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法如推出创新测量方案——激光跟踪仪

2009年05月15日 09:34中国机床商务网点击:3128

        二十世纪末,当一种运用激光技术,即用六到七个旋转式激光编码器发送精密的角度信息给计算机进行三角学运算,从而得出探头和被测对象的精确空间位置信息的测量系统设备被发明出来时,光电学与三角学的完美结合,强大实用的功能,简易便捷的操作,紧凑精巧的设计,迅速赢得光学检测仪器市场的青睐,这种三维测量系统设备便广泛应用于航天、航空、造船、重工、机床汽车制造的生产及装配过程检测,逆向工程等等。便携式激光测量臂在使用上,如同万物之灵——人类的手臂一样灵活,无比的方便快捷,在规定的测量范围内,测头可以沿着任意方向运动,测量无死角,用户可以方便地移动设备到生产线上,随心所欲地测量任何复杂的工件,轻松胜任三坐标测量机远远难以胜的挑战任务。

  许多行业,包括汽车和航天航空工业,必须精确测量大型物体的三维图形。一种日渐流行的做法是使用激光跟踪仪,一种于20世纪80年代后期首次引进的设备。顾名思义,激光跟踪仪通过跟踪与待测量物体接触的定向反光标志的激光束来测量3D坐标。""一些激光跟踪仪可以近距离和测量60米外的物体。一些激光跟踪仪在数米开外的地方的单点精度约为0.001” (0.025mm)。跟踪仪能够快速采集坐标数据而且只需要一名操作员。它们提供更好的测量坐标的方法而且使得全新的制造方法成为可能。

  "如今,许多仪器都可以测量坐标。各种仪器适用于各个不同的应用项目。传统的固定坐标测量机可反复、快速、准确地进行测量,但是它们不能移动,测量范围有限,而且对于大型应用项目,它们极其昂贵。因此最适合用于测量对速度和精度有高要求的中小型(1米以下)生产部件。对于大中型零部件,便携式坐标测量机则为首选。随着激光跟踪仪的诞生,通常可配合使用经纬仪、全站仪(配有电子测距设备的经纬仪)、关节臂式坐标测量机和摄影测量系统进行移动坐标测量。由于其精度高,速度快,简单易用,激光跟踪仪已经取代许多早期的系统。

  “我在航空航天工业工作了20年,使用法如技术使我们从石膏模型的史前石器时代迈进了21世纪。”

  法如激光跟踪仪的操作方式简单易懂:它测量两个角和一个距离。跟踪仪向待测量物体的定向反光标志发送激光束。从标志反射回的光沿其路径返回,重新进入到其离开跟踪仪时的同一位置。定向反光标志各不相同,但是,最流行的是球面反射靶标(SMR)。当光线重新进入跟踪仪,其中一些光线将进入测量跟踪仪和SMR之间的距离的测距仪中。测距仪有两种,一种是干涉计,另一种是绝对测距仪(ADM)。
激光跟踪仪含有两个角编码器。这些设备可测量跟踪仪的两个机械轴的角定向:方位轴和海拔(或者天顶)轴。编码器的角和测距仪的距离可准确定位SMR的中点。由于SMR的中心始终处在任何待测表面的固定偏距内,因此,很容易获得通过SMR测量的表面或点的坐标。距离测量是激光跟踪仪的重要功能之一,包括增量距离测量和绝对距离测量。通过干涉计和频率稳定的氦氖激光测量增量距离。激光分为两束。一束直接进入干涉计中。另一束自跟踪仪发出,经SMR反射,在返回路径上射入干涉计中。在干涉计内,当SMR接近或者远离跟踪仪的距离相同于光线波长的四分之一(约0.0158微米)时,两个干涉光束循环改变。

  电子电路记录循环变化(称为“条纹计数”)以确定光传输的距离。在典型的测量序列中,操作员将SMR置于跟踪仪的初始位置并重新将干涉计设置为已知(初始)距离。当操作员将SMR移至预定位置时,激光沿线跟踪,依然固定在SMR的中心。只要跟踪仪射到SMR上的光束在光束路径上不被阻挡,这一程序将良好地运作。如果光束被阻挡,那么,计数将不再有效,距离将不可知。当此状况发生时,跟踪仪显示错误信号。操作员必须返回SMR的参考点,例如跟踪仪的初始位置。很久以前就已经具备了绝对距离测量功能。在过去十年间,ADM系统日益完善,其精度可与干涉计媲美。与增量距离测量相比,ADM测量的优势在于它能够轻易地定位目标上的光束并射光。ADM系统自动测量与目标之间的距离,即使光束曾被阻挡。在具有ADM功能跟踪仪上,来自于半导体激光上的红外光经SMR反射,重新射回跟踪仪,并且在跟踪仪中被转换为电信号。电子电路分析该信号以确定其飞行时间,并且将该值乘以光在空气中的速度,以确定跟踪仪和SMR之间的距离。 

