השוואת יישומי סורקי לייזר

לייזרים - ראשי התיבות באנגלית של הגברת אור על ידי פליטת קרינה מאולצת - הם התקנים אלקטרוניים הפולטים קרן אחת או יותר של אור קוהרנטי. קוהרנטי מציין גלים אלקטרומגנטיים בעלי תדר וצורת-גל זהים והפרש פאזה קבוע. ניתן להשתמש בלייזרים עבור:

• יישומי חיתוך, צריבה, ריתוך ופילוח מדויקים - כמו בחריטה, קידוח, גימור מוליכים-למחצה, עיבודמשטח מכני, ו- (בתחום הרפואי) ניתוח עיניים LASIK‏
• דימות והקרנה - כמו בהולוגרפיה, מיקרוסקופיה קונפוקלית, מדידות בהפרדה-גבוהה (HD) (עבור יצירת ענני נקודה), ספקטרוסקופיית לייזר
• העברת נתונים - כמו בקוראי ברקוד כמו גם בטכנולוגיות סיבים אופטיים ו- DVD
• מיקום - כמו במערכות בטיחות בתאי עבודה, הדפסת 3D ומערכות גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR)

סריקה באמצעות לייזר - השימוש במערכי קרני לייזר בהסטה (Sweeping‏) או בהטייה (Deflection‏) - היא בליבה של רבים מיישומים אלו. מאמר זה יסקור כמה מיישומי סריקת-לייזר הנפוצים ביותר באוטומציה תעשייתית.

בהתגלמותו הפשוטה ביותר, אות לייזר נוצר כמקור נקודתי ואז מוסט דרך זווית פעילה באמצעות החזרה ממראה פנימית מבוקרת במדויק. גלאי אור פנימי קורא את האות המוחזר. מכיוון שזווית ההקרנה של קרן הלייזר וזמן הטיסה (ToF) ידועות, האלקטרוניקה של הסורק יכולה להשתמש באותות המוחזרים כדי ליצור מפה מפורטת של מבנים הנמצאים בתוך הטווח של הסורק.

אמנם סריקת-לייזר היא פשוטה מבחינת עיקרון הפעולה, אך הייתה שורה של אתגרי פיתוח שהיה צריך להתגבר עליהם כדי לגרום לטכנולוגיה זו לעבוד בעולם האמיתי. בין המאתגרים יותר היו הבדלים באור הסביבה, תנועת הפלטפורמה, כיול מקורות האור עבור תפוקה עקבית, ועמידות באבק ולכלוך המצויים בדרך כלל בסביבות תעשייתיות.

לאתגרים הטכניים הללו פותחו פתרונות, וכיום חלק מהיישומים המתוחכמים ביותר הם אלו ברכבי קרקע אוטונומיים (AGV) המשתמשים בסריקות 3D‏ בתחום של °‏360‏. כיום נפוצים גם סורקי לייזר בעלי פילוס-עצמי המשמשים לבנייה עבור תלייה מדויקת של קירות גבס או פילוס רצפה. יישום סורק לייזר נוסף נמצא במעברי (Transit‏) מודדים, המסייעים למהנדסים אזרחיים לתכנן ציוני דרך ברזולוציה של מילימטרים. אלו הן דוגמאות להתקני סריקת לייזר ייעודיים עבור פונקציות מיוחדות - אך הוורסאטיליות האמיתית של סורקי הלייזר נמצאת ברצפת המפעל.

סורקי לייזר עבור בטיחות בתעשייה

נבחן כעת יישום סורק לייזר חיוני אחד באוטומציה - שמירה על תאי עבודה מסוכנים. בהתקנות בסיסיות, סורק לייזר ממוקם במיקום קבוע בעוד שהלייזר סורק על פני מישור יחיד. סורקים כאלה הם וילונות אור המשמשים כמערכות ניטור הבטיחות. וילון אור ממוקם כדי לשמור על ציוד ספציפי העלול להיות מסוכן - והוא מנטר אחר כל קטיעה של קרן האור. בתגובה לקטיעה, הוא מאט או עוצר את הציוד הקריטי או מספק אות התרעה.

יש למקם את הסורק ואת גיאומטריית הקרן כך שאפשר יהיה לנטר כל נקודת כניסה אפשרית של המפעיל. כפי שמשתמע מאופני התגובה שהוזכרו לעיל, סורק משמש לעתים קרובות בשילוב עם ציוד בטיחות אחר (מגנים, התרעות ומתגי כיבוי) כדי להבטיח שלא יגרם נזק למפעיל כאשר הוא מתקרב לציוד.

טרם קיומן של טכנולוגיות סריקה אופטית, השתמשו במנעולים מכניים כדי להגן על תאי עבודה מסוכנים. במהלך תחזוקה, החשמל לתא העבודה הושבת והופעלו הליכי ציון-השבתה. בני אדם ידועים לשמצה בהיותם בלתי-אמינים, וידוע שאנשים עלולים לעקוף אמצעי הגנה. אינטרלוקים אופטיים אמינים יותר - במיוחד לצד איפוס קשה או פאנל לשני-מפעילים כדי להבטיח שאף מפעיל יחיד לא יוכל ליזום הפעלה-מחדש. קרא עוד על כך במאמר של DigiKey "סורקי לייזר לבטיחות מגנים על מפעילים אנושיים."

איור 1: סורק לייזר לבטיחות סדרת SX5 זה מאפשר ליצרני OEM‏ או למשתמשים הסופיים להגדיר עד שישה אזורי בטיחות ושני אזורי אזהרה באמצעות מחשב אישי (PC). (מקור התמונה: Banner‏)

הערה לגבי טכנולוגיות זמן-טיסה (ToF): השימוש ב- ToF מאפשר מיפוי מדויק של מיקום האובייקטים על בסיס קואורדינטות פולריות: זווית קרן האור והמרחק לאובייקט באזור הנצפה. ניתן להשתמש במידע זה ליצירת מפה של האזור הנצפה של הסורק לאזורים. זה קריטי כאשר בוחנים את המקרה המיוחד הבא של עבודה עם רובוטים שיתופיים (קובוטים).

קובוטים מטבעם נועדו לעבוד לצד מפעילים אנושיים בפעילויות שיתופיות. זה דורש קירבה וסיכונים נלווים. סורק שתוכנת עם מפה של מרחב העבודה יכול לבקר את התנועות המותרות לקובוטים בהתאם למיקומם ולתנועתו של העמית-לעבודה. זהו אזור צמיחה חדש למדי בשוק הרובוטיקה כמו גם בשוק הסורקים, ולכן יישומים חדשים מתפתחים בהתמדה.

סורקי לייזר עבור רכבי AGV‏ ומשימות איתור

נשקול כעת את היתרונות והחסרונות של גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR) על סמך סורקי לייזר המשתמשים בזמן-טיסה (ToF) בפלטפורמה נעה. משמשים ברכבי קרקע אוטונומיים (AGV‏), מערכות אלו נסמכות על מפות פנימיות של מיקום ה- AGV‏ כך שלכל גילויי האובייקטים יש הקשר. יכולת זו נקראת מיקום ומיפוי בו-זמנית או SLAM‏. זה מוסיף למורכבות המערכת מכיוון ששגיאות במיקום משפיעות ישירות על המיקום הממופה של מכשולים או מטרות. השימוש בטרנספונדרים מקומיים, תכנות-לימוד או פסים משובצים ברצפה עוזרים להקל על הבעיה.

איור 2‏: זהו סורק לייזר לבטיחות SEL-H05LPC‏ °‏270‏ המשמש עבור רכבי AGV‏, מלגזות, רובוטים וציוד נע אחר הנמצא במתקנים תעשייתיים. (מקור התמונה: IDEC‏)

טכנולוגיות סריקה מושפעות משינויים ביחס האות לרעש (SNR) על בסיס על שינויים באור הסביבה. המקרה הגרוע ביותר הוא אור שמש מלא שבו האור יכול להיות חזק בכמה סדרי גודל לעומת תאורת הסריקה. ישנם מספר פתרונות אפשריים הכוללים אפנון המקור, סריקה מובנית ושימוש בתדרים צרים ביחד עם סינון. למרבה המזל, רכבי AGV‏ עובדים בעיקר במחסנים עם בקרת-אור, שאינם זקוקים לטכניקות אלה. עבור כלי רכב המיועדים לעבוד בחוץ, יש כיום לימוד ומחקר אינטנסיביים עבור פתרונות.

סורקי לייזר הם בהגדרה התקני קו-ראייה. המשמעות היא שהם מוגבלים למראה שהוא ישירות מולם. אם הוא פונה חזיתית לטור של עמודים, הסורק יראה רק את העמוד המוביל בטור. יש צורך בשינוי הפרספקטיבה כדי שהסורק יגלה עמודים נוספים, בהנחה שהם נמצאים בתוך הטווח.

ה- LiDAR ברכבים ניידים יכול להיות יקר למדי - במיוחד כאשר ה- LiDAR משולב עם חיישנים אחרים כדי להגיב לשינויים בזמן-אמת בסביבות המחסן. כאן ה- LiDAR מסייע בהגדלת קצב המשלוחים, צמצום דרישות כוח האדם והפחתת מספר התאונות.

בחירת יכולות הסריקה הנכונות במערכת LiDAR פירושה הגדרת הטווח הליניארי, חלון הסריקה הזוויתית, והרזולוציות הן הליניארית והן הזוויתית עבור מדידות אלה. רוחב-הפס או קצב העדכון הם אלמנט קריטי נוסף שכן הוא עלול להגביל את מהירות ההפעלה של ה- AGV. לבסוף, אך חשוב לא פחות, צריכת ההספק תקבע את הזמן בין טעינות ובהתאם גם מספר היחידות שניתן לפרוש בכל זמן נתון.

רכבי AGV‏ בשוק כיום משתמשים ב- LiDAR כדי לנווט במפעל או בסביבת המחסן האוטומטי שלהם. (מקור התמונה: Gettyimages‏)

שיקולים חשמליים ומכניים עבור LiDAR ברכבי AGV‏

ה- LiDAR ממשיך להתפתח, מונע בעיקר על ידי שוק הרכב האוטונומי. כתוצאה מכך קיים מגוון רחב של יכולות, פונקציות ורמות מחיר. זה גם אומר שעדיין לא התפתח תקן הרכבה או חיבוריות. כאשר שוקלים להשתמש ב- AGV בתוך יישום, התהליך יהיה להתאים את ההיצע הקיים לדרישות המערכת ולהגדיר את המבנה הפיזי הנגזר. מספר חברות מבצעות הנדסת מערכות ומציעות מערכות LiDAR מוגמרות או ניתנות להתאמה-מיוחדת. בהתאם לדרישות, פיתרון מהונדס-מראש עשוי להיות רק נקודת ההתחלה לקראת פיתרון ממוטב יותר.

המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) נטל את ההובלה בקביעת תקני בטיחות עבור רכבי AGV. נכון לעכשיו אלו מתמקדים בעיקר בנושא התנגשויות, כולל:

• פגושים מתקפלים: בעיקר בדגמים ישנים יותר, הכוונה היא כי פגושים יכללו חישת כוח וייזמו עצירה כאשר הם פוגעים במכשול, תוך הגבלת עוצמת הפגיעה.
• שיטות ללא-מגע: רכבי AGV‏ מודרניים צפוייים לגלות אובייקטים ולעצור מבלי לגרום להתנגשות. משתמשים בצורות בדיקה הקרובות לצורה האנושית, וצורות ותנוחות כמו-אנושיות עוד יותר מוצעות עבור בדיקה עתידית.
• מכשולים פתאומיים: הופעה בלתי-צפויה של מכשול בתוך אזור הבטיחות. ה- AGV צפוי ליזום עצירת חירום, אם כי אין כוונה למניעת התנגשות.
• חיזוי מכשולים מוסתרים: מכשולים אלה כוללים ציוד או אנשים בסמוך למסלול הנסיעה של ה- AGV. הצפי הוא שיהיו אזורים שיצויינו עבור נסיעה איטית שבהם יש מרווח Clearance של פחות מ- 0.5 מטר ממסלול הנסיעה של ה- AGV‏.

לקראת השימוש העתידי הצפוי ב- AGV, הם עובדים גם עם תקני בטיחות לרובוטים כדי להתחיל בפיתוח שיטות בדיקה הכוללות שימוש בזרוע רובוטית המאובטחת לבסיס ה- AGV.

אחת המגמות הדומיננטיות ב- LiDAR היא הדחיפה להפחתת הגודל, המשקל והעלות של LiDAR מבלי להקריב את הביצועים. בעשור האחרון חלה התקדמות ומאפיינים אלו הופחתו בסדר גודל. המיקום, או ה- SLAM‏, שהוזכר קודם לכן קיבל תשומת לב רבה יותר. הפתרון האידיאלי יאפשר ל- AGV להתחיל מכל מקום ולפתח מפה פנימית משלו של האזור בו הוא פועל. פעולה כזו נשענת על שילוב LiDAR עם סוגי חיישנים אחרים - כולל GPS, חיישני מהירות גלגלים ומצלמות.

סורקי לייזר עבור תקשורת נתונים

הרעיון של קורא ברקודים ליניארי הוא פשוט: שילוב של קווים ומרווחים יוצר מעין קוד מורס אותו ניתן לקרוא ישירות על ידי:

• מדידת האור מהסורק כשהוא מוחזר מהברקוד
• מדידת אור הסביבה כשהוא מוחזר אחורה

ישנם תשעה סוגים של ברקוד לינארי שבשימוש סדיר ברחבי העולם, בהתאם ליישום. אף על פי שסורקי לייזר הם הנורמה לסריקת ברקודים, ברקודים אינם זקוקים בהכרח לדיוק של מקור אור לייזר, למעט כמה יוצאים מן הכלל המפורטים להלן. במרבית המקרים הקריאה והתרגום של תוכן הברקוד נעשים כולם בתוך הסורק. בדרך כלל, סורק הברקודים מעביר ערכים מפוענחים ישירות למסד הנתונים.

מספר תחומים דורשים רזולוציה עדינה של הלייזר לברקוד. במקומות עם אילוצי שטח, פסי הברקוד הסטנדרטיים הם בתקן פיזי צר יותר. זה דורש קורא ברזולוציה עדינה וסורקי לייזר עושים זאת די יפה. מצב דומה קיים כאשר הברקוד נמצא רחוק יותר (על המדף במחסן למשל), מה שמקטין למעשה את הגודל הזוויתי של הקוד.

לעיתים אור הסביבה אינו מספיק בכדי להבטיח ניגודיות טובה בין הקווים למרווחים. במקרה זה, מקור אור ידוע כמו לייזר מתאים להארת הברקוד עבור קריאה קלה.

גם צרכנים הפוקדים חנויות מכולת מכירים סורקים נישאים-ביד במסלולי התשלום-העצמי. מכיוון שסריקות הברקוד מוצגות לקורא במספר אינסופי של כיוונים, הסורקים בתנאים אלו צריכים לייצר מטריצה מדויקת של חצייות קווי סריקת הלייזר. זה מבטיח שלא משנה איך הברקוד יוצג לקורא, לפחות אחת משורות הסריקה תיירט את הקוד כולו.

איור 4: לוח סורק ברקודים MIKROE-2913‏ זה מסוגל לקרוא ברקודים 1D ו- 2D התואמים לפרוטוקולים שונים. הוא כולל יציאת Micro-USB לפעולה כהתקן עצמאי או עם לוחות אחרים. (מקור התמונה: MikroElektronika)

סורקי ברקוד 2D: קודים דו-ממדיים (2D) שונים מהקודים הליניאריים שהוזכרו לעיל. הפופולריות שלהם גדלה בגלל צפיפות המידע הגבוהה, בדיקת השגיאות ויכולת הקריאה שלהם אפילו כאשר הם ניזקו. המורכבות של ברקודים 2D גורמת לכך שהם אינם מתאימים לשימוש עם סורקי לייזר ומסתמכים על מצלמות עבור הפענוח. ישנם ארבעה סוגים של ברקודים 2D שהם בשימוש נפוץ, אם כי רוב הצרכנים יכירו את קוד התגובה-המהירה (QR), הניתן לקריאה בקלות על ידי מרבית הסמארטפונים.

כאשר בוני מכונות ומשתמשים סופיים שוקלים אפשרויות ברקוד וסורק, יש להביא בחשבון שלושה היבטים עיקריים:

1. היכן ישמש הסורק? האם זה לצורך מעקב מלאי במחסן, מעקב אחר חלקי ייצור בקו ייצור או שימוש בנקודת-מכירה?
2. בכמה נתונים יש צורך ומהו השטח הפיזי הזמין על הפריט עבור מיקום הברקוד?
3. על איזה משטח יודפס הברקוד - ואיזו רזולוציית הדפסה המשטח מסוגל לשמור?

לאחר שנענה על שלוש השאלות הללו, צריכות להיות מספר חלופות ברות-מימוש לבחירה מביניהן.

איור 5‏: לסורק לייזר ברקוד (Code Reader 950 (CR950 זה מבית Brady Corporation יש חיישן תמונה עם אזור-רחב עבור סריקה קלה יותר. התוצאה היא קריאה רב-כיוונית של ברקודים 1D ו- 2D - אפילו אלו שעל משטחים מבריקים. (מקור התמונה: Brady Corporation)

חלופות אחרות מבוססות קורא ומצלמה: מרבית הווריאציות של סורק הברקודים תוארו לעיל. ראוי להזכיר כי כמה סורקי ברקוד משתמשים בשורה ארוכה של נוריות LED כדי להאיר את הקוד בשילוב עם שורה תואמת של גלאי התקני CCD‏ כדי לגלות את האור המוחזר. הם נקראים קוראי LED.

ישנן גם מערכות מצלמה שתוכננו והוגדרו במיוחד לקריאת קודי 2D ביעילות ובמהירות.

סיכום יישומי סורקי לייזר

השגשוג של התקנים ושימושים מבוססי-לייזר מאז המצאתו בשנות השישים של המאה שעברה הוא מדהים. למרות שהברקוד הקדים את הלייזר ב- 11 שנים, השימוש בסריקת אור-קוהרנטי לקריאת מידע הפך לסטנדרט הזהב. סריקות מעקב וגילוי מיקום מבוסס-לייזר הפכו גם לפתרונות נפוצים במערכים תעשייתיים. בין אם מתכננים מערכת מאפס ובין אם משפרים תהליך קיים, יש סיכוי טוב כי גירסה כלשהי של גישת סריקת-לייזר היא בעלת ערך עבור מרבית יישומי הייצור או המעקב התעשייתיים. בהתחשב בעד כמה רחוק הגיעה הטכנולוגיה, רוב הסיכויים הם שאם התצורה המדויקת לא זמינה כיום, משהו מתאים נמצא באופק.