Seuranta: Laserseurainteknologian uudelleenarviointi

Laserseuraimet ovat kauan olleet ilmailu- ja avaruusteollisuuden, autoteollisuuden ja muiden mittavien valmistusalan sektorien suosiossa, kun käyttöön valitaan siirrettäviä metrologian työkaluja. Näiden järjestelmien sovelluksiin sisältyvät paikan päällä tehtävät tarkastukset, metrologian avustamana tehtävä linjaus ja kokoaminen, prototypointi, ilmailu- ja avaruusteollisuuden työkalut, autoteollisuuden raakakorien mittaukset, takaisinmallinnus ja ylisuurien kappaleiden ja kokonaisuuksien kappaleiden sovittaminen toisiinsa. Laserseurainjärjestelmä edustaa suuren mittakaavan metrologian sovellusten täsmällisintä, luotettavinta ja kestävintä kärkeä. Kyllä, sen tärkein etu on siirrettävyys. Joidenkin kappaleiden pelkkä paino, koko ja pituus tekevät mahdottomaksi niiden mittaamisen perinteisellä koordinaattimittauskoneella.
Aikaisemmin laserseuraimia pidettiin haitallisina pienikokoisten organisaatioiden kustannuksille. Niissä linjaus- ja sertifiointitehtävät suoritettiin vaihtelevalla menestyksellä väliaikaisia ratkaisuja käyttämällä. Tänä päivänä asiakkaiden spesifikaatiot vaativat tiukempia toleransseja, jotka ovat tuuman tuhannesosan alueella, ja valmistajat tutkivat laserseuraimien käytettävyyttä uudella mielenkiinnolla. Laadunvalvonnan prosessien dokumentointi on toinen teollisuuden suuntaus, joka pakottaa yritykset arvioimaan mittaustoimenpiteitään uudelleen. 1990-luvun alkupuolelta saakka saatavilla olleiden laserseuraimien hinnat ovat markkinoiden kypsymisen myötä laskeneet, mikä lisää niiden saatavuutta. Laserteknologian merkittävät edistysaskeleet ovat herättäneet huomion laajempaan käyttöön ja lisääntyneisiin toimintoihin.

Laserseurain on siirrettävä koordinaattimittauskone, joka käyttää lasersädettä mittaamaan ja tarkastamaan tarkasti kohteen piirteet 3D-avaruudessa. Lasersäde lähetetään palloheijastimeen (spherically mounted retro-reflector, SMR) mittaamaan kulmia seuraimen kahdesta mekaanisesta akselista, atsimuuttiakselista ja zeniittiakselista. Tämä data yhdistetään sitten etäisyyteen laserista X-, Y- ja Z-koordinaattien laskemiseksi.

Nykypäivän laserseuraimien aikaisemmat edeltäjät käyttivät etäisyyden mittaamiseen laserinterferometrejä, mikä teki käytöstä väsyttävää ja aikaavievää. Aina kun lasersäde katkesi, käyttäjän piti viedä heijastin takaisin seuraimen kotiasemaan. Siihen tuhlautui aikaa ja sen vuoksi myös rahaa, erityisesti jos heijastinta siirreltiin 20 – 30 jalkaa mittausjakson aikana. Ei ollut epätavallista, että säde katkesi toistuvasti, jos työkalun näköyhteydessä oli paljon esteitä (esimerkiksi työntekijöitä tai kaapeleita).

Vuonna 1995 laserseuraimiin sisällytettiin absoluuttinen etäisyysmittari (ADM), joka mullisti niiden käyttötavan. Jos säde katkesi, käyttäjän ei enää tarvinnut palata tunnettuun sijaintiin yksikön ”nollaamiseksi”. Käyttäjän tarvitsi vain paikantaa säde uudelleen ja jatkaa sitten tarkastusta. Ensimmäiset absoluuttiset etäisyysmittarit olivat hitaita ja tarkkuudeltaan huomattavasti interferometrejä heikompia. Teknologia edistyi nopeasti ja nykyisin on saatavilla absoluuttisia etäisyysmittareita, joiden tarkkuus on jopa parempi kuin interferometreillä, joihin niitä aikaisemmin verrattiin. Joihinkin mittauslaitteisiin on sisällytetty sekä yksittäinen absoluuttinen etäisyysmittari että interferometriteknologia. Tällaisen laitteen nimitys on absoluuttinen interferometri (Absolute Interferometer, AIFM).

Joillakin laserseuraimilla (esimerkiksi Leica Geosystems AT901 Absolute Tracker; Hexagon Metrology, North Kingstown, RI) käyttäjä ei etsi sädettä vaan säde etsii käyttäjän. Seuraimen sisään integroitu PowerLock-kamera käyttää heijastimen poimimiseen kartiomaista näkökenttää. Tämä edistysaskel nopeuttaa tarkastukseen kuluvaa aikaa, koska käyttäjän tarvitsee olla ainoastaan seuraimen läheisyydessä lukitakseen säteen heijastimeen.

Äärimmäisestä tarkkuudestaan huolimatta laserseuraimen käyttö rajoittuu sen näköyhteyden sisällä tehtäviin mittauksiin. Jos selkeä näköyhteys puuttuu, saatetaan tarvita seuraimelta useampi liike yksittäisen työkalun tai kappaleen täydelliseksi tarkastamiseksi. Arvokkaan ajan hukkaantumisen lisäksi liike huonontaa mittausten tarkkuutta, koska virheen mahdollisuus lisääntyy jokaisen liikkeen yhteydessä. Ratkaisu tähän huonoon puoleen ovat olleet kädessä pidettävät mittauslaitteet.

Kädessä pidettävät laserseurainvälineet toimivat valvomalla infrapunadiodien tunnettua kuviota mittaimessa tai skannerissa. Kun mitataan piste, seurain laskee mittaimen X-, Y-, Z-aseman, ja kamera laskee mittaimen rotaatioarvot RX, RY, RZ. Arvot yhdistetään 6 vapausasteen (6 DoF) datan saamiseksi. Nämä työkalut tarjoavat paljon erilaisia valmiuksia ja innovaatioita, jotka eivät olleet mahdollisia aikaisempien sukupolvien laserseuraimissa.

1. Asemaa ei tarvitse siirtää

Kun käytetään kädessä pidettäviä laitteita, mittauspisteeseen ei tarvita suoraa näköyhteyttä. Tämän edistysaskeleen pohjalta seurain voidaan asettaa yhteen paikkaan mittaamaan koko kappaleen pallomainen tilavuus 328 jalkaan asti. Seuraimen pitäminen alkuperäisessä sijainnissaan auttaa varmistamaan tarkkuuden ja datan eheyden. Tästä on hyötyä suurikokoisten, peitossa olevia piirteitä sisältävien kappaleiden mittaamisessa, koska kädessä pidettävä mittauslaite tai skanneri voidaan säätää keräämään 3D-dataa kappaleen sisältä tai takaa tai jopa ylösalaisin.

2. Palloheijastimista (SMR) tulee valinnaisia

Palloheijastimet, joista käytetään myös kulmaheijastimien nimitystä, ovat pienikokoisia ja ne putoavat, rikkoutuvat tai häviävät helposti. Niiden käyttö voi olla hankalaa erityisesti haastavissa sovelluksissa, joissa käyttäjä saattaa tarvita kättään pitääkseen kiinni kaiteesta. Niillä on myös rajallinen mittausalue. Kun käytetään palloheijastinta, laserseuraimesta tuleva säde saa olla enintään ±22 asteen kulmassa. Kädessä pidettävän mittauslaitteen tapauksessa kulma laajenee ±45 asteeseen, mikä helpottaa tarkastuksia ja lisää huomattavasti niiden nopeutta.

Heijastimien kanssa käytettävät tähyssarjat voivat lisäksi aiheuttaa mahdollisen virhelähteen. Yleinen virhe on sekaannus englantilaisten ja metrikokojen välillä. Esimerkiksi 25 mm heijastinpidikettä ei ole visuaalisesti mahdollista erottaa 1 tuuman koosta (25,4 mm).

3.Kädessä pidettävät kojeet ovat vuorovaikutuksessa seuraimen kanssa

Kädessä pidettävissä laitteissa on useampia ohjauslaitteita kojeen kummallakin puolella, ja niitä tarvitaan 3D-koordinaattitietojen hankkimiseen ja vuorovaikutukseen mittausohjelmiston kanssa. Nämä ohjauslaitteet säästävät aikaa, koska käyttäjän ei tarvitse palata tietokoneen luo tietojen antamista varten. Tämä saattaa vähentää tarvittavaa työvoimaa, koska mittauksiin tarvitaan yksi henkilö kahden henkilön asemasta.

Joissakin laserseurantajärjestelmissä tiedot on mahdollista antaa kaukosäätimen kautta. Ne eivät kuitenkaan tarjoa tarvittavaa palautetta reaaliajassa, jotta voitaisiin varmistaa tarkastuksen päättyminen oikein. Kaukosäätimellä varustetusta järjestelmästä on haittaa myös sovelluksissa, joissa pääsy on rajallinen.

4. Skannaussovellukset paranevat

Aiemmin ainoa tapa skannata kappale laserseuraimella oli pyyhkiä sen pinnan yli palloheijastimella. Laserskannauksesta hyötyvissä sovelluksissa laserseuraimella seurataan kädessä pidettäviä skannereita, jotta voidaan kerätä satoja tuhansia pisteitä sekunnissa. Tämä mahdollistaa valtavat pistepilvet, jotka ovat luontaisesti tarkkoja. Tätä teknologiaa käyttämällä CAD voidaan selvittää lennossa ja tarkastukseen kuluva aika vähenee päivistä muutamaan tuntiin. 

5. Kiinnittimistä tulee joustavia

Kohteen absoluuttista sijaintia avaruudessa tuntematta saatetaan tarvita kiinnittimiä, jotka pitävät kappaletta kiinni tarkastamista varten. Muotoilun iterointi vaatii kiinnittimien muutoksia, jotka voivat olla kalliita ja viedä paljon aikaa. Kyky tarkastaa kohteen kaikki puolet sallii matemaattisten mallien luomisen ohjelmiston sisällä, mikä merkitsee virtuaalisten kiinnittimien luomista. Käyttäjä voi sitten käsitellä malleja virtuaalisessa ympäristössä sen sijaan, että hän loisi uusia kiinnittimiä fyysisessä ympäristössä. Suunnitteluinsinöörit hyötyvät suuresti lisääntyneistä tuotevariaatioista tietyssä kokoonpanosyklissä, laajamittaisista prototypointivalmiuksista, säästöistä materiaalikustannuksissa ja tuotteiden nopeammasta tuonnista markkinoille.

6. Robottijärjestelmien automatisointi

Laserseurainjärjestelmät helpottavat robottiautomaatiota ja mahdollistavat vähemmän tarkkojen, vähemmän maksavien robottien käytön suuremman tarkkuuden sovelluksissa. Kulmaheijastimet pystyvät auttamaan laserseurainta kalibroimaan teollisuusrobotin ottaen huomioon linkkipituudet, kiertokulmat, nivelnollat, linkkipoikkeamat ja jäykkyyden parametrit.

Toinen tapa robotin automatisointiin on ohjata se sen tarvittaviin asemiin käyttämällä 6 vapausastetta. Tämän valmiuden ansiosta robottien valmistajat pystyvät korjaamaan robotin päätetyövälinettä kalibrointijakson aikana vähemmillä asennoilla. Se mahdollistaa myös työkalupisteen (tool center point, TPC) tarkan sijainnin selvittämisen reaaliaikaisesti.

Kolmas ja viimeinen teollisuusrobottien automatisointitapa on mahdollistaa ylisuurien kappaleiden tarkastus itse koneessa. Helpoin tapa kuvitella tämä on pitää robottia äärimmäisen toistettavana operaattorina. Vaikka robotti liikuttaa kädessä pidettävää kojetta kappaleen päällä tarkastusta varten, mittaukset tallennetaan laserseuraimen kautta koneen sijasta. Tämä takaa tulosten tarkkuuden, koska tulokset pohjautuvat seuraimen tarkkuuteen eivätkä vähemmän tarkan NC-koneen tarkkuuteen.

Kohtuuhintainen laserseurainteknologia mahdollistaa käytön lisääntymisen. Itse laserseuraimet ovat myös muuttuneet pienemmiksi, kevyemmiksi, nopeammiksi ja käyttäjäystävällisemmiksi. Kädessä pidettävät skannaus-, mittaus- ja koneenohjaustuotteet ovat lisänneet laserseuraimen joustavuutta ja mahdollisten sovellusten määrä on sen myötä kasvanut. Erilaiset vaihtoehdot, kuten esimerkiksi akkukäyttöinen kone tai IP54 (kotelointiluokka), mahdollistavat nykypäivän laserseuraimien käytön paikoissa, joissa sen ei koskaan uskottu olevan mahdollista. Teknologian kysyntä kasvaa koko ajan, ja sen saatavuus on tullut mahdolliseksi pienemmillekin kojepajoille. Suuren yleisön kannattaa tutustua laserseuraimiin uudelleen.