Medición 3D con LASER TRACKER

¿QUÉ ES UN LASER TRACKER? HISTORIA Y FUNCIONAMIENTO. USOS Y APLICACIONES EN LA MEDICIÓN 3D

¿QUÉ ES UN LASER TRACKER? MEDICIÓN 3D Y FUNCIONAMIENTO

Los Láser Tracker son instrumentos de medición por coordenadas (CMM) de contacto. Con una precisión del orden de los 0.025mm. Estos instrumentos de medición 3D brindan los beneficios de las CMM con la versatilidad de ser portátiles.

Están diseñados para la medición de elementos de gran volumen, ya que su rango de medición puede ser de hasta 320m. Su funcionamiento es muy sencillo, es un instrumento que internamente realiza 3 tipos de mediciones en su interior.

Se realizan lecturas de (1) ángulos verticales (cenital) (2) ángulos horizontales (azimutal) y (3) distancia. Los encoders se encuentran en cada uno de los dos ejes móviles del tracker, tienen una resolución de aprox. 0.06 arcosegundos(según modelo).

Para la medición de la distancia, se utilizan dos tecnologías el IFM (interferómetro) y el ADM (Absolute Distance Meter). En el mercado hay laser tracker con ambos sistemas en el mismo instrumento, pudiendo elegir uno de ellos.

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Funcionamiento de un laser tracker. Fuente FARO

El ADM (Medicion de distancia absoluta), tiene como ventajas que es mucho más sencillo para trabajar que mediante IFM (interferómetro), ya que este mide de forma absoluta y el interferómetro de forma incremental.

Esto significa que el IFM necesita de una referencia para calcular la distancia, por lo que si el haz laser se ve interrumpido hay que volver a la posición «home» o de referencia para que mida correctamente. En cambio el ADM mide aunque el haz se pierda, dando al sistema mayor productividad.

El ADM calcula las ditancias con un circuito interno, que analiza por tiempo de vuelo (time of flight) lo que tarda en rebotar sobre el SMR el láser, multiplicando este valor por la velocidad de la luz en el aire. 

 El IFM ha sido y es un sistema más preciso para calcular las distancias. Pero en los últimos años el avance en tecnología ADM ha permitido que las precisiones sean muy similares para ambas formas de calcular las distancias. Además sumando el error angular del laser tracker, esta distancia pasa a ser inapreciable en el uso cotidiano.

Hoy en día hay modelos de laser tracker que sólo incluyen el ADM para las mediciones, quitando el IFM del instrumento pudiendo abaratar costes en la fabricación.

En la siguiente tabla se aprecia a diferencia en el uso de IFM y ADM para el Laser Tracker radian PRO. En las pruebas de distancia en linea hay una mayor precisión para el IFM. En las pruebas de medición de escala horizontal no hay diferencias entre ambos sistemas.

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Comparativa errores típicos y MPE de laser tracker con ADM e IFM de (API). Fuente:Automated Precision, Inc

Para dar estas precisiones de coordenadas 3D, se necesista además del instrumento un retroflector o SMR* cuya función es rebotar el laser para que el aparato consiga realizar los cálculos de distancia y posicionamiento angular de forma precisa. 

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Funcionamiento de un laser tracker y SMR. Fuente FARO

El retroflector o SMR (Spherically Mounted Reflectors) es un útil metálico de forma esférica, que posee en su interior una serie de espejos que reflejan de vuelta la luz laser emitida por el tracker.

El SMR hace que el laser tracker sea un sistema de medición por palpado / de contacto, extremadamente preciso ya que su geometría esférica casi perfecta tiene un centrado de los espejos, con un centrado de hasta 0.0025mm de precisión.

Para la medición de entidades geométricas o superficies mediante el SMR, se necesita de un software que calcule la posición y desfase desde el centro del reflector, a la superficie a analizar.

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Tabla de distintos SMR por tamaño y tipo de uso. Fuente FARO

ELEMENTOS PARA LA MEDICIÓN 3D CON LASER TRACKER

Un Laser Tracker tiene una serie de elementos caracteristicos e imprescindibles para su funcionamiento:

  • Cabezal: Es donde se encuentra todo el sistema láser, encoders y circuitería, es el núcleo del sistema.

