Лазерные трекеры

 Во многих отраслях промышленности, включая автомобильную и аэрокосмическую, существует необходимость точного измерения трехмерных параметров больших объектов. Набирающий популярность способ решения этой задачи - использование лазерного трекера: устройства, впервые представленного в конце 80-х годов. Как подсказывает его название, лазерный трекер измеряет трехмерные координаты, отслеживая лазерным лучом световозвращающий отражатель, который приводится в соприкосновение с интересующим нас объектом.
Некоторые лазерные трекеры способны измерять параметры объектов, отстоящих от них на расстоянии до 60 метров. Некоторые имеют точность определения точки порядка 0.001" (25 микрометров) на расстояниях до нескольких метров. Трекеры собирают данные с высокой скоростью и нуждаются только в одном операторе. Они предлагают более совершенные методы координатных измерений и делают возможной качественно новую организацию технологических процессов.

В соревновании с координатными измерительными машинами

Сегодня многие приборы могут измерять координаты. Каждый наилучшим образом подходит для определенного приложения. Традиционные стационарные координатные измерительные машины производят повторяющиеся измерения быстро и точно, но лишены мобильности, ограничены в радиусе измерений и слишком дороги, если требуется измерение больших объектов. Наиболее популярны они для инспекции деталей малого и среднего размера (до одного метра), когда важны скорость и точность.
Для обмера объектов среднего и большого размера предпочтительны мобильные координатные измерительные машины. До изобретения лазерных трекеров дистанционные измерения выполнялись большей частью с помощью теодолитов, измерительных станций (теодолитов, оборудованных электроникой для измерения расстояний), шарнирно-сочлененных КИМ и фотограмметрических систем. Благодаря своей высокой точности, скорости и простоте в использовании лазерные трекеры заменили многие из этих более ранних систем.

Как работают лазерные трекеры

 Принцип работы лазерного трекера прост для понимания: он измеряет два угла и расстояние. Трекер посылает лазерный луч к световозвращающему отражателю, который приводится в соприкосновение с интересующим нас объектом. Луч, отраженный от цели, возвращается по тому же пути и принимается трекером в той самой точке, откуда он был испущен. Возвращающие отражатели отличаются, но наиболее популярен ретрорефлектор, вмонтированный в сферу. Часть отраженного рефлектором света поступает в измеритель расстояний, который вычисляет расстояние от трекера до рефлектора. Измеритель расстояний может быть двух типов, интерферометр или измеритель абсолютных расстояний (absolute distance meter, ADM).
Лазерный трекер содержит два угловых энкодера. Эти устройства измеряют угловую ориентацию двух механических осей трекера: оси азимута и оси высоты. Углов, полученных от энкодеров, и расстояния от измерителя расстояний достаточно для точного определения положения центра ретрорефлектора. Поскольку центр ретрорефлектора находится всегда на фиксированном расстоянии от измеряемой поверхности, координаты измеряемых точек или поверхностей легко вычисляются.
Измерение расстояний, важная функция лазерного трекера, может быть либо инкрементным, либо абсолютным. Инкрементное измерение расстояний осуществляется с помощью интерферометра и стабилизированного по частоте гелий-неонного лазера. Свет лазера разделяется на два луча. Один направляется прямо в интерферометр. Другой испускается трекером, отражается от ретрорефлектора и на обратном пути поступает в интерферометр. Внутри интерферометра два луча интерферируют, следствием чего является циклическое изменение амплитуды электромагнитной волны всякий раз, когда ретрорефлектор приближается или удаляется от трекера на расстояние, равное четверти длины волны (~0.0158 микрон). Электронная схема подсчитывает количество циклических изменений (известное как «счет полос») для вычисления пройденного светом расстояния.
В типичной ситуации оператор помещает ретрорефлектор в исходную позицию на корпусе трекера и приводит показания интерферометра к известному расстоянию начальной позиции. По мере того, как оператор перемещает ретрорефлектор в необходимое положение, лазерный луч следует за ним, оставаясь привязанным к центру ретрорефлектора. Этот метод работает прекрасно до тех пор, пока лазерный луч от трекера до ретрорефлектора не встречает препятствия на своем пути. Но если луч обрывается, то показания счетчика теряют связь с положением ретрорефлектора и расстояние до него неизвестно. Когда это случается, трекер выдает сигнал об ошибке. Оператор должен затем возвратить ретрорефлектор в опорную точку, такую как  исходная позиция на корпусе трекера.

Абсолютное измерение расстояний 

Возможность измерения абсолютных расстояний существовала довольно давно. Однако в течение последних десяти лет ADM-системы были радикальным образом улучшены, и ныне их точностные характеристики сравнимы с теми, которые обеспечивают интерферометры. Преимущество метода измерения абсолютных расстояний в том, что он позволяет просто направить луч на цель и «выстрелить». Система ADM измеряет расстояние до цели автоматически, даже если луч перед этим был разорван. В трекере с ADM инфракрасный свет от полупроводникового лазера отражается от рефлектора и принимается обратно трекером, где он преобразовывается в электрический сигнал. Электронная схема анализирует сигнал  для определения его времени в пути, умножает полученное значение на скорость света в воздухе и получает расстояние от трекера до ретрорефлектора.
Абсолютное измерение расстояний впервые появилось в трекерах в середине 90-х. В это время системы ADM измеряли слишком медленно для того, чтобы обеспечивать сканирование поверхностей. Из-за этого все ранние трекеры содержали либо один интерферометр, либо интерферометр и измеритель абсолютных расстояний. Сегодня некоторые измерители абсолютных расстояний обладают достаточной быстротой, чтобы обеспечить высокоскоростное сканирование с пренебрежимой потерей точности. Поэтому некоторые современные трекеры содержат только ADM и не используют интерферометр при измерениях.
Другая функция трекера - управление испускаемым лучом. Один тип трекеров испускает луч напрямую из своей вращающейся конструкции. Другой тип отражает лазерный луч от вращающегося зеркала. В любом случае трекер направляет луч в нужном направлении посредством поворота механических осей. Во многих приложениях трекер удерживает луч в центре быстро передвигающегося ретрорефлектора. Он выполняет это, направляя часть отраженного рефлектором луча в детектор позиции. Если луч лазера попадает не в центр рефлектора, то отраженный луч тоже не попадает в центр детектора позиции, и формируется сигнал ошибки. Этот сигнал контролирует вращение механических осей для удержания луча лазера в центре ретрорефлектора.

Измерение координат с помощью трекера

 Трекеры собирают информацию о 3D-координатах, которая может быть с помощью программного обеспечения сопоставлена с геометрическими объектами, такими как точки, сферы или цилиндры. Обычно данные выдаются в местной координатной системе, привязанной к характерным деталям измеряемого объекта. Плоская поверхность объекта, к примеру, может представлять плоскость OXY. В другом варианте местная координатная система может быть привязана к элементам, которым можно поставить в соответствие точки или линии. Роль точек могут исполнять, например, отверстия в измеряемом объекте.
Иногда необходимо переместить трекер в другое место для измерения всех интересующих параметров объекта. Удобный способ сделать это - поместить три или более гнезда для ретрорефлектора на измеряемый объект или рядом с ним. Трекер измеряет координаты ретрорефлекторов в каждом гнезде до и после изменения своего положения. Собранные данные автоматически трансформируются программным обеспечением трекера в положение местной координатной системы.
Ряд аксессуаров расширяют функциональность трекера. Пульт дистанционного управления позволяет оператору производить измерения без перемещения от компьютера к объекту и обратно. Приспособления для измерения деталей определенной формы увеличивают скорость проведения сложных измерений. Температурные сенсоры позволяют компенсировать флуктуации температуры окружающей среды и вызванное ими изменение размеров измеряемых объектов. Инклинометр (уровень) измеряет ориентацию трекера по отношению к гравитационному полю.

Трекеры в промышленности

 Трекеры используются на всех стадиях производства: инспекции больших фрезерных станков и производимых ими деталей, строительства и периодической инспекции промышленных инструментов и во многих других задачах. Трекер оценивает точность фрезерной машины, осуществляющей произвольные перемещения, отслеживая положение ретрорефлектора, закрепленного на патроне фрезера. Производимые на станке детали также инспектируются, до или после их выпуска.
К числу производственных инструментов относятся различного рода шаблоны и матрицы. Пример - сборочные приспособления, помогающие в сборке конечного продукта, и отливочные / формовочные матрицы. Трекер упрощает создание таких специальных инструментов, позволяя с легкостью определить положение характерных элементов - отверстий, выступов и граней детали. Впоследствии, он помогает производить периодическую инспекцию инструментов, их размеров и контуров.
Трекер с системой ADM может производить измерения типа «направь и выстрели» для отслеживания взаимного положения соединяемых вместе деталей большого размера. Он делает это, измеряя положение множества маленьких ретрорефлекторов, закрепленных на деталях.

В качестве конкретного примера использования трекера рассмотрим создание и инспекцию штамповочной матрицы в автомобильной индустрии. Дизайнеры сначала создают макет автомобиля из глины. Трекер собирает координаты точек поверхности макета. Компьютер превращает облако точек в гладкую поверхность. На основании этой информации изготавливается матрица, которая по мере необходимости модифицируется для производства необходимой детали. В течение этого процесса трекер измеряет как матрицу, так и отштампованную с ее помощью деталь.
Новая сфера применения трекеров в производстве - прямой контроль механических устройств, таких как фрезерно-токарно-расточные станки. Контролируя перемещение таких механизмов, трекер гарантирует соответствие конечных произведенных деталей спецификациям, тем самым, ускоряя производственный процесс, уменьшая количество отходов и исключая избыточное тестирование. Непромышленные приложения для трекеров включают точное выравнивание и сооружение конструкций большого масштаба, таких как турбины электрогенераторов и ускорители элементарных частиц.
Точность и скорость лазерных трекеров выделяют их из множества других координатно-измерительных инструментов. Поскольку оператор может производить быстрые обмеры с минимумом предварительных приготовлений, трекеры относятся к числу самых гибких координатно-измерительных систем широкого профиля. Программное обеспечение трекера анализирует данные и представляет результаты в удобной форме. Трекеры набирают популярность, особенно в крупномасштабном производстве, где они находят применение на каждой стадии технологического процесса.

Решение от FARO Technologies

Лазерный трекер FARO - лидер продаж среди аналогичных систем. На протяжении многих лет компания FARO является лидером в технологии производства лазерных трекеров. В 2005 году лазерный трекер FARO стал первым и единственным инструментом, использующим только абсолютное измерение расстояний. Система высокоскоростных измерений XtermeADM делает трекер FARO самой простой и гибкой ADM-системой в мире, предоставляет возможность как статических, так и динамических измерений, и устраняет потребность в интерферометре. Для тех приложений, где требуется еще более высокая точность, FARO предлагает лазерный трекер, работающий в двух режимах, XtermeADM и интерферометра, и являющийся наиболее точной и гибкой измерительной системой Faro.

Боб Бриджес
http://www.faro.com/