Laser Tracker (02)-量測實務

日前有介紹過，對於60英呎(約1.5公尺)的鋁製棒材，有0.2度C的溫差時會有大概7um的熱膨脹長度差異，當雷射追蹤儀需要量測的物件都是非常大的(像747-400的機身長度有71公尺)，而且現場並無法進行溫控，所以溫度差異造成的尺寸誤差是非常可觀的。因此在量測物件之前，就得先量測物件本身的溫度，確定物件本身的溫度為何~通常物件的設計人員會規定至少一個物件要取多少個溫度樣本，在物件的哪幾個地方取溫度樣本，同一時間的溫度樣本的差異不可超過幾度，每隔多少時間要取樣...等限制條件，跟CMM在恆溫條件(20度C+/-1度C)量測比起來，雷射追蹤儀需要注意更多外在因素，溫度就是其中一樣。

有了溫度和尺寸差異的問題後，為了解決這個問題，設計人員會訂定ㄧ個標準溫度(比如說20度C)，並以標準溫度時的尺寸當做標稱尺寸(Nominal dimension)，並以scale bar(我翻做比例尺棒)當做驗算標準，假定今天我在物件平均溫度為25度C時量測了所有尺寸，這些尺寸數據很明顯不可能和標稱尺寸(標稱為20度C)吻合，甚至無法達成公差要求。此時便需要把所有量測數據做Best Fit Transformation(最佳擬何轉換)，轉換的矩陣就和機構學上的正向運動學的座標轉換矩陣類似，有空會再補ㄧ篇數學上的詳細計算~ 經過最佳擬何轉換後，量測數據和標稱尺寸的差異就會小很多，比例也會有所縮放(通常機器人學的關節運算或是CMM的疊代運算是不牽涉比例縮放的)，因此會有個縮放前和縮放後的比值，我翻譯成比例因數(scale factor)，但要如何保證轉換後的量測數據是可信的，此時就得靠比例尺棒了。

比例尺棒必須和物件的材料一致或熱膨脹係數相近，才有辦法驗證轉換的數據可信度。在量測物件溫度後，會再量測比例尺棒的溫度，先確保兩者溫度相近，在量測完物件的尺寸後，會再量測比例尺棒的長度，這比例尺棒的長度並不會參加最佳擬何轉換，而是我們轉換完後，會把比例尺棒的長度乘上比例因數來看比例尺棒的縮放長度是否和其標稱長度一致，如果在公差範圍內就代表轉換的結果是可信的。

這一篇就先寫到這，下一篇還是寫量測實務，因為使用這個儀器要注意的點真的一大堆

雷射追蹤儀(LASER TRACKER)簡介之二

由於雷射追蹤儀是移動式座標量測儀器，因此該儀器非常容易受到外在環境影響，所以在使用前都需做場檢查(Field Check)．場檢查是為了確保環境的變因在量測可接受範圍內，通常要做的項目有： 溫度監測 場地穩定度檢查 雷射追蹤儀角度檢查 ADM/IFM檢查，一套完整的檢查搞下來大約1～2小時，是個耗時費工的檢查儀器．

Laser Tracker (ver. English)

Introduction
Laser Tracker is a kind of PCMM (Portable Coordinate Measuring Machine), for large size object measurement survey.

The applicable object could be like:
Airplane
or :
Submarine

or:
Windmill blades


So it is not hard to image how far this instrument can measure. Generally speaking, the maximum measuring distance of laser tracker is 50-80m.

The accuracy level of laser tracker is about 0.025mm at 5 meter long, 0.075-0.090mm at 80m. Take daily life object to make comparison, 0.075-0.090mm is about the diameter of a hair.

The appearance of this kind of  instrument is as following shown:

Faro Laser Tracker

https://www.faro.com/zh-cn/products…

Leica Laser Tracker

http://www.hexagonmi.com/products/l…

API Laser Tracker

https://www.apisensor.com/products/…

The principle of this instrument is to put one retroreflector on the object to be measured.

Tracker will emit laser beam to the retroreflector, then the retorreflector will reflect the laser beam of laser tracker, tracker will calculate the distance by time deviation between sent and received beam(ADM mode: Absolute Distance Meter) and/or by wave path difference/interference between sent and received beam (IFM mode: InterFerence Meter ).

Then cooperate with azimuth and elevation encoder of tracker, the spherical coordinate of retroreflector will be defined. the spherical coordinate will be transferred to Cartesian coordinate system.

That is the principle of laser tracker.

雷射追蹤儀簡介( Laser Tracker)

雷射追蹤儀通常會用來量測一般CMM量測不了的大型物件，像是列車車廂、船體、離岸風電...等等。重工業越發達的國家越容易使用到該儀器，因此該儀器在台灣並不常見。
其精度表現視廠牌不同而定，一般來說，在5公尺左右約為25um，在80公尺處約為80um，除了上述應用外，雷射追蹤儀也可用於校驗機械手臂的定位精度。
雷射追蹤儀量測的原理是利用一個反射鏡和雷射頭，當雷射頭射出雷射光，經過反射鏡平行反射雷射光，再返回雷射頭，追蹤儀便從射出和接收的時間差計算距離(ADM模式)，或是用雷射光波的干涉計算距離(IFM模式)。
由於量測的物體皆為大型工件，因此溫度的變化對尺寸會有顯著影響，因此量測出來的數據會有所縮放(scaling)，或是將量測的數據做最佳轉換(best-fit transformation)，以便和標準溫度時的尺寸做對照，至於縮放和最佳轉換的工差，會根據不同產業的規範有所不同，這方面就不多贅述。
簡介大致是這樣。