Integración de mira láser para aplicacións modernas

A maioría da xente pensa que as miras láser son só para armas de fogo, pero a tecnoloxía estendeuse moito máis aló dese mercado inicial. Levamos traballando con sistemas de puntería con láser desde 2019, e as aplicacións seguen a expandirse nos sectores industriais, médicos e robóticos nos que o apuntamento de precisión é importante.

O principio básico non cambiou moito - estás proxectando un feixe visible ou infrarrojo que marca onde vai impactar algo ou onde se enganchará unha ferramenta. Pero a execución complícase rapidamente cando se ten en conta as opcións de montaxe, os requisitos de enerxía e as condicións ambientais.

Crimson Trace lanzou a súa serie Rail Master en 2018, e esas unidades poderían soportar 1000G de retroceso. Esa especificación converteuse nun punto de referencia para o montaxe industrial porque se sobrevive ao retroceso das armas de fogo, xestionará a maioría dos ambientes de vibración na fabricación. O modelo RM-110 tiña uns 280 dólares de venda polo miúdo (prezo de crimsontrace.com a partir de 2020), que era empinado pero ofrecía un láser vermello de 5 mW que se mantivo a cero despois de impactos repetidos.

Para o traballo na cadea de montaxe, probamos a serie TLR de Streamlight xunto con algunhas opcións máis baratas de fabricantes estranxeiros. A deriva da temperatura foi a que as - unidades que custaban menos de 50 $ cambiarían o seu punto de mira entre 3 e 4 polgadas a 20 pés ao pasar de 60 ° F a 95 F. As unidades Streamlight (uns 180-220 dólares dependendo do modelo) mantiveron cero dentro de 0,5 polgadas nese intervalo segundo as nosas probas de banco no verán de 2021.

Non sempre necesitas ese nivel de estabilidade. Depende enteiramente do que esteas facendo.

Laser Sight

Isto resulta estraño porque a montaxe de dispositivos médicos require a miúdo láseres de clase 2 (unha saída inferior a 1 mW segundo as regulacións da FDA - accessdata.fda.gov ten as clasificacións completas) pero necesita unha precisión de posicionamento inferior a 0,1 mm a distancias de traballo de 300-500 mm. Coherent Inc. fabrica módulos láser que cumpren esas especificacións: a súa serie CUBE custa uns 400-600 dólares por unidade dependendo da lonxitude de onda e da potencia de saída.

Integramos uns láseres vermellos de 635 nm nun sistema de montaxe de catéteres o ano pasado. A lonxitude de onda importa máis do que a xente pensa que - 635nm aparece moito mellor que 650 nm baixo unha iluminación fluorescente típica, algo así como 4 veces máis visible segundo a documentación técnica de Laserex. A diferenza de custo é quizais do 15 ao 20 %, pero paga a pena cando os operadores utilizan o sistema de aliñación para quendas de 8 horas.

Os láseres verdes (normalmente 532 nm) son aínda máis visibles para os ollos humanos, aproximadamente 5 veces máis que o vermello coa mesma potencia de saída. Pero custan máis e comen pilas máis rápido. Medimos o consumo de corrente nun módulo verde de 5 mW a 180 mA fronte a 120 mA para unha saída vermella equivalente. Para ferramentas de man que importan. Para instalacións fixas con alimentación de parede, use verde se o orzamento o permite.

ABB Robotics comezou a integrar punteiros láser na súa serie IRB ao redor de 2017 para as operacións de teach pendant. Facilitoulles aos técnicos a visualización das rutas do robot sen executar operacións en directo. Os módulos láser que usaron non eran nada extravagantes - basicamente unidades comerciais reempaquetadas con mellor montaxe contra choques e carcasas con clasificación IP67.

Fanuc adoptou un enfoque diferente cos seus robots colaborativos CRX, colocando o emisor láser na brida da ferramenta e utilizándoo para a visualización da zona de seguridade. O seu sistema proxecta un punto de 10-15 mm de diámetro que se move co efector final. O consumo de enerxía é duns 2 W continuos, o que sae directamente do orzamento de enerxía da ferramenta. Debe telo en conta ao especificar pinzas ou outros efectores finais.

Universal Robots non inclúe miras láser como estándar, pero o seu ecosistema UR+ ten varias opcións de terceiros-. A cámara de pulso Robotiq ás veces combínase cun láser coaxial para medir a profundidade, aínda que iso é entrar nun territorio de luz estruturada en lugar de apuntar simples.

Os niveis de láser de construción son unha categoría completamente diferente, pero paga a pena mencionar. A serie GLL de Bosch e o DW088 de Dewalt utilizan láseres de clase 2 e liñas de proxecto en lugar de puntos. O DW088 ten uns 150 dólares e arroxa liñas perpendiculares con precisión de ± 1/8 de polgada a 30 pés (folla de especificacións dewalt.com). Estas cousas quedáronse o suficientemente baratas como para aparecer en pequenas tendas para o traballo de deseño.

Os cálculos da duración da batería son complicados porque a eficiencia do díodo láser varía coa temperatura. Un díodo láser vermello típico pode ser un 15-20 % de eficiencia, o que significa que o 80-85 % da potencia de entrada convértese en calor. É por iso que as instalacións de servizo continuo necesitan un afundimento de calor mesmo para módulos de baixa potencia.

Medimos un módulo de láser vermello de 5 mW que tira de 90 mA a 3,3 V -, o que supón uns 300 mW de entrada para unha saída de 5 mW, polo que aproximadamente un 17 % de eficiencia. Funcionar cunha batería CR123A (capacidade de 1500 mAh a 3 V) dáche un tempo de execución teórico de 16-17 horas, pero verás máis como 12-14 horas na práctica porque a tensión da batería cae baixo carga.

A montaxe en si causa a metade dos problemas que vemos nas instalacións de campo. Os orificios de montaxe M3 son estándar pero a profundidade da rosca varía entre os fabricantes. Algúns módulos chineses especifican fíos M3x0,5 a 4 mm de profundidade, outros chegan a 6 mm de profundidade. Parece trivial, pero cando intentas montar unha placa de aluminio de 3 mm cunha rosca adecuada, esa diferenza de 2 mm determina se podes usar un parafuso estándar ou necesitas hardware personalizado.

Surefire usa un sistema de agarre de carril propietario nas súas luces de arma X400 que tamén funciona moi ben para o montaxe industrial en extrusión de aluminio con ranuras en T. A forza de suxeición é axustable e non depende do par de rosca, o que axuda a manter cero en ambientes de alta-vibración. As unidades custan uns 600 dólares pero duran para sempre. Temos algo en funcionamento desde 2018 sen mantemento, ademais do cambio de batería.

Laser Sight

Os láseres IR (normalmente de 850 nm ou 940 nm de lonxitude de onda) aparecen nos sensores da cámara pero non nos ollos humanos. Útil para aplicacións de visión artificial onde non quere que a luz visible interfira coas liñas de visión do operador. Edmund Optics vende módulos de 850 nm a uns 200 -300 USD que se combinan con cámaras industriais estándar. As cámaras da serie Basler ace teñen unha boa sensibilidade nese rango: o seu modelo acA1920-40gm mostra unha eficiencia cuántica do 50% a 850 nm segundo a folla de datos (baslerweb.com).

940 nm faise aínda máis invisible pero a sensibilidade da cámara cae. A maioría dos sensores de silicio teñen quizais un 30% de QE a 940 nm fronte ao 50% a 850 nm, polo que estás renunciando ao sinal para obter unha mellor ocultación. Só paga a pena se-a luz visible humana é realmente un problema.

As ferramentas de aliñamento con láser para sistemas ópticos ás veces usan IR porque están a traballar en ambientes onde a luz perdida visible causa problemas. Os láseres de aliñamento IR de Newport Corporation teñen un rendemento de entre 800 e 1200 dólares, pero ofrécenche unha potencia de saída axustable e unha mellor calidade do feixe que os módulos baratos. Valores de M² inferiores a 1,1 fronte a 1,3-1,5 para as unidades comerciais. Iso importa cando intentas acoplar a aberturas pequenas ou manter a colimación a longas distancias.

Non os usamos a non ser que a aplicación o requira. O custo engádese rapidamente.

Un "punteiro láser de 5 mW" podería ter unha diverxencia de feixe entre 0,5 miliradiáns e 1,5 miliradiáns. A 10 metros esa é a diferenza entre un punto de 5 mm e un de 15 mm. Os fabricantes ás veces especifican isto, outras non.

Os láseres verdes baratos de Amazon tenden a ter unha diverxencia de 1,2-1,5 mrad. Medimos varias unidades cunha configuración sinxela: láser a distancia fixa, branco branco, medir o diámetro do punto con calibres. Non se rastrexa exactamente NIST, pero é o suficientemente bo para o traballo de aplicación. Os láseres verdes DPSS máis caros de CNI ou Laserglow Technologies adoitan chegar a menos de 1,0 mrad con mellores perfís de feixe circular.

O perfil do feixe importa cando intentas acadar obxectivos pequenos. Un feixe gaussiano ofrécelle un punto central limpo con descenso gradual. Os láseres de diodo máis baratos ás veces teñen perfís elípticos ou irregulares que dificultan a puntería precisa. A única forma de sabelo é confiar na folla de especificacións do fabricante (arriscado con marcas sen-nome) ou probar vostede mesmo.

Para o aliñamento de instrumentos cirúrxicos, acabamos especificando unha diverxencia máxima de 0,6 mrad porque a distancia de traballo era de 400 mm e o tamaño do obxectivo era de 2 mm de diámetro. Iso dáche un pouco de desnivel pero non moito. A prima de custo para unha diverxencia máis estreita foi de preto do 40% sobre os módulos industriais estándar.

Poñemos sistemas de aliñamento láser nunha configuración de molino CNC para a configuración automatizada de ferramentas. Pareceu sinxelo montar láser - na carcasa do eixe, proxectar o feixe sobre o obxectivo de referencia fixo, medir a desviación antes de cada cambio de ferramenta. Funcionou ben nas probas, fallou na produción porque a néboa de fluído de corte deteriorou a xanela do láser en dúas semanas. Ninguén pensou niso durante a fase de deseño.

A solución foi engadir unha boquilla de purga de aire comprimido que mantivo o fluxo de aire constante a través da abertura do láser. Engadíronse 45 $ en pezas e 2 horas de tempo de instalación por máquina. Debería estar no deseño orixinal.

A compensación de temperatura é outra cousa que morde á xente. Especificamos un sistema de posicionamento láser para unha ferramenta de colocación composta que funcionaría de 65 graos F a 140 graos F. O fabricante do módulo láser dixo que a súa unidade estaba clasificada a 140 graos F, pero non mencionou que o cambio cero só estaba garantido a 120 graos F. Por riba diso, a expansión térmica do soporte de montaxe móvese 6 cm por soporte. Totalmente inaceptable para as tolerancias de layup.

Acabou cambiando a un fabricante diferente (Laser Components DG GmbH, a súa serie FP) que proporcionou explícitamente datos de compensación de temperatura. O custo foi similar, ao redor de 380 dólares por módulo, pero en realidade probaron e documentaron o comportamento que nos importaba.

Laser Sight

Para a produción de gran-volume onde a mira láser está incrustada no produto, ás veces basta con montar o díodo bruto e o circuíto do controlador directamente en lugar de comprar un módulo acabado. Fixemos isto para un dispositivo médico que necesitaba un láser vermello de 3 mW - comprando díodos Osram PLT5 450 na cantidade de 1000 custaba uns 4,20 USD cada un (prezo de osram.com 2023 para os distribuidores), ademais doutros 2-3 USD para o IC do controlador e os pasivos. Os módulos completos custan entre 25 e 40 dólares cada un, polo que o DIY tiña sentido no volume.

A desvantaxe é que estás facendo o teu propio deseño óptico, disipación de calor, validación de circuítos de controladores e probas de fiabilidade. Para algo que se introduce nun dispositivo médico que require a presentación da FDA, é un traballo de enxeñería substancial. Pasamos preto de 200 horas en total no deseño e validación, pero aforramos aproximadamente 18.000 dólares en custos de compoñentes durante a produción. Vale a pena en 1000+ unidades, non vale menos de 500 unidades.

A óptica de colimación é a parte complicada. Necesitas unha lente asférica ou un sistema multi-elemento para obter unha calidade de feixe decente dun diodo sen. Edmund Optics vende lentes asféricas para colimación con láser a partir duns 25-50 dólares, dependendo da NA e do diámetro. Pero conseguir unha boa colimación require un espazo preciso entre o díodo e a lente, normalmente dentro de 0,05 mm. Isto significa ou mecanizado de precisión da carcasa ou parafusos de axuste con bloqueo.

Algúns fabricantes están a evitar isto con módulos de diodos pre-colimados. Thorlabs ten a súa serie CPS que combina diodos, controladores e ópticas de colimación nun paquete TO-compacto. Ao redor de $ 80-120 por unidade, que aínda é máis barato que os punteiros láser acabados e ofrécelle máis flexibilidade de deseño.

Non estou seguro de por que máis persoas non os usan para aplicacións integradas. Resolven a maioría dos problemas de tolerancia mecánica mantendo os custos razoables en volumes moderados.

Para módulos láser portátiles no rango de 1-5 mW,batería de litio CR1/3Nfunciona sorprendentemente ben. Son fisicamente pequenos pero contan con 170 mAh a 3 V, suficientes para 8-10 horas de execución nos típicos módulos de láser vermello. Usámolos en ferramentas de aliñamento portátiles onde as pilas AA eran demasiado voluminosas. O custo é de entre 2 e 3 $ por célula en cantidade e a vida útil é de 10+ anos, o que importa para o inventario de reserva.