Maşini portabile pentru măsurat în coordonate (Laser Trackers)

Calitate & Control

de Catalin Apostol

Maşini portabile pentru măsurat în coordonate (Laser Trackers)
O maşină portabilă pentru măsurat în coordonate Laser Tracker oferă o metodă de măsurare rapidă, precisă şi intuitivă a obiectelor mari în medii industriale. Este capabilă să măsoare o locaţie tridimensională a unui obiectiv mobil, cu o precizie de câţiva micrometri, într-un domeniu de măsurare de zeci de metri.
 
Un sistem Laser Tracker oferă posibilitatea măsurării rapide a unui obiect a cărui poziţie poate varia aproape oriunde în cadrul liniei de colimaţie a unităţii principale. Un factor cheie îl reprezintă precizia de măsurare relativ mare ce poate fi atinsă de instrument. În consecinţă, Laser Tracker-ul a înlocuit, în mare măsură, metodele tradiţionale de control dimensional, spre exemplu teodolitele, sau instrumentele convenţionale metrologice, cum ar fi colimatoarele.
 
Poza deschidere: Principiul funcționării interferometrului Michelson
 
Principiile de funcţionare ale laserelor
Principiul de funcţionare se bazează pe două tehnologii: un interferometru cu laser pentru a măsura distanţa relativă şi encodere optice pentru determinarea azimutului şi a altitudinii unei oglinzi ce dirijează fasciculul laser. Instrumentele ce utilizează principiul interferometriei liniare reprezintă baza măsurărilor industriale. Ele funcţionează pe principiul interferenţei luminii.
 
 
Principiile funcţionării unui interferometru Michelson
Într-un interferometru standard Michelson, o sursă coerentă de lumină (laserul) este divizată în două fascicule. Un fascicul are rolul de referinţă, în timp ce al doilea este reflectat de un obiectiv situat la o anumită distanţă. Este apoi fuzionat cu fasciculul referinţă, producând interferenţă. Frajele de interferenţă rezultate sunt considerate ca fiind modificări în distanţa de măsurare externă. Dacă drumul optic al unuia dintre aceste două fascicule parţiale, adică produsul dintre indicele de refracţie şi drumul său geometric se modifică, atunci se produce o diferenţă de fază faţă de fasciculul neperturbat. Aceasta conduce la o modificare a figurii de interferenţă, care ne permite să măsurăm fie variaţia drumului geometric, fie indicele de refracţie, atunci când una dintre cele două mărimi rămâne constantă. Astfel, dacă indicele de refracţie al mediului parcurs de fasciculul perturbat nu se modifică, atunci se poate măsura variaţia drumului său geometric. Deoarece lungimea de undă a laserului este cunoscută şi foarte stabilă, distanţa poate fi calculată din numărul de franje. Aceste dispozitive sunt limitate la măsurarea liniară. Un Laser Tracker poate depăşi această limitare folosind oglinzile retroreflectoare de fascicule pentru a dirija fasciculul laser într-o gamă largă de direcţii. Sarcina esenţială a fasciculului este de a urmări mişcarea obiectivului retroreflector, operaţie ce este realizată prin intermediul unei bucle de retroacţiune. Când raza laser atinge excentric obiectivul retroreflector, aceasta este reflectată înapoi paralel cu fasciculul incident, dar deviată. Un senzor în două dimensiuni măsoară deviaţia, permiţând instrumentului să regleze fascicul pentru a aduce raza în starea coaxială dorită (figura 2).
 
  Figura 2: Corectarea deviației fasciculului
 
 
Mecanismul de urmărire utilizând un obiectiv retroreflector
Atunci când fasciculul atinge centrul retroreflectorului, raza este reflectată fără deviaţie, indicând faptul că aceasta a fost propagată pe direcţia corectă. Acest mecanism permite undei laser să urmărească mişcarea obiectivului retroreflector cu o viteză de până la 5 metri pe secundă.
Prin urmare, Laser Tracker-ul urmăreşte obiectivul retroreflector înregistrând distanţa, azimutul şi altitudinea. Aceste coordonate polare sunt transformate în coordonate carteziene, fiind posibilă stabilirea unei origini oriunde în volumul de măsurare (figura 3).
 
  Figura 3
 
 
Azimutul
Azimutul este o măsurare unghiulară într-un sistem de coordonate sferice. Vectorul de la un observator (origine) la un punct de interes este proiectat perpendicular pe un plan de referinţă. Unghiul dintre vectorul proiectat şi vectorul de referinţă pe planul de referinţă se numeşte azimut. Un exemplu este poziţia unui astru ca punct de interes, planul de referinţă fiind reprezentat de orizont, iar vectorul de referinţă fiind punctul cardinal nord. Azimutul este unghiul dintre vectorul nord şi proiecţia perpediculară a astrului pe linia orizontului (figura 4).
 
 
 
Utilizarea Laser Tracker-ului
Operatorul se deplasează în jurul obiectului ce urmează a fi măsurat, plasând obiectivul retroreflector în poziţiile dorite. De asemenea, operatorul trebuie să manevreze cu grijă obiectivul retroreflector pentru a împiedica întreruperea razei laserului. Datorită faptului că măsurarea se efectuează dinamic, orice întrerupere provoacă pierderea înregistrărilor efectuate de către interferomentru. În cazul în care se produce această întrerupere, obiectivul trebuie adus în poziţia de referinţă predefinită, pentru a reseta sistemul de coordonate.
 
 
Caracteristici suplimentare
Unele instrumente Laser Tracker dispun de o metodă de măsurare alternativă a distanţelor, care poate fi utilizată pentru a măsura o mulţime de puncte în care sunt montate obiective retroreflectoare. Tracker-ul îndreaptă fasciculul spre un anumit obiectiv dat, iar apoi este utilizată o căutare în forma unei spirale pentru a stabili un sistem de poziţionare în volum a obiectivelor. Distanţele pot fi, în cele din urmă, măsurate fără interferometru, iar procesul poate fi repetat cu uşurinţă. În această manieră se poate monitoriza o structură fără a fi impusă prezenţa unui operator. Totdodată, operatorul poate restabili modul de urmărire cu ajutorul interferometrului, fără a reprograma instrumentul. Precizia de măsurare, utilizând această metodă, este de apoximativ 50 de micrometri, purtând numele de ,,Absolute Distance Meter” (ADM). O cameră video poate fi utilizată cu cel puţin un Laser Tracker, unde operatorul poate vizualiza obiectul ce trebuie măsurat şi, de asemenea, poate alege punctele de măsurare.
 
  Foto 5
 
 
Aplicaţii
Un instrument ce înglobează caracteristicile prezentate, cât şi anumite inovaţii patentate, este Leica Absolute Tracker AT401 (foto 5).
 
  • Precizie ridicată
Sute de astfel de instrumente sunt utilizate la asamblarea de înaltă precizie şi la controlul liniilor de producţie din industria aerospaţială, auto şi multe altele. Acest sistem mobil de măsurare în coordonate reduce timpii de verificare metrologică pentru a spori productivitatea.
 
  • Măsurări pe scară largă
Utilizarea unui reflector mobil de către operator permite palparea liberă a obiectelor de măsurat. Cu ajutorul acestui sistem uşor de utilizat se pot achiziţiona date în timp real cu privire la abaterile de execuţie. Volumul de măsurare are diametrul de până la 70 metri, permiţând măsurarea obiectelor mari, cum ar fi avioanele, cu o precizie micrometrică.
 
  • Sistem în timp real
Inspecţiile de suprafaţă sunt realizate rapid cu o viteză înaltă, de până la 1000 de puncte pe secundă. Software-ul prezintă, în timp real, deviaţiile faţă de valorile nominale, pentru a determina măsurările ce depăşesc câmpul de toleranţă, sau pot fi returnate mii de puncte, pentru a realiza procesul de reverse engineering (relevare).
 
  • Uşor de utilizat
Structuri complexe, ca acelea prezente în industria automobilelelor, sunt generate şi inspectate cu încredere, datorită modului facil de utilizare a software-ului.
 
  • Automatizare
Inspecţiile periodice, testele de repetabilitate şi multe alte sarcini sunt efectuate automatizat.
 
  • Componente fiabile
Capacitatea de urmărire de mare viteză a obiectivelor retroreflectoare şi fiabilitatea componentelor satisfac atât cerinţele stringente ale orientărilor din industria respectivă, cât şi ale cerinţelor de calibrare.
 
 
Tehnologiile Leica Absolute Interferometer şi PowerLock
  • Leica Absolute Interferometer (AIFM): reprezintă o unitate singulară de măsurare a distanţelor cu performanţele dinamice ale unui interferometru, având şi abilitatea de a regăsi un obiectiv aflat în mişcare, cu o incertitudine mai mică de 5 μm
  • Tehnologia PowerLock schimbă modalitatea utilizării instrumentelor similare. Operatorul nu trebuie să mai fie atent la întreruperea razei laserului, tehnologia constând în blocarea fascicului pe obiectiv.
 
Prin utilizarea celor două tehnologii, operatorul nu mai trebuie să manevreze cu atenţie obiectivul retroreflector, Tracker-ul fiind capabil să determine noua poziţie a obiectivului oriunde în volumul de măsurare.

Bibliografie
http://metrology.leica-geosystems.com/en/index.htm „Curs Metrologie Aplicată” – Micro – Top Consulting Engineering & Service S.R.L.

Cătălin Apostol este inginer Micro-Top Consulting Engineering & Service


 

Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord