Laser Sight-integrasjon for moderne applikasjoner

De fleste tror at lasersikte bare er for skytevåpen, men teknologien har spredt seg langt utover det opprinnelige markedet. Vi har jobbet med lasersiktesystemer siden 2019, og applikasjonene utvides stadig til industrielle, medisinske og robotikksektorer der presisjonspeking er viktig.

Grunnprinsippet har ikke endret seg mye - du projiserer en synlig eller IR-stråle som markerer hvor noe vil treffe eller hvor et verktøy vil gripe inn. Men utførelsen blir raskt komplisert når du tar hensyn til monteringsalternativer, strømkrav og miljøforhold.

Crimson Trace ga ut sin Rail Master-serie tilbake i 2018, og disse enhetene kunne håndtere 1000G rekylsjokk. Den spesifikasjonen ble en målestokk for industriell montering, fordi hvis den overlever skytevåpenrekyl, vil den håndtere de fleste vibrasjonsmiljøer i produksjonen. RM-110-modellen kjørte rundt 280 dollar i detaljhandel (crimsontrace.com-priser fra 2020), som var bratt, men ga deg en 5mW rød laser som holdt seg null etter gjentatte støt.

For samlebåndsarbeid testet vi Streamlights TLR-serie sammen med noen billigere alternativer fra utenlandske produsenter. Temperaturavvik var de drepende --enhetene som koster under $50 ville endre siktepunktet med 3-4 tommer ved 20 fot når de gikk fra 60 grader F til 95 grader F i butikkgulvet. Streamlight-enhetene (rundt $180-220 avhengig av modell) holdt null innenfor 0,5 tommer over det området i henhold til vår benketesting sommeren 2021.

Du trenger ikke alltid det stabilitetsnivået. Kommer helt an på hva du gjør.

Laser Sight

Dette blir rart fordi montering av medisinsk utstyr ofte krever klasse 2-lasere (under 1mW utgang i henhold til FDA-forskrifter - accessdata.fda.gov har hele klassifikasjonene), men krever posisjoneringsnøyaktighet under 0,1 mm ved arbeidsavstander på 300-500 mm. Coherent Inc. lager lasermoduler som treffer disse spesifikasjonene - CUBE-serien deres koster rundt $400-600 per enhet avhengig av bølgelengde og effekt.

Vi integrerte noen 635nm røde lasere i et katetermonteringssystem i fjor. Bølgelengden betyr mer enn folk innser at - 635nm viser seg mye bedre enn 650nm under vanlig lysrør, noe sånt som 4 ganger mer synlig ifølge Laserexs tekniske dokumentasjon. Kostnadsforskjellen er kanskje 15-20 %, men verdt det når operatører bruker innrettingssystemet for 8-timers skift.

Grønne lasere (vanligvis 532nm) er enda mer synlige for menneskelige øyne, omtrent 5 ganger mer enn røde ved samme effekt. Men de koster mer og spiser batterier raskere. Vi målte strømtrekk på en 5mW grønn modul ved 180mA versus 120mA for tilsvarende rød utgang. For håndholdte verktøy som betyr noe. For faste installasjoner med veggstrøm, bruk grønt hvis budsjettet tillater det.

ABB Robotics begynte å integrere laserpekere i deres IRB-serie rundt 2017 for å lære hengende operasjoner. Gjorde det mye enklere for teknikere å visualisere robotbaner uten å kjøre direkte operasjoner. Lasermodulene de brukte var ikke noe fancy - i utgangspunktet ompakkede kommersielle enheter med bedre støtmontering og IP67-klassifiserte hus.

Fanuc tok en annen tilnærming med deres CRX-samarbeidsroboter, og satte lasersenderen i verktøyflensen og brukte den til visualisering av sikkerhetssoner. Systemet deres projiserer en 10-15 mm diameter flekk som beveger seg med endeeffektoren. Strømforbruket går rundt 2W kontinuerlig, noe som kommer rett ut av verktøyets strømbudsjett. Du må ta hensyn til det når du spesifiserer gripere eller andre endeeffektorer.

Universal Robots inkluderer ikke lasersikter som standard, men deres UR+-økosystem har flere tredjepartsalternativer. Robotiq håndleddskamera blir noen ganger sammenkoblet med en koaksial laser for dybdemåling, selv om det går inn i strukturert lysområde i stedet for enkel sikting.

