Լազերային տեսողության ինտեգրում ժամանակակից հավելվածների համար

Մարդկանց մեծամասնությունը կարծում է, որ լազերային տեսարժան վայրերը պարզապես հրազենի համար են, բայց տեխնոլոգիան տարածվել է այդ սկզբնական շուկայից դուրս: Մենք աշխատում ենք լազերային նպատակային համակարգերի հետ 2019 թվականից, և հավելվածները շարունակում են ընդլայնվել արդյունաբերական, բժշկական և ռոբոտաշինության ոլորտներում, որտեղ կարևոր է մատնացույց անելը:

Հիմնական սկզբունքը շատ բան չի փոխվել - դուք նախագծում եք տեսանելի կամ IR ճառագայթ, որը նշում է, թե որտեղ է ինչ-որ բան հարվածելու կամ գործիքի միացման վայրը: Բայց կատարումն արագ է բարդանում, երբ հաշվի են առնում մոնտաժային տարբերակները, էներգիայի պահանջները և շրջակա միջավայրի պայմանները:

Crimson Trace-ը թողարկեց իրենց Rail Master շարքը դեռևս 2018 թվականին, և այդ միավորները կարող էին դիմակայել 1000 գ հետադարձ հարվածի: Այդ հատկանիշը դարձավ արդյունաբերական մոնտաժման չափանիշ, քանի որ եթե այն վերապրի հրազենի հետ շեղումից, այն կկարգավորի արտադրության մեջ թրթռումային միջավայրերի մեծ մասը: RM-110 մոդելն աշխատում էր մոտ $280 մանրածախ վաճառքով (crimsontrace.com-ի գինը 2020 թվականից), որը կտրուկ էր, բայց ձեզ տվեց 5 մՎտ հզորությամբ կարմիր լազեր, որը մնաց զրոյական վիճակում կրկնվող հարվածներից հետո:

Հավաքման գծի աշխատանքի համար մենք փորձարկեցինք Streamlight-ի TLR շարքը արտասահմանյան արտադրողների որոշ ավելի էժան տարբերակների հետ մեկտեղ: Ջերմաստիճանի շեղումն այն պատճառն էր, որ - միավորները, որոնց արժեքը 50 դոլարից ցածր է, իրենց նպատակակետը 3-4 դյույմով փոխում էին 20 ֆուտ հեռավորության վրա, երբ խանութի հատակի ջերմաստիճանը 60 աստիճան F-ից մինչև 95 ° F է անցնում: Streamlight ստորաբաժանումները (մոտ 180-220 դոլար՝ կախված մոդելից) այդ միջակայքում 0,5 դյույմի սահմաններում զրո են պահել՝ համաձայն 2021 թվականի ամռանը մեր նստարանային փորձարկման:

Այնուամենայնիվ, ձեզ միշտ չէ, որ պետք է կայունության այդ մակարդակը: Ամբողջովին կախված է նրանից, թե ինչ եք անում:

Laser Sight

Սա տարօրինակ է դառնում, քանի որ բժշկական սարքերի հավաքումը հաճախ պահանջում է 2-րդ դասի լազերներ (ըստ FDA կանոնակարգերի՝ 1 մՎտ-ից ցածր ելքային հզորություն - accessdata.fda.gov-ն ունի ամբողջական դասակարգում), սակայն 300-500 մմ աշխատանքային հեռավորությունների դեպքում 0,1 մմ-ից ցածր դիրքավորման ճշգրտություն է պետք: Coherent Inc.-ն արտադրում է լազերային մոդուլներ, որոնք համապատասխանում են այդ բնութագրերին. նրանց CUBE շարքը արժե մոտ $400-600 մեկ միավորի համար՝ կախված ալիքի երկարությունից և հզորությունից:

Անցյալ տարի մենք 635 նմ կարմիր լազեր ենք ինտեգրել կաթետերի հավաքման համակարգում: Ալիքի երկարությունը ավելի կարևոր է, քան մարդիկ պատկերացնում են, - 635նմ-ն ավելի լավ է երևում, քան 650 նմ սովորական լյումինեսցենտային լույսի ներքո, ինչը 4 անգամ ավելի տեսանելի է ըստ Laserex-ի տեխնիկական փաստաթղթերի: Արժեքի տարբերությունը գուցե 15-20% է, բայց արժե այն, երբ օպերատորներն օգտագործում են հավասարեցման համակարգը 8-ժամյա հերթափոխով:

Կանաչ լազերները (սովորաբար 532 նմ) նույնիսկ ավելի տեսանելի են մարդու աչքերի համար, մոտավորապես 5 անգամ ավելի, քան կարմիրը նույն ելքային հզորությամբ: Բայց դրանք ավելի թանկ արժեն և մարտկոցներն ավելի արագ են ուտում: Մենք չափել ենք ընթացիկ քաշը 5 մՎտ կանաչ մոդուլի վրա 180 մԱ-ի դիմաց 120 մԱ-ի դիմաց՝ համարժեք կարմիր ելքի համար: Ձեռքի գործիքների համար, որոնք կարևոր են: Պատի հզորությամբ ֆիքսված կայանքների համար օգտագործեք կանաչ, եթե բյուջեն թույլ է տալիս:

ABB Robotics-ը սկսել է լազերային ցուցիչներ ինտեգրել իրենց IRB շարքին մոտ 2017 թվականին՝ կախազարդով գործողություններ սովորեցնելու համար: Տեխնիկներին ավելի դյուրին դարձրեց ռոբոտների արահետները պատկերացնելն առանց կենդանի գործողությունների: Նրանց օգտագործած լազերային մոդուլները ոչ մի շքեղ էին - հիմնականում վերափաթեթավորված առևտրային միավորներ՝ ավելի լավ հարվածային ամրացմամբ և IP67 վարկանիշով պատյաններով:

Fanuc-ը այլ մոտեցում է ցուցաբերել իրենց CRX համատեղ ռոբոտների հետ՝ լազերային թողարկիչը տեղադրելով գործիքի եզրի մեջ և օգտագործել այն անվտանգության գոտու վիզուալացման համար: Նրանց համակարգը նախագծում է 10-15 մմ տրամագծով կետ, որը շարժվում է վերջնական էֆեկտորի հետ: Էլեկտրաէներգիայի սպառումն աշխատում է շուրջ 2 Վտ շարունակական, որը անմիջապես դուրս է գալիս գործիքի էներգիայի բյուջեից: Դուք պետք է հաշվի առնեք դրա համար բռնիչներ կամ այլ վերջնական էֆեկտորներ նշելիս:

Universal Robots-ը չի ներառում լազերային տեսարժան վայրերը որպես ստանդարտ, սակայն նրանց UR+ էկոհամակարգն ունի մի քանի երրորդ-կողմ տարբերակներ: Robotiq Wrist Camera-ն երբեմն զուգակցվում է կոաքսիալ լազերի հետ՝ խորությունը չափելու համար, թեև դա ավելի շուտ ներթափանցում է կառուցվածքային լույսի տարածք, քան պարզ նպատակադրում:

Շինարարական լազերային մակարդակները բոլորովին այլ կատեգորիա են, բայց արժե նշել: Bosch-ի GLL շարքը և Dewalt-ի DW088-ը երկուսն էլ օգտագործում են 2-րդ դասի լազերներ և նախագծային գծեր՝ կետերի փոխարեն: DW088-ն աշխատում է մոտ 150 դոլարով և ուղղահայաց գծեր է նետում մինչև ± 1/8 դյույմ 30 ոտնաչափ հեռավորության վրա (dewalt.com տեխնիկական աղյուսակ): Այս իրերը բավական էժանացել են, որ դրանք հայտնվում են փոքր խանութներում՝ դասավորության աշխատանքների համար:

Մարտկոցի ժամկետի հաշվարկները խառնաշփոթ են դառնում, քանի որ լազերային դիոդի արդյունավետությունը տարբերվում է ջերմաստիճանից: Սովորական կարմիր լազերային դիոդը կարող է ունենալ 15-20% արդյունավետություն, ինչը նշանակում է, որ մուտքային հզորության 80-85%-ը վերածվում է ջերմության: Ահա թե ինչու շարունակական աշխատանքային տեղակայանքները ջերմության խորացման կարիք ունեն նույնիսկ ցածր էներգիայի մոդուլների համար:

