Il progresso del tracciamento - La tecnologia dei laser tracker viene riconsiderata

I laser tracker sono stati a lungo gli strumenti di misura portatili privilegiati dalle aziende che servono il settore aerospaziale, automobilistico e altri settori di produzione su vasta scala. Le applicazioni per questi sistemi comprendono: verifica sul luogo, allineamento e montaggio assistiti dalla misura, prototipazione, attrezzaggio aerospaziale, misure delle carrozzerie d'auto, reverse engineering e accoppiamento dei pezzi nei componenti e sottogruppi di grandi dimensioni. Un sistema laser tracker eccelle in termini di precisione, affidabilità e durata per le applicazioni di misura su vasta scala. Eppure il vantaggio primario è la portabilità. Già solo il peso, le dimensioni e la lunghezza di alcuni componenti rendono impossibile il collaudo su di una macchina di misura a coordinate tradizionale (CMM).

In passato i laser tracker erano considerati di costo proibitivo dalle organizzazioni più piccole. Per loro, le operazioni di allineamento e certificazione sono eseguite con più o meno successo con l'impiego di strumenti di ripiego. Oggi le specifiche dei clienti richiedono tolleranze molto strette, di conseguenza si sta riconsideranodo l’utilizzo dei laser tracker. La documentazione dei processi di controllo qualità è un'altra tendenza dell'industria che sta costringendo le aziende a riconsiderare le proprie procedure di misura. Fin dall'inizio, nei primi anni '90, la maturazione del mercato ne ha abbassato i prezzi, aumentando l'accessibilità. Importanti progressi nella tecnologia dei laser tracker ha prodotto anche maggiore attenzione verso il loro uso e le loro funzionalità più estese.

Un laser tracker è una macchina di misura a coordinate portatile (PCMM) che impiega un raggio laser per misurare con precisione e verificare gli elementi geometrici di un oggetto nello spazio tridimensionale.  Il raggio laser viene inviato a un retroriflettore montato su sfera (SFM) per misurare gli angoli dai due assi meccanici del tracker, l'asse azimuth e l'elevazione dell'asse zenith. Questi dati vengono poi combinati con una distanza dal laser per calcolare una coordinata X, Y, Z.

I primi predecessori degli attuali laser tracker usavano interferometri laser per misurare la distanza: erano ripetitivi e richiedevano molto tempo. Ogni volta che il raggio laser veniva interrotto, l'operatore doveva far tornare il riflettore nella posizione di origine sul tracker. Questo comportava perdita di tempo e di conseguenza denaro, in particolare, se il riflettore era a 7 - 9 metri dal tracker durante il ciclo di misura. C'era modo di aggirare il problema ma non era infrequente che il raggio venisse ripetutamente interrotto se vi erano numerosi ostacoli nella linea di mira dello strumento, come operai o cavi.

Nel 1995, nei laser tracker venne incorporato un distanziometro assoluto (ADM) che rivoluzionò il modo in cui questi venivano usati. Se il raggio veniva interrotto, l'operatore non doveva più tornare a una posizione nota e "resettare" l'unità. Doveva semplicemente riposizionare il raggio e continuare la misura. Nella loro prima versione, gli ADM erano sia lenti che notevolmente meno precisi degli interferometri. La tecnologia fece rapidamente dei passi avanti e oggi sono disponibili ADM che sono anche più precisi degli interferometri ai quali venivano in passato paragonati. Alcune unità hanno addirittura integrato sia la tecnologia dell'ADM che quella dell'interferometro in un'unica unità di misura chiamata Interferometro Assoluto o AIFM.

Con alcuni laser tracker, come il Leica Geosystems AT901 Absolute, non è l'operatore che trova il raggio, è il raggio che trova l'operatore. Una videocamera PowerLock integrata nel tracker impiega un campo visivo conico per rilevare il riflettore. Questo progresso accelera la verifica poiché è necessario soltanto che l'operatore sia nelle vicinanze del tracker per agganciare il raggio sul riflettore. 

Sebbene estremamente preciso, il laser tracker è limitato alle misure nel suo campo di visibilità. Senza una linea di mira libera, possono essere necessari più spostamenti del tracker per completare la verifica di un unico utensile o pezzo. Oltre a sprecare tempo prezioso, gli spostamenti della stazione riducono la precisione delle misure perché a ogni spostamento l'errore si accumula. La soluzione a questo inconveniente è stata l'introduzione degli accessori per la misura portatile.

Gli accessori portatili del laser tracker monitorano una serie nota di diodi a infrarossi su di un sensore o scanner. Quando rileva un punto, il tracker calcola la posizione X, Y, Z del sensore mentre una videocamera calcola i valori di rotazione del sensore di RX, RY, RZ. I due sono associati in modo da ottenere 6 gradi di libertà (6 DoF). Questi strumenti offrono un'ampia gamma di nuove capacità che non erano possibili nelle precedenti generazioni di laser tracker.

1. Non sono necessari spostamenti della stazione
Quando si impiega la tecnologia portatile, non è indispensabile la linea di misura diretta con il punto di misura. Sulla base di questo progresso, il tracker può essere regolato in un'unica posizione per misurare l'intero pezzo entro un volume sferico che può arrivare a 100 metri. Mantenere il tracker nella sua posizione originaria contribuisce a garantire precisione e integrità dei dati. Questo è un vantaggio con gli oggetti di grandi dimensioni con elementi geometrici nascosti. Un sensore o uno scanner portatili possono infatti rilevare dati 3D all'interno o dietro il pezzo e anche capovolti.

2. Gli SMR diventano opzionali
I retroriflettori montati su sfera, chiamati anche Corner Cube, sono di piccole dimensioni e vengono spesso fatti cadere, rotti o smarriti. Possono essere difficili da usare soprattutto in applicazioni in cui l'operatore può aver bisogno di una mano libera per afferrare un corrimano. Hanno inoltre un campo di misura limitato. Quando si usa un Corner Cube, il raggio del laser tracker deve entrare con un angolo di ±22 gradi o meno. Con l'impiego di un sensore portatile, l'angolo di incidenza si estende a ±45 gradi, il che semplifica la misura e aumenta notevolmente la velocità.

Inoltre i kit di target che vengono usati assieme ai retroriflettori possono introdurre una fonte di errori potenziali. Un errore comune è la confusione tra dimensioni nel sistema metrico e quello imperiale. Ad esempio, un portariflettore di 25 mm non si può distinguere visivamente dalla dimensione di 1 pollice (25,4 mm).

3. I portatili interagiscono con il tracker
I sensori portatili contengono più comandi su ciascun lato del dispositivo per acquisire dati 3D e interagire con il software di misura. Questi comandi sono una caratteristica che permette di risparmiare tempo poiché l'operatore non ha bisogno di tornare al computer per inserire i dati. Potenzialmente questo riduce la manodopera necessaria perché per prendere le misure è sufficiente una persona anziché due.

Alcuni sistemi laser tracker permettono di inserire le informazioni con un telecomando. Ma questi non forniscono il necessario feedback in tempo reale per garantire che la verifica sia stata completata correttamente. Il sistema con telecomando è uno svantaggio anche nelle applicazioni con accessibilità limitata.

4. Le applicazioni di scansione sono migliorate
In passato l'unico modo di effettuare la scansione di un pezzo con un laser tracker consisteva nello strisciare un SMR sulla sua superficie. Per le applicazioni che traggono vantaggio dalla scansione laser, gli scanner portatili possono rilevare centinaia di migliaia di punti al secondo e vengono controllati dal laser tracker per operare con precisione in grandi volumi.  Con l'impiego di questa tecnologia, il modello CAD può essere interrogato al volo, riducendo così i tempi di misura da giorni a poche ore. 

5. Gli attrezzaggi diventano flessibili
Senza conoscere la posizione assoluta di un oggetto nello spazio, possono essere necessari degli attrezzaggi per sostenere un pezzo nella misura.  Le iterazioni della progettazione richiedono cambi di attrezzaggio che possono rivelarsi costosi e richiedere molto tempo. La capacità di verificare tutti i lati di un oggetto permette di creare modelli matematici nel software, creando essenzialmente attrezzaggi virtuali. L'operatore può poi manipolare i modelli in un ambiente virtuale anziché creare nuovi attrezzaggi nell'ambiente fisico. I progettisti possono ottenere grandi vantaggi dalle variazioni del prodotto in un dato ciclo di montaggio: capacità di prototipazione su vasta scala, risparmi sui costi dei materiali, e il prodotto arriva sul mercato in modo più rapido.

6. L'automazione dei sistemi robotizzati
I sistemi laser tracker agevolano l'automazione robotizzata e permettono di usare robot meno precisi, di costo inferiore in applicazioni di qualità maggiore. I Corner Cube sono in grado di assistere un laser tracker nella calibrazione di un robot industriale, tenendo conto della lunghezza dei giunti, angoli di torsione, origine degli snodi, offset dei giunti e parametri di rigidità.

Un altro modo per automatizzare un robot consiste nel guidarlo nelle posizioni richieste per mezzo dei 6 gradi di liberà. Questa capacità consente ai costruttori di robot di correggere l'elemento terminale di un manipolatore durante il ciclo di calibrazione con un numero inferiore di posizioni. Permette anche di conoscere in tempo reale la posizione esatta del centro utensile (TCP).

Un ultimo modo di automatizzare i robot industriali consiste nel consentire la verifica su macchina di pezzi di grandissime dimensioni. Il modo più semplice di immaginarlo è quello di considerare il robot come un operatore estremamente ripetibile. Sebbene il robot muova un dispositivo portatile sopra il pezzo per verificarlo, le misure vengono registrate dal laser tracker anziché dalla macchina. Questo garantisce che la precisione dei risultati sia basata sulla precisione del tracker anziché dalla meno precisa macchina a CN.

Man mano che la tecnologia del laser tracker è diventata più accessibile economicamente, anche i laser tracker stessi sono diventati più piccoli, più rapidi e sempre più facili da usare. I prodotti portatili di scansione, rilevamento e controllo macchina hanno aumentato la flessibilità del laser tracker e il numero di applicazioni possibili è aumentato in modo esponenziale. Opzioni come il funzionamento a batteria e l'IP54 (Ingress Protection) hanno permesso agli attuali laser tracker di arrivare dove non si pensava fosse possibile. La domanda di questa tecnologia continua a crescere e la loro presenza è arrivata anche nelle aziende produttive più piccole. I laser tracker chiedono di essere riconsiderati da una platea più vasta di utenti.

 

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