      绝对测距仪于20世纪90年代中期首次出现在激光跟踪仪上。当时,ADM系统测量速度太慢,以至于不能扫描物体表面。因此,所有早期的激光跟踪仪都含有干涉计或者干涉计与ADM。如今,一些绝对测距仪的速度已经足够快,可以快速扫描,而精度损失几乎微不足道。因此,一些现代的跟踪仪只有ADM,而没有干涉计。跟踪仪的另一种功能是光束操控。一种跟踪仪直接从它的回转结构上发出激光束。 另一种跟踪仪经旋转镜反射激光束。在这两种情形下,跟踪仪通过旋转机械轴将激光束定位到预定方向上。在许多应用中,跟踪仪将光束集中在快速移动的SMR上。它通过剥离部分返回到位置感应器(PSD)上的激光束来做到这一点。如果激光束偏离SMR的中心,剥离的光束同样也偏离PSD中心,届时将生成错误信号。此信号控制机械轴的旋转以将光束保持在SMR的中心上。跟踪仪采集三维坐标数据,并通过软件“安装”到几何实体上,如点、平面、球面或者柱面。一般情况下,数据显示在与物体功能相关的局部坐标系内。例如,物体的平面可用x-y平面表示。此外,可根据代表点或线的特征建立局部坐标系。点可由插入目标巢或工具球的工具孔代表。有时,有必要把跟踪仪移至另一个位置,以测量与物体相关的全部特征。一种便捷的做法是在物体上或者在靠近该物体的地方定位三个或三个以上的SMR巢。在跟踪仪移动前后测量每一个巢中的SMR坐标。移动后采集的数据可通过跟踪仪软件自动转化为局部坐标系。

  "可通过添加多个配件来增强跟踪仪的功能。远程控制可以让操作员在无需来回走到计算机前的情况下通过跟踪仪进行测量。目标调整配件可提高完成较困难的测量任务的速度。气温传感器配件可补偿环境中的温度波动。材料温度传感器有助于补偿待测物体的热膨胀。倾角仪(水平)可测量与重力有关的跟踪仪的方位。

  制造业中也普遍开始使用跟踪仪不测量用于各个制造阶段:检查大型铣床和它们制造的零配件;制造和定期检查制造工具;以及执行许多其它任务。跟踪仪通过测量制造厂夹套上的SMR的位置检测任意运动的铣床的精度。同样可通过跟踪仪在生产前后检查制造厂制造的零配件。制造工具也可称为固定装置或者夹具。例如,辅助配装最终产品的组装工具,有助于金属零件成形的成形工具。跟踪仪通过定位校准特征(如孔、引脚和边缘)协助生产制造工具。随后,它还可辅助定期检查工具尺寸、轮廓和特征。具有ADM功能的跟踪仪可以执行“点与发射”测量,监控相互连接的大型部件的相对位置。通过测量多个安装到部件上较小的逆向反射器标志来做到这一点。跟踪仪的具体应用范例如汽车行业的模具的制作与检查。设计师首先使用粘土制作汽车模具。跟踪仪数字化处理模具表面,而计算机将点云转换为平滑的表面。

  据此信息磨出模具并根据需要进行修改以制作预期的零件。在此过程中,跟踪仪测量模具和冲压制件。跟踪仪在制造业中新兴的应用实例包括直接控制机械设备,如铣床。通过控制此类机器的运动,跟踪仪可确保最终的制造零件符合相关的技术规格,从而加快制造流程,减少浪费并免除多余的测试。跟踪仪在非制造业的应用实例包括精确调整和制造大规模的结构,例如电力涡轮发电机和粒子加速器。激光跟踪仪的精度和速度均优于其他便携式坐标测量仪。由于操作员可以通过先期少量的准备工作加快测量速度,因此,跟踪仪在所有坐标测量仪中是最通用的。跟踪仪软件分析跟踪仪数据并且以有用的形式提交结果。跟踪仪的使用变得越来越普遍,尤其是在大规模的制造业;它们可以在制造流程的各个阶段发挥重要作用。

  在我25年的制造经历中,我从未见过一件产品如同法如激光跟踪仪一样值得信赖。当我知道正在使用法如激光跟踪仪测量我的零件时,我会很放心。”

   “法如跟踪仪]给我们提供了强大的竞争优势,使我们有能力制造世界一流的模具和工具,以满足我们的客户极高的期望值。” - Coast Composites复合材料公司

   如果我们未使用法如跟踪仪建立和校正相关机制,我们将难以获得这样的精度。如果没有一部法如跟踪仪,我不敢想象你们将如何建立起这样一个系统。” –   Matec Instruments仪器设备公司

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