Трехмерные координатно-измерителные системы и инструменты

Введение

Отличительная черта современного уровня оснащения предприятий промышленным оборудованием — его комплексность и высокая автоматизация. Нормальное и бесперебойное функционирование оборудования во многом обеспечивается высокой точностью изготовления отдельных элементов оборудования, его монтажа и соблюдением требуемого взаимного пространственного положения этих элементов. Потребность в решении задач инструментального контроля в машиностроении привела уже в конце прошлого столетия к созданию специальных методов измерений. Геодезические методы всегда служили в качестве составной части комплекса измерений в промышленности.
Увеличение габаритов оборудования, постоянное ужесточение допусков, качественное и количественное изменения конструкторского решения монтажа и эксплуатации агрегатов, поточных автоматических линий, технологических конвейеров и т.п. резко расширили диапазон геодезических работ в промышленности [2].
В крупногабаритном машиностроении можно выделить одновременное применение двух видов измерений: геодезический и машиностроительный. Первый обеспечивал контроль монтажа, сборки как бы каркаса объекта с миллиметровой точностью, второй – заполнение этого каркаса относительно небольшими деталями, но уже с точностью долей миллиметра. Еще в недалеком прошлом геодезические методы использовали высокоточные теодолиты, нивелиры и стальные или инварные рулетки, проволоки, длинномеры. Машиностроительные, преимущественно механические способы: плоскопараллельные концевые меры длины, штриховые меры длины, штангенциркули, штангенглубиномеры, разных видов микрометры. Оптико-механические и оптические: рычажно-оптические приборы (вертикальный и горизонтальный оптиметры), измерительные машины, оптические длинномеры, измерительные микроскопы; интерференционные: бесконтактные и контактные интерферометры.
В 80-х и в 90-е годы революционный взрыв научно-технического прогресса, в частности микропроцессорной и лазерной техники привели к появлению новых измерительных приборов, как в геодезии, так и особенно в машиностроении. В геодезии это электронные теодолиты, тахеометры и наземные лазерные сканеры. В машиностроении координатно-измерительные системы и лазерные трекеры. Если координатно-измерительные системы, можно считать, основываются на развитии машиностроительных методов, то методология лазерных трекеров сильно перекликается с лазерными сканерами.
Если в прошлом геодезические и машиностроительные методы, как по методологии, так и по приборам были принципиально разные и их объединял только функционал – измерения, то в настоящее время методология измерений сами проборы по многим параметрам сходятся. Возникает вопрос – трекер это геодезический прибор, или все же из области машиностроительной измерительной системы. Попытаемся глубже разобраться в этом вопросе.


Механические (контактные) измерительные машины
Классическими координатно-измерительными системами являются механические контактные измерительные машины (КИМ) — манипуляторы типа точная «рука» (рис. 1) [1]. Среди КИМ типа «рука» следует отметить координатно-измерительные машины Platinum ARM компании «FARO Technologies» (США), которые позволяют определять координаты точек контролируемой поверхности объектов (изделий) с погрешностью несколько микрометров.
Важным отличием этой серии КИС является тот факт, что сочленения в шарнирах не имеют ограничения во вращении. Конструкция из углепластика и авиационного алюминия дала возможность снизить вес КИМ. За счет встроенной батареи «рука» способна работать автономно до 8 ч без дополнительного электропитания.

1.— выключатель КИ
2.— контактный наконечннк - щуп
3 — прецизионные датчики угловых перемещении в сочленении
4 — конструкция плеч из углепластика
5 — встроенный уравновешивающий механизм
6 — аккумуляторная батарея
7 — беспроводное соединение bluetooth
8 — быстро съемная установочная плита

Рисунок 1. Манипулятор типа «точная рука»:

FARO Platinum предназначается для контроля формообразующих поверхностей штампов, пресс-форм, крупногабаритных изделий и оснастки. Крепление FARO Platinum вблизи измеряемого объекта может производиться с помощью обычных струбцин либо специализированной оснастки (магнитные плиты, стойки, треноги, прецизионные рельсы). В конструкции FARO Platinum предусмотрен уравновешивающий механизм, для более удобного управления.
Однако применение измерительных машин серии КИМ ограничено: условиями, близкими к лабораторным (как правило, эти машины являются стационарными и требуют стабильности окружающих условий: отдельное помещение со своим внутренним микроклиматом, тяжелая гранитная плита, установленная на пневматической подушке, служащая основой измерений и т.д.);
габаритами замеряемого объекта (каковы должны быть габариты машины при измерении 10-20-метрового объекта?);
стоимостью (цена измерительных машин может превышать 1 млн долл.);
необходимостью прямого контакта (к примеру, если замеряется очень «мягкий» объект — пластилиновый макет автомобиля или макет корпуса самолета);
необходимостью перемещать объект к измерительной машине, а не наоборот.

Оптико-электронные координатно-измерительные системы
При требуемых точностях в несколько сотых долей миллиметра в последние десятилетия все большее применение находят измерительные оптико-электронные системы (Axуz), основанные на современных оптико-электронных и компьютерно-цифровых технологиях. Наибольшее распространение при этом получили теодолитные измерительные системы, интерферометрические, фотограмметрические и видеограмметрические.
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.

3 Лазерные трекеры
Принцип работы лазерного трекера прост: 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. В качестве отражателей возвращающих луч используются зеркальные или призменные, заключенные в стальную сферу, которые называются сферическими отражателями или ретрорефлекторами. 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).

3.1 Шаровые (сферические) отражатели.
Если изготовить шар из материала с показателем приломления n=2 и на половину поверхности такого шара нанести отражающий (зеркальный) слой, то подающий и отраженный лучи будут параллельны рис. 2, [1].
Представленный на рис. 2, шаровой рефлектор более подходит для измерения формы контролируемой поверхности, чем для определения положения характерных точек поверхности. Вместо вышеописанной конструкции шарового отражателя оказалось технологически выгодным в полый металлический шар того или иного диаметра вмонтировать триппель-призму или уголковое зеркало, вершина которого должна совпадать с центром шара. Именно такие сферические отражатели (рис. 3) используются при измерениях лазерными трекерами.


Рисунок 2.Рисунок 3.
Лазерный трекер содержит два угловых энкодера (измерителя угловых величин). 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

.

3.2 Измерение расстояний интерферометром
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 [3]. 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.
3.3 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.

3.4 Измерение координат трекером
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.
Первоначально сферический отражатель помещается в специальную точку на корпусе измерительного блока (гнездо) (рис. 4а), координаты которой известны, а оттуда отражатель перемещается в контролируемые точки, [6]. Трехмерные координаты заданных точек вычисляют путем измерения углов поворота головки измерительного блока по горизонтали и вертикали и расстояния до сферического отражателя при помощи лазерного дальномера (рис. 4б).

Рисунок 4 – Принцип определения координат трекером

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.
3.5 Трекер FARO Laser Tracker VANTAGE

FARO Laser Tracker VANTAGE, фирмы "FARO Swiss Holding GmbH", Швейцария, предназначен для измерений координат с целью определения геометрических размеров и формы поверхностей объектов сложной формы, имеет сертификат Росстандарта типа средств измерений №  55223-13 «Машины координатно-измерительные мобильные» [5].
Основными компонентами системы являются измерительная головка Laser Tracker, главный управляющий модуль (ГУМ), световозвращающая мишень и управляющий компьютер с программным обеспечением САМ2, рис 5.
В корпусе измерительной головки размещены прецизионный лазерный дальномер (TruADM), преобразователи, датчики давления и влажности, сервоприводы, угломерные устройства, поворотное зеркало и две ортогональные оси вращения. Точка пересечения осей вращения локализуется в точке на отражающей поверхности поворотного зеркала. Лазерный дальномер TruADM, позволяет определить координаты (положение в пространстве по отношению к трекеру) отражателя в любой момент времени, т.е. при прерывании луча нет необходимости возвращать отражатель в "нулевое" положение, достаточно лишь "поймать" лазерный луч отражателем и продолжить прерванные измерения. TruADM позволяет в режиме абсолютного измерения дистанции снимать 1000 точек в секунду, что позволяет использовать данный режим для динамических измерений.


Рисунок 5 - Обший вид машины координатно-измерительной мобильной FARO Laser Tracker VANTAGE

В корпусе измерительной головки размещены прецизионный лазерный дальномер (TruADM), преобразователи, датчики давления и влажности, сервоприводы, угломерные устройства, поворотное зеркало и две ортогональные оси вращения. Точка пересечения осей вращения локализуется в точке на отражающей поверхности поворотного зеркала. Лазерный дальномер TruADM, позволяет определить координаты (положение в пространстве по отношению к трекеру) отражателя в любой момент времени, т.е. при прерывании луча нет необходимости возвращать отражатель в "нулевое" положение, достаточно лишь "поймать" лазерный луч отражателем и продолжить прерванные измерения