Інтэграцыя лазернага прыцэла для сучасных прыкладанняў

Большасць людзей лічыць, што лазерныя прыцэлы прызначаны толькі для агнястрэльнай зброі, але тэхналогія распаўсюдзілася далёка за межы першапачатковага рынку. Мы працуем з лазернымі сістэмамі прыцэльвання з 2019 года, і прымяненне працягвае пашырацца ў галінах прамысловасці, медыцыны і робататэхнікі, дзе важная дакладнасць навядзення.

Асноўны прынцып практычна не змяніўся - вы праецыруеце бачны або ВК-прамень, які пазначае месца, дзе што-небудзь стукнецца або куды ўвойдзе інструмент. Але выкананне хутка ўскладняецца, калі ўлічваць варыянты мантажу, патрабаванні да электраэнергіі і ўмовы навакольнага асяроддзя.

Crimson Trace выпусціла серыю Rail Master яшчэ ў 2018 годзе, і гэтыя прылады вытрымлівалі 1000G удару аддачы. Гэтая спецыфікацыя стала эталонам для прамысловага мантажу, таму што калі яна вытрымае аддачу агнястрэльнай зброі, яна справіцца з большасцю вібрацыйных асяроддзяў у вытворчасці. Рознічны кошт мадэлі RM-110 склаў каля 280 долараў (цана на crimsontrace.com з 2020 г.), што было нядорага, але вы атрымалі чырвоны лазер магутнасцю 5 мВт, які заставаўся абнуліным пасля паўторных удараў.

Для зборачнай лініі мы пратэставалі серыю TLR Streamlight разам з некаторымі больш таннымі варыянтамі ад замежных вытворцаў. Дрэйф тэмпературы быў страшным - прылады, якія каштавалі менш за 50 долараў, зрушвалі кропку прыцэльвання на 3-4 цалі на адлегласці 20 футаў пры пераходзе ад тэмпературы 60 градусаў F да 95 градусаў F. Згодна з нашымі выпрабаваннямі летам 2021 года, блокі Streamlight (каля 180-220 долараў у залежнасці ад мадэлі) вытрымалі нуль у межах 0,5 цалі ў гэтым дыяпазоне.

Аднак вам не заўсёды патрэбны такі ўзровень стабільнасці. Цалкам залежыць ад таго, што вы робіце.

Laser Sight

Гэта становіцца дзіўным, таму што для зборкі медыцынскіх прыбораў часта патрабуюцца лазеры класа 2 (выходная магутнасць менш за 1 мВт у адпаведнасці з правіламі FDA - accessdata.fda.gov мае поўную класіфікацыю), але патрабуе дакладнасці пазіцыянавання менш за 0,1 мм на працоўных адлегласцях 300-500 мм. Coherent Inc. вырабляе лазерныя модулі, якія адпавядаюць гэтым спецыфікацыям - іх серыя CUBE каштуе каля 400-600 долараў за адзінку ў залежнасці ад даўжыні хвалі і магутнасці.

У мінулым годзе мы інтэгравалі некалькі 635-нм чырвоных лазераў у сістэму зборкі катэтараў. Даўжыня хвалі мае большае значэнне, чым людзі разумеюць - 635нм паказваецца нашмат лепш, чым 650 нм пры звычайным люмінесцэнтным асвятленні, прыкладна ў 4 разы больш бачным, згодна з тэхнічнай дакументацыяй Laserex. Розніца ў кошце, магчыма, складае 15-20%, але яна таго вартая, калі аператары выкарыстоўваюць сістэму выраўноўвання для 8-гадзінных змен.

Зялёныя лазеры (звычайна 532 нм) яшчэ больш бачныя вачам чалавека, прыкладна ў 5 разоў больш, чым чырвоныя, пры той жа магутнасці. Але каштуюць яны даражэй і з'ядаюць батарэйкі хутчэй. Мы вымералі спажыванне току на зялёным модулі магутнасцю 5 мВт пры 180 мА супраць 120 мА для эквівалентнага чырвонага выхаду. Для партатыўных інструментаў гэта важна. Для стацыянарных установак з насценным харчаваннем выкарыстоўвайце зялёны, калі дазваляе бюджэт.

ABB Robotics пачала інтэграваць лазерныя ўказкі ў сваю серыю IRB прыкладна ў 2017 годзе для навучання падвесным аперацыям. Тэхнікам стала прасцей візуалізаваць шляхі робата без выканання жывых аперацый. Лазерныя модулі, якія яны выкарыстоўвалі, не былі чымсьці мудрагелістым - у асноўным перапакаваныя камерцыйныя блокі з лепшым ударным мацаваннем і корпусамі з рэйтынгам IP67.

Fanuc выкарыстаў іншы падыход са сваімі калабарацыйнымі робатамі CRX, змясціўшы лазерны выпраменьвальнік у фланец інструмента і выкарыстоўваючы яго для візуалізацыі зоны бяспекі. Іх сістэма праецыруе пляму дыяметрам 10-15 мм, якая рухаецца разам з канцавым эфектарам. Энергаспажыванне складае каля 2 Вт бесперапынна, што выходзіць з бюджэту магутнасці інструмента. Вы павінны ўлічваць гэта пры ўказанні захопаў або іншых канцавых эфектаў.

Universal Robots не ўключае ў сябе лазерныя прыцэлы ў якасці стандарту, але іх экасістэма UR+ мае некалькі іншых-опцый. Наручная камера Robotiq часам спалучаецца з кааксіяльным лазерам для вымярэння глыбіні, хоць гэта хутчэй трапляе на тэрыторыю структураванага асвятлення, чым проста прыцэльваецца.

Будаўнічыя лазерныя ўзроўні - гэта зусім іншая катэгорыя, але пра якую варта згадаць. У серыі GLL ад Bosch і DW088 ад Dewalt выкарыстоўваюцца лазеры класа 2 і праектныя лініі замест кропак. DW088 каштуе каля 150 долараў і кідае перпендыкулярныя лініі з дакладнасцю да ±1/8 цалі на 30 футаў (табліца спецыфікацый dewalt.com). Гэтыя рэчы сталі настолькі таннымі, што яны з'яўляюцца ў невялікіх крамах для працы па макету.

Разлікі часу аўтаномнай працы атрымліваюцца бруднымі, таму што эфектыўнасць лазернага дыёда залежыць ад тэмпературы. Тыповы чырвоны лазерны дыёд можа мець 15-20% эфектыўнасці, што азначае, што 80-85% уваходнай магутнасці ператвараецца ў цяпло. Вось чаму ўстаноўкі бесперапыннага рэжыму маюць патрэбу ў цеплаадводзе нават для модуляў малой магутнасці.

Мы вымералі чырвоны лазерны модуль магутнасцю 5 мВт, які выцягвае ток 90 мА пры напрузе 3,3 В -, што складае каля 300 мВт на ўваходзе для выхаду 5 мВт, такім чынам, прыкладна 17% эфектыўнасці. Праца ад акумулятара CR123A (ёмістасць 1500 мАг пры напрузе 3 В) дае вам тэарэтычны час працы 16-17 гадзін, але на практыцы вы ўбачыце больш 12-14 гадзін, таму што напружанне акумулятара падае пад нагрузкай.

Сам мантаж выклікае палову праблем, якія мы бачым пры палявых устаноўках. Мантажныя адтуліны M3 з'яўляюцца стандартнымі, але глыбіня разьбы ў розных вытворцаў адрозніваецца. Некаторыя кітайскія модулі маюць разьбу M3x0,5 на глыбіні 4 мм, іншыя - на 6 мм. Гучыць трывіяльна, але калі вы спрабуеце ўсталяваць праз 3-мм алюмініевую пласціну з належным разьбовым зачапленнем, гэтая розніца ў 2 мм вызначае, ці можаце вы выкарыстоўваць стандартны ніт, ці вам спатрэбіцца спецыяльнае абсталяванне.

Surefire выкарыстоўвае запатэнтаваную сістэму захопу рэйкі на сваіх ліхтарах для зброі X400, якая таксама выдатна працуе для прамысловага мантажу на экструзію алюмінія з T-слотамі. Сіла заціску рэгулюецца і не залежыць ад крутоўнага моманту разьбы, што дапамагае падтрымліваць нуль ва ўмовах высокай-вібрацыі. Адзінкі каштуюць каля 600 долараў, але захоўваюцца вечна. Мы працуем з 2018 года без неабходнасці абслугоўвання, акрамя замены батарэй.

Laser Sight

ІЧ-лазеры (звычайна з даўжынямі хваль 850 нм або 940 нм) адлюстроўваюцца на датчыках камеры, але не для вачэй чалавека. Карысна для прыкладанняў машыннага зроку, дзе вы не хочаце, каб бачнае святло перашкаджала лініям агляду аператара. Edmund Optics прадае модулі 850 нм каля 200-300 долараў, якія спалучаюцца са стандартнымі прамысловымі камерамі. Камеры серыі Basler ace маюць добрую адчувальнасць у гэтым дыяпазоне - іх мадэль acA1920-40gm паказвае квантавую эфектыўнасць 50% пры 850 нм у табліцы дадзеных (baslerweb.com).

940 нм становіцца яшчэ больш незаўважным, але адчувальнасць камеры падае. Большасць крамянёвых датчыкаў маюць, магчыма, 30% QE пры 940 нм супраць 50% пры 850 нм, так што вы адмаўляецеся ад сігналу дзеля лепшай скрытнасці. Варта таго, толькі калі бачнае святло-чалавека сапраўды з'яўляецца праблемай.

Інструменты лазернага выраўноўвання для аптычных сістэм часам выкарыстоўваюць ВК, таму што яны працуюць у асяроддзі, дзе бачнае рассеянае святло выклікае праблемы. ІЧ-лазеры карпарацыі Newport Corporation каштуюць 800-1200 долараў, але даюць вам рэгуляваную выходную магутнасць і лепшую якасць прамяня, чым танныя модулі. Значэнні М² менш за 1,1 супраць 1,3-1,5 для камерцыйных памяшканняў. Гэта важна, калі вы спрабуеце аб'яднацца ў невялікія адтуліны або захаваць калімацыю на вялікіх адлегласцях.

Мы не выкарыстоўваем іх, калі гэтага не патрабуе праграма. Кошт расце хутка.

"Лазерная ўказка 5 мВт" можа мець разыходжанне прамяня ад 0,5 мілірадыян да 1,5 мілірадыян. На адлегласці 10 метраў гэта розніца паміж кропкай 5 мм і кропкай 15 мм. Часам вытворцы ўказваюць гэта, часам - не.

Танныя зялёныя лазеры ад Amazon, як правіла, маюць дывергенцыю 1,2-1,5 мрад. Мы вымералі некалькі прылад з дапамогай простай налады - лазер на фіксаванай адлегласці, белая мішэнь, вымярэнне дыяметра плямы штангенцыркулем. Не зусім адсочваецца NIST, але дастаткова добры для прымянення. Больш дарагія зялёныя лазеры DPSS ад CNI або Laserglow Technologies звычайна маюць менш за 1,0 мрад з лепшым круглым профілем прамяня.

Профіль прамяня мае значэнне, калі вы спрабуеце паразіць невялікія мэты. Прамень Гаўса дае вам чыстае цэнтральнае пляма з паступовым змяншэннем. Больш танныя дыёдныя лазеры часам маюць эліптычныя або няправільныя профілі, што ўскладняе дакладнае прыцэльванне. Адзіны спосаб даведацца - давяраць тэхнічным характарыстыкам вытворцы (рызыкоўна без-іменных марак) або праверыць сябе.

Для выраўноўвання хірургічных інструментаў мы вызначылі максімальную дывергенцыю 0,6 мрад, таму што працоўная адлегласць складала 400 мм, а памер мішэні быў дыяметрам 2 мм. Гэта дае некаторую порцыю, але не так шмат. Надбаўка да выдаткаў на больш жорсткую дывергенцыю склала каля 40% у параўнанні са стандартнымі прамысловымі модулямі.

Мы змяшчаем лазерныя сістэмы выраўноўвання ў станок з ЧПУ для аўтаматызаванай налады інструмента. Здавалася простым - усталяваць лазер на корпус шпіндзеля, праецыраваць прамень на фіксаваную эталонную мішэнь, вымераць адхіленне перад кожнай зменай інструмента. Выдатна спрацаваў падчас тэсціравання, не атрымаўся ў вытворчасці, таму што туман рэзка-вадкасці пагоршыў лазернае акно на працягу 2 тыдняў. Пра гэта на этапе праектавання ніхто не думаў.

Рашэннем было даданне асадкі для ачысткі сціснутым паветрам, якая падтрымлівала пастаянны паток паветра праз лазерную апертуру. Дададзена 45 долараў за часткі і 2 гадзіны ўстаноўкі на машыну. Павінен быў быць у арыгінальным дызайне.

Тэмпературная кампенсацыя - яшчэ адна рэч, якая кусае людзей. Мы спецыфікавалі лазерную сістэму пазіцыянавання для кампазіцыйнага інструмента для кладкі, які будзе працаваць ад 65 градусаў F да 140 градусаў F. Вытворца лазернага модуля сказаў, што іх прылада разлічана на 140 градусаў F, але не згадаў, што нулявы зрух гарантаваны толькі да 120 градусаў F. Больш за тое, цеплавое пашырэнне мантажнага кранштэйна перамясціла бэльку на 0,060 цалі на 20 футаў. Абсалютна непрымальныя для прастою допускі.

У канчатковым выніку пераход да іншага вытворцы (Laser Components DG GmbH, іх серыя FP), які відавочна прадставіў даныя тэмпературнай кампенсацыі. Кошт быў аналагічным, каля 380 долараў за модуль, але яны насамрэч пратэставалі і задакументавалі паводзіны, якія нас цікавілі.

Laser Sight

Для вялікай-вытворчасці, калі лазерны прыцэл убудаваны ў прадукт, часам вы проста мантуеце неапрацаваны дыёд і схему драйвера непасрэдна, а не купляеце гатовы модуль. Мы зрабілі гэта для медыцынскага прыбора, якому патрабаваўся чырвоны лазер магутнасцю 3 мВт -, купля дыёдаў Osram PLT5 450 у колькасці 1000 каштавала прыкладна 4,20 даляра за кожны (цэны для дыстрыб'ютараў на osram.com 2023 г.), плюс яшчэ 2-3 даляры за мікрасхему драйвера і пасіўныя элементы. Поўныя модулі каштуюць 25-40 долараў за штуку, так што DIY мае сэнс у аб'ёме.

Недахопам з'яўляецца тое, што вы робіце ўласную аптычную канструкцыю, радыятар, праверку схемы драйвера і тэставанне надзейнасці. Што тычыцца медыцынскіх прылад, якія патрабуюць прадстаўлення FDA, гэта значная інжынерная праца. Мы выдаткавалі каля 200 гадзін на распрацоўку і праверку, але зэканомілі прыкладна 18 000 долараў на выдатках на кампаненты падчас вытворчасці. Варта 1000+ адзінак, не менш за 500 адзінак.

Калімацыйная оптыка - гэта складаная частка. Вам патрэбна або асферычная лінза, або шмат-элементная сістэма, каб атрымаць прыстойную якасць прамяня ад аголенага дыёда. Edmund Optics прадае асферычныя лінзы для лазернай калімацыі ад 25-50 долараў у залежнасці ад NA і дыяметра. Але каб атрымаць добрую калімацыю, патрэбна дакладная адлегласць паміж дыёдам і лінзай, звычайна ў межах 0,05 мм. Гэта азначае альбо прэцызійную апрацоўку корпуса, альбо рэгулявальныя шрубы з фіксатарам.

Некаторыя вытворцы абыходзяць гэта з дапамогай папярэдне-калімаваных дыёдных модуляў. У Thorlabs ёсць серыя CPS, якая спалучае дыёд, драйвер і калімацыйную оптыку ў кампактным корпусе TO-can. Каля 80-120 долараў за адзінку, што ўсё яшчэ танней, чым гатовыя лазерныя ўказкі, і дае большую гібкасць дызайну.

Не ведаю, чаму ўсё больш людзей не выкарыстоўваюць іх для ўбудаваных праграм. Яны вырашаюць большасць праблем механічнай цярпімасці, захоўваючы пры гэтым разумныя выдаткі пры ўмераных аб'ёмах.

Для партатыўных лазерных модуляў у дыяпазоне 1-5 мВт,літыевая батарэя CR1/3Nпрацуюць на здзіўленне добра. Яны фізічна невялікія, але маюць 170 мАг пры напрузе 3 В, чаго дастаткова для 8-10 гадзін працы на звычайных чырвоных лазерных модулях. Мы выкарыстоўвалі іх у партатыўных інструментах для выраўноўвання, дзе батарэі АА былі занадта грувасткімі. Кошт ячэйкі складае каля 2-3 долараў ЗША, а тэрмін прыдатнасці складае 10+ гадоў, што важна для запасных запасаў.