olduğu yüksek-hacimli üretim için bazen bitmiş bir modül satın almak yerine yalnızca ham diyotu ve sürücü devresini doğrudan monte edersiniz. Bunu, 3 mW kırmızı lazere ihtiyaç duyan bir tıbbi cihaz için yaptık - 1000 adetlik Osram PLT5 450 diyotları satın almak, her biri yaklaşık 4,20 ABD Doları (distribütörler için osram.com 2023 fiyatlandırması) artı sürücü IC'si ve pasifler için 2-3 ABD Doları daha ödedi. Komple modüllerin her biri 25-40 dolara mal oluyor, bu nedenle DIY hacim açısından mantıklıydı.

Dezavantajı ise kendi optik tasarımınızı, soğutucunuzu, sürücü devresi doğrulamanızı ve güvenilirlik testinizi yapıyor olmanızdır. FDA'ya sunulmasını gerektiren tıbbi bir cihaza giren bir şey için bu önemli bir mühendislik çalışmasıdır. Tasarım ve doğrulama için toplamda yaklaşık 200 saat harcadık, ancak üretim süreci boyunca bileşen maliyetlerinde yaklaşık 18.000 $ tasarruf ettik. 1000+ birime değer, 500 birimin altına değmez.

Yönlendirici optikler işin zor kısmıdır. Çıplak bir diyottan yeterli ışın kalitesi elde etmek için ya küresel olmayan bir merceğe ya da çok-elementli bir sisteme ihtiyacınız vardır. Edmund Optics, lazer kolimasyonu için küresel olmayan lensleri NA ve çapa bağlı olarak 25-50 $ civarından satıyor. Ancak iyi bir kolimasyon elde etmek için diyot ile lens arasında tipik olarak 0,05 mm'lik hassas bir aralık gerekir. Bu, ya mahfazanın hassas şekilde işlenmesi ya da kilitlemeli ayar vidaları anlamına gelir.

Bazı üreticiler bu sorunu önceden-koşulanmış diyot modülleriyle aşıyor. Thorlabs'ın diyot, sürücü ve yönlendirme optiklerini kompakt bir TO-kutu paketinde birleştiren CPS serisi vardır. Birim başına yaklaşık 80-120 $, bu da bitmiş lazer işaretleyicilerden daha ucuzdur ve size daha fazla tasarım esnekliği sağlar.

Neden daha fazla insanın bunları gömülü uygulamalar için kullanmadığından emin değilim. Orta hacimlerde maliyetleri makul tutarken mekanik tolerans sorunlarının çoğunu çözerler.

1-5mW aralığındaki taşınabilir lazer modülleri için,lityum CR1/3N pilşaşırtıcı derecede iyi çalışıyor. Fiziksel olarak küçüktürler ancak 3V'de 170mAh kapasiteye sahiptirler; bu, tipik kırmızı lazer modüllerinde 8-10 saatlik çalışma süresi için yeterlidir. Bunları, AA pillerin çok büyük olduğu el tipi hizalama araçlarında kullandık. Maliyet, miktar olarak hücre başına yaklaşık 2-3 ABD dolarıdır ve raf ömrü 10+ yıldır, bu da yedek envanter için önemlidir.