Մենք չափեցինք 5 մՎտ հզորությամբ կարմիր լազերային մոդուլը, որը քաշում է 90 մԱ 3,3 Վ լարման վրա -, ինչը մոտավորապես 300 մՎտ մուտք է 5 մՎտ ելքի համար, այսինքն մոտավորապես 17% արդյունավետություն: CR123A մարտկոցից (1500 mAh հզորությունը 3V-ով) աշխատելը ձեզ տալիս է տեսական աշխատանքի տևողությունը 16-17 ժամ, բայց գործնականում ավելի շատ կտեսնեք 12-14 ժամ, քանի որ մարտկոցի լարումը նվազում է ծանրաբեռնվածության տակ:

Ինքնին մոնտաժումն առաջացնում է այն խնդիրների կեսը, որոնք մենք տեսնում ենք դաշտային տեղակայման ժամանակ: M3 մոնտաժային անցքերը ստանդարտ են, բայց թելի խորությունը տարբեր արտադրողների միջև: Որոշ չինական մոդուլներ սպեցիֆիկացնում են M3x0.5 թելերը 4 մմ խորության վրա, մյուսները՝ 6 մմ խորությամբ: Թվում է աննշան, բայց երբ դուք փորձում եք մոնտաժել 3 մմ ալյումինե ափսեի միջով թելերի պատշաճ ներգրավմամբ, այդ 2 մմ տարբերությունը որոշում է, թե արդյոք դուք կարող եք օգտագործել ստանդարտ պտուտակ, թե՞ հատուկ սարքաշարի կարիք ունեք:

Surefire-ն իր X400 զենքի լույսերի վրա օգտագործում է ռելսերի գրավիչ համակարգ, որը նաև հիանալի է աշխատում T-ալյումինե էքստրուզիայի վրա արդյունաբերական մոնտաժման համար: Կծկման ուժը կարգավորելի է և չի հիմնվում թելերի պտտման վրա, որն օգնում է զրոյական մնալ բարձր-թրթռումային միջավայրերում: Միավորներն արժեն մոտ 600 դոլար, բայց մնում են հավերժ: 2018 թվականից ի վեր մենք աշխատում ենք զրոյական սպասարկումով, բացի մարտկոցների փոխանակումից:

Laser Sight

IR լազերները (սովորաբար 850 նմ կամ 940 նմ ալիքի երկարություններ) ցուցադրվում են տեսախցիկի սենսորների վրա, բայց ոչ մարդու աչքերում: Օգտակար է մեքենայական տեսողության ծրագրերի համար, որտեղ դուք չեք ցանկանում, որ տեսանելի լույսը խանգարի օպերատորի տեսողության գծերին: Edmund Optics-ը վաճառում է 850 նմ մոդուլներ մոտ $200-300 դոլար, որոնք համակցված են ստանդարտ արդյունաբերական տեսախցիկների հետ: Basler ace շարքի տեսախցիկները լավ զգայունություն ունեն այդ տիրույթում. նրանց acA1920-40gm մոդելը ցույց է տալիս 50% քվանտային արդյունավետություն 850 նմ-ով տվյալների թերթիկի համար (baslerweb.com):

940 նմ-ն ավելի անտեսանելի է դառնում, բայց տեսախցիկի զգայունությունը նվազում է: Սիլիկոնային սենսորների մեծամասնությունը կարող է ունենալ 30% QE 940nm-ի դիմաց 50% 850nm-ում, այնպես որ դուք հրաժարվում եք ազդանշանից ավելի լավ գաղտնիության համար: Արժե միայն այն դեպքում, եթե մարդու-տեսանելի լույսը իսկապես խնդիր է:

Օպտիկական համակարգերի լազերային հավասարեցման գործիքները երբեմն օգտագործում են IR, քանի որ դրանք աշխատում են այնպիսի միջավայրերում, որտեղ տեսանելի շեղված լույսը խնդիրներ է առաջացնում: Newport Corporation-ի IR հավասարեցման լազերներն աշխատում են $800-1200, սակայն տալիս են կարգավորելի հզորություն և ավելի լավ ճառագայթային որակ, քան էժան մոդուլները: M² արժեքները 1,1-ից ցածր՝ առևտրային միավորների համար 1,3-1,5-ի դիմաց: Դա կարևոր է, երբ փորձում եք զուգավորվել փոքր բացվածքների մեջ կամ պահպանել կոլիմացիա երկար հեռավորությունների վրա:

Մենք չենք օգտագործում դրանք, քանի դեռ հավելվածը չի պահանջում դա: Արժեքն արագ է ավելանում:

«5 մՎտ լազերային ցուցիչը» կարող է ճառագայթների շեղումներ ունենալ 0,5 միլիռադիանից մինչև 1,5 միլիռադիան: 10 մետր հեռավորության վրա դա տարբերություն է 5 մմ կետի և 15 մմ կետի միջև: Արտադրողները երբեմն դա նշում են, երբեմն՝ ոչ:

Amazon-ի էժան կանաչ լազերները հակված են 1,2-1,5 մռադ դիվերգենցիային: Մենք չափել ենք մի քանի միավոր պարզ կարգավորմամբ՝ լազեր ֆիքսված հեռավորության վրա, սպիտակ թիրախ, կետի տրամագիծը չափել տրամաչափերով: Ոչ ճշգրիտ NIST հետագծելի, բայց բավական լավ է կիրառական աշխատանքի համար: Ավելի թանկ DPSS կանաչ լազերները CNI-ից կամ Laserglow Technologies-ից սովորաբար գալիս են 1,0 mrad-ից ցածր՝ ավելի լավ շրջանաձև ճառագայթային պրոֆիլներով:

Ճառագայթային պրոֆիլը կարևոր է, երբ փորձում եք հարվածել փոքր թիրախներին: Գաուսյան ճառագայթը ձեզ տալիս է մաքուր կենտրոնական կետ՝ աստիճանական գլորումով: Ավելի էժան դիոդային լազերները երբեմն ունենում են էլիպսաձև կամ անկանոն պրոֆիլներ, որոնք դժվարացնում են ճշգրիտ նպատակադրումը: Իմանալու միակ միջոցը կա՛մ վստահել արտադրողի տեխնիկական աղյուսակին (վտանգավոր՝ առանց-անվանական ապրանքանիշերի), կա՛մ փորձարկել ինքներդ:

Վիրաբուժական գործիքների հավասարեցման համար մենք ավարտեցինք 0,6 mrad շեղման առավելագույն չափը, քանի որ աշխատանքային հեռավորությունը 400 մմ էր, իսկ թիրախի չափը 2 մմ տրամագծով: Դա ձեզ որոշակի թեքություն է տալիս, բայց ոչ շատ: Ավելի խիստ շեղումների համար ծախսերի պրեմիումը կազմում էր մոտ 40% ստանդարտ արդյունաբերական մոդուլների նկատմամբ:

Մենք լազերային հավասարեցման համակարգեր ենք դնում CNC գործարանի մեջ՝ ավտոմատացված գործիքների տեղադրման համար: Թվում էր, թե պարզ - տեղադրեք լազերային պտուտակի վրա, նախագծեք ճառագայթը ֆիքսված հղման թիրախի վրա, չափեք շեղումը յուրաքանչյուր գործիքի փոփոխությունից առաջ: Լավ է աշխատել փորձարկման ժամանակ, ձախողվել է արտադրության մեջ, քանի որ կտրող հեղուկ մառախուղը քայքայել է լազերային պատուհանը 2 շաբաթվա ընթացքում: Դիզայնի փուլում ոչ ոք այդ մասին չի մտածել։

Լուծումը սեղմված օդի մաքրման վարդակ էր ավելացնում, որը մշտական օդի հոսք էր պահում լազերային բացվածքով: Ավելացվեց $45 մասերի և 2 ժամ տեղադրման ժամանակ յուրաքանչյուր մեքենայի համար: Պետք է լիներ օրիգինալ դիզայնով:

Ջերմաստիճանի փոխհատուցումը մեկ այլ բան է, որը կծում է մարդկանց: Մենք նախատեսել ենք լազերային դիրքավորման համակարգ կոմպոզիտային դասավորության գործիքի համար, որը կաշխատի 65 աստիճան F-ից մինչև 140 աստիճան F: Լազերային մոդուլի արտադրողն ասաց, որ իրենց միավորը գնահատվել է մինչև 140 աստիճան F, բայց չի նշել, որ զրոյական տեղաշարժը երաշխավորված է միայն մինչև 120 աստիճան F: Դրանից վեր, մոնտաժային փակագծերի ջերմային ընդլայնումը 60 ինտերնեյտով շարժվել է 0,00-ով: Լրիվ անընդունելի է դասավորության հանդուրժողականության համար:

Անցում կատարվեց այլ արտադրողի (Laser Components DG GmbH, նրանց FP շարքը), որը հստակորեն տրամադրեց ջերմաստիճանի փոխհատուցման տվյալներ: Արժեքը նման էր՝ մոտ $380 մեկ մոդուլի համար, բայց նրանք իրականում փորձարկեցին և փաստագրեցին այն վարքը, որը մեզ հետաքրքրում էր:

