Trackingframsteg: Omvärdering av lasertrackertekniken

Lasertrackers har länge varit företagens favoritverktyg inom portabel mätteknik och används inom flyg- och fordonsindustrin och andra storskaliga tillverkningsbranscher. Applikationerna för dessa system är bland annat kontroll på plats, mätteknikstödd uppriktning och montering, skapande av prototyper, tillverkning av verktyg för flygindustrin, mätningar av fordonskarosser, omvänd konstruktion och detaljparning för storskaliga detaljer och komponentgrupp. Ett lasertrackersystem är optimal mätteknik för storskalig tillverkning på grund av noggrannheten, reliabiliteten och hållbarheten. Ja, den främsta fördelen är bärbarheten. Vikten, storleken och längden på en del detaljer gör det omöjligt att mäta dem med en traditionell koordinatmätmaskin (CMM).

Tidigare ansågs lasertrackers vara en för stor investering för små företag. Uppriktning och certifiering utfördes med olika grader av framgång, med hjälp av provisoriska lösningar. Nuförtiden kräver många kundspecifikationer snävare toleranser, ned till en tusendels centimeter, och tillverkare undersöker åter möjligheten att skaffa lasertrackers. Dokumentation av processer vid kvalitetskontroller är en annan branschtrend som tvingar företag att omvärdera sina mätprocedurer. Sedan lasertrackers lanserades i början av 1990-talet har marknaden mognat och priserna har gått ned vilket ökar tillgången. Stora framsteg inom laserteknik har utökat användbarheten och funktionaliteten.


En lasertracker är en portabel koordinatmätmaskin (PCMM) som använder en laserstråle för att noggrant mäta och inspektera egenskaperna på ett objekt i 3D-rymd. Laserstrålen riktas mot en sfäriskt monterad retroreflektor (SMR) för att mäta vinklar från trackerns två maskinaxlar, riktningsaxeln och höjd- eller zenitaxel. Denna data kombineras sedan med distansen från lasern för att beräkna en X-, Y- och Z-koordinat.

De tidiga föregångarna till dagens lasertrackers använde laserinterferometrar för att mäta distanser och de var omständliga och tidskrävande. Varje gång som laserstrålen bröts, var operatören tvungen att flytta tillbaka reflektorn till startläget på trackern. Det var ett slöseri med tid och därmed med pengar, särskilt om reflektorn flyttades ut 6–8 meter under mätningscykeln. Det fanns lösningar men det var inte ovanligt att strålen bröts upprepade gånger om verktyget hade många hinder inom siktlinjen, som medarbetare eller ledningar.

Hexagon T-Probe Solar Reserve
1995 infördes en absolut distansmätare (ADM) i lasertrackers och revolutionerade användning. Om stråle bröts behövde inte operatören längre återgå till en känd position för att återställa enheten. Operatören flyttade helt enkelt strålen och fortsatte med kontrollen. Den första versionen av de absoluta distansmätarna var både långsammare och mycket mindre noggranna än interferometrarna. Men tekniken utvecklades väldigt snabbt och idag finns det absoluta distansmätare som är ännu noggrannare än interferometrarna som de än gång jämfördes med. En del kombinerar till och med individuella absoluta distansmätare och interferometrar i en mätenhet som kallas absolut interferometer eller AIFM.


Med en del lasertrackers, som Leica Geosystems AT901 Absolute Tracker (Hexagon Metrology, North Kingstown, RI), behöver inte operatören hitta strålen, strålen hittar operatören. En PowerLock-kamera som är integrerad i trackern använder ett koniskt siktfält för att fånga upp reflektorn. Framstegen gör kontrolltiden snabbare eftersom operatören endast behöver befinna sig i närheten av trackern för att rikta en stråle mot reflektorn.

Även om de är väldigt noggranna, är en lasertracker begränsad till mätningar inom siktlinjen. Utan en fri siktlinje kan trackern behöva flyttas flera gånger för att utföra en fullständig kontroll av ett verktyg eller en detalj. Utöver att slösa på värdefull tid, kan flyttarna minska mätningarnas noggrannhet eftersom felet ackumuleras med varje flytt. Lösningen på problemet var användning av handhållna mättillbehör.

Handhållna lasertracker-tillbehör fungerar genom att övervaka ett känt mönster av infraröda dioder på en probe eller scanner. Vid probning av en punkt, ska trackern beräkna probens X-, Y-, Z-position, medan en kamera beräknar probens rotationsvärden för RX, RY och RZ. De två kombineras för att få data med 6 frihetsgrader (6 DoF). Verktygen erbjuder en stor variation av nya funktioner och innovationer som inte har varit tillgängliga i tidigare generationer av lasertrackers.

1. Stationen behöver inte flyttas

När handhållen teknik används behöver inte en direkt siktlinje till mätpunkten. Det framsteget innebär att trackern kan ställas i position för att mäta hela detaljen inom en sfärisk volym på upp till 100 m. Att hålla trackern i sin originalposition garanterar noggrannheten och dataintegriteten. Det kommer väl till pass för stora objekt med dolda egenskaper eftersom en handhållen probe eller scanner kan manipuleras för att samla 3D-data inuti eller bakom detaljen och till och med upp och ner.

2. Sfäriskt monterade retroreflektorer blir valfria

Sfäriskt monterade retroreflektorer, som även kallas hörnkuber, är väldigt små och kan därför tappas, gå sönder eller komma bort. De kan vara svåra att använda, särskilt i komplicerade lägen när en operatör behöver en ledig hand för att ta tag i ett räcke. De har även ett begränsat mätområde. Vid användning av en hörnkub, måste strålen från lasertrackern ha en vinkel på ± 22 grader eller mindre. Med hjälp av en handhållen probe öppnas infallsvinkeln till ± 45 grader vilket underlättar kontrollerna och ökar deras hastighet.
Dessutom kan målsatserna som används i kombination med retroreflektore införa en potentiell felkälla. Ett vanligt misstag är att blanda ihop tum och metriska mått. En reflektor på 25 mm skiljer sig inte synbart från en på 1 tum (25,4 mm).
Leica T-Probe och AT960 Red Bull Racing

3. Handhållna verktyg interagerar med trackern

Handhållna prober innehåller flera styrdon på båda sidor av enheten för att hämta 3D-koordinatdata och interagera med mätprogramvaran. Styrdonen är en tidsbesparande funktion eftersom operatören inte behöver gå tillbaka till datorn för att ange data. Detta kan minska den arbetskraften som krävs, eftersom det räcker med en person istället för två för att utföra mätningar.
Med en del lasertrackingsystem kan information anges genom fjärrstyrning. Men de ger inte den nödvändiga återkopplingen i realtid som kan säkerställa att kontrollen är korrekt utförd. Ett system med fjärrstyrning är dessutom en nackdel vid applikationer med begränsad tillgänglighet.

4. Scanningsapplikationerna är förbättrade

Förut fanns det bara ett sätt att scanna en detalj med en lasertracker och det var att dra en sfäriskt monterad retroreflektor över dess yta. För applikationer som tjänar på laserscanning spåras handhållna scanners som kan hämta in hundratusentals punkter per sekund av lasertrackern för att tillåta punktmoln som har en inneboende noggrannhet vid stora volymer. Med hjälp av den här tekniken kan CAD-modellen avfrågas i farten, vilket minskar kontrolltiden från flera dagar till några få timmar. 

5. Fixturer blir flexibla

Utan att känna till ett objekts absoluta position i rymden kan det behövas fixturer för att hålla en del som ska inspekteras. Konstruktionsupprepningar kräver fixturändringar som kan vara kostsamma och tidskrävande. Förmågan att inspektera alla sidor av ett objekt gör att matematiska modeller kan skapas inom programvaran, det vill säga skapa virtuella fixturer. Sedan kan operatören manipulera modeller i en virtuell miljö, istället för att skapa nya fixturer i den fysiska miljön. Fördelarna för ingenjörer är ökade produktvariationer under en monteringscykel, förmågan att skapa storskaliga prototyper, spara in på materialkostnader och få produkten till marknaden snabbare.

6. Automatisering av robotsystem

Lasertrackersystem underlättar robotautomatisering och gör det möjligt att använda mindre noggranna, mindre kostsamma robotar i applikationer med högre noggrannhet. Hörnkuber kan hjälpa en lasertracker att kalibrera en industriell robot genom att ta hänsyn till parametrarna länklängd, vridningsvinkel, nolläge, länkförskjutning och stelhet. Ett annat sätt att automatisera en robot är att styra den till de erforderliga positionerna med 6 frihetsgrader. Denna funktion gör att robottillverkare kan justera verktyget under en kalibreringscykel med färre ställningar. Det gör också att den exakta platsen för verktygets mittpunkt kan vara känd i realtid.
Det sista sättet att automatisera industriella robotar är att möjliggöra en kontroll av för stora detaljer på maskinen. Det enklaste sättet att förstå detta är att tänka på roboten som en väldigt repetitiv operatör. Även om roboten flyttar en handhållen enhet över detaljen för att inspektera den, registreras mätningarna av lasertrackern istället för av maskinen. Det garanterar att resultatet är baserat på trackerns noggrannhet, inte den mindre noggranna NC-maskinen.

Lasertrackertekniken har blivit mer ekonomiskt tillgänglig och lasertrackers har blivit mindre, lättare, snabbare och ännu mer användarvänliga. Handhållen scanning, probning och maskinstyrning har ökat trackerns flexibilitet och antalet möjliga applikationer har ökat enormt. Alternativ som batteridrift och IP54 (kapslingsklass) möjliggör för nya lasertrackers att nå platser som verkade vara omöjliga. Efterfrågan efter tekniken fortsätter att öka och den är nu tillgänglig även för de allra minsta verkstäder. Lasertrackers är av intresse för en allt större kundkrets.