Konstruksjonslasernivåer er en helt annen kategori, men verdt å nevne. Boschs GLL-serie og Dewalts DW088 bruker begge klasse 2-lasere og prosjektlinjer i stedet for prikker. DW088 kjører rundt $150 og kaster vinkelrette linjer nøyaktig til ±1/8 tomme ved 30 fot (dewalt.com spesifikasjonsark). Disse tingene har blitt billige nok til at de dukker opp i små butikkmiljøer for layoutarbeid.

Beregninger av batterilevetid blir rotete fordi laserdiodens effektivitet varierer med temperaturen. En typisk rød laserdiode kan være 15-20 % effektiv, noe som betyr at 80–85 % av inngangseffekten blir varme. Det er grunnen til at kontinuerlige installasjoner trenger kjøleribbe selv for laveffektsmoduler.

Vi målte en 5mW rød lasermodul som trakk 90mA ved 3,3V - som er omtrent 300mW inngang for 5mW utgang, altså omtrent 17 % effektivitet. Å kjøre det av et CR123A-batteri (1500mAh kapasitet ved 3V) gir deg en teoretisk kjøretid på 16-17 timer, men du vil se mer som 12-14 timer i praksis fordi batterispenningen faller under belastning.

Selve monteringen forårsaker halvparten av problemene vi ser i feltinstallasjoner. M3-monteringshull er standard, men gjengedybden varierer mellom produsenter. Noen kinesiske moduler spesifiserer M3x0,5 gjenger på 4 mm dyp, andre går 6 mm dype. Høres trivielt ut, men når du prøver å montere gjennom 3 mm aluminiumsplate med riktig gjengeinngrep, avgjør den forskjellen på 2 mm om du kan bruke en standard bolt eller trenger tilpasset maskinvare.

Surefire bruker et proprietært skinnegripesystem på X400-våpenlyktene deres, som også fungerer utmerket for industriell montering på T-aluminiumsekstrudering. Klemmekraften er justerbar og er ikke avhengig av gjengemoment, noe som bidrar til å opprettholde null i miljøer med høye-vibrasjoner. Enheter koster rundt $600, men varer evig. Vi har kjørt litt siden 2018 uten vedlikehold utover batteribytte.

Laser Sight

IR-lasere (vanligvis 850 nm eller 940 nm bølgelengder) vises på kamerasensorer, men ikke for menneskelige øyne. Nyttig for maskinsynsapplikasjoner der du ikke vil at synlig lys skal forstyrre operatørens siktlinjer. Edmund Optics selger 850nm-moduler rundt $200-300 som pares med standard industrikameraer. Basler ace-seriens kameraer har god følsomhet i det området - deres acA1920-40gm-modell viser 50 % kvanteeffektivitet ved 850nm i henhold til dataarket (baslerweb.com).

940nm blir enda mer usynlig, men kamerafølsomheten synker. De fleste silisiumsensorer har kanskje 30 % QE ved 940nm mot 50 % ved 850nm, så du gir opp signalet for bedre skjulthet. Bare verdt det hvis menneskelig-synlig lys virkelig er et problem.

Laserjusteringsverktøy for optiske systemer bruker noen ganger IR fordi de jobber i miljøer der synlig strølys forårsaker problemer. Newport Corporations IR-justeringslasere kjører $800-1200, men gir deg justerbar effekt og bedre strålekvalitet enn billige moduler. M²-verdier under 1,1 versus 1,3-1,5 for kommersielle enheter. Det betyr noe når du prøver å koble til små åpninger eller opprettholde kollimering over lange avstander.

Vi bruker ikke disse med mindre applikasjonen krever det. Kostnadene øker raskt.

En "5mW laserpeker" kan ha stråledivergens hvor som helst fra 0,5 milliradianer til 1,5 milliradianer. På 10 meter er det forskjellen mellom en 5 mm prikk og en 15 mm prikk. Noen ganger spesifiserer produsenter dette, noen ganger ikke.

De billige grønne laserne fra Amazon har en tendens til å kjøre 1,2-1,5 mrad divergens. Vi målte flere enheter med et enkelt oppsett - laser på fast avstand, hvitt mål, mål punktdiameter med skyvelære. Ikke akkurat NIST sporbar, men god nok for applikasjonsarbeid. De dyrere DPSS grønne laserne fra CNI eller Laserglow Technologies kommer vanligvis på under 1,0 mrad med bedre sirkulære stråleprofiler.

Stråleprofilen er viktig når du prøver å treffe små mål. En gaussisk stråle gir deg et rent sentralt sted med gradvis avrulling. Billigere diodelasere har noen ganger elliptiske eller uregelmessige profiler som gjør presis sikting vanskeligere. Den eneste måten å vite det på er enten å stole på produsentens spesifikasjonsark (risikofylt uten-navnemerker) eller teste deg selv.

For kirurgisk instrumentjustering endte vi opp med å spesifisere maksimalt 0,6 mrad divergens fordi arbeidsavstanden var 400 mm og målstørrelsen var 2 mm i diameter. Det gir deg litt slurv, men ikke mye. Kostnadspremien for tettere divergens var omtrent 40 % i forhold til standard industrimoduler.

Vi setter laserjusteringssystemer inn i et CNC-freseoppsett for automatisert verktøyinnstilling. Virket enkelt - monter laser til spindelhus, projiser strålen på et fast referansemål, mål avviket før hvert verktøyskifte. Fungerte bra i testing, mislyktes i produksjonen fordi kuttevæsketåke degraderte laservinduet innen 2 uker. Ingen tenkte på det i designfasen.

Løsningen var å legge til en komprimert luftrensedyse som holdt konstant luftstrøm over laseråpningen. Lagt til $45 i deler og 2 timers installasjonstid per maskin. Burde vært i det originale designet.

Temperaturkompensasjon er en annen ting som biter folk. Vi spesifiserte et laserposisjoneringssystem for et sammensatt layup-verktøy som ville fungere fra 65 grader F til 140 grader F. Lasermodulprodusenten sa at enheten deres var vurdert til 140 grader F, men nevnte ikke at nullforskyvning bare var garantert til 120 grader F. Over det flyttet termisk ekspansjon av monteringsbraketten strålen med 020 fot. Helt uakseptabelt for layup-toleranser.

Endte opp med å bytte til en annen produsent (Laser Components DG GmbH, deres FP-serie) som eksplisitt ga temperaturkompensasjonsdata. Kostnadene var like, rundt $380 per modul, men de testet og dokumenterte faktisk oppførselen vi brydde oss om.

Laser Sight

For høy-volumproduksjon der lasersiktet er innebygd i produktet, monterer du noen ganger bare den rå dioden og driverkretsen direkte i stedet for å kjøpe en ferdig modul. Vi gjorde dette for en medisinsk enhet som trengte en 3mW rød laser - som kjøpte Osram PLT5 450-dioder i mengde 1000, løp rundt $4,20 hver (osram.com 2023-priser for distributører), pluss ytterligere $2-3 for driver-IC og passiver. Komplette moduler koster $25-40 hver, så DIY var fornuftig i volum.

Ulempen er at du gjør din egen optiske design, kjøleribbe, driverkretsvalidering og pålitelighetstesting. For noe som går inn i et medisinsk utstyr som krever innsending fra FDA, er det betydelig ingeniørarbeid. Vi brukte omtrent 200 timer totalt på design og validering, men sparte omtrent $18 000 i komponentkostnader i løpet av produksjonen. Verdt det på 1000+ enheter, ikke verdt det under 500 enheter.

Kollimerende optikk er den vanskelige delen. Du trenger enten en asfærisk linse eller et multi-elementsystem for å få anstendig strålekvalitet fra en blank diode. Edmund Optics selger asfæriske linser for laserkollimering fra rundt $25-50 avhengig av NA og diameter. Men å få god kollimering krever presis avstand mellom diode og linse, vanligvis innenfor 0,05 mm. Det betyr enten presisjonsbearbeiding av huset eller justeringsskruer med låsing.

Noen produsenter kommer rundt dette med pre-kollimerte diodemoduler. Thorlabs har sin CPS-serie som kombinerer diode, driver og kollimeringsoptikk i en kompakt TO-bokspakke. Rundt $80-120 per enhet, som fortsatt er billigere enn ferdige laserpekere og gir deg mer designfleksibilitet.

Ikke sikker på hvorfor flere mennesker ikke bruker disse for innebygde applikasjoner. De løser de fleste av de mekaniske toleranseproblemene, samtidig som de holder kostnadene rimelige ved moderate volumer.

For bærbare lasermoduler i området 1-5mW,litium CR1/3N batterifungerer overraskende bra. De er fysisk små, men pakker 170mAh ved 3V, nok til 8-10 timers kjøretid på typiske røde lasermoduler. Vi har brukt dem i håndholdte justeringsverktøy der AA-batterier var for store. Kostnaden er rundt $2-3 per celle i kvantitet, og holdbarheten er 10+ år, noe som betyr noe for ekstra beholdning.