Laser Sight

Բարձր ծավալի-արտադրության համար, որտեղ լազերային տեսարանն ներկառուցված է արտադրանքի մեջ, երբեմն դուք ուղղակիորեն տեղադրում եք դիոդի և վարորդի շղթան, այլ ոչ թե պատրաստի մոդուլ գնելը: Մենք դա արեցինք բժշկական սարքի համար, որը կարիք ուներ 3 մՎտ կարմիր լազերային -՝ գնելով Osram PLT5 450 դիոդներ 1000 քանակով, յուրաքանչյուրը մոտ 4,20 ԱՄՆ դոլար արժողությամբ (osram.com 2023 թ. գինը դիստրիբյուտորների համար), գումարած ևս 2-3 դոլար՝ վարորդի IC-ի և պասիվների համար: Ամբողջական մոդուլներն արժեն $25-40 յուրաքանչյուրը, այնպես որ DIY-ն իմաստալից էր ծավալով:

Բացասական կողմն այն է, որ դուք կատարում եք ձեր սեփական օպտիկական դիզայնը, ջերմատախտակը, վարորդի սխեմայի վավերացումը և հուսալիության փորձարկումը: Բժշկական սարքի մեջ մտնող մի բանի համար, որը պահանջում է FDA-ի ներկայացում, դա էական ինժեներական աշխատանք է: Մենք ընդհանուր առմամբ ծախսել ենք մոտ 200 ժամ նախագծման և վավերացման վրա, բայց արտադրության ընթացքում խնայել ենք մոտավորապես $18,000 բաղադրիչի ծախսերը: Արժե այն 1000+ միավորով, չարժե 500 միավորից ցածր:

Կոլիմացիոն օպտիկան բարդ մասն է: Ձեզ անհրաժեշտ է կա՛մ ասֆերիկ ոսպնյակ, կա՛մ բազմատարր-համակարգ՝ մերկ դիոդից ճառագայթի պատշաճ որակ ստանալու համար: Edmund Optics-ը վաճառում է ասֆերիկ ոսպնյակներ լազերային համադրման համար՝ սկսած 25-50 դոլարից՝ կախված NA-ից և տրամագծից: Սակայն լավ համադրում ստանալու համար անհրաժեշտ է ճշգրիտ տարածություն դիոդի և ոսպնյակի միջև, սովորաբար 0,05 մմ-ի սահմաններում: Դա նշանակում է, որ կա՛մ պատյանի ճշգրիտ մշակում, կա՛մ կողպեքով ճշգրտման պտուտակներ:

Որոշ արտադրողներ հաղթահարում են դա՝ օգտագործելով նախնական-համախմբված դիոդային մոդուլներ: Thorlabs-ն ունի իր CPS շարքը, որը համատեղում է դիոդը, դրայվերը և համադրվող օպտիկան TO-կոմպակտ փաթեթում: Մոտ $80-120 մեկ միավորի համար, որը դեռ ավելի էժան է, քան պատրաստի լազերային ցուցիչները և տալիս է դիզայնի ավելի ճկունություն:

Չգիտեմ, թե ինչու ավելի շատ մարդիկ չեն օգտագործում դրանք ներկառուցված հավելվածների համար: Նրանք լուծում են մեխանիկական հանդուրժողականության խնդիրների մեծ մասը՝ միաժամանակ ծախսերը ողջամիտ պահելով չափավոր ծավալներով:

Դյուրակիր լազերային մոդուլների համար 1-5 մՎտ տիրույթում,լիթիում CR1/3N մարտկոցզարմանալիորեն լավ են աշխատում: Դրանք ֆիզիկապես փոքր են, բայց փաթեթավորվում են 170 mAh 3V-ով, ինչը բավարար է սովորական կարմիր լազերային մոդուլների վրա 8-10 ժամ աշխատելու համար: Մենք դրանք օգտագործել ենք ձեռքի հավասարեցման գործիքներում, որտեղ AA մարտկոցները չափազանց մեծ էին: Արժեքը կազմում է մոտ 2-3 դոլար մեկ բջիջի քանակով, և պահպանման ժամկետը 10+ տարի է, ինչը կարևոր է պահեստային գույքագրման համար: