تكامل البصر بالليزر للتطبيقات الحديثة

يعتقد معظم الناس أن مناظير الليزر مخصصة للأسلحة النارية فقط، لكن التكنولوجيا انتشرت إلى ما هو أبعد من ذلك السوق الأولي. نحن نعمل مع أنظمة التصويب بالليزر منذ عام 2019، وتستمر التطبيقات في التوسع في القطاعات الصناعية والطبية والروبوتات حيث يكون التوجيه الدقيق مهمًا.

لم يتغير المبدأ الأساسي كثيرًا - فأنت تعرض شعاعًا مرئيًا أو شعاعًا من الأشعة تحت الحمراء يحدد مكان إصابة شيء ما أو مكان تفاعل الأداة. لكن التنفيذ يصبح معقدًا بسرعة عندما تأخذ في الاعتبار خيارات التركيب ومتطلبات الطاقة والظروف البيئية.

ما الذي يجعل مشاهد الليزر تعمل في البيئات الصناعية

أصدرت Crimson Trace سلسلة Rail Master الخاصة بها في عام 2018، ويمكن لهذه الوحدات التعامل مع 1000 جيجا من الصدمات الارتدادية. أصبحت هذه المواصفات معيارًا للتركيب الصناعي لأنها إذا نجت من ارتداد السلاح الناري، فسوف تتعامل مع معظم بيئات الاهتزاز في التصنيع. تم تشغيل طراز RM-110 بحوالي 280 دولارًا أمريكيًا للبيع بالتجزئة (تسعير موقع Crimsontrace.com اعتبارًا من عام 2020)، وهو سعر باهظ الثمن ولكنه أعطاك ليزر أحمر بقدرة 5 ميجاوات ظل صفرًا بعد التأثيرات المتكررة.

بالنسبة لعمل خط التجميع، قمنا باختبار سلسلة TLR من Streamlight جنبًا إلى جنب مع بعض الخيارات الأرخص من الشركات المصنعة في الخارج. كان الانحراف في درجة الحرارة هو القاتل - حيث أن الوحدات التي تكلف أقل من 50 دولارًا ستغير نقطة هدفها بمقدار 3-4 بوصات عند 20 قدمًا عند الانتقال من 60 درجة فهرنهايت إلى 95 درجة فهرنهايت. احتفظت وحدات Streamlight (حوالي 180-220 دولارًا اعتمادًا على الطراز) بصفر في حدود 0.5 بوصة عبر هذا النطاق وفقًا لاختبارنا على مقاعد البدلاء في صيف 2021.

رغم ذلك، لا تحتاج دائمًا إلى هذا المستوى من الاستقرار. يعتمد كليًا على ما تفعله.

صناعة الأجهزة الطبية تحتاج إلى مواصفات مختلفة

يصبح هذا الأمر غريبًا لأن تجميع الأجهزة الطبية غالبًا ما يتطلب أشعة ليزر من الفئة 2 (أقل من 1 ميجاوات وفقًا للوائح إدارة الغذاء والدواء - يتمتع الوصول إلى البيانات. تصنع شركة Coherent Inc. وحدات ليزر تصل إلى تلك المواصفات - تتراوح أسعار سلسلة CUBE الخاصة بها من 400 إلى 600 دولار لكل وحدة اعتمادًا على الطول الموجي وإنتاج الطاقة.

قمنا بدمج بعض أجهزة الليزر الحمراء بطول 635 نانومتر في نظام تجميع القسطرة العام الماضي. الطول الموجي مهم أكثر مما يدرك الناس - 635 نانومتر يظهر بطريقة أفضل من 650 نانومتر تحت إضاءة الفلورسنت النموذجية، وهو شيء أكثر وضوحًا بمقدار 4 مرات وفقًا للوثائق الفنية لشركة Laserex. ربما يكون فرق التكلفة 15-20% ولكنه يستحق ذلك عندما يستخدم المشغلون نظام المحاذاة لنوبات عمل مدتها 8 ساعات.

يكون الليزر الأخضر (عادة 532 نانومتر) أكثر وضوحًا للعين البشرية، حوالي 5 مرات أكثر من اللون الأحمر عند نفس خرج الطاقة. لكنها تكلف أكثر وتستهلك البطاريات بشكل أسرع. قمنا بقياس السحب الحالي على وحدة خضراء بقدرة 5 ميجاوات عند 180 مللي أمبير مقابل 120 مللي أمبير للإخراج الأحمر المكافئ. للأدوات المحمولة التي تهمك. بالنسبة للتركيبات الثابتة ذات الطاقة الجدارية، استخدم اللون الأخضر إذا كانت الميزانية تسمح بذلك.

تطبيقات الروبوتات تنمو بسرعة

بدأت شركة ABB Robotics في دمج مؤشرات الليزر في سلسلة IRB الخاصة بها في عام 2017 تقريبًا لعمليات قلادة التدريس. جعل من السهل على الفنيين تصور مسارات الروبوت دون تشغيل العمليات المباشرة. لم تكن وحدات الليزر التي استخدموها شيئًا فاخرًا - وحدات تجارية مُعاد تجميعها بشكل أساسي مع تركيب أفضل للصدمات ومبيتات حاصلة على تصنيف IP67.

اتبعت شركة Fanuc نهجًا مختلفًا مع روبوتاتها التعاونية CRX، حيث قامت بوضع باعث الليزر في شفة الأداة واستخدامه لتصور منطقة الأمان. يعرض نظامهم بقعة بقطر 10-15 ملم تتحرك مع المستجيب النهائي. يبلغ استهلاك الطاقة حوالي 2 وات بشكل متواصل، وهو ما يأتي مباشرة من ميزانية طاقة الأداة. يجب أن تأخذ ذلك في الاعتبار عند تحديد القابضين أو المؤثرات النهائية الأخرى.

لا تشتمل Universal Robots على مشاهد ليزر بشكل قياسي ولكن نظام UR+ البيئي الخاص بها يحتوي على العديد من خيارات -الطرف الثالث. أحيانًا يتم إقران كاميرا المعصم Robotiq بالليزر المحوري لقياس العمق، على الرغم من أن ذلك يدخل في نطاق الضوء المنظم بدلاً من التصويب البسيط.

تعد مستويات ليزر البناء فئة مختلفة تمامًا ولكنها تستحق الذكر. تستخدم سلسلة Bosch's GLL وDewalt's DW088 أشعة ليزر من الفئة 2 وخطوط المشروع بدلاً من النقاط. يبلغ سعر DW088 حوالي 150 دولارًا ويلقي خطوطًا متعامدة بدقة تصل إلى ± 1/8 بوصة على ارتفاع 30 قدمًا (ورقة مواصفات dewalt.com). لقد أصبحت هذه الأشياء رخيصة بما يكفي لظهورها في بيئات المتاجر الصغيرة لأعمال التخطيط.

اعتبارات القوة والتركيب ذات الأهمية الفعلية

تصبح حسابات عمر البطارية فوضوية لأن كفاءة الصمام الثنائي الليزري تختلف باختلاف درجة الحرارة. قد تبلغ كفاءة الصمام الثنائي الليزري الأحمر النموذجي 15-20%، مما يعني أن 80-85% من طاقة الإدخال تتحول إلى حرارة. ولهذا السبب تحتاج التركيبات ذات الخدمة المستمرة إلى امتصاص الحرارة حتى بالنسبة للوحدات منخفضة الطاقة.

قمنا بقياس وحدة ليزر حمراء بقدرة 5 ميجاوات تسحب 90 مللي أمبير عند 3.3 فولت -، أي حوالي 300 ميجاوات من المدخلات وإخراج 5 ميجاوات، أي ما يقرب من 17% من الكفاءة. يمنحك تشغيل هذه البطارية من بطارية CR123A (سعة 1500 مللي أمبير عند 3 فولت) وقت تشغيل نظريًا يتراوح بين 16 و17 ساعة، ولكنك سترى أكثر من 12 إلى 14 ساعة عمليًا لأن جهد البطارية ينخفض ​​تحت الحمل.

يسبب التثبيت نفسه نصف المشاكل التي نراها في التركيبات الميدانية. تعتبر فتحات التثبيت M3 قياسية ولكن عمق الخيط يختلف بين الشركات المصنعة. تحدد بعض الوحدات الصينية خيوط M3x0.5 بعمق 4 مم، والبعض الآخر بعمق 6 مم. يبدو تافهًا ولكن عندما تحاول التركيب من خلال لوحة ألومنيوم مقاس 3 مم مع مشاركة خيط مناسبة، فإن فرق 2 مم يحدد ما إذا كان يمكنك استخدام مسمار قياسي أو تحتاج إلى أجهزة مخصصة.

تستخدم Surefire نظامًا خاصًا لإمساك السكك الحديدية في مصابيح الأسلحة X400 الخاصة بها والذي يعمل أيضًا بشكل رائع للتركيب الصناعي على فتحة T- لقذف الألومنيوم. قوة التثبيت قابلة للتعديل ولا تعتمد على عزم دوران الخيط، مما يساعد على الحفاظ على الصفر في بيئات الاهتزاز العالية-. تكلف الوحدات حوالي 600 دولار ولكنها تدوم إلى الأبد. لدينا بعض التشغيل منذ عام 2018 مع عدم وجود صيانة بخلاف تبديل البطارية.

عندما لا يكون اللون الأحمر المرئي كافيًا

تظهر أشعة الليزر تحت الحمراء (عادة 850 نانومتر أو 940 نانومتر) على مستشعرات الكاميرا ولكن ليس للعين البشرية. مفيد لتطبيقات رؤية الماكينة حيث لا تريد أن يتداخل الضوء المرئي مع خطوط رؤية المشغل. تبيع شركة Edmund Optics وحدات مقاس 850 نانومتر بقيمة 200-300 دولار تقريبًا تقترن بالكاميرات الصناعية القياسية. تتمتع كاميرات سلسلة Basler ace بحساسية جيدة في هذا النطاق - يُظهر طراز acA1920-40gm الخاص بها كفاءة كمية بنسبة 50٪ عند 850 نانومتر لكل ورقة بيانات (baslerweb.com).

يصبح 940 نانومتر غير مرئي بشكل أكبر ولكن حساسية الكاميرا تنخفض. ربما تتمتع معظم مستشعرات السيليكون بنسبة 30% من التيسير الكمي عند 940 نانومتر مقابل 50% عند 850 نانومتر، لذا فأنت تتخلى عن الإشارة من أجل سرية أفضل. لا يستحق كل هذا العناء إلا إذا كان الضوء البشري-يمثل مشكلة حقيقية.

تستخدم أدوات محاذاة الليزر للأنظمة البصرية أحيانًا الأشعة تحت الحمراء لأنها تعمل في بيئات يتسبب فيها الضوء الشارد المرئي في حدوث مشكلات. تبلغ تكلفة أجهزة ليزر محاذاة الأشعة تحت الحمراء من شركة Newport Corporation ما بين 800 إلى 1200 دولار ولكنها تمنحك خرج طاقة قابل للتعديل وجودة شعاع أفضل من الوحدات الرخيصة. قيم المتر المربع أقل من 1.1 مقابل 1.3-1.5 للوحدات التجارية. وهذا مهم عندما تحاول الاقتران بفتحات صغيرة أو الحفاظ على الموازاة على مسافات طويلة.

نحن لا نستخدمها إلا إذا طلب التطبيق ذلك. التكلفة تضيف بسرعة.

حجم النقطة والاختلاف لا أحد يشرحها جيدًا

يمكن أن يكون لـ "مؤشر الليزر 5 ميجاوات" تباعد في الشعاع في أي مكان من 0.5 مليراديان إلى 1.5 مليراديان. عند 10 أمتار، هذا هو الفرق بين نقطة 5 مم ونقطة 15 مم. أحيانًا يحدد المصنعون هذا، وأحيانًا لا يفعلون ذلك.

تميل أجهزة الليزر الخضراء الرخيصة من أمازون إلى تشغيل 1.2-1.5 ميلي راديان. قمنا بقياس عدة وحدات بإعداد بسيط - ليزر على مسافة ثابتة، هدف أبيض، قياس قطر البقعة باستخدام الفرجار. لا يمكن تتبعه تمامًا بواسطة NIST ولكنه جيد بما يكفي لعمل التطبيق. عادةً ما تأتي أجهزة الليزر الخضراء DPSS الأكثر تكلفة من CNI أو Laserglow Technologies بأقل من 1.0 مراد مع ملفات تعريف شعاع دائرية أفضل.

يعد ملف تعريف الشعاع مهمًا عندما تحاول إصابة أهداف صغيرة. يمنحك الشعاع الغوسي نقطة مركزية نظيفة مع تراجع تدريجي. تحتوي أشعة الليزر ذات الصمام الثنائي الأرخص في بعض الأحيان على أشكال بيضاوية أو غير منتظمة تجعل التصويب الدقيق أكثر صعوبة. الطريقة الوحيدة لمعرفة ذلك هي إما أن تثق في ورقة المواصفات الخاصة بالشركة المصنعة (وهو أمر محفوف بالمخاطر مع عدم وجود-علامات تجارية) أو تختبر نفسك.

بالنسبة لمحاذاة الأدوات الجراحية، انتهى بنا الأمر إلى تحديد تباعد يبلغ 0.6 مراد كحد أقصى لأن مسافة العمل كانت 400 مم وكان حجم الهدف يبلغ قطره 2 مم. وهذا يمنحك بعض الانحدار ولكن ليس كثيرًا. بلغت علاوة التكلفة للتباعد الأضيق حوالي 40٪ مقارنة بالوحدات الصناعية القياسية.

مشاكل التثبيت الحقيقية من العام الماضي

لقد وضعنا أنظمة محاذاة الليزر في إعداد مطحنة CNC لإعداد الأدوات تلقائيًا. بدا الأمر واضحًا - تركيب الليزر على مبيت المغزل، وتوجيه الشعاع نحو هدف مرجعي ثابت، وقياس الانحراف قبل تغيير كل أداة. كان يعمل بشكل جيد في الاختبار، وفشل في الإنتاج لأن رذاذ سائل القطع أدى إلى تدهور نافذة الليزر خلال أسبوعين. لم يفكر أحد في ذلك خلال مرحلة التصميم.

كان الحل هو إضافة فوهة لتنقية الهواء المضغوط تحافظ على تدفق الهواء المستمر عبر فتحة الليزر. تمت إضافة 45 دولارًا أمريكيًا للأجزاء وساعتين من وقت التثبيت لكل جهاز. كان ينبغي أن يكون في التصميم الأصلي.

تعويض درجة الحرارة هو شيء آخر يعض الناس. لقد حددنا نظام تحديد موضع ليزر لأداة رمية مركبة تعمل من 65 درجة فهرنهايت إلى 140 درجة فهرنهايت. قالت الشركة المصنعة لوحدة الليزر إن وحدتها تم تصنيفها إلى 140 درجة فهرنهايت ولكنها لم تذكر أن التحول الصفري كان مضمونًا فقط إلى 120 درجة فهرنهايت. وفوق ذلك، أدى التمدد الحراري لقوس التثبيت إلى تحريك الشعاع بمقدار 0.060 بوصة على ارتفاع 20 قدمًا. غير مقبول على الإطلاق لتحمل رمية الكرة.

انتهى الأمر بالتبديل إلى شركة مصنعة مختلفة (Laser Components DG GmbH، سلسلة FP الخاصة بها) والتي قدمت بشكل صريح بيانات تعويض درجة الحرارة. وكانت التكلفة مماثلة، حوالي 380 دولارًا لكل وحدة، لكنهم قاموا بالفعل باختبار وتوثيق السلوك الذي نهتم به.

لماذا لا تزال بعض التطبيقات تستخدم الثنائيات العارية

بالنسبة للإنتاج بكميات كبيرة-حيث يكون منظار الليزر مضمنًا في المنتج، أحيانًا ما تقوم فقط بتركيب الصمام الثنائي الخام ودائرة التشغيل مباشرة بدلاً من شراء وحدة نمطية نهائية. لقد فعلنا ذلك لجهاز طبي يحتاج إلى ليزر أحمر بقدرة 3 ميجاوات - لشراء ثنائيات Osram PLT5 450 بالكمية 1000 بتكلفة 4.20 دولارًا تقريبًا لكل منها (سعر osram.com 2023 للموزعين)، بالإضافة إلى 2-3 دولارات أخرى لمحرك IC والعناصر السلبية. تكلف الوحدات الكاملة ما بين 25 إلى 40 دولارًا لكل منها، لذا فإن DIY منطقي من حيث الحجم.

الجانب السلبي هو أنك تقوم بالتصميم البصري الخاص بك، والتبريد الحراري، والتحقق من صحة دائرة التشغيل، واختبار الموثوقية. بالنسبة لشيء يدخل في جهاز طبي يتطلب تقديم إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، فهذا عمل هندسي كبير. لقد أمضينا حوالي 200 ساعة في التصميم والتحقق من الصحة، ولكننا وفرنا ما يقرب من 18000 دولار أمريكي من تكاليف المكونات خلال فترة الإنتاج. يستحق ذلك عند 1000+ وحدة، ولا يستحق أقل من 500 وحدة.

البصريات المتوازية هي الجزء الصعب. أنت بحاجة إما إلى عدسة شبه كروية أو نظام متعدد-عناصر للحصول على جودة شعاع مناسبة من الصمام الثنائي المجرد. تبيع شركة Edmund Optics عدسات شبه كروية لموازنة الليزر بسعر يبدأ من 25 إلى 50 دولارًا تقريبًا اعتمادًا على NA والقطر. لكن الحصول على موازنة جيدة يتطلب تباعدًا دقيقًا بين الصمام الثنائي والعدسة، عادةً في حدود 0.05 مم. وهذا يعني إما المعالجة الدقيقة للإسكان أو براغي الضبط مع القفل.

تتغلب بعض الشركات المصنعة على هذه المشكلة من خلال-وحدات الصمام الثنائي المتوازية مسبقًا. لدى Thorlabs سلسلة CPS الخاصة بها والتي تجمع بين الصمام الثنائي والمحرك والبصريات المتوازية في حزمة TO- مدمجة. حوالي 80-120 دولارًا لكل وحدة والتي لا تزال أرخص من مؤشرات الليزر النهائية وتمنحك مرونة أكبر في التصميم.

لست متأكدًا من سبب عدم استخدام المزيد من الأشخاص لهذه التطبيقات المضمنة. إنها تحل معظم مشكلات التسامح الميكانيكي مع الحفاظ على التكاليف معقولة بكميات معتدلة.

لوحدات الليزر المحمولة في نطاق 1-5 ميجاوات،بطارية ليثيوم CR1/3Nالعمل بشكل جيد بشكل مدهش. إنها صغيرة الحجم ماديًا ولكنها تحتوي على 170 مللي أمبير في الساعة عند 3 فولت، وهو ما يكفي لمدة 8-10 ساعات من التشغيل على وحدات الليزر الحمراء النموذجية. لقد استخدمناها في أدوات المحاذاة المحمولة حيث كانت بطاريات AA كبيرة الحجم للغاية. تبلغ التكلفة حوالي 2-3 دولارات لكل خلية من حيث الكمية، ومدة الصلاحية هي 10+ سنة وهو أمر مهم بالنسبة للمخزون الاحتياطي.