Сразу оговоримся, что в этой статье мы сознательно не будем рассматривать геодезические приборы типа тахеометра: отлично работающие в своей области, они все же малоэффективны и слишком медленны для задач метрологии, особенно при измерениях сложной трехмерной геометрии с контролем в большом количестве точек. Мы рассмотрим лазерные трекеры и так называемые оптические трекеры.
Что такое лазерный трекер в его классическом понимании, как он работает и какие функции выполняет?
Лазерный трекер – это измерительный прибор для определения геометрии изделия при помощи лазерного луча и отражателя в форме сферы. Отражатель выполняет ту же роль, что и щуп координатно-измерительной машины, только координаты отражателя определяются не энкодерами и линейками, а лучом лазера.
Трекер ловит лазерным лучом отражатель (сферу) и отслеживает ее перемещение по поверхности объекта. Сама сфера имеет выемку в форме конуса, в которую встроены преломляющие линзы, сводящие пойманный луч строго к центру сферы. Трекер по отражению луча определяет расстояние до центра сферы, используя фазовый метод (измерение разности фаз синусоидальных колебаний). Горизонтальное и вертикальное смещение рассчитывается на основании угла поворота и наклона головы трекера. Для упрощения поиска отражателя и работы с дополнительными аксессуарами трекеры могут оснащаться вспомогательными камерами.
Рабочий диапазон трекера — расстояние от трекера до объекта измерений — может варьироваться от 1 до 100 и более метров в зависимости от модели и производителя. На практике чаще всего используют трекеры с рабочим диапазоном до 50-60 метров. Трекер способен вращаться вокруг своей оси на 360°, а также поднимать и опускать голову на очень большой угол, таким образом измерительная зона стремится к форме сферы. Благодаря этой особенности оператору не нужно переставлять трекер, когда необходимо, например, провести измерения внутри большого резервуара. Трекер ставится в центре, а оператор двигается вокруг с отражателем. Работа проходит в рамках одной измерительной сессии.
Погрешность трекера рассчитывается по сложной формуле, учитывающей и погрешность измерения расстояния, и угловую погрешность. Неправильно просто брать некую формулу типа «15 мкм+20 мкм/м» и применять ее ко всем ситуациям, т.к. углы поворота и расположение измеряемого объекта влияют на расчет погрешности. Для понимания уровня точности можно запомнить, что при измерении эталона длиной 2,3 м на дистанции 10 метров от трекера, погрешность составит около 45-50 мкм. С ростом расстояния и угловых размеров объекта она будет расти.
Основная особенность лазерного трекера – именно способность постоянно отслеживать положение отражателя и фиксировать координаты в каждый момент времени, вплоть до 1000 точек в одну секунду. Именно эта функция и дала прибору название «laser tracker»: «tracking» – отслеживание, буквально – «отслеживатель лазерным лучом».
Эта особенность позволяет:
- осуществлять контактное сканирование, то есть собирать сразу массив точек без остановки, например, при работе по сечениям;
- не останавливаться в момент фиксирования координат, что сокращает время измерений даже при работе с отдельными точками;
- быстро восстанавливать координаты при потере трекером отражателя, например, когда между трекером и оператором кто-то прошел;
- проводить точное позиционирование и настройку механизмов. При выставлении осей станка или креплении каких-либо узлов осуществляется постоянное отслеживание координат отражателя, закрепленного в нужной точке. Как только XYZ станут равны заданным – деталь крепят.
Для лазерного трекера существует ограничение по видимости линии. Не получится измерить деталь, находящуюся, к примеру, за углом или в глубокой выемке. Но для этого есть технология специальных отражателей типа 6DOF, позволяющих отнести точку фиксации координат в сторону от отражателя на несколько десятков сантиметров.
Также есть вариант сочетания таких отражателей с лазерным щупом (с проекцией лазерной линии), что позволяет проводить не только измерения, но и обратный инжиниринг.
Для чего нужны лазерные трекеры и где они наиболее эффективны?
Сформулируем ответ так: для измерений с погрешностью от 0,02 до 0,5мм объектов сложной трехмерной геометрии, находящихся на дистанции от 5* до 50 метров, при необходимости измерений по сечениям, а также для выставления объектов по точным координатам XYZ.
*Для измерений до 5м целесообразно применить КИМ типа «рука» с перебазированием или ручной сканер.
Чаще всего трекеры применяются в судо- и авиастроении, производстве грузовых автомобилей и автобусов, энергетическом машиностроении, в т.ч. атомном.
А что же тогда такое оптический трекер (optic tracker)? Как он работает?
В основе этого решения лежит обычный ручной сканер, работающий по принципу проецирования на поверхность детали лазерных линий и захвата их отражения встроенными камерами. Сканер генерирует не одну, а сразу тысячи точек в конкретный момент времени. Оператор также перемещает сканер вокруг детали. Однако в данном случае возникает необходимость учета смещения – для этого могут применять метки на детали или оснастке. Такой сканер обеспечивает погрешность от 15 мкм+35 мкм/м, по факту с учетом погрешности сшивки точность составляет около 50-70 мкм для детали размером примерно 1х1 м. Надежность и точность сшивки будет зависеть от методики, выбранной оператором, формы детали и расположения меток. Реальный диапазон такого сканера – до 6-7 метров, где еще достижима точность в 0,3-0,5 мм.
Для решения вопроса с наклеиванием меток на деталь, а также для увеличения объема измерений может применяться вариант, когда ручной сканер заключается в своеобразную решетку, на которую нанесены метки, и уже их положение отслеживается двумя камерами, жестко соединенными в одну конструкцию. Они статично устанавливаются на треногу и обращаются в сторону зоны измерений. Такая система позволяет определить положение ручного сканера в пространстве относительно самого себя и детали.
Объёмная погрешность такой системы составляет в среднем от 80-90 мкм в диапазоне 4 метров. Поле охвата ограничено расположением линз и зависит от модели, измерительный объем считается в кубических метрах. Распространенные объемы начинаются от 9м3 (3,2 м), 18м3 (4,5м).
При этом следящее устройство не поворачивается за сканером. Если будет нужно измерить, например, резервуар, всю систему придется перемещать.
Система генерирует облако точек, предполагающее последующую работу с ним: фильтрацию, объединение в полигоны, совмещение с CAD-моделью и/или выделение отдельных геометрических элементов. Где-то это может замедлить работу, где-то ускорить за счет захвата большего объема детали за один раз.
Облако точек может являться и исходной информацией для обратного инжиниринга.
Также такой метод существенно ограничивает измерения в отверстиях, выемках, труднодоступных местах, куда лазерные линии могут не попасть или их отражение нельзя будет зафиксировать.
Зафиксируем разницу: «оptic tracker» в данном случае можно перевести, как «устройство, отслеживающее что-то оптическим методом». Лазерный луч для отслеживания не используется, в том числе это является причиной более низкой точности системы по сравнению с лазерным трекером (laser tracker), где основной – именно лазерный луч, а оптические камеры являются лишь вспомогательными. Попытка назвать оптическую систему лазерным трекером является заведомой ошибкой. Даже в Госреестре СИ РФ это разные приборы: согласно описаниям типа за последние несколько лет это будут соответственно «Системы лазерные координатно-измерительные» в случае лазерного трекера и «Сканеры оптические трехмерные» или «Системы оптические координатно-измерительные» в случае оптических систем.
Примечание. Существуют также сканирующие системы структурированного света. Это сканеры, работающие не с лазерными лучами, а со световой сеткой, проецируемой на объект. Они обладают существенно более высокой точностью (7-15 мкм), но требуют фиксации на 0,5-2 сек в момент измерения. Часто применяются в варианте роботизированной ячейки. За счет наличия двух камер внешне они немного напоминают оптические системы слежения.
Зачем нужны оптические системы со сканером и где они наиболее востребованы?
Наш ответ таков: в случае, когда нам нужны измерения с погрешностью от 50-100 мкм на дистанции от 3 до 10 метров (но не более!), измеряемый объект обладает сложной трехмерной геометрией и при этом требуется снятие точек по всей поверхности детали. Оптические системы также применяются для целей обратного инжиниринга.
Оптические системы со сканером используются в автомобилестроении, железнодорожном машиностроении, в производстве композитов, для контроля качества литья и пресс-форм, для дизайнерских и реставрационных работ.
Подведем итог: могут ли оптические трекеры заменить классические лазерные трекеры? Только на небольшом диапазоне в определённых случаях. В целом же нет. Это разные по принципу действия и методике измерений устройства, решающие разные задачи.