DKK | EUR | USD

Sammenligning af applikationer til laserscannere

Af Scott Orlosky

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Lasere - et akronym for lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling - er elektronik, der udsender en eller flere stråler af sammenhængende lys. Sammenhængende indikerer elektromagnetiske bølger med identisk frekvens og bølgeform og konstant faseforskel. Lasere kan bruges til:

  • Anvendelse til skæring, ætsning, svejsning og udskæring - som i præcisionsgravering, boring, halvlederfinish, mekanisk overfladebehandling og (inden for det medicinske område) LASIK øjenkirurgi
  • Billedbehandling og projektion - som i holografik, konfokal mikroskopi, high-definition landmåling (til oprettelse af punktskyer), laserspektroskopi
  • Datatransmission - som i stregkodelæsere såvel som fiberoptiske og DVD-teknologier
  • Positionering - som i sikkerhedssystemer til arbejdsceller, 3D-udskrivning og LiDAR-systemer (Light Detection and Range)

Laser scanning - brugen af fejende eller afbøjet laserstrålesæt - er kernen i mange af disse applikationer. Denne artikel gennemgår flere laserscanningsprogrammer, der er mest almindelige inden for industriel automatisering.

I sin enkleste udførelsesform genereres et lasersignal som en punktkilde og fejet derefter gennem en aktiv vinkel ved refleksion fra et nøjagtigt kontrolleret internt spejl. En intern lysdetektor læser det reflekterede signal. Fordi laserstrålens projektionsvinkel og ToF (Time-of-Flight) er kendt, kan scannerens elektronik bruge de returnerede signaler til at skabe et detaljeret kort over strukturer inden for scannerområdet.

Enkelt i konceptet, der var en række udviklingsudfordringer, der skulle overvindes for at få laser-scanningsteknologi til at fungere i den virkelige verden. Blandt de mere udfordrende er variationer i omgivende lys, platformens bevægelse, kalibrering af lyskilder for ensartet output og tolerance mod støv og snavs, der normalt findes i industrielle miljøer.

Der er fundet løsninger på disse tekniske udfordringer; og nu er nogle af de mest sofistikerede applikationer dem i autonome køretøjer (AGV'er), der anvender 3D-scanninger over et 360˚-interval. I dag er det også almindeligt at se selvnivellerende laserscannere, der anvendes i konstruktionen til præcis montering af plader eller gulvplanering. Endnu en laser-scannerapplikation er i landmåler transit, som hjælper bygningsingeniører med at planlægge vejkvaliteter til en opløsning på millimeter. Dette er eksempler på specialbyggede laserscanningsenheder til specialfunktioner - selvom laserscannernes reelle alsidighed er på fabriksgulvet.

Laserscannere til industriel sikkerhed

Overvej et væsentligt laserscannerapplikation inden for automatisering - at beskytte farlige arbejdsceller. I grundlæggende installationer placeres en laserscanner i en fast position, mens laseren scanner over et enkelt plan. Sådanne scannere er lysgardiner der fungerer som sikkerhedsovervågningssystemer. Et lysgardin er placeret for at beskytte et bestemt stykke potentielt farligt udstyr - og det overvåger for enhver afbrydelse af lysstrålen. Som reaktion på en afbrydelse nedsætter eller stopper den kritiske udstyr eller afgiver et alarmsignal.

Scanneren skal være placeret, og strålens geometri skal være i overensstemmelse med evnen til at overvåge ethvert potentielt indgangspunkt for en operatør. Som antydet af de ovennævnte reaktionstilstande bruges en scanner ofte sammen med andet sikkerhedsudstyr (afskærmninger, alarmer og afbrydere) for at sikre, at operatøren ikke kommer til skade, når de nærmer sig udstyret.

Før eksistensen af optisk scanningsteknologi blev der anvendt mekaniske spærringer for at beskytte farlige arbejdsceller. Under vedligeholdelse ville el til arbejdscellen være deaktiveret, og lockout-tagout-procedurer ville være på plads. Mennesker er notorisk upålidelige, og folk har været kendt for at omgå sikkerhedsforanstaltninger. Optiske interlocks er mere pålidelige - især sammen med en hard reset eller et 2-operatørpanel for at sikre, at ingen enkelt operatør kan starte en genstart. Læs mere om dette i Digi-Key-artiklen “Sikkerhedslaserscannere til beskyttelse af menneskelige operatører.”

Billede af Banner SX5-serie sikkerhedslaserscannerFigur 1: Dennee SX5-serie sikkerhedslaser-scanner tillader OEM'er eller slutbrugere at definere op til seks sikkerhedszoner og to advarselszoner ved hjælp af en pc. (Billedkilde: Banner)

Bemærk om ToF (Time-of-Flight)-teknologier: Brug af ToF muliggør præcis kortlægning af placeringen af objekter baseret på polære koordinater: lysstrålens vinkel og afstand til et objekt i det område, der observeres. Denne information kan bruges til at oprette et kort over scannerens observerbare område i zoner. Dette er kritisk, når man overvejer det næste særlige tilfælde af at arbejde med samarbejdsrobotter (cobots).

Cobots by design er beregnet til at arbejde sammen med menneskelige operatører i samarbejdsaktiviteter. Dette kræver tæt nærhed og ledsagende risici. En scanner, der er programmeret med et kort over arbejdsområdet, kan kontrollere tilladte bevægelser af cobotten afhængigt af deres kollegers placering og bevægelse. Dette er et ret nyt vækstområde i både robot- og scannermarkedet, så nye applikationer udvikler sig konstant.

Laserscannere til AGV'er og lokaliseringsopgaver

Overvej nu fordelene og ulemperne ved lysdetektering og rækkevidde (LiDAR) baseret på laserscannere, der bruger ToF på en bevægelig platform. Brugt i autonome køretøjer (AGV'er) er sådanne systemer afhængige af interne kort over AGV-placeringen, så alle objektdetekteringer har kontekst. Denne evne kaldes samtidig lokalisering og kortlægning eller SLAM. Dette øger systemets kompleksitet, fordi placeringsfejl i direkte position påvirker kortlagt placering af forhindringer eller mål. Brug af lokale transpondere, undervisningsprogrammering eller gulvindlejrede spor hjælper med at afhjælpe dette problem.

Billede af IDEC 270 ° SEL-H05LPC sikkerhedslaserscannerFigur 2: Dette er en 270 ° SEL-H05LPC sikkerhedslaserscanner til brug i AGV'er, gaffeltrucks, robotter og andet bevægeligt udstyr, der findes i industrielle faciliteter. (Billedkilde: IDEC)

Scanningsteknologier er f' ændringer i SNR (signal-støj-forholdet) baseret på ændringer i det omgivende lys. I værste fald er fuld sollys, hvor lyset kan være flere størrelsesordener større end scanningsbelysningen. Der er flere mulige løsninger til rådighed, herunder modulering af kilden, struktureret scanning og brug af smalle frekvenser sammen med filtrering. Heldigvis fungerer AGV'er hovedsageligt i lysstyrede lagre, som ikke har brug for disse teknikker. For køretøjer beregnet til at arbejde udenfor er der i øjeblikket intens undersøgelse og forskning i løsninger.

Laserscannere er pr. definition line-of-sight-enheder. Dette betyder, at de er begrænset til se direkte foran dem. Hvis fronten vender direkte mod en række søjle, vil scanneren kun se den første søjle i rækken. Der er behov for perspektivændring for at scanneren kan opdage yderligere søjler, forudsat at de er inden for rækkevidde.

LiDAR på mobile køretøjer kan være meget værdifuldt - især når LiDAR kombineres med andre sensorer for at reagere på ændringer i realtid i lagermiljøer. Her hjælper LiDAR med at øge leveringshastighederne, reducere personalekravene og minimere ulykker.

At vælge de rigtige scanningsfunktioner i et LiDAR-system betyder at specificere det lineære område, det vinklede scanningsvindue og både den lineære og vinkelopløsning til disse målinger. Båndbredde eller opdateringshastighed er et andet kritisk element, da det kan begrænse AGV's driftshastighed. Endelig, men vigtigst, vil strømforbruget indstille tiden mellem opladning og også antallet af enheder, der kan installeres på et givet tidspunkt.

Billede af AGV'er på markedet der i dag bruger LiDAR til at navigere i deres fabrikMange AGV'er på markedet der i dag bruger LiDAR til at navigere i deres fabriks- eller automatiserede lagermiljø. (Billedkilde: Gettyimages)

Elektriske og mekaniske overvejelser for LiDAR i AGV'er

LiDAR fortsætter med at udvikle sig, hovedsageligt drevet af markedet for autonome køretøjer. Derfor er der en bred vifte af muligheder, funktioner og pris. Det betyder også, at der endnu ikke er opstået nogen monterings- eller tilslutningsstandard. Når man overvejer brugen af AGV'er i en applikation, ville processen være at matche eksisterende tilbud til systemkravene og specificere den fysiske struktur derfra. Flere virksomheder udfører systemteknik og tilbyder færdige eller tilpassede LiDAR-systemer. Afhængigt af kravene kan en præ-konstrueret løsning bare være udgangspunktet for en mere optimeret løsning.

National Institute of Standards and Technology (NIST) har taget føringen med at oprette sikkerhedsstandarder for AGV'er. På nuværende tidspunkt er disse primært fokuseret på spørgsmålet om kollisioner, herunder:

  • Kofangere med brudpunkter: For det meste i ældre modeller er hensigten, at kofangere inkluderer kraftregistrering og vil starte et stop, når de rammer en forhindring, hvilket begrænser kontaktkraften.
  • Ikke-kontaktmetoder: Moderne AGV'er forventes at opdage objekter og stoppe uden at forårsage en kollision. Testformer, der tilnærmer sig den menneskelige form, er blevet brugt, selvom der foreslås flere menneskelignende figurer og stillinger til fremtidig testning.
  • Pludselige forhindringer: Det uventede udseende af en forhindring inden for sikkerhedszonen. AGV forventes at indlede et nødstop, men kollisionsundgåelse forventes ikke.
  • Forventning til forhindrede forhindringer: Disse forhindringer inkluderer udstyr eller mennesker i nærheden af AGV-kørestien. Forventningen er, at der vil blive udpeget langsomme zoner, hvor der er mindre end 0,5 m frigang fra AGV-kørestien.

I forventning om fremtidig brug af AGV arbejder de også med robottesikkerhedsstandarder for at begynde udviklingen af testmetoder, der involverer brugen af en robotarm, der er fastgjort til en AGV-base.

En af de dominerende tendenser i LiDAR er at reducere størrelsen, vægten og omkostningerne ved LiDAR uden at ofre ydeevnen. Der er gjort fremskridt i det sidste årti og reduceret disse attributter med en størrelsesorden. Tidligere nævnt får SLAM eller lokalisering mere opmærksomhed. Den idealiserede løsning gør det muligt for en AGV at starte hvor som helst og udvikle sit eget interne kort over den verden, hvor det opererer. En sådan operation er afhængig af integrationen af LiDAR med andre sensortyper - inklusive GPS, sensorer på hjul og kameraer.

Laserscannere til datakommunikation

Konceptet med en lineær stregkodelæser er simpelt: En kombination af linjer og mellemrum skaber en slags morse-kode, som kan læses direkte af:

  • Måling af lys fra scanneren, da den reflekteres tilbage fra stregkoden
  • Måling af omgivende lys, når det reflekteres tilbage

Der er ni varianter af lineær stregkode i regelmæssig brug globalt, afhængigt af applikationen. Selvom laserscannere er normen for stregkodescanning, behøver stregkoder ikke nødvendigvis nøjagtigheden af en laserlyskilde, med nogle undtagelser, der er anført nedenfor. I de fleste tilfælde læses og oversættes stregkodeindholdet alt sammen i scanneren. Typisk sender stregkodescanneren dekodede data direkte til en database.

Et par områder kræver den fine opløsning af en stregkodelaser. For steder med pladsbegrænsninger holdes standard stregkodestriber til en smallere fysisk standard. Dette kræver en fin opløsningslæser, og laserscannere gør det ganske pænt. En lignende situation eksisterer, når stregkoden er længere væk (f.eks. oå hylden i et lager), hvilket effektivt reducerer kodens vinkelstørrelse.

Undertiden er omgivende lys ikke nok til at sikre god kontrast mellem stregerne. I dette tilfælde er en kendt lyskilde som en laser egnet til at tænde koden og gøre dem læsbare.

Selv forbrugere, der besøger dagligvarebutikker, er fortrolige med håndholdte scannere ved kasser hvor man skal selv skal scanne. Da stregkodescanninger kan præsenteres i et uendeligt antal retninger, skal scannere i disse indstillinger producere en tæt matrix med krydsende laserscanningslinjer. Dette sikrer, at mindst en af scanningslinjerne, uanset hvordan stregkoden præsenteres, opfanger hele koden.

Billede af MikroElektronika MIKROE-2913 stregkodescannerkortFigur 4: Dette MIKROE-2913 stregkodescannerkort kan læse 1D og 2D stregkoder, der overholder forskellige protokoller. Den inkluderer en mikro-USB-port, der fungerer som en enkeltstående enhed eller med andre kort. (Billedkilde: MikroElektronika)

Stregkode 2D-scannere: To-dimensionelle (2D) koder adskiller sig fra de ovenfor nævnte lineære koder. De er vokset i popularitet på grund af deres høje informationstæthed, fejlkontrol og læsbarhed, selvom de er beskadigede. 2D-stregkoders kompleksitet betyder, at de ikke er egnede til brug med laserscannere og er afhængige af kameraer til afkodning. Der er fire typer 2D-stregkoder i almindelig brug, selvom de fleste forbrugere er fortrolige med hurtigrespons (QR) -koden, som let kan læses af de fleste smartphones.

Når maskinfabrikanter og slutbrugere overvejer stregkode- og scannerindstillinger, er der tre hovedaspekter at overveje:

  1. Hvor skal scanneren bruges? Er det til lagerbeholdning i et lager, sporing af produktionsdele på en produktionslinje eller brug ved salgsstedet?
  2. Hvor meget data er der brug for, og hvad er det fysiske rum til rådighed på varen til at placere stregkoden?
  3. På hvilken overflade vil stregkoden blive trykt - og hvilken udskriftsopløsning er den overflade i stand til at bibeholde?

Når disse tre spørgsmål er blevet besvaret, bør der være et antal levedygtige alternativer at vælge imellem.

Billede af Code Reader 950 (CR950) stregkodelaser-scanner fra Brady CorporationFigur 5: Denne code Reader 950 (CR950 ) barkodelaser scanner fra Brady Corporation har en vidvinklet billedsensor til lettere scanning. Resultatet er aflæsning af 1D og 2D stregkoder - også dem på skinnende overflader. (Billedkilder: Brady Corporation)

Andre læser- og kamerabaserede alternativer: De fleste variationer på stregkodescanneren er beskrevet ovenfor. Værd at nævne er, at nogle stregkodescannere bruger en lang række LED'er til at belyse koden i forbindelse med en matchende række af detektorer med ladningskoblet enhed (CCD) til at detektere det reflekterede lys. Disse kaldes LED-læsere.

Der er også kamerasystemer, der er specielt designet og konfigureret til effektivt og hurtigt at læse 2D-koder.

Konklusion om laserscannerapplikationer

Spredningen af laserbaserede enheder og anvendelser siden opfindelsen af laseren i 1960 har været uhyggelig. Selvom stregkoden er forud for laseren med 11 år, er brugen af sammenhængende lysscanning til at læse information blevet guld-standarden. Laserbaseret positionssporing og detektionsscanning er også blevet go-to-løsninger i industrielle indstillinger. Uanset om du designer et system fra bunden eller udvider en eksisterende proces, er der en god chance for, at en vis variation på en laserscanningstilgang har værdi for de fleste industrielle fremstillings- eller sporingsapplikationer. I betragtning af hvor langt teknologien er kommet, er oddsene gode hvis den nøjagtige konfiguration ikke er tilgængelig i dag, er der noget passende i horisonten.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Scott Orlosky

Throughout his 30-year career, Scott Orlosky has designed, engineered, developed, marketed, and sold sensors and actuators for industrial and commercial industries. He is coinventor on four patents for the design and manufacturing of inertial sensors. Orlosky is also a coauthor of Encoders for Dummies and produced the BEI Sensors industrial newsletter for nearly 15 years. Orlosky holds a master’s degree in Manufacturing and Control Theory from the University of California, Berkeley.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører