De vooruitgang van tracking: lasertrackertechnologie herevalueren

Lasertrackers zijn al lang het draagbare meetgereedschap dat de voorkeur geniet van bedrijven binnen de luchtvaart- en auto-industrie en andere grootschalige productiesectoren. Deze systemen worden onder andere toegepast voor inspectie ter plaatse, uitlijning en assemblage met behulp van metrologie, prototypeontwikkeling, luchtvaartwerktuigen, "body-in-white"-metingen in de auto-industrie, reverse-engineering, en combineren van onderdelen bij extra grote onderdelen en assemblages. Een lasertrackersysteem blinkt uit als het gaat om nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en duurzaamheid bij metrologische toepassingen op grote schaal. Toch is het belangrijkste voordeel de draagbaarheid. Het gewicht, de grootte en lengte van sommige onderdelen maakt het domweg onmogelijk om ze te meten op een traditionele coördinatenmeetmachine (CMM).

Voorheen werden lasertrackers te duur beschouwd voor kleinere organisaties. Bij hen werden uitlijnings- en certificeringstaken uitgevoerd met provisorische oplossingen, met wisselend succes. Nu specificaties van klanten vragen om krappere toleranties, tot op de honderdste millimeter, kijken fabrikanten met hernieuwde interesse naar de haalbaarheid van lasertrackers. Het documenteren van kwaliteitsprocessen is nog een industriële trend die bedrijven ertoe dwingt hun meetprocedures opnieuw te evalueren. Sinds hun komst begin jaren 90 is de prijs van lasertrackers steeds lager geworden na verzadiging van de markt, waardoor ze toegankelijker zijn geworden. Door de grote ontwikkeling die de lasertrackertechnologie heeft doorgemaakt, is er ook meer aandacht voor het uitbreiden van gebruik en functionaliteit.

Een lasertracker is een draagbare coördinatenmeetmachine (PCMM) die een laserstraal gebruikt om de kenmerken van een object nauwkeurig te meten en te inspecteren in 3D. De laserstraal wordt naar een bolvormige retroreflector (Spherically Mounted Retro-reflector or SMR) gestuurd om hoeken te meten van de twee mechanische assen van de tracker, de azimut en de orthometrische hoogte of  elevatie. Deze data wordt vervolgens gecombineerd met de afstand gemeten door de laser om een X-, Y- en Z-coördinaat te berekenen.

De voorlopers van de huidige lasertrackers gebruikten laserinterferometers om afstanden te meten en waren bewerkelijk in gebruik en namen veel tijd in beslag. Iedere keer als de laserstraal onderbroken werd, moest de waarnemer de reflector terug brengen naar de beginpositie op de tracker. Dat kostte veel tijd en daarmee geld, vooral als de reflector 6-9 meter had afgelegd tijdens de meetcyclus. Er waren manieren om dit te omzeilen, maar het was niet ongebruikelijk dat de straal steeds onderbroken werd als het gereedschap veel obstakels had in de zichtlijn, zoals medewerkers of kabels.

In 1995 werd een absolute afstandsmeter (ADM) in lasertrackers geïntegreerd, wat zorgde voor een revolutie in het gebruik. Als de straal onderbroken werd, hoefde de waarnemer niet meer terug te keren naar een bekende locatie om het apparaat opnieuw in te stellen. De waarnemer hoefde alleen maar de straal te verplaatsen om verder te gaan met de inspectie. In het begin waren ADM's niet alleen langzaam, maar ook significant minder nauwkeurig dan de interferometers. De technologie heeft zich zeer snel ontwikkeld en tegenwoordig zijn er ADM's verkrijgbaar die net zo nauwkeurig of nauwkeuriger zijn dan de interferometers waarmee ze eerst vergeleken werden. Sommige apparaten hebben zelfs zowel afzonderlijke ADM- als interferometertechnologie geïntegreerd in één meeteenheid, de absolute interferometer of AIFM.

Met bepaalde lasertrackers, zoals de Leica Geosystems AT901 Absolute Tracker (Hexagon Metrology, North Kingstown, RI), zoekt de waarnemer de laserstraal niet, de laserstraal zoekt de waarnemer. Een in de tracker geïntegreerde PowerLok-camera gebruikt een conisch gezichtsveld om de reflector op te sporen. Met deze innovatie gaat de inspectie veel sneller, aangezien de waarnemer alleen maar in de buurt van de tracker hoeft te zijn om een laserstraal op een reflector vast te zetten.

Een lasertracker is zeer nauwkeurig, maar beperkt tot metingen binnen de zichtlijn. Zonder een duidelijke zichtlijn moet de tracker mogelijk meerdere verplaatsingen maken voor een volledige inspectie van één stuk gereedschap of onderdeel. Dat vergt niet alleen kostbare tijd, verplaatsingen van het station zorgen voor minder nauwkeurige metingen aangezien fouten bij elke verplaatsing verder uitvergroot worden. Dit nadeel werd opgelost met de introductie van handaccessoires voor metingen.

Draagbare lasertrackeraccessoires werken door een bekend patroon van infrarode LED’s op een taster of scanner te monitoren. Bij het meten van een punt, berekent de tracker de X-, Y- en Z-positie van de taster, terwijl de camera de rotatiewaarden RX, RY en RZ van de taster berekent. Deze twee berekeningen worden gecombineerd tot data over de zes vrijheidsgraden (6 DoF). Deze hulpmiddelen zorgen voor een groot aantal nieuwe mogelijkheden en innovaties die met de vorige generaties lasertrackers niet bestonden.

1. Het station hoeft niet te worden verplaatst

Met handtechnologie is een rechtstreekse vizierlijn naar het meetpunt niet nodig. Op basis van deze ontwikkeling kan de tracker in één positie gezet worden om het volledige onderdeel te meten met een sferisch volume van maximaal 100 m. Dat de tracker in de oorspronkelijke positie blijft draagt bij aan de nauwkeurigheid en data-integriteit. Dit is gunstig voor grote objecten met verborgen kenmerken, aangezien een handtaster of -scanner gemanipuleerd kan worden om 3D-data te verzamelen in of achter het onderdeel en zelfs ondersteboven.

2. SMR's worden optioneel

Bolvormige retroreflectoren zijn klein en vaak vallen ze, gaan ze kapot of raken ze zoek. Ze kunnen moeilijk te gebruiken zijn, vooral bij uitdagende toepassingen waarbij een waarnemer een hand vrij moet hebben om een reling vast te houden. Ze hebben daarnaast een beperkt meetbereik. Bij het gebruik van een retroreflector moet de straal van de lasertracker binnenkomen in een hoek van ±22 graden of minder. Met een handtaster neemt de hoek toe tot ±45 graden, wat de inspectie vereenvoudigt en een stuk sneller maakt.
Bovendien kunnen doelpakketten, die samen met retroreflectoren gebruikt worden, zorgen voor een bron van potentiële fouten. Een veelvoorkomende fout is verwarring tussen het Britse en metrische stelsel. Zo kan een reflectorhouder van 25 mm niet met het blote oog onderscheiden worden van één van 1 inch (25,4 mm).

3. Handtoestellen communiceren met de tracker

Handtasters bevatten meerdere bedieningselementen aan beide kanten van het toestel voor het verzamelen van 3D-coördinaten en communiceren met de meetsoftware. Deze bedieningselementen zorgen voor een tijdbesparing, aangezien de waarnemer niet naar een computer hoeft om data in te voeren. Dit kan potentieel het aantal manuren terugdringen, omdat er geen twee, maar slechts één persoon nodig is voor het uitvoeren van metingen.

Bij sommige lasertrackingsystemen is het mogelijk om informatie in te voeren met een afstandsbediening. Deze bieden echter niet dezelfde feedback in real-time die nodig is om zeker te weten dat de inspectie correct is uitgevoerd. Een systeem met een afstandsbediening is ook nadelig bij toepassingen met beperkte toegankelijkheid.

4. Scantoepassingen zijn verbeterd

In het verleden was de enige mogelijkheid om een onderdeel met een lasertracker te meten door met een SMR over het oppervlak te gaan. Bij toepassingen die baat hebben bij laserscannen worden handscanners die honderdduizenden punten per seconde kunnen verzamelen gevolgd door de lasertracker voor het maken van puntenwolken die inherent nauwkeurig zijn boven grote volumes. Met deze technologie is directe terugkoppeling met het CAD-model mogelijk, waardoor de inspectie geen dagen meer duurt, maar slechts een paar uur. 

5. Bevestigingen worden flexibel

Zonder te weten wat de absolute positie van een object in de ruimte is, zijn mogelijk bevestigingen nodig om een onderdeel voor inspectie vast te zetten. 
Ontwerp-iteraties vereisen misschien verandering van de bevestigingen wat kostbaar en tijdrovend kan zijn. Het kunnen inspecteren van alle kanten van een object maakt het mogelijk om met de software wiskundige modellen te maken en zo in essentie virtuele bevestigingen. De waarnemer kan de modellen vervolgens manipuleren in een virtuele omgeving in plaats van het maken van nieuwe bevestigingen in de fysieke omgeving. Technische ontwerpers profiteren optimaal van de toegenomen productvariaties in een gegeven assemblagecyclus, mogelijkheden voor prototypes op grote schaal, besparingen op materiaalkosten en producten sneller op de markt krijgen.

6. Automatisering van robotsystemen

Lasertrackersystemen faciliteren automatisering met robots en maken het mogelijk om minder nauwkeurige, goedkopere robots te gebruiken voor nauwkeurigere toepassingen. Retroreflectoren kunnen een lasertracker assisteren bij de kalibratie van een industriële robot door rekening te houden met segmentlengtes, draaihoeken, nulposities van gewrichten, as-lijnen van segmenten en stijfheidparameters.

Een andere manier om een robot te automatiseren is door deze naar de vereiste positie te bewegen met 6 vrijheidsgraden. Deze mogelijkheden stelt fabrikanten in staat om de eindeffector van de robot te corrigeren tijdens een kalibratiecyclus met minder posities. Het maakt het ook mogelijk om de exacte locatie van het TCP (Tool Center Point) in real-time te kennen.

De laatste manier om industriële robots te automatiseren is het mogelijk maken van inspectie van extra grote onderdelen op de machine. De gemakkelijkste manier om zich dit voor te stellen is om de robot te zien als een zeer herhaalbare waarnemer. Hoewel de robot een handapparaat over het onderdeel beweegt om het te inspecteren, worden de metingen door de lasertracker vastgelegd in plaats van door de machine. Dit garandeert dat de nauwkeurigheid van de resultaten gebaseerd is op de nauwkeurigheid van de tracker, niet op de minder nauwkeurige werktuigmachine.
Lasertrackertechnologie is niet alleen financieel gezien toegankelijker geworden, de lasertrackers zelf zijn kleiner, lichter, sneller en steeds gebruiksvriendelijker geworden. Handproducten voor scannen, aftasten en machinebesturing hebben de flexibiliteit van de lasertracker vergroot en het aantal mogelijke toepassingen is exponentieel toegenomen. Dankzij opties als het gebruikt van accu's en IP54 (bescherming tegen binnendringing) kunnen de huidige lasertrackers gebruikt worden waar dat eerder niet mogelijk werd geacht. Terwijl de vraag naar deze technologie blijft toenemen, is ze nu zelfs beschikbaar voor de kleinste werkplaatsen. Lasertrackers verdienen het om nogmaals bekeken te worden door een groter publiek.