Aufbau, Funktionsweise Lasertracker und Produktübersicht

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1 Jörg Illemann, Hexagon Metrology GmbH Aufbau, Funktionsweise Lasertracker und Produktübersicht In modernen hochqualifizierten Industriebetrieben ist eine Produktion oder Qualitätssicherung ohne moderne Messhilfsmittel kaum noch denkbar. Wurden hochgenaue Messmittel bis vor einigen Jahren fast ausschließlich im Flugzeug-, Automobilbau und in der Präzisionsmechanik, z.b. im Turbinenbau eingesetzt, so finden sich diese Messgeräte auch zunehmend in der Schwerindustrie, dem allgemeinen Fahrzeug- und Waggonbau, im Schiffbau und verschiedenen anderen Industriebereichen. Zu diesen Messsystemen gehören neben den mechanischen, eindimensionalen Messmitteln wie Schieblehren, Innenmessschrauben, Bügelmessschrauben und Prüflehren auch die Koordinatenmessmaschinen verschiedenster Bauart und Dimension (Abb. 1). Abbildung 1: Koordinatenmessmaschinen Die mobilen, elektronisch-mechanischen Messsysteme, wie z.b. die Messarme, die mittlerweile auch große Volumen, bis zu einer Bauteilgröße von drei Metern und einer Messgenauigkeit von 0,04 mm abdecken können, ergänzen die stationären KMG s im mobilen Bereich (Abb. 2 und 3). Abbildung 2: Cimcore Infinite; Cimcore Tube Inspect; Faro- Messarme Abbildung 3: Messarme Faro Gage; Faro Scanarm; ZettMess AMPG 29

2 Eine weitere Gruppe von mittlerweile immer häufiger verwendeten Messsystemen, ist die der mobilen optischen 3-D Messmaschinen (Abb. 4 und 5). Zu diesen gehören neben der Photogrammetrie und der Tachymetrie oder Theodolitmesstechnik auch die Lasertracker-Systeme. Diese Lasertracker-Systeme haben durch die hohen Messgenauigkeiten, die großen Messvolumen, bis zu 80 m, und die flexiblen Einsatzmöglichkeiten große Vorteile gegenüber den herkömmlichen Messmaschinen, vor allem dann, wenn die Bauteile aufgrund der Größe, des Gewichts oder aufgrund anderer Umgebungsbedingungen, das Bauteil nicht zu einer stationären Messmaschine verbracht werden kann. Abbildung 4: Leica TDA 5005 /TM 5100A; Sokkia Net 1200; V-Stars M; V-Stars E Abbildung 5: GOM Pontos; GOM Atos III; Metris K-Serie; Metris Laserradar Lasertrackertechnologie Abbildung 6: Aufbau eines Lasertrackers 30

3 Durch hochpräzise Winkelencoder, für diese Art der Vermessung optimierte Laserinterferometer und optionale, integrierte Absolutdistanzmesssysteme oder Neigungsmesssensoren, werden die Komponenten Winkel und Strecke, durch Messung auf einen Reflektor, für die Ermittlung der räumlichen 3-D Koordinate bestimmt (Abb. 6). Diese werden an eine übergeordnete Messsoftware, oder als Soll- oder Einstellwerte an Anlagensteuerungen übergeben (Abb. 7). Abbildung 7: Messsoftware und Messprotokoll Aufgrund der verschiedensten Softwareanbindungen werden diese Systeme nicht nur im Bereich Qualitätssicherung, Bauteilprüfung, oder deren Produktion eingesetzt, sondern zunehmend auch im Bereich der Anlagensteuerung, Automatisierung und bedingt durch die Möglichkeit dynamisch bis zu einer Frequenz von 1000Hz Messwerte zu erfassen, in der Roboterkalibrierung. Durch die Entwicklung des modernen Zubehörs T-Cam, T-Probe, T-Mac und T-Scan (Abb. 8), ist es der Firma Leica gelungen die Vorteile einer hochgenauen, handgeführten Messmaschine mit denen von mobilen Messmaschinen zu vereinigen und dem Anwender damit ein höchstflexibles, hochgenaues, mobiles Messsystem für eine große Anzahl von Messaufgaben zur Verfügung zu stellen. Abbildung 8: T-Probe; T-Scan; T-Mac Die Leica LPT (Local Positioning Technology) besteht aus drei wesentlichen Komponenten, dem Lasertacker zur Bestimmung der räumlichen 3D-Koordinaten des Reflektors, der T-Cam zur Erfassung der LED auf dem T-Zubehör und dem T-Zubehör, bestehend aus T-Probe, T- Scan und T-Mac (Abb. 9). Abbildung 9: Lasertracker und Funktionsprinzip der T-Cam von Leica 31

4 Die T-Cam, eine Vario-Zoom-Digitalkamera, ist mit einem Objektiv ausgestattet, dass zwischen 1,5m und 15m immer den gleichen Bildausschnitt aufnimmt und dadurch die erfassten LED immer die gleiche Pixelanzahl auf dem CCD-Chip der Kamera belegen. Daher ist eine gleich bleibende Genauigkeit der photogrammetrischen Komponente gewährleistet. Durch die LED an den Zubehörteilen ist es möglich, zusätzlich zu der Koordinate des Reflektors, die Drehwinkel (roll, pitch, jaw), also die 6 Freiheitsgrade zu ermitteln und damit die Position und die Orientierung zu bestimmen. Die Kommunikation zwischen dem Lasertracker und dem Zubehör erfolgt über die, dem Laserstrahl aufmodulierte, Wellen und die Blinkfrequenz der LED. Die kabellose T-Probe dient der tastenden Messung im statischen und dynamischen Messmodus. Das Erfassen von Punkten im Bereich von Hinterschneidungen und das Messen verdeckter Punkte ist damit ebenso möglich wie das Erfassen von Kanten und geometrischen Elementen. Zur Vereinfachung der Handhabung verfügt die T-Probe über zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete mechanische Interfaces, die der Aufnahme der variabel zu gestaltenden Tastspitzen dienen und über Statusanzeigen in Form von farbigen LED. Der Wechsel der einmal kalibrierten Tastspitzen wird automatisch erkannt und dem System direkt mitgeteilt. Der T-Scan ermöglicht unter Verwendung der gleichen Technologie die dynamische, berührungslose Aufnahme von Flächen mit einer sehr hohen Punktdichte. Dabei wird ein im T-Scan erzeugter Laserstrahl durch einen Rotationsspiegel zu einer Linie aufgefächert (Flying-Dot- Prinzip), von der zu messenden Oberfläche reflektiert und als Punktkoordinate an den Applikationsrechner und die angeschlossene Software (z.b. Polyworks von Innovmetric) weitergeleitet. Der Laserstrahl wird dabei kontinuierlich auf seine Intensität geprüft und beim Übergang von unterschiedlich reflektierenden Flächen, optimal eingestellt. Dadurch besteht die Möglichkeit unterschiedlich stark reflektierende Flächen in einem Arbeitsgang zu erfassen (Abb. 10). Flying dots Surface Abbildung 10: Funktionsprinzip von T-Scan und T-Mac Der T-Mac ist zur Kontrolle und Steuerung von Anlagen, Werkzeugmaschinen und Robotern geeignet. Mit dem variablen Interface und den kleinen Baumaßen ist eine Adaption an die unterschiedlichsten Anlagen möglich (Abb. 10). Die Flexibilität und die Nutzungsmöglichkeit unterschiedlichsten Zubehörs, sowie die damit verbundene Messmöglichkeit unterschiedlichster Messaufgaben, macht die Leica- Lasertrackersysteme im Bereich der mobilen, optischen Messmaschinen einzigartig. 32

5 Neben der Firma Leica Geosystems, die im vergangenen Jahr durch die Firma Hexagon Metrology übernommen und in den Konzern eingegliedert wurde, stellen noch die Firmen Faro und API Lasertracker her. Tabelle 1: Produktübersicht Lasertracker Lasertracker-Systeme API T 3 Faro Lasertracker Leica Tracker LTD840 Lasertinterferometer ja, wahlweise ja, wahlweise ja Absolutdistanzmesser ja ja ja, wahlweise Gewicht ca. 8,5 kg plus Stativ ca. 22 kg plus Stativ ca. 40 kg, incl. Stativ Messvolumen 120 m 70 m 80 m Genauigkeit, untersch. spezifiziert +/ µm/m 20µm + 3,4 µm/m 10µm + 5 µm/m Reflektormessung ja ja ja Probe-Zubehör Intelli-Probe nein T-Probe Scan-Zubehör Intelli-Scan nein T-Scan Da sich aus den unterschiedlichen Messaufgaben, außer bei Serienmessungen, auch die unterschiedlichsten Anforderungen an die Messsysteme ergeben, ist es dem Anwender überlassen, das für ihn und die von ihm zu erarbeitende Messaufgabe, ideale System auszuwählen. Dabei sind Genauigkeits- und Wirtschaftlichkeitsaspekte mit der Handhabung und der Akzeptanz der Messeinrichtung durch die Benutzer und die Auftraggeber, sicher die entscheidenden Parameter, die zum Erfolg eines Messsystems beitragen. 33