Развитие трекеров: Оценка технологии лазерных трекеров

Лазерные трекеры долгое время были портативными метрологическими инструментами, предпочитаемыми компаниями в аэрокосмической, автомобильной и других крупногабаритных производственных сферах. Применение этих систем включают проверку на местах, совмещение и сборку с помощью метрологических технологий, создание прототипов, изготовление оборудования и инструментов для аэрокосмической промышленности, измерения неокрашенных ("белых") корпусов автомобилей, обратное проектирование и совмещение крупногабаритных деталей и сборок. Лазерная трекерная система главенствует с точки зрения точности, надежности и долговечности в крупномасштабных метрологических задачах. Да, первое ее преимущество -- это портативность. Огромный вес, размер и длина некоторых деталей делает невозможным их измерение традиционными координатно-измерительными машинами (КИМ).
В прошлом, лазерные трекеры рассматривались как нерентабельные для использования на небольших предприятиях. На таких предприятиях задачи совмещения и сертификации выполнялись с разной степенью успеха, используя кустарные решения. Сегодня, когда технические условия заказчика требуют более жестких ограничений по допускам, до тысячных долей дюйма, производители изучают возможности лазерных трекеров с новым интересом. Документирование процессов контроля качества -- другой тренд в промышленности, заставляющий компании по-новому оценить свои измерительные процедуры. С момента зарождения в начале 1990-х годов, рынок лазерных трекеров, по мере развития, снизил цены, тем самым повысив доступность трекеров. Основные достижения в технологии лазерных трекеров также вызвали повышенное внимание к расширению сферы применения и функциональности.

Лазерный трекер представляет собой портативную координатно-измерительную машину (ПКИМ), в которой лазерный луч используется для точного измерения и обследования свойств объекта в трехмерном пространстве. Лазерный луч направляется на сферически закрепленный катафот (SMR) для измерения углов с двух механических осей трекера: оси азимута и оси поднятия (зенита). Эти данные затем объединяются с расстоянием до лазера, и производится расчет координат X, Y и Z.

От первых предшественников до современных лазерных трекеров, все они использовали интерферометры для измерения расстояния, что было утомительно и отнимало много времени. Всякий раз, когда лазерный луч прерывался, оператор должен был принести отражатель на место, где установлен трекер. Это была пустая трата времени и, следовательно, денег, особенно если в течение цикла измерения отражатель контролировал расстояние 20-30 футов. Были обходные варианты, но нередко луч прерывался, поскольку на его пути существовало множество препятствий, таких как люди на площадке или кабели.

Солнечный резерв Hexagon T-Probe 

В 1995 году абсолютный измеритель расстояний (ADM) был совмещен с лазерным трекером и произвел революцию в его использовании. Если луч прерывался, оператору теперь не нужно было возвращаться в исходную точку для "сброса" устройства. Оператор просто изменял положение луча и продолжал проверку. В первых моделях ADM работали медленно и имели гораздо более низкую точность, чем аналогичные интерферометры. Технология развивалась очень быстро, и сегодняшние ADM более точны, чем интерферометры, с которыми их когда-то сравнивали.  Некоторые устройства имели даже отдельный ADM и интерферометр в одном измерительном блоке, который получил название абсолютный интерферометр, или AIFM.

В некоторых моделях лазерных трекеров, например, Leica Geosystems AT901 Absolute Tracker (Hexagon Metrology, North Kingstown, RI), оператору не нужно искать луч: он сам находить оператора. Камера PowerLock, встроенная в трекер, использует камеру с расширяющимся полем для захвата отражателя. Такое усовершенствование сокращает время проверки, поскольку оператору, чтобы зафиксировать луч на отражателе, необходимо только находиться в пределах видимости трекера.

Будучи предельно точным, лазерный трекер ограничен измерениями в пределах прямой видимости. Если четкая линия прямой видимости отсутствует, для полной проверки одного инструмента или детали может потребоваться несколько раз переместить трекер. Помимо расходования впустую драгоценного времени, перемещения станции снижают точность измерений, поскольку с каждым перемещением накапливается суммарная ошибка. Средством для устранения этого недостатка стало внедрение портативных аксессуаров измерения.

Аксессуары ручных лазерных трекеров функционируют, контролируя заданную комбинацию светодиодных индикаторов на датчике или сканере. При измерении точки трекер рассчитывает положение X, Y и Z датчика, а камера рассчитывает значения поворота датчика RX, RY и RZ. Оба они, в сочетании, позволяют получить данные для 6 степеней свободы (6 DoF). Эти инструменты предоставляют широкий диапазон новых возможностей и усовершенствований, невозможных в предыдущих поколениях лазерных трекеров.

1. Перемещений станции не требуется

При использовании портативных технологий прямой видимости до точки измерения не требуется. Основываясь на этом преимуществе, трекер может быть установлен в одном положении для измерения всей детали внутри сферического объема до 328 футов.  Сохранение трекера в его исходном положении помогает обеспечить точность и целостность данных. Это бывает полезно при измерении крупных объектов в условиях плохой видимости, поскольку ручным датчиком или сканером можно управлять вручную, чтобы получить трехмерные данные, находясь внутри или за деталью, или даже перемещаясь сверху вниз.

2. SMR становятся дополнением

Сферически установленные отражатели, также называемые уголковыми, имеют небольшой размер и зачастую падают, ломаются или смещаются от заданного положения. Это может вызывать трудности в использовании, особенно в сложных условиях, где оператору нужно иметь руки свободными для того, чтобы держать рейку. Они также имеют ограничение по диапазону измерений. При использовании уголковых отражателей луч от лазерного трекера должен входить в отражатель под углом ±22 градусов или меньше. При использовании ручного датчика угол входа расширяется до ±45 градусов, что упрощает проверки и существенно повышает скорость их проведения.
Кроме того, комплекты мишеней, которые используются совместно с уголковыми отражателями, могут стать возможным источником ошибок. Наиболее распространенной ошибкой является путаница между британской и метрической системами измерения. Например, размер держателя отражателя 25 мм невозможно визуально отличить от размера в 1 дюйм (25,4 мм).

Leica T-Probe и AT960 Red Bull Racing
3. Ручные приборы взаимодействуют с трекером

Ручные датчики содержат несколько органов управления с каждой стороны устройства для получения трехмерных данных координат и взаимодействия с измерительным программным обеспечением. Эти органы управления позволяют экономить время, поскольку оператору не нужно подходить к компьютеру, чтобы ввести данные. Это потенциально экономит требуемые затраты в рабочей силе, поскольку для получения измерений требуется только один человек, а не два.
Некоторые лазерные трекерные системы позволяют вводить информацию дистанционно. Тем не менее, они не имеют обратной связи в реальном времени, которая подтверждала бы то, что проверка была выполнена правильно. Система с дистанционным управлением также неудобна в случае ограниченного доступа.

4. Сканирующие приложения улучшены

В прошлом, единственным способом сканирования детали с помощью лазерного трекера было размещение SMR на ее поверхности. Для приложений, использующих преимущества лазерного сканирования, ручные сканеры, способные получать сотни тысяч точек за секунду, контролируются лазерным трекером, что дает возможность получать на больших объемах гигантские облака точек, которые по своей природе точны. Используя эту технологию, модель САПР может быть проверена очень быстро, сокращая время проверки с дней до нескольких часов. 

5. Крепления становятся гибкими

Если абсолютное положение объекта в пространстве неизвестно, для инспекции детали возможно, потребуются крепления. Последовательные шаги при проектировании требуют изменения положения креплений, что может быть затратным, как по деньгам, так и по времени. Возможность осмотреть объект со всех сторон позволяет создавать в программе математические модели, по существу, виртуально закрепив его. Оператор может теперь манипулировать моделью в границах виртуальной области, а не создавая новые крепления на физическом объекте. Инженеры-проектировщики получают существенные преимущества от возросшего количества вариантов изделий на данном сборочном цикле, широких возможностей создания прототипов, снижения затрат на материалы и более быстрого вывода товара на рынок.

6. Автоматизация роботизированных систем

Системы лазерных трекеров упрощают автоматизацию роботизированных систем и позволяют использовать дешевые роботы, обладающие низкой точностью, в более прецизионных задачах. Уголковые отражатели способны помочь лазерному трекеру откалибровать промышленного робота, учитывая длину звеньев, углы поворота, начальное положение шарнира, смещения осей и параметры жесткости.

Другим способом автоматизации робота является управление перемещением его в требуемое положение, используя 6 степеней свободы. Такая возможность позволяет изготовителям роботов корректировать положение рабочих органов в течение цикла калибровки, используя при этом меньшее количество положений. Она также позволяет получать точные координаты центральной точки инструмента (TCP) в реальном времени.

И наконец, еще одним способом автоматизации промышленных роботов является инспекция сверхкрупных деталей непосредственно на станке. Проще всего это сделать, считая, что робот -- это оператор, выполняющий предельно повторяемые действия. Ручное измерительное устройство перемещается по инспектируемой детали роботом, и результаты измерения регистрируются лазерным трекером, а не станком. Это гарантирует точность результатов, которая основывается на точности трекера, а не станка с ЧПУ, обладающего меньшей точности.

Технология лазерных трекеров стала более доступной с экономической точки зрения, лазерные трекеры стали меньше, легче, быстрей и значительно удобней в работе. Ручные сканеры, датчики и средства управления станком увеличили гибкость лазерных трекеров; количество возможных вариантов применения возросло экспоненциально. Дополнительные возможности, такие как работа от батарей и IP54 (Ingress Protection), позволили использовать современные лазерные трекеры там, где люди никогда не считали возможным. Поскольку спрос на эту технологию продолжает расширяться, возможность ее использования расширилась даже до небольших цехов. Лазерные трекеры требуют более пристального взгляда самой широкой аудитории.