  • MCU: La «Master Control Unit» o unidad de control principal.  Es la encargada de calcular y procesar toda la información proveniente de los encoders del ADM/IFM para generar coordenadas cartesianas enviadas através de ethernet/WiFi al software encargado de procesar la información. Disponen también de un sistema de sondas de temperaturas para analizar el estado del aire, temperatura de pieza y aplicar correcciones. En los laser tracker más nuevos este elemento ya esta incluido dentro del cabezal.
  • SMR: Tal y como hemos descrito anteriormente, la medición se realiza sobre el SMR, el uso de uno u otro nos permitirá medir elementos a menor o mayor distancia con un SMR de 1.5″ y con unas dimensiones más reducidas si por ejemplo usamos los SMR de 0.5″.

  • Tripode o soporte: El laser tracker al ser un sistema de medición radial desde el cabezal, debe permanecer completamente estático, sino las mediciones serán erroneas. El trípode o soporte debe ser capaz de soportar el peso y mantener estático el Tracker. Normamente se usan trípodes plegables en servicios de medición, o trípodes de fundición de gran tamaño para mediciones en entornos controlados.
  • Cableado y sondas: Hay Laser Tracker que necesitan más cableados que otros, pero en todos se necesitan, sondas de temperatura, cable ethernet de conexión con PC (modelos sin WiFi), cable de conexión con MCU, y cable de alimentación.

  • Software: Sin un software de metrologia avanzado, no es posible realizar las mediciones 3D con Laser Tracker, ya que estos son los encargados de convertir los datos provenientes de la MCU, a la creación de elementos geométricos (planos,circulos,colisos,esferas…) comparar contra nominales de un CAD, realizar alineamientos, ajuste de mauinaria,utillaje etc…Los softwares de metrologia avanzados incluyen plug-ins o tienen posibilidad de usar un SDK para utilizar diferentes trackers del mercado.

  • Utiles de medición: No son tan imprescindibles como los anteriores elementos, pero son muy recomendables para incrementar la productividad de la medición con Láser Tracker. Entre ellos se encuentran los nidos, que son bases normalmente para los SMR de 1.5″, y fijándolos a la pieza nos dan información de un punto fijo respecto al láser. Utiles de 1/8″ son útiles con un vástago que tiene esa dimension para medir elementos circulares que no tienen visual directa por el tracker o son de un tamaño inadecuado para medir con un SMR.

HISTORIA Y COMIENZOS

El primer laser tracker fue inventado en 1987 por DR. KAM Lau mientras estaba en el NIST, comenzó construyéndolo con su propio dinero. Recuerda el Dr. Lau.“Ninguna empresa estaba invirtiendo;estaban más interesados ​​en contratarme para su I+D” Por ejemplo IBM, estaba interesada a contratarle pero para su departamento de I+D con 1 millón de dólares al año. Esto le hizo ver el potencial de su invento y renunciar, para así abandonar el NIST y fundar API.

Los comienzos estuvieron llenos de desafios, como el uso del interferómetro en una instrumento móvil, y el uso de motores con bajas revoluciones para permitir el rastreo del reflector correctamente.

En 1989 se encontró un socio industrial para producir los laser tracker. En diciembre de ese mismo año se firmo con la empresa suiza Wild, enseñándoles a fabricar laser tracker basándose en el prototipo de API. (Posteriormente Wild se convirtiría en Leica Geosystem y luego en Hexagon AB)

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Patente 4.714.339 para el funcionamiento de un Laser Tracker.

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Dr.Kam Lau con el primer Laser Tracker API

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SMART 310 Primer Leica laser tracker industrial. Basado en el prototipo 310 de Kern Swiss Fuente: 200swissgeo.ch

Paralelamente a API y LEICA(Hexagon), FARO empresa americana también creada en los 80, en sus comienzos comenzó a fabricar brazos de medición 3D (CMM). Y a finales de 2001 comienzos de 2002 adquirió la tambén americana SMX (SpatialMetrix Corp.) especializada en la metrología y en la fabricación de láser tracker.

 

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Laser tracker SMX. Actualmente FARO. Fuente: SpatialMatrix Corp.

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Actualmente los principales fabricantes de laser tracker son tres, FARO, LEICA y API.

TIPOS DE LASER TRACKER

Es evidente que los laser tracker han ido mejorando con los años. Pero estas mejoras han sido más evidentes en cuanto a las dimensiones de estos y su portabilidad, y conectividad con otros dispositivos. Ya que su precisión ha mejorado, pero no de forma tan determinante.

  • Por tecnología de medición

Para diferenciar los laser tracker podríamos diferenciarlos entre; (1) los que usan sólo interferómetro (modelos con bastante antiguedad), (2) los que usan interferómetro y  ADM y (3) los que sólo usan ADM.

Como hemos descrito anteriormente el uso de IFM (interferómetro) sólo será determinante en mediciones lineales, donde la mejora de precisión en distancia puede ser determinante.

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Equipo Laser Tracker fabricado con y sin interferómetro. Fuente FARO.

  • Por capacidad de conexión con otros dispositivos 6 DoF

La mejora de conectividad de los Laser Tracker hoy en dia ha sido significativa.  Tanto en la conectividad del Tracker – PC, mediante protocolos WiFi y Bluetooth quitando cables ethernet. Como en la conectividad del propio tracker con otros dispositivos auxiliares de medición.

Actualmente existen diversos instrumentos de todos los fabricantes que permiten la medición de elementos no visibles por el tracker. En un principio los Laser Tracker sólo podían realizar mediciones de elementos que mantengan la visual con el SMR asíque por cuestiones físicas era imposible de la medición.

Dentro de los catálogos hay fabricantes que según el rango o gama del Laser Tracker escogido, puedan equipar dispositivos con palpadores inalámbricos denominados 6DoF (Degrees of Freedom-grados de libertad) que permiten una versatilidad mayor en las mediciones de gran volumen. A continuación se muestran las diversas soluciones por fabricante:

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Opcion palpador 6DoF de LEICA. Fuente: HEXAGON

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Opcion palpador 6DoF de FARO. Fuente: FARO

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Opcion palpador 6DoF de API. Fuente: API

  • Rango de medición

También dentro de cada gama, los fabricantes permiten la medición a menor o mayor distancia. Evidentemente esto puede incrementar el coste del equipo. Las distancias de medición pueden variar entre los 20m/35m /50m /80m /320m. Cada fabricante tiene sus gamas y limitaciones en cuanto a la ditancia de medición.

Hay que tener en cuenta que la precisión va bajando conforme la distancia se va incrementando, podemos tener un error unas 7 veces mayor si comparamos una medición a 5 metros 0.025mm, con una a 50 metros 0.190mm.

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PRECISIÓN DE LOS LÁSER TRACKER. EVOLUCIÓN EN LA MEDICIÓN 3D

Los sistemas Laser Tracker, han ido mejorando su precisión con el tiempo. Pero esta mejora ha sido muy lineal. Como comentábamos antes las mejoras han sido en facilidad de uso y rapidez de medición. En la siguiente tabla comparativa están las diferencias de precisión de dos equipos con 10 años de diferencia para un mismo fabricante.

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Precisión Laser Tracker 2022/2013

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Precisión Laser Tracker 2022/2023

La verificación de la precisión de los Laser Tracker se realiza en base a normativas ISO y ASME. Dando valores MPE que son el máximo error permitido, en base  ISO 10360-10:2016 / ASME B89.4.19-2006.

Estos valores suelen ser el doble de la desviación típica, como se puede observar en las siguientes tablas:

error mpe laser tracker

Precisiones de medicion 3D. Escala horizontal y medición lineal.

SECTORES DE APLICACIÓN

SECTOR INDUSTRIAL

Estos dispositivos han sido durante mucho tiempo las herramientas de metrología elegidas para empresas que prestan servicios en los sectores aeroespacial, automoción y sectores de fabricación a gran escala.

Los láser tracker destacan por su portabilidad, tamaño y precisión que otorga para medir piezas de gran escala que serían imposible medirlas por una máquina MMC tradicional.

Alineación

Ensamblaje asistido

Creación de prototipos

ingeniería inversa

 

SECTOR AERONAUTICO

Si algo caracteriza al sector aeronáutico son su caracteristicas de grandes dimensiones, incluso en aeronaves de menor tamaño.

Para cumplir con los rigurosos estándares de calidad es necesario controlar, además de la fabricación de cada uno de los elementos, todos los útiles auxiliares como gradas de montaje y realizar una alineación correcta de los distintos conjuntos.

El uso de Laser Tracker, permite realizar mediciones 3D muy fiables que facilita la puesta en geometría de utillajes, montaje y control final. Además esta tecnología permite la calibración de elementos de control y creación de modelos 3D a partir de piezas físicas.

El control de calidad mediante Laser Tracker en este sector supone un ahorro ya que se evitan errores de montajes futuros, y si se desecha una pieza a tiempo evita parones en la linea de montaje. Desde el proceso de mecanizado de las piezas al montaje final.

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Medición 3D sector aeronáutico. Fuente: Hexagon

SECTOR MECANIZADO

Incluso se pueden realizar mediciones paralelamente al mecanizado, detectar e identificar problemas a la medida que surgen. Garantizando la calidad de las piezas cuando se retiran de la máquina.

El uso de los Laser Tracker en el sector del mecanizado es de gran utilidad. En la mayoría de los centros de mecanizado disponen de un departamento de calidad para verificar la calidad de su producción. Normalmente este chequeo lo hacen mediante tridimensionales CMM fijas. Las cuales tienen gran precisión, pero tienen la limitación de que no pueden medir más que un volumen determinado. Por ello en el mecanizado de grandes dimensiones, es necesario usar estas herramientas como métodos de control de calidad y medición 3D. Ya que el tamaño no es un factor limitante para los Laser Tracker.

SECTOR MAQUINA HERRAMIENTA

El sistema láser tracker es utilizado también en comprobación de máquina herramienta, alineación y nivelación. Ajuste de parámetros para el funcionamiento correcto de la máquina. Esto ayudará a mejorar la calidad de las futuras piezas mecanizadas, reduciendo posibles sobrecostes.

AJUSTE DE UTILLAJE

Los Laser Tracker permiten realizar mediciones 3D muy fiables que facilita la puesta en geometría de utillajes, montaje y control final.De una forma dinámica ya que se visualizan los resultados en tiempo real.

Muy utilizado en el sector de la automoción y aeroespacial.

INGENIERÍA INVERSA

Gracias a su precisión y captura de datos, es posible realizar ingeniería inversa de piezas de piezas antiguas de las que no se dispone planos o modelo 3D. El láser tracker se puede combinar con un sistema de escaneado 3D para agilizar el proceso de digitalizado de superficies complejas, y usar el sistema de palpado mediante SMR para los elementos geométricos simples como cilindros, planos etc..-.

¿COMPRO/ALQUILO UN LASER TRACKER VS CONTRATAR  SERVICIOS?

Alquiler de láser trackers vs. contratación de profesionales

Estos dispositivos están muy extendidos hoy en día, a diferencia de hace unos años que sólo pocas empresas podian permitirse, muchas PYMES disponen de uno o varios dispositivos.

El alquiler de un laser tracker por ende es también muy accesible. Para las empresas que dispongan de personal cualificado en metrología y en el uso de estos instrumentos es una opción muy rentable si las mediciones son esporádicas.

No obstante para aquellos que no son metrólogos experimentados, ni dispongan los conocimientos no es lo más recomendable,  ya que el resultado en una medición no depende del aparato sino del personal que lo maneja.

Cualquier equipo de los 3 fabricantes antes mencionados da una precisión similar, pero una mala alineación, errores en la medición o interpretación de los datos puede generar un informe equivocado.

Si necesita de una medición con laser tracker, tendrá que evaluar los costes de alquiler y envio del equipo vs el tiempo de medición y el coste que supone el contratar a un profesional.

Desde FOVEA se ofertan, servicios de medición con metrólogos experimentados, con más de una década dando servicio en el sector de la metrología y control dimensional.

VENTAJAS DE LA MEDICIÓN 3D MEDIANTE LASER TRACKER

01.  La versatilidad, son equipos que al tener gran portabilidad permiten realizar mediciones de piezas y elementos de toda índole.

02. Ahorro en tiempo = costes.  El dinero invertido en control de calidad, o el ajuste de maquinaria, tiene un ROI muy bueno debido a la fiabilidad en las mediciones, y no perder tiempo en fallos de montaje, o falta de compatibilidad de piezas.

03.Flexibilidad y accesibilidad. Gracias al alcance de estos equipos hasta 160 metros, permiten realizar mediciones con precisiones submilimétricas de elementos de gran